CN104035340A - 一种船舶燃油分油机操作实训仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶燃油分油机操作实训仿真系统，包括燃油管路仿真系统、分油机仿真系统、过程仿真支撑平台和燃油分油机控制箱，所述的燃油管路仿真系统和分油机仿真系统均以二维图片的形式分别剖析燃油管路系统和分油机系统的详细结构；所述的过程仿真支撑平台是面向对象的、基于模块化的生产过程仿真与控制支撑系统。由于本发明采用计算机模拟仿真技术，构建了船舶燃油管路系统和分油机系统的模拟仿真场景，真实再现了实际船舶分油机结构真实的工作过程，并且模拟分油机故障、报警的现象。使用者可以在仿真系统中模拟实际操作，提高分析处理故障的能力，达到实际训练的效果，且运行安全可靠，能够实现在实船上难以实现的特殊训练项目。

Description

一种船舶燃油分油机操作实训仿真系统

技术领域

本发明涉及船舶燃油净化系统，特别是一种燃油分油机操作实训仿真系统。

背景技术

随着工业化进程的加快，能源作为经济发展中的重要角色，如何节约能源充分利用资源是备受关注的，尤其在远洋船舶运输上。为船舶动力系统提供高品质、低成本、环保节能的燃料油是现代航运事业发展的重要保证。分油机是船舶燃油净化系统中必设的专用设备，熟练掌握分油机的操作要领、维护知识和故障分析处理能力显得尤为重要。

在科学技术飞速发展的今天，计算机模拟仿真技术己经成为对许多复杂系统进行分析、设计、试验、评估的必不可少的手段，它以数学理论为基础，以计算机和各种物理设施为设备工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验仿真研究的一门综合技术，主要有物理仿真、数字仿真和物理-数字混合仿真等方法。船舶燃油分油机系统不仅在不同的工作过程中分油机内部相应的动态响应是很难观测的，例如分油机的托盘是否托起，油水分界面的具体位置，分油机出现故障时必须拆卸分油机才能确定故障原因等，而且实船燃油分油机系统管道错综复杂，这就对船舶管理人员的技术水平和熟练程度提出了更高的要求。因此，将计算机模拟仿真技术应用在船舶燃油分油机系统中，设计燃油分油机仿真系统可以有效地解决此类问题。

分油机系统实船上培训存在很大的局限性，不仅资源消耗大，而且维护费用比较高，采用模拟训练成为摆脱各种局限培养现代轮机管理人才的重要途径。为数不多的船舶燃油分油机仿真系统的模拟器大都以硬件为主，有诸多的使用缺点，需要一定的实验条件，稳定性差、故障率高、二次开发困难，甚至由于误操作也可能引发事故，维护成本也比较高。纯软件系统与实船上的燃油分油机系统环境差异较大，很容易造成学员脱离船舶实际环境。目前，能够逼真地模拟实船环境且真实地反映分油机工况的半实物船舶燃油分油机操作实训仿真系统却是尚无先例。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种可以模拟船舶燃油分油机在不同工况和突发事故的培训，可实现与实船燃油分油机控制箱相似操作功能的燃油分油机操作实训仿真系统以及其工作方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种船舶燃油分油机操作实训仿真系统，包括燃油管路仿真系统、分油机仿真系统、过程仿真支撑平台和燃油分油机控制箱，所述的燃油管路仿真系统、分油机仿真系统、过程仿真支撑平台安装在一台或几台计算机内，所述的过程仿真支撑平台包括算法与模型库模块和数据采集模块，所述的燃油管路仿真系统和分油机仿真系统分别通过以太网通信与过程仿真支撑平台的算法与模型库模块实现数据的相互连接，所述的过程仿真支撑平台的数据采集模块利用CAN采集卡通过CAN总线与燃油分油机控制箱通信连接；

所述的燃油管路仿真系统和分油机仿真系统均以二维图片的形式分别剖析燃油管路系统和分油机系统的详细结构，合理布局，燃油管路系统和分油机系统共有的结构部件采用全局变量关联，分别包含管网数学模型和分油机数学模型，不仅显示分油机的工作状态、模拟分油机故障报警，而且实时显示分油机系统的温度、压力和流量参数；

所述的过程仿真支撑平台是面向对象的、基于模块化的生产过程仿真与控制支撑系统，包括图形化建模模块、过程控制建模模块、教练员/工程师站交互模块，操作员站的通信接口及其它设备的通信接口，具有图形建模、建模方便灵活、支持在线调试、人机交互采用全汉化环境/多窗口界面/鼠标操作和系统的维护、扩充容易的特点，实现算法库管理、模块库管理、图形文件管理和变量库管理功能；

