船舶电站模拟训练系统的研究

李凯 徐进 刘乔

（广东海洋大学 广东省湛江市 524088）

1 引言

船舶电站是船舶机舱的重要组成部分，也是船舶现代化程度的重要标志。轮机工程专业的实践性很强，因此要培养出高素质的轮机工程师，必须加强学员实训环节的培养。由于利用实船训练的成本非常高，且其维护保养复杂麻烦，目前高校在培养轮机工程专业学生的过程中都是采用模拟训练代替实船进行培养。本研究依托组态软件，开发纯虚拟的船舶电站模拟训练系统，借助计算机仿真技术对船舶电站的控制过程、操作步骤进行仿真模拟，实现对船舶电站系统的虚拟仿真，从而节约实训的投入成本和维护管理成本，同时激发学生的学习兴趣。

虚拟仿真是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，目前在很多领域都获得应用，具体地说，就是依托计算机操控技术为核心形成生动逼真的视觉和触觉直观化的仿真环境。本文在对船舶电站系统仿真时选用组态软件为工具，结合实船电站系统的结构和原理进行建模仿真设计，从而节约训练成本，同时减小维护管理的强度。学生在实际训练过程中可通过键盘或鼠标在界面上进行交互，就可满足教学训练相关要求。仿真的结果表明，纯软件的船舶电站实训系统不仅满足训练的要求，还可克服传统的实验教学存在的成本高和受场地和空间限制等缺点，拓展师生研发能力的培养。

2 船舶电站系统

船舶电力系统主要由发电、配输电以及电用设备等部分组成，在船舶电力系统中对发电机输出的电能进行检测、监控、分配和保护的装置称为船舶电站。船舶电站是船舶电力系统的指挥中心。船舶电站涵盖了船舶的“发电-配电-用电-输电”过程中的各个环节。目前现代船舶电站系统涉及的工作原理包括：

（1）保证供配电方式和电网结构，以及继电保护等方面切实可行。

（2）发电机组的运行管理。

（3）发电机电压和无功的调整。

（4）船舶电网功率和频率的调整。

（5）船舶电网的安全用电。

主配电板是船舶电站的核心，依据船舶电力系统要求进行设计和制造。向主配电板供电的是船舶主发电机，一般都设在船舶机舱的副机舱室内，主配电板通常与船舶主机的操纵台一起安装在集控室中。如图1所示，船舶主配电板包括发电机控制屏、并车屏、负载屏和连结这这些屏的汇流排四部分。

图1：船舶主配电板的结构图

3 基于PIMS的船舶电站模拟训练系统开发

3.1 组态软件介绍

组态软件在人机交互控制领域被广泛的应用，其主要是实现过程控制和数据采集相关功能，在一定平台环境下，用户可通过其灵活的组态方法，高效的进行工业监控，为实现自动控制功能打下良好的基础。组态软件可以方便的进行配置，且可实现很多复杂的功能，目前其应用范围不断扩大，如在化工、电力系统、给水、石油相关领域都获得应用。通过调查发现目前应用比例较高的组态软件有InTouch、Citech、iFix，以及国内的MCGS、组态王等，各有一定的优缺点和适用范围。本文在开展研究时经过对比分析可知此PIMS软件在工业监控与控制领域被大量的应用，而且相应的开发技术很成熟，故最终选择PIMS组态软件作为工具。PIMS 是浙江中控公司研发的生产信息管理系统，其开发环境自带数据库，可进行界面设计、动画定义、数据库配置等多种功能。在该软件运行过程中，用户可通过其高效、快速地建立起各种类型的数据管理系统，有明显的实用性和便利性。具体表现出以下特点：

3.1.1 客户/服务器体系结构

有很强的支持性，对分布式的客户端和服务器都支持，一次定义后就可根据应用要求多处调用，也显著简化了系统管理过程。

3.1.2 强大的数据库处理核心

数据库可以实现的功能很丰富，如数据转换、记录、PID控制相关的功能，在核心极也可根据应用要求进行特定的控制。

3.1.3 可靠的冗余系统

支持IO冗余、主机和通讯冗余，对各类故障都可以高效准确的进行监测，同时也可自动响应，这对提升系统运行可靠性有重要作用。

3.1.4 具备丰富的IO驱动

对不同类型的IO通讯接口都支持，同时还提供了针对性的智能模块、PLC、板卡接口，以及OPC、DDE相关的接口。

3.1.5 逼真的图形系统

在进行组态过程中可调用丰富的颜色，如过渡色、透明色，有很多常用零部件的标准图形，如泵、阀、仪表的，这样就可以直接进行调用操作。也可基于应用要求自定义图库，为其后操作提供可靠支持。

