C/S架構下的工業鍋爐培訓與考核仿真系統

周一卉 胡佰龍 杜 寧

(大連理工大學化工機械學院，遼寧 大連 116024)

0 引言

我國工業鍋爐具有數量大、分布廣泛的特點，這些鍋爐大部分為人工操作，自動化水平較低，這就要求司爐人員具有較高工業鍋爐操作水平和實戰經驗[1]。每年僅因為司爐人員操作不當引起的鍋爐事故多達數百起，因此，對司爐學員進行上崗前培訓、定期輪訓就顯得十分必要[2]。

傳統的鍋爐培訓方式周期長、缺少實練、效率不高[3]。隨著計算機仿真技術的發展，計算機仿真系統對司爐工進行培訓成為了鍋爐培訓的主要方式[4]。純粹單一的計算機仿真系統，雖然提高了培訓效率，但卻降低了操作人員的動手能力，再加上司爐工不熟悉計算機的操作，效果也欠佳[5－7]。

針對傳統鍋爐培訓考核方法的諸多不足，本文開發了一個基于Client/Server結構的工業鍋爐培訓與考核仿真系統。該仿真系統對鍋爐運行過程和事故進行實時模擬，司爐學員可以反復身臨其境地進行鍋爐運行的實際操作，觀察開停爐等正常操作和事故發生前的異常現象，演練各種事故的處理程序。

1 系統硬件結構設計

工業鍋爐培訓/考核仿真系統主要分為硬件系統和軟件系統2個部分。其中，硬件部分包括2臺半實物鍋爐模擬樣機(1臺燃煤蒸汽鍋爐模擬樣機和1臺燃油蒸汽鍋爐模擬樣機)及其控制臺、1～5臺學員操作計算機、1個學員用顯示屏以及傳感元件和用于數據采集的板卡等。從功能上劃分，本仿真系統的硬件部分可以分為服務器、客戶端和底層硬件設備。系統硬件結構如圖1所示。

圖1 系統硬件結構圖Fig.1 Hardware structure of system

1.1 數據服務器

本仿真系統采用C/S網絡結構。服務器主要用于數據的記錄、存儲和調用以及與終端進行數據的傳遞;同時，在學員培訓和考核過程中，可對學員操作及現場情況進行實時監控。

1.2 客戶端

本仿真系統的客戶端由若干臺計算機組成，通過局域網訪問位于服務器上的遠程數據庫。同時，學員在鍋爐模擬樣機上進行練習和考核時，每進行一步操作，仿真界面中都會有實時響應。不僅如此，根據學員操作步驟，鍋爐模擬樣機上經過數字改造后的水位表、壓力表等能夠進行實時動態顯示。

1.3 底層硬件

本仿真系統的底層硬件由半實物鍋爐模擬樣機、控制柜和交換機等組成。為了營造一個高度逼真的運行環境，在對鍋爐樣機以及控制元件進行數字化改造時，鍋爐樣機以及控制元件保持了原實物的外觀和特性。控制元件內部進行了改造，安裝了非接觸式傳感器，延長了樣機的使用壽命。

2 系統軟件結構設計

本仿真系統的軟件部分以三維力控組態軟件為系統開發平臺，采用Modbus協議進行數據通信，同時利用Visual Basic 6.0嵌套關系數據庫進行第三方程序開發，這樣不僅確保了數據傳遞的迅速可靠，而且保證了用戶界面的生動逼真。系統軟件結構如圖2所示。

圖2 系統軟件結構圖Fig.2 Software structure of system

培訓/考核仿真系統軟件的設計采用模塊化思路，具體就是將系統軟件所要求達到的功能進行合理拆分，主要可以分為鍋爐結構和操作原理演示模塊、學員操作培訓模塊、模擬考試模塊、學員考核模塊、自動評分模塊和用戶管理模塊。這些系統模塊采用“高內聯低耦合”的方式，不僅滿足了鍋爐仿真培訓的整體需求，同時，基于Client/Server模式的網絡架構還實現了教師與學員的互動與交流。

2.1 培訓演示模塊

系統采用多媒體技術，能夠演示各種不同類型鍋爐的內在結構、工作原理和操作過程，幫助學員學習掌握，從而提高培訓質量和效果。燃煤蒸汽鍋爐和燃油蒸汽鍋爐各個功能演示模塊如圖3所示。

圖3 功能演示模塊示意圖Fig.3 Drawing of functional demo

演示時，將真實的鍋爐系統拆分成幾個子系統，再根據各個子系統的運行條件、規律和介質等影響因素進行設定，并給出相應的動畫顯示。

其中，燃煤蒸汽鍋爐的培訓演示模塊包括7大系統共22個功能演示，能夠仿真演示燃煤鍋爐各部分主要結構、工作過程和工作狀態。燃油蒸汽鍋爐的培訓演示模塊包括9大系統共22個功能演示，能夠仿真演示燃油鍋爐各部分主要結構、工作過程和工作狀態。

2.2 操作練習和考核模塊

本仿真系統為學員提供了正常操作和故障排除這2大類實踐性練習內容。按訓練方式，可將練習分為獨立練習和模擬考核2種方式。所有練習內容均從試題庫中抽取，保證了培訓和考核內容的統一。

