一種虛實結合艦船輔鍋爐維修模擬訓練考核平臺的研制

濮懷宇， 黃家寧， 韓江桂*

(1.海軍工程大學教保處， 武漢 430063； 2.海軍工程大學動力工程學院，武漢 430063)

輔鍋爐是艦船動力裝置的重要組成部分，然而輔鍋爐由于在實際運行中存在極大的安全隱患，同時不僅消耗燃油、能源，而且對環境有一定的污染，因此該系統的訓練無法在實際艦船裝備上實施；另一方面目前輔鍋爐模擬器大多都是以純硬件或者純虛擬的幾何模型為主，其形式和功能都無法達到理想的維修訓練的效果[1-2]。基于上述原因，設計研制一種虛實結合的艦船輔鍋爐維修訓練考核平臺，用于對艦員和相關維修保障人員進行日常訓練和技能水平考核，以期提高艦員對輔鍋爐基本操作、故障排除及維修的能力。

1 平臺總體設計

平臺由輔鍋爐本體、實作維修臺、燃油系統、供水系統、燃燒系統、控制系統與計算機仿真系統7大部分組成。平臺總體結構如圖1所示。

1.1 輔鍋爐本體

以LSK-0.5立式針形管輔鍋爐為本體，并與實物接近1∶1的比例進行設計制造，在遵循外觀、基本功能與實際艦用輔鍋爐基本一致的原則下，對實際輔鍋爐內部進行合理地簡化改造，以此在一定程度上降低平臺研制成本。整個輔鍋爐高3 340 mm，直徑1 150 mm，模擬水箱水容積為165 L，可通過調整水位高度調控水箱液面。改進后的輔鍋爐具備模擬補水功能、模擬排污功能、模擬加熱功能、液位監測功能。

1.2 實作維修臺

為便于受訓人員在訓練過程中對相應器件的實作維修及拆卸訓練，將水路與油路中可實作維修與拆卸訓練的管路、閥門、濾器、給水泵以及油泵等器件集中地布置于實作維修臺之上。實作維修臺的整體結構如圖2所示。

圖1 平臺總體結構Fig.1 Overall structure of the platform

圖2 實作維修臺設計Fig.2 Maintenance practical platform design

1.3 其他輔助系統

輔鍋爐本體與供水系統、燃油系統、燃燒系統通過管路進行連接，形成完整的供水、供油回路[3]。

設計配備了在外觀及功能上與實際艦船輔鍋爐相同的可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)控制箱，給受訓人員營造一種實際輔鍋爐運行現場的真實環境。電控箱與其他系統設備通過各路接口電路，對泵、電磁閥、傳感器等信號進行采集與控制，實現輔鍋爐系統的整體電氣控制。電氣連接結構如圖3所示。

圖3 電氣連接Fig.3 Electrical connection

控制箱包含對水泵、燃油泵、燃燒器、風機、燃油噴嘴的控制。其中PLC通過以太網與PC上位機進行數據交換，實現模擬輔鍋爐的起爐、補水、排污、點火、燃燒加熱、故障報警以及停爐等過程。

2 平臺自動控制功能組成

通過以西門子S7-200 PLC為控制核心，利用計算機控制技術，有機地把PLC控制原理與輔鍋爐運行過程控制有機地相結合，從而實現輔鍋爐維修模擬訓練平臺的水位自動控制、蒸汽壓力自動平衡控制、油路及燃燒自動控制。

2.1 水位自動控制

系統利用液位傳感器對輔鍋爐水位進行實時檢測，同時向控制系統提供極低水位反饋、低水位反饋、自動補水反饋、停止補水反饋、高水位反饋5組開關量信號，最終通過對水泵的自動控制，從而實現控制系統中水位自動控制的功能[4-5]。水位自動控制示意圖如圖4所示。