所述的燃油分油机控制箱是基于单片机设计开发的与实船一致的控制箱，主要包括分油机控制单元EPC50控制面板、分油机电机电流表、用于故障报警的蜂鸣器、分油机启动/停止/紧急停车按钮灯和三台分油机相应的切换按钮灯，用半实物模型构造真实的分油机控制箱操作环境；

所述的CAN采集卡是PISO-CAN400-D隔离4口CAN总线通讯卡，它有2-4个独立的CAN总线通讯口，带有9针D型插头和带有5针螺钉接线端子，内置光隔离保护，可编程传输速率高达1Mbps，每个口可用跳线选用120Ω终端电阻，可实现直接存储器交换到CAN控制器，且即插即用。

本发明所述的燃油管路仿真系统、分油机仿真系统、过程仿真支撑平台都是采用VisualC++语言开发。

本发明所述的燃油管路仿真系统包括管路模型、供油泵模型、阀门模型，所述的分油机仿真系统包括分油机转速模型、分油机电机电流模型和分油机分离模型，所述的燃油分油机控制箱包括分油机控制单元EPC50的逻辑控制模型。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果是：

1、由于本发明采用计算机模拟仿真技术，构建了船舶燃油管路系统和分油机系统的模拟仿真场景，真实再现了实际船舶分油机结构、真实的工作过程，并且模拟分油机故障、报警的现象。使用者可以不受时间、地点的限制，了解燃油管路布局和分油机系统结构，并在仿真系统中模拟实际操作，提高分析处理故障的能力，达到实际训练的效果，且运行安全可靠，不会由于误操作损坏机器或引发事故，能够实现在实船上难以实现的特殊训练项目，节省设备维护、运行管理和停用保养的费用。

2、由于本发明将构建的燃油管路系统、分油机系统的数学模型抽象成算法并放入过程仿真支撑系统的算法库中，从算法库中调出算法按照实际设备设置参数，生成模块构成模型。开发人员可以在过程仿真支撑系统中在线修改模型，即在模型运行时，修改模型的相关量，并且能立即观测到修量改对模型产生的影响；开发人员可以在过程仿真支撑系统中通过调整模型的参数，建立准确的模型；开发人员可以在过程仿真支撑系统中适当的调整算法，改变输出、输出参数，建立相关的不同系统的模型，适用于类似的系统，例如主机滑油分油机系统、辅机滑油分油机系统等，说明过程仿真支撑系统可移植性好，灵活性大。

3、由于本发明采用物理-数字仿真技术，分油机控制箱根据实船控制箱面板设计，具有半实物模型特点，并通过CAN总线实现与过程仿真支撑平台的实时通信。使用者可以操作同实船一致的燃油分油机控制箱控制分油机的工况，可以观测分油机电机电流，并在系统生故障时发出报警信号，实现了对分油机状态实时监控的目的；可以给使用者很大的沉浸感和临场感，熟悉实船环境，培养其操作实船的技能，快速地帮助使用者熟悉系统的操作；设计半实物操作仿真系统不仅节省了大量的实船试验所需的人力物力开支，提高了工作效率，而且也逼真地模拟实船环境反映真实分油机工作情况。

附图说明

本发明仅有附图1张，其中

图1是本发明的系统组成示意图。

图中：1、燃油管路仿真系统，2、分油机仿真系统，3、以太网，4、过程仿真支撑平台，5、CAN总线，6、燃油分油机控制箱。

具体实施方式

下面结合图1对本发明做进一步详细地描述：一种半实物船舶燃油分油机操作实训仿真系统，包括燃油管路仿真系统1、分油机仿真系统2、以太网3、过程仿真支撑平台4、CAN总线5和燃油分油机控制箱6，所述的燃油管路仿真系统1、分油机仿真系统2、过程仿真支撑平台4安装在一台或几台计算机内，所述的燃油管路仿真系统1、分油机仿真系统2与过程仿真支撑平台4的算法与模型库模块通过以太网3实现数据的相互连接，所述的过程仿真支撑平台4的数据采集模块利用CAN采集卡与燃油分油机控制箱6通过CAN总线5通信；

所述的燃油管路仿真系统1、分油机仿真系统2以二维图片的形式分别剖析燃油管路系统、分油机系统详细结构，合理布局，两者共有的结构部件采用全局变量关联，分别包含管网数学模型和分油机数学模型，不仅可以显示分油机的工作状态、模拟分油机故障报警，而且可以实时显示系统中温度、压力和流量等参数的曲线；

