虛擬船舶中壓電站系統(tǒng)設(shè)計

郭家建，李婷云

?

虛擬船舶中壓電站系統(tǒng)設(shè)計

郭家建，李婷云

（福建船政交通職業(yè)學院，福州 350007）

虛擬船舶中壓電站系統(tǒng)以實際船舶的中壓電站為原型。系統(tǒng)利用組態(tài)軟件PIMS作為開發(fā)平臺，通過數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、人機交互界面設(shè)計及程序腳本的編寫，實現(xiàn)虛擬船舶中壓電站系統(tǒng)的各項操作功能。本系統(tǒng)是一個開放的系統(tǒng)，功能可以拓展。系統(tǒng)可以網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，在學員培訓方面具有良好的應(yīng)用前景。

船舶 中壓電站 虛擬

0 引言

隨著船舶的大型化、集中化、自動化發(fā)展，船舶的電氣設(shè)備日益增多，船上的用電負荷迅速提升，使得船舶電力系統(tǒng)的容量在從量變向質(zhì)變發(fā)展?，F(xiàn)代大功率船舶采用傳統(tǒng)的380 V(50 Hz)或440 V(60 Hz)低壓電力系統(tǒng)會存在一系列問題，如電纜用量過大，電纜布置困難，短路電流過大等問題，而6600 V的交流中壓電力系統(tǒng)在經(jīng)濟性、可靠性、安全性上有著獨特的優(yōu)勢，因此中壓電力系統(tǒng)是大功率船舶的很好選擇[1]。

國際造船業(yè)發(fā)展至今，中壓電力系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各種船型中，要求電子電氣員和輪機員具備一定程度的中壓電力系統(tǒng)知識和操作技能。STCW公約馬尼拉修正案和我國海事局的電子電氣員和輪機員適任考試大綱（理論考試知識點和評估）都有明確要求[2]。船舶中壓電站的操作訓練與考核也越來越受到重視。

船舶電站操作的實踐性很強，要培養(yǎng)出高素質(zhì)船舶機電管理人員，必須加強學員的實操訓練環(huán)節(jié)[3]。利用模擬器進行船員培訓是一種安全、經(jīng)濟、有效的做法。傳統(tǒng)的物理模擬器，運行、維護成本高，培訓效率低。本文利用組態(tài)軟件PIMS設(shè)計純虛擬的船舶中壓電站系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

1）系統(tǒng)的開發(fā)和運行的成本低；

2）可同時對多人進行培訓，效率提高；

3）系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

1 虛擬船舶中壓電站系統(tǒng)的組成

虛擬船舶中壓電站系統(tǒng)是以實際船舶的中壓電站為原型，將實船上的中壓電站的各個工作過程進行模擬仿真，如實還原中壓電站系統(tǒng)的各種工作狀態(tài)，便于學員掌握中壓的電站相關(guān)操作。虛擬船舶中壓電站系統(tǒng)模擬2臺主柴油發(fā)電機，模擬發(fā)電機的參數(shù)如下：額定功率3800 kW，額定電壓6600 V，額定頻率60 Hz。虛擬船舶中壓電站系統(tǒng)的組成包括：2個主柴油發(fā)電機控制屏、并車控制屏、側(cè)推控制屏、小車開關(guān)控制屏。

虛擬船舶中壓電站系統(tǒng)開發(fā)內(nèi)容包括：系統(tǒng)功能分析、人機交互界面設(shè)計、數(shù)據(jù)庫設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等。系統(tǒng)的開發(fā)流程如圖1所示。

圖1系統(tǒng)開發(fā)流程圖

2 人機交互界面設(shè)計

虛擬船舶中壓電站系統(tǒng)利用組態(tài)軟件PIMS作為開發(fā)平臺。組態(tài)軟件PIMS具有實時多任務(wù)、畫面顯示組態(tài)功能、豐富的功能模塊、良好的開放性及實時數(shù)據(jù)庫功能。人機界面是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，即人機交互的平臺，利用PIMS軟件來創(chuàng)建友好的人機交互界面。