圖4 水位自動控制Fig.4 Automatic water level control

2.2 油路及燃燒自動控制

油路控制的控制對象為燃油泵，主要檢測器件為壓力傳感器。燃油泵在自動運行的過程中，當鍋爐水位低于極低水位時，燃油泵自動停止運行并且以此過程模擬實際輔鍋爐處于無水情況下，燃油泵自動停止供油，防止輔鍋爐發生干燒的情況。燃燒自動控制的控制對象主要為燃燒器、風機、點火裝置、燃油噴嘴I和燃油噴嘴I+II且無實際檢測對象。控制流程如圖5所示。

圖5 油路及燃燒自動控制Fig.5 Oil circuit and combustion automatic control

2.3 壓力自動平衡控制

平臺輔鍋爐中蒸汽壓力并非實測壓力，而為模擬量。通過采集艦船輔鍋爐實際運行時的蒸汽溫度和壓力對應數據，利用MATLAB得到兩者數據關系的擬合曲線，以此作為依據編寫蒸汽壓力變化對應的程序，從而實現PLC控制系統模擬蒸汽壓力的變化。擬合曲線如圖6所示。

圖6 蒸汽壓力與溫度模擬曲線Fig.6 Curve fitting of steam pressure and temperature

在無損耗狀態下，時間與溫度的關系為

T=kt

(1)

從而得到壓力P與溫度T之間的近似關系如下：

當T<80 ℃時：

P=0.000 9e0.051 8T

(2)

當T≥80 ℃時：

P=2×10-9T3.814 1

(3)

式中：T為溫度；P為蒸汽壓力；k為變化系數，在不同噴嘴下，k不一樣。對于模擬蒸汽壓力自動平衡控制的設計，控制原理如圖7所示。

圖7 蒸汽壓力自動平衡控制Fig.7 Steam pressure automatic balance control

3 控制系統設計

通過以西門子S7-200 PLC為控制核心，并利用計算機控制技術，把S7-200 PLC基本原理與輔鍋爐運行過程控制有機地相結合，從而實現平臺中各部分系統的功能[6-7]。

3.1 硬件選型

在綜合考慮維修模擬訓練平臺控制系統的功能、成本、所需點數、信號類型、應用的可擴展性以及后期的可操作性等因素下，最終控制系統中所用的硬件設備具體型號及參數如表1所示。

表1 硬件設備具體型號及參數表Table 1 Hardware device specific model and parameters

3.2 控制系統軟件設計

程序采用簡單、直觀的模塊化結構，執行流程如圖8所示。

圖8 執行流程Fig.8 Implementation process

采用TCP通信，PLC作為服務端，其IP為192.168.2.1，端口為7002；PC上位機作為客戶端，其IP為192.168.2.10。采用問答式通訊模式，PLC每200 ms發送一次數據，上位機接收到PLC數據后，立即返回對應數據。若PLC在500 ms內未接收到上位機數據，則啟動下一次發送。

4 計算機仿真系統

為形象逼真地展現實際輔鍋爐復雜、抽象的工作過程，以此便于受訓人員對艦船輔鍋爐的工作原理及其運行機制有更加直觀、深刻的了解，設計開發了計算機仿真系統。仿真系統具有友好的人機交互界面以及教學、考核兩種功能模式。總體結構如圖9所示。

圖10 界面開發Fig.10 Interface development

4.1 人機交互界面的開發

在Windows7操作系統下，采用Visual Basic6.0[8-9]版本作為軟件開發工具，對計算機仿真系統的人機交互界面進行開發，如圖10所示。

4.2 教學模式

教學模式下不僅可逼真顯示輔鍋爐本體、附屬器件、各子系統動態運行過程，而且實時顯示實測水位、模擬蒸汽壓力與蒸汽溫度的變化、各故障等狀態信息，以此獲得全身心的沉浸感和參與感，增強維修模擬訓練的效果[10]。教學模式界面如圖11所示。