在學員進行操作訓練時，系統首先進行初始狀態的校驗，這一步對于進行故障排除項目時尤為重要;然后通過大屏幕、聲光等手段對學員進行的每一步操作進行反饋和實時響應，盡可能地創造逼真的鍋爐現場操作環境和狀態;當學員培訓完畢進行考核時，系統根據鍋爐類型、考試級別等因素，從題庫中隨機抽取正常操作和故障排除題目，自動記錄學員的每一步操作，并予以成績評定。

3 仿真信號的智能化處理

工業鍋爐培訓/考核仿真系統中鍋爐模擬樣機的仿真信號的數量龐大，其所表征的狀態千差萬別，如何將這些信號與鍋爐仿真狀態相關聯，能夠被計算機語言識別并進行記錄與分析是本系統要解決的核心問題。

在信號傳遞、接收與處理過程中，不同類型的信號需要采用不同的處理辦法。該培訓/考核仿真系統的仿真信號分為開關量信號、檔位信號和模擬量信號3種類型。以下分別對這3種類型進行具體介紹。

①開關量仿真信號主要包括閥門、泵和風機的啟停開關、報警器和指示燈等，它們全部通過改造真實元件的方式實現。以閥門為例，本仿真系統的所有閥門均采用真實閥門進行數字化改造，它們在外部結構和操作要點上，同真實閥門沒有區別。當學員進行操作時，閥門狀態的變化會被實時顯示和存儲。

②多檔位開關量仿真信號標志了操作手柄的不同位置，如液位計三通旋塞、鼓風機風量控制等。當學員進行檔位變換時，系統能夠根據反饋的開關量判定當前檔位，并記錄學員的操作。

③模擬量仿真信號用于壓力表和液位計的顯示控制。這些控制儀表均采用經過內部改造后的真實儀表，但是由于鍋爐模擬樣機中沒有實際介質，所以儀表的數值顯示就沒有了支撐來源。本系統依靠智能算法使儀表能夠正確地模擬顯示當前鍋爐模擬樣機在學員操作狀態下應有的實際運行狀態。

該系統對所有操作單元、控制單元和顯示單元進行了數字化改造，可以逼真地實現學員與操作對象之間的雙向互動。

4 智能數據庫系統

工業鍋爐培訓/考核仿真系統的數據庫模塊是整個系統的基礎和核心，從功能上主要分為學員信息數據庫、試題信息數據庫和系統基本信息數據庫3部分。學員信息數據庫主要用于記錄受訓學員的個人基本信息以及歷次考核培訓情況，實現方法采用VB編程訪問ODBC數據源。試題信息數據庫用于記錄、保存培訓考核時試題的基本信息以及學員操作情況。針對以往鍋爐培訓系統在題庫管理上的不足，在設計思路上主要著力于解決新試題錄入的通用性，控制元件編碼管理的通用性等難點，采用智能化的設計規范，使題庫系統的通用性高。基本信息數據庫主要用于記錄仿真系統控制元件基本情況。

這3部分數據庫的設計充分考慮了仿真系統所需要的多種功能，同時，智能化的數據庫設計使系統不僅具有可拓展性，還使操作更加人性化。各個數據庫模塊制作成可執行文件，再利用力控的“StartApp(App-Name)”腳本調用Visual Basic可執行文件，就可以實現力控與關系數據庫的無縫嵌接。

5 結束語

本系統提供了豐富的訓練內容，可以模擬顯示不同類型鍋爐各個組成部分的工作原理和工作過程。依靠龐大的試題庫，學員能夠充分熟悉鍋爐正常操作和故障排除中遇到的各種問題，大大提高了學員的操作水平，有利于鍋爐生產的正常進行。

此外，本系統采用開放式接口，可根據培訓需要隨時添加新類型鍋爐模擬樣機或增加新的仿真信號點，不斷完善試題庫和培訓知識點。隨著學員人數增多和培訓地域范圍的擴大，系統可進一步開通遠程教學與培訓，提高培訓質量和效率和節省培訓費用。本系統為司爐學員提供了專業、經濟、可靠的培訓方式和真實的培訓環境，經過一定時間的培訓與練習，學員的司爐技術將得到全方位的提高。

[1]周由海，張向民.鍋爐仿真培訓系統的開發[J].中國科技信息，2005(17A)：59 －64.

[2]周剛毅，王新，單國君，等.供熱鍋爐仿真培訓系統[J].微處理機，2004，2(1)：62 －64.

[3]王詢，張馨.鍋爐仿真培訓系統[J].計算機仿真，2002，19(3)：71－73.

[4]趙育才.基于工控機的鍋爐仿真培訓系統[J].測控技術，2009，12(19)：46 －48.

[5]Gilman G F.Boiler control systems engineering[M].Portland：SciTech Book News，2005.

[6]Jiang X Z，Li G J，Chen Y Q.Study on the simulation model of power unit control system[C]∥Proceeding of the Third Beijing International Conference on System Simulation and Scientific Computing，Beijing，1995：158 －164.

[7]胡峰，孫國基.航天仿真技術的現狀及展望[J].系統仿真學報，1999，10(2)：7－9.