2.1畫面組態(tài)的設(shè)計

在PIMS軟件中，進行畫面組態(tài)的設(shè)計。根據(jù)實際船舶中壓電站控制屏的樣子，在組態(tài)軟件PIMS中繪制出一樣的畫面。PIMS軟件的一大優(yōu)點，就是畫面組態(tài)的設(shè)計方便、快捷。PIMS軟件提供了大量的儀器、儀表等功能模塊，用戶可以直接使用；而一些沒有的功能模塊可以通過對相近模塊進行改造得到，從而可以快速創(chuàng)建優(yōu)美、逼真的畫面。以主柴油發(fā)電機控制屏為例，包含：電壓表、電流表、功率表等多種儀表，多個指示燈、按鈕和開關(guān)。主柴油發(fā)電機控制屏人機交互界面如圖2所示。整個畫面生動、形象，讓操作者有身臨其境的感覺。

圖2 No.1主柴油發(fā)電機控制屏

2.2建立動畫連接

畫面組態(tài)是靜止的畫面，要實現(xiàn)操作訓練的功能，必須讓畫面動起來，這就需要建立動畫連接。利用動畫連接可以建立圖形對象和變量或表達式之間對應(yīng)關(guān)系，一旦建立了動畫連接，那么在系統(tǒng)運行時，圖形對象會依照不同的動畫連接方式而隨著變量的變化做出相應(yīng)的動作。所以做過動畫連接的圖形對象可以反映變量或表達式的狀態(tài)，進而反映設(shè)備的運行狀況。

比如變量PA008的值表示柴油發(fā)電機主開關(guān)合閘指示燈的狀態(tài)。為了在畫面中反映它的狀態(tài)，可以先在畫面系統(tǒng)中繪制一個燈，然后再給該燈關(guān)聯(lián)動畫連接。使得當PA008的值等于0時，顯示出暗綠色，表示柴油發(fā)電機主開關(guān)分閘；而在PA008的值等于1時顯示出鮮綠色，表示柴油發(fā)電機主開關(guān)合閘；如下圖3所示。這樣通過觀察圖形的顏色，就可以判斷柴油發(fā)電機主開關(guān)的狀態(tài)了。

圖3 指示燈變化圖

3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

PIMS組態(tài)軟件融合了先進的數(shù)據(jù)接口技術(shù)，先進的通訊技術(shù)，現(xiàn)場總線技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計，利用的是PIMS組態(tài)軟件中的點組態(tài)數(shù)據(jù)庫。點組態(tài)數(shù)據(jù)庫一種實時的數(shù)據(jù)庫，是PIMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理核心，是系統(tǒng)開發(fā)的重要支持部分。

利用組態(tài)軟件PIMS中的點組態(tài)數(shù)據(jù)庫來定義船舶中壓電站系統(tǒng)中的控制對象，包括：儀表、指示燈以及按鈕等等。船舶中壓電站系統(tǒng)中包含了大量的控制對象，根據(jù)控制對象的特點，在點組態(tài)數(shù)據(jù)庫中定義成不同的變量類型。例如：指示燈定義為開關(guān)變量，儀表定義為模擬變量。定義變量的目的是為了讓控制對象實現(xiàn)相關(guān)的動作，從而模擬實際船舶中壓電站系統(tǒng)的工作過程。

將所有控制對象的變量都定義在點組態(tài)數(shù)據(jù)庫中，方便系統(tǒng)調(diào)用。而在系統(tǒng)運行前，也有利于系統(tǒng)的調(diào)試。