圖11 教學模式界面Fig.11 Teaching mode interface

為訓練受訓人員的故障排查與分析能力，在進行維修訓練時，可通過人機交互界面設置實現所需模擬輔鍋爐故障的類型。平臺可產生13種故障報警，其中有11種故障報警在輔鍋爐控制箱面板上具備相應的聲光報警提示。詳細報警信息如表2所示。

圖9 仿真系統總體結構Fig.9 Simulation system overall structure

表2 系統報警Table 2 System alarm

4.3 考核模式

教學模式界面中，點擊模擬考核按鈕，即進入考核模式，正確填入班級、學號和姓名，填好后方可點擊開始考核按鈕，進入正式答題界面，如圖12所示。

圖12 考核模式界面Fig.12 Assessment mode interface

考核過程大體為：首先第一階段為選擇題，根據題目要求，從四個選項中選出對應的答案。全部答題完畢后進入第二階段，即實作維修考核。根據相應題目，完成對應維修操作。平臺目前主要具備以下幾類實作維修考核。

4.3.1 水路維修

水路維修主要訓練拆卸給水泵，大體步驟為：關閉給水泵前后手動閥，打開排污閥；將鍋爐水箱排空，接著使用扳手拆卸給水泵兩邊的法蘭；拆卸完成后，排除故障；最后安裝水泵，關閉排污閥；打開水泵兩邊手動閥，運行水泵；觀測管路各法蘭連接處是否漏水，若漏水，則對相應位置法蘭進行緊固。

4.3.2 油路維修

油路維修主要訓練拆卸燃油泵、濾器，大體步驟為：關閉燃油泵前后手動閥，使用扳手拆卸燃油泵兩邊法蘭；拆卸完成后，排除故障；最后安裝燃油泵，打開燃油泵兩邊手動閥；運行燃油泵，觀測管路各法蘭連接處是否漏油，若漏油，對相應位置法蘭進行緊固。

4.3.3 清洗維修

清洗維修主要訓練清洗輔鍋爐水箱，大體步驟為：打開排污閥，將鍋爐水箱排空；關閉排污閥；手動啟動給水泵，上水至高水位報警位置；關閉給水泵；打開排污閥，將鍋爐水箱水位排至極低水位報警位置。

上述為1次清洗過程，根據設置的清洗次數，只需重復上述步驟即可。

完成上述的維修操作后，即可進入第三階段，開啟維修設備對應泵組，以便建立相應壓力，保持設備處于啟動狀態，點擊系統測試按鈕，系統自動判定維修操作是否合格。

考慮場地大小以及使用操作、維修訓練便捷性等因素，科學合理地完成了維修訓練考核平臺的搭建。平臺實物如圖13所示。

圖13 平臺實物Fig.13 Platform physical

整個維修訓練考核平臺依據設計要求，包含鍋爐本體、實作維修臺、燃油系統、供水系統、燃燒系統、控制系統與計算機仿真系統。通過對平臺軟硬件系統進行不斷地調試與優化，最終實現了平臺前期的設計功能。

5 結論

在輔鍋爐維修模擬訓練考核方面進行了一些有益的嘗試。在訓練方法上先是通過多媒體手段對受訓人員進行輔鍋爐原理方面的訓練，繼而通過計算機仿真與實物的結合學習輔鍋爐系統中各部分元件工作過程及原理，然后進行故障的設置和排除，并通過受訓人員的拆裝訓練進一步熟悉系統，并提高動手排除故障的能力。研制完成后經試驗應用表明，這種循序漸進的訓練方式取得了較好的效果，并得到以下結論。

(1)該平臺便于受訓人員對輔鍋爐工作過程、常見故障的認知與理解。

(2)該平臺可有效提高受訓人員對輔鍋爐基本操作、故障診斷與維修的能力。

(3)該平臺在保證具有較好維修訓練及考核效果的同時，節省了大量設備購置費以及克服場地限制的缺陷。