船舶主機曲軸箱油霧濃度探測器仿真

楊澤宇，王 琪，王前進

(南通航運職業技術學院輪機工程系，江蘇南通 226010)

0 引言

曲軸箱濃度探測器作為1種重要的安保監測設備，擔負著大型船舶主機運行狀態監測和安全運行維護的重任.自20世紀50年代“瑞納·德爾·帕西菲哥”輪發生曲軸箱爆炸事故以來，油霧濃度探測器已在大功率船舶上廣泛應用，對其的使用和維護管理也受到越來越多的重視.［1]中國海事局［2]將油霧濃度探測器的維護管理內容作為海船船員(大管輪)適任證書考核的主要內容之一，列入實際操作考核評估項目.目前，各海事院校和船員培訓機構在實訓和考核評估中大多采用口述取代實物操作，一些院校或培訓機構雖然購買了昂貴的設備，考慮到運行成本也只進行“比劃”式訓練.由于維修管理人員的技術熟練程度對船舶生產安全、設備使用效率、設備使用壽命和經濟效益起著決定性作用，提高培訓質量已成為亟待解決的課題之一.

隨著計算機技術、多媒體技術以及自動控制技術的飛速發展和廣泛應用，以計算機系統開發為基礎的各種仿真訓練器已成為當今重大生產設備或過程控制設備操作人員上崗培訓的必備設備，在石油化工、航空航天和航海等諸多領域廣泛使用.將基于計算機技術的油霧濃度探測器仿真裝置用于培訓，可反復操練在實船上不允許隨便進行的操作，使受訓人員在短時間內能獲得實船工作多年才能積累的經驗，并總結因操作不當或失誤而造成的事故教訓.

目前，我國已經開發出一些功能強大的輪機仿真訓練器，但尚未有真正意義上的油霧濃度探測仿真訓練器.本文介紹以Mark 5型油霧濃度探測器為仿真對象的仿真系統的結構組成，分析基于King-View 6.5的仿真系統的設計和實現過程，以期對小型設備的仿真訓練器的開發提供借鑒.

1 仿真對象的工作原理

Mark 5型油霧波度探測器是英國GRAVINER公司生產的主要用于檢測主機工況的監測設備.主機一旦工作不正常，會立即報警并發出主機減速或主機停車指令，以保護主機.［3]Mark 5型油霧濃度探測器控制系統的工作原理見圖1.系統通過風機抽取主機汽缸曲軸箱內潤滑油的油霧作為采樣，并將其送進檢測室，通過光電轉換裝置將油霧濃度信號轉變為電信號，由單片機監測并將監測值與預設的參考值進行比較，控制輸出報警和顯示.油霧濃度可反映主機工況，當主機工況不正常時(如不正常的軸承磨損以及過熱等會導致主機曲軸箱內溫度升高)，曲軸箱內的潤滑油揮發，使油霧濃度增加，當濃度高于正常值時，系統會發出報警、減速甚至停車信號.

圖1 Mark 5型油霧濃度探測器控制系統工作原理

系統以單片機為監視報警的核心部件，具有采樣準確、執行速度快以及自檢功能強大等優點.單片機通過采樣通道選擇譯碼/驅動電路，選中1路采樣信號，在光電檢測室內將油霧濃度信號轉變為電信號，再由電流/電壓轉換放大器和多增益放大器放大后送到模數轉換電路.單片機將其檢測得到的數字信號與預設值進行比較，同時將此新檢測值用于平均值計算，再將新平均值與預設的平均值極限比較，如果超限，就輸出報警、減速甚至停車信號，并在液晶顯示器上顯示報警值和通道號;如未超限，則只顯示檢測值及通道號.

2 仿真對象的結構設計

Mark 5型油霧濃度探測器仿真系統為2級分布式結構，其結構組成見圖2.第1級為計算機，由組態監控軟件開發現場監控和數據采集系統(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)，通過RS485通信線和下位機可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)串口通信;第 2級由下位機PLC和硬件盤臺組成.硬件盤臺的設計按實物界面1∶1設計，盤臺下部設有故障信號設置箱，內有6個模擬船舶主機曲軸箱內油霧濃度的電位計、1個氣路模擬信號變送單元、1個采樣系統故障模擬信號變送單元、1個光學系統故障模擬信號變送單元、1個靈敏度調節電位器和1個模擬方式測試信號發送電位器等裝置.各仿真信號通過輸入接口讀入PLC，經邏輯判斷輸出2路，1路經RS485通信線與上位機相連，1路直接輸出至硬件盤臺進行功能顯示.上位機操作系統選用Windows XP，監控軟件選用KingView 6.5.計算機作為上位機可提供良好的人機界面進行全系統的監控和參數設置;PCI板卡和傳感器作為下位機，結構簡單、信號來源直觀、執行可靠.

圖2 油霧濃度探測器仿真系統結構組成

2.1 上位機軟件設計

上位機軟件采用國內先進的KingView 6.5編寫.其為運行Windows 2000/XP的全中文界面的組態軟件，采用多線程和COM組件等新技術，具有豐富的設備驅動程序、靈活的組態方式和數據鏈接功能，可充分利用Windows的圖形編輯功能構成監控畫面;用其構造監控系統能大大縮短開發時間，并能保證系統的質量.［4]

KingView 6.5將每臺下位機看作1個外部設備，通過驅動程序和外部設備交換數據，包括采集數據和發送數據指令.每個驅動程序都是1個COM對象，使通信程序和kingView 6.5構成1個完整的系統，既可以保證系統運行的高效率，也可以使系統達到較大規模.上位機主要由數據庫管理、通信管理和控制決策生成等功能模塊組成.數據庫用于存儲由傳感器采集的現場環境數據，并建立各缸油霧濃度歷史數據表供用戶對比查看.控制策略組態負責系統中控制子系統內部的具體控制策略及某些控制參數的設定等(如故障報警控制模塊被設計成帶有組態思想的控制子系統，可以根據用戶在系統組態配置中的控制設備參數設置自動判斷各缸油霧濃度情況，自動選用合適的控制流程).