4 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

完成界面設(shè)計和點組態(tài)數(shù)據(jù)庫設(shè)計后，通過腳本語言的編寫，讓界面上的控制對象動起來，最終實現(xiàn)實際船舶中壓電站系統(tǒng)工作狀態(tài)的仿真。PIMS的腳本系統(tǒng)是一種基于對象和事件的編程語言?？梢哉f，每一段腳本都是與某一個對象或觸發(fā)事件緊密關(guān)聯(lián)的。腳本類型包含：1）在對象上的腳本，如動畫連接；2）事件驅(qū)動的腳本，主要用來實現(xiàn)各種復雜的控制邏輯關(guān)系，事件的來源可以在數(shù)據(jù)庫上，也可以在人機界面上。

虛擬船舶中壓電站系統(tǒng)主要可實現(xiàn)以下功能：

1）發(fā)電機手動起動、手動合閘；

2）發(fā)電機手動分閘、手動停機；

3）發(fā)電機手動準同步并車、手動負荷轉(zhuǎn)移；

4）發(fā)電機手動解列、手動停機；

5）發(fā)電機自動起動、自動準同步并車；

6）發(fā)電機自動負荷轉(zhuǎn)移、解列和自動停機；

7）中壓負載起、停操作；

8）中壓電站的“五防”聯(lián)鎖。

圖4 程序流程圖

這些功能的實現(xiàn)，事件驅(qū)動的腳本的編寫是關(guān)鍵。以發(fā)電機手動準同步并車、手動負荷轉(zhuǎn)移功能為例，初始狀態(tài)為No.1柴油發(fā)動機正常工作，由于負載增加，需并聯(lián)一臺柴油發(fā)動機運行。發(fā)電機手動準同步并車、手動負荷轉(zhuǎn)移的工作過程為，首先起動備用機組；然后在滿足并車條件的情況下，選擇恰當?shù)臅r機并車；最后進行手動負荷轉(zhuǎn)移。根據(jù)工作過程分析，先設(shè)計程序流程圖，其程序流程圖如圖4所示。然后根據(jù)程序流程圖，編寫腳本程序，最終完成工作過程的仿真，實現(xiàn)其操作功能。

5 網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

本系統(tǒng)還可以進行Web發(fā)布。在PIMS上進行相應(yīng)的設(shè)置，便可以將系統(tǒng)發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上。在使用IE瀏覽器瀏覽系統(tǒng)前，需要對IE瀏覽器做一些必要的設(shè)置。在系統(tǒng)運行時，學員打開瀏覽器，在地址欄中輸入Web服務(wù)器所在的IP地址并回車，即可在瀏覽器上看到運行的畫面。此時，學員可以進行相關(guān)的操作訓練。

6 結(jié)束語

利用PIMS組態(tài)軟件設(shè)計的虛擬船舶中壓電站系統(tǒng)，具有界面逼真，動作形象的特點。系統(tǒng)操作方便，大大提高了學員的訓練效率，同時節(jié)約了訓練的成本。在學員培訓方面具有良好的應(yīng)用前景。本系統(tǒng)是一個開放的系統(tǒng)，可以根據(jù)需要添加新的功能。此外，后續(xù)還可以開發(fā)自動評分系統(tǒng)，對虛擬船舶中壓電站的操作項目進行電腦評分。

[1] 李凱, 秦俊峰. 船舶中壓電站模擬器系統(tǒng)的研制[J].欽州學院學報, 2015, 30(11).

[2] 左蕾寧, 沈永福, 徐筱云. 輪機模擬器在高壓電力系統(tǒng)培訓中的應(yīng)用[J]. 航海技術(shù), 2012, (6).

[3] 李凱, 徐軼群, 鄒文俊. 船舶電站物理仿真模擬器的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 集美大學學報(自然科學版), 2013, 18(3).

Design of Medium Voltage Power Station System on Virtual Ship

Guo Jiajian, Li Tingyun

（Fujian Chuanzheng Communications College，F(xiàn)uzhou 350007）

U664

A

1003-4862（2018）02-0046-04

2017-11-20

福建省中青年教師教育科研項目（科技），編號：JA15660

郭家建(1985-)，男，講師。研究方向：船舶電氣、虛擬仿真。Email：happyguojiajian@163.com