3.1.6 功能强大的脚本系统

其中设置很多触发形的脚本，以及可满足特定功能要求的自定义函数。

3.1.7 网络发布

可实现网络发布功能，通过软件自带的WebServer工具实现。

3.2 模拟实训系统的设计

3.2.1 人机界面设计

通过查阅软件的说明书可知该软件设置有多种作图工具，可设置不同类型逼真的图形界面，且对应的界面直观性强，降低了船舶电站系统仿真建模的难度。为降低开发的难度和减少冗余设备的配置，船舶电站模拟训练系统在开发时参照母型船的结构选取主要的界面进行开发，模拟电站设计时尽量利用软件中自带的功能模块进行，完成设计后适当调整坐标以便直观显示。如图2所示。

图2：船舶电站模拟训练系统人机界面

3.2.2 数据库建立及动画连接

人机界面后设计结束后，接着对其中的各开关、阀门、按钮相关对象进行编号，其后还应该在点组态数据库中设置与此相关的数据变量，这些变量在定义后，在逻辑控制程序编写过程中可直接的调用，这样进一步简化了编程过程。图3显示出数据库的组态界面情况，在基本参数页面对参数的名称和阈值进行说明。这个过程所得到的图形界面为静态的，为在运行过程中良好的显示动态效果，需要对设置的数据变量进行关联。这种建立关联的过程也就是“动画连接”。在动画连接建立起后，数据库中的变量改变情况下，图像也就根据设置的关联进行同样的改变。

图3：数据库的组态界面

3.2.3 功能调试

变量设定结束后，接着根据船舶电站系统的操作步骤和控制原理，利用软件的脚本语言进行编程。以船舶电站系统的副机备车过程和故障设置过程为例进行说明。副机备车系统的作用在加强学生对发电柴油机备车过程的认识，使其熟练掌握柴油机备车操作的规程。在对此界面进行设计时，重点展示出备车时的操作流程，根据发电机备车的规程进行设计。在设计时，按照操作要求将备车时用到的阀件、管路、仪表等直观显示。界面设计结束后，接着根据对应的控制逻辑在窗口中进行脚本编程。以下显示出一些脚本的代码。在脚本编写结束后接着测试备车系统，确定出其是否满足控制相关要求，最后确定满足要求的最终控制脚本。图4显示出备车系统界面运行场景，当界面中机组绿灯亮对表示备车操作正确且备车工作完成。

图4：备车系统运行场景

故障设置界面在应用过程中主要是设置相应的电站系统故障，针对教练员客户开放权限。该功能可以使学生在训练过程中查找和定位故障，故障解决后对其复位方可将故障消除。在此环节设计时，需要进行交互界面设计、数据添加，数据连接等方面操作。如针对电站系统的接地故障和阀门异常故障进行设置。在主配电板上单相接地故障的出现比例较高，应该及时的发现并处理。为对这种接地故障进行高效显示，在主配电板上设有“地气灯”。在没有故障情况下，R、S、T三盏灯上的电压保持一致，因而三者的亮度相同。在异常情况下其中某一相接地故障后，对应的灯变暗或灭，而另外两个灯的亮度增加。教员在故障设置界面点击“R相接地故障”按钮情况下，界面上对应的地气灯变亮，且发出声光提示，操作者需要进行分区域断电查找，判断出发生故障的相，然后按要求处理。

图5：故障设置运行场景

失磁故障主要出现在机组启动时，教练员端按下1号机组失磁按钮，此时按钮由变红，记录当前系统的故障。学生在进行故障检查时启动此机组，达到额定转速后，电压达不到额定电压。学生通过分析和检查，确认出该故障为失磁故障，将发电机停止并按下充磁按钮充磁后，主配电板的失磁故障恢复正常，教练员端的失磁按钮恢复绿色，学生重新按下发电机启动按钮，可正常建立起电压。

本系统经过不断的校验和测试后，虚拟电站实训系统终于开发成功。通过试运行分析发现其显示的状态、操作流程和实际电站系统的基本一致。总体该模拟实训系统可完成以下功能的操作：

（1）发电机手动准同步并车、手动解列和停机操作；

（2）发电机组的手动解列和手动停车；

（3）常规电站切换至自动化电站的操作；

（4）发电机组的自动起动，自动并车及自动调频调载；

（5）发电机组的自动解列和自动停机；

（6）重载投入电网的操作；

（7）分级卸载功能测试操作；

（8）风油紧急切断功能测试操作；

（9）重要负载互为备用及逐级自动延时起动功能测试操作；

（10）查找和排除船舶电力系统常见故障。

4 结束语

本文基于PIMS组态软件对船舶电站模拟实训系统进行开发，不仅能够满足轮机工程专业核心课程“船舶电站”的教学及实验需求，还能够为师生开发其他仿真实训系统提供思路。该系统的操作类似于游戏操作，有效激发了学生的主观能动性，学生的学习效率得到提升，也大大降低了训练成本。