上位機監控軟件具有良好的人機交互界面，主要對各控制站的狀態信號進行監控，利用直觀的動態畫面模擬控制對象的工作狀態，實時處理現場數據并實時報警，具備主機各缸曲軸箱內油霧濃度數據顯示、探測器運行狀態顯示、參數設置、歷史數據查詢、報警提示和報警記錄查詢等功能.用戶可以在監控界面上對各缸曲軸箱油霧濃度進行在線實時監控，監視學員的操作狀態;可以通過報表查看過去相當長一段時間內各缸油霧濃度變化數據和曲線，并分析判斷故障原因等.

2.2 下位機軟件設計

下位機位于硬件盤臺控制箱內，包括各參數設置單元、變送單元、顯示單元、控制單元和執行單元等.根據仿真對象的工作原理和仿真訓練器的功能要求，控制單元選擇西門子S7-200CN，CPU226CN AC/DC/RLY.表1為PLC的I/O變量，該PLC具有功能強大、適應性強、可靠性高、抗干擾能力強以及使用維修方便等優點.［5]

表1 PLC的I/O變量

各缸曲軸箱內油霧濃度環境是個多變量、多耦合、非線性和大滯后的復雜動態系統，很難建立精確的數學模型，因此，本文利用PLC循環掃描的特點，將所測模擬狀態實際值和設定值作比較，并根據比較結果采取相應的執行方案，其邏輯原理見圖3.下位機將實時采集的數據送PLC處理后，由硬件盤臺和上位機同步顯示，并接受上位機的控制和相關操作.此外，下位機也可以脫離上位計算機獨立工作，控制系統按預設程序自主運行下位機決策程序，對探測器實現全自動控制.以PLC為核心的下位機控制軟件采用西門子的LAD語言和STL語言編制.［6]各參數設置單元采用電位計模擬的結構實施，整個系統聯網采用基于RS485通信線的組態模式.

圖3 仿真訓練器邏輯原理

3 仿真運行結果分析

以平均濃度報警監測為例，將靈敏度調節電位器調至5擋，即平均油霧濃度報警值設為1.0 mg/L，同時通過偏差電位器將偏差報警值設為0.1 mg/L.系統啟動后將3號缸油霧濃度仿真信號變送器信號增大，其油霧濃度監測曲線見圖4.

圖4 3號缸油霧濃度監測曲線

由圖4可知，最初該缸油霧濃度信號不斷增大，12 s時油霧濃度達到1.0 mg/L，此時上位機檢測界面中給出3號缸平均濃度報警，觸發軟件面板上3號缸平均濃度報警指示燈亮，并給出聲光報警，同時主機減速運行.隨著3號缸模擬油霧濃度輸入不斷增大，17.5 s時3號缸油霧濃度值超過1.1 mg/L，觸發偏差報警.應答后，將3號缸油霧濃度仿真信號調整為正常值，并按復位按鈕，系統恢復到正常狀態.

4 曲軸箱油霧濃度探測仿真訓練器的功能

(1)提供1套完整的曲軸箱油霧濃度探測器操作系統，具有與實物相同的可操作化軟硬面板，便于學員熟悉油霧濃度探測器的面板功能;

(2)通過軟件模擬，學員能學習和了解曲軸箱油霧濃度探測器的基本工作原理;

(3)實現船舶主機運行時探測器實時監控的仿真功能，通過探測器的啟動、運行、測試和復位，包括指示燈、報警器和參數顯示器等的真實顯示，學員可以獲得各種真實的感覺;

(4)實現參數調節的功能，包括靈敏度調節、各缸平均濃度報警值調節和偏差報警值調節等;

(5)利用軟硬盤臺的同步顯示功能，教師能實時了解學員的操作情況并調整教學內容，如進行平均濃度報警、偏差濃度報警、氣路故障和光路故障等的設置;

(6)學員通過觀察仿真訓練器工作運行狀態判斷故障原因，掌握排除故障的方法，提高分析和處理異常事件的能力.

5 結束語

目前，曲軸箱油霧濃度探測仿真訓練器已成功應用于輪機工程技術專業的日常教學和船員培訓工作，由于其可以充分模擬船舶主機現場控制狀態，人機界面友好，使用中獲得了較好的效果，可以為小型設備仿真訓練器的開發提供借鑒.

［1]王琪.船舶主機曲軸箱爆炸事故的預防及應急管理［J].浙江交通職業技術學院學報，2008，9(3):44-48.

［2]中華人民共和國海事局.中華人民共和國海船船員適任考試大綱［M].大連:大連海事大學出版社，2006:180-181.

［3]楊澤宇.輪機自動化［M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2006:185-187.

［4]袁秀英.組態控制技術［M].北京:電子工業出版社，2003:25-26.

［5]童剛，陳麗君，冷健.基于組態王和PLC的流體黏度測量系統［J].微計算機信息，2008，24(25):130-131.

［6]周永勤，周美蘭，顏景斌，等.基于組態技術虛擬被控對象的PLC仿真實驗研究［J].哈爾濱理工大學學報，2004，9(6):7-9.