所述的过程仿真支撑平台4是面向对象的、基于模块化的生产过程仿真与控制支撑系统，主要包括模块化图形建模、过程控制建模、教练员/工程师站交互功能、操作员站的通信接口及其它设备的通信接口，具有图形建模、建模方便灵活、支持在线调试、人机交互采用全汉化环境/多窗口界面/鼠标操作和系统的维护、扩充容易等特点，实现算法库管理、模块库管理、图形文件管理和变量库管理等功能；

所述的燃油分油机控制箱6是基于单片机设计开发的与实船一致的控制箱，主要包括分油机控制单元EPC50控制面板、分油机电机电流表、用于故障报警的蜂鸣器、分油机启动/停止/紧急停车按钮灯和三台分油机相应的切换指示灯按钮，用半实物模型构造真实的分油机控制箱操作环境；

所述的CAN采集卡是由泓格生产的PISO-CAN400-D隔离4口CAN总线通讯卡，它有2-4个独立的CAN总线通讯口，带有9针D型插头和带有5针螺钉接线端子，内置光隔离保护，可编程传输速率高达1Mbps，每个口可用跳线选用120Ω终端电阻，可实现直接存储器交换到CAN控制器，且即插即用。

本发明所述的燃油管路仿真系统1、分油机仿真系统2、过程仿真支撑平台4都是采用VisualC++语言开发。

本发明所述的燃油管路仿真系统1和分油机仿真系统2包括管路模型、供油泵模型、阀门模型、分油机转速模型、分油机电机电流模型和分油机分离模型，所述的燃油分油机控制箱6包括分油机控制单元EPC50的逻辑控制模型。

本发明的工作方法，包括以下步骤：

A、启动燃油管路仿真系统1和分油机仿真系统2的仿真平台，进入平台启动界面。本发明的仿真系统平台界面大小限制为1024*768像素。在仿真系统平台界面下方有对话框按钮，对应着燃油管路仿真系统1和分油机仿真系统2，通过鼠标点击按钮发送消息切换显示燃油管路仿真系统1视图界面或分油机仿真系统2视图界面，具体操作如下所述。此外，启动过程仿真支撑平台4，进入平台启动界面，是一个全汉化实时仿真系统软件，由动态连接库、算法程序和变量、模型等描述数据库部分组成。在启动界面上有菜单栏对应着系统、算法、模型、图形、变量、故障、运行、窗口及帮助，可以通过鼠标点击菜单装载变量、算法和模型等，点击运行，完成对过程仿真支撑平台4的设置。

B、选择燃油管路仿真系统1后，视图界面直接被切换到船舶燃油管路仿真系统1的视图界面。使用者可以通过观察了解船舶燃油管路系统的布局结构，并且可以通过鼠标对燃油管路仿真系统1中阀门、供油泵等部件进行操作，并将表示该部件状态的变量通过以太网3通信传送给过程仿真支撑平台4的算法与模型库模块，过程仿真支撑平台4会根据变量的变化通过算法和模型计算出相应的结果，并将该结果通过以太网3通信传送给燃油管路仿真系统1相应的部件，改变部件的显示状态，观察燃油管路的流动情况。

C、选择分油机仿真系统2后，使用者可以通过观察了解船舶分油机系统的布局结构，并且可以通过鼠标改变分油机仿真系统2中阀门、供油泵等部件的状态，其响应同上述燃油管路仿真系统1一致。使用者首先启动燃油分油机控制箱6电源，选择1/2/3分油机按钮，并通过操作燃油分油机控制箱6上的分油机启动按钮灯启动分油机，通过CAN采集卡将该动作传送到过程仿真支撑平台4的数据采集模块，在该模块中将输入转换成该平台内的变量，装载到算法和模型中，并通过以太网3通信传送至分油机仿真系统2中，则分油机仿真系统2中相应的分油机启动，分油机转速和电机电流逐渐增大最终稳定。当分油机转速达到要求后，信号通过相反的传输路径传送到燃油分油机控制箱6中，EPC50的LED显示为“Standby”，电流表显示分油机电机电流。

D、通过操作燃油分油机控制箱6模拟分油机系统的工作过程。使用者利用上述方法选择分油机并启动，启动供油泵，等到EPC50的LED显示为“Standby”后，按下EPC50控制面板上的“HEATER”和“SEPARATION”按钮，则分油机进入启动时序，EPC50的LED显示135秒的倒计时，“SEPARATION”按钮的指示灯闪亮。在分油机仿真系统2中，首先关闭水电磁阀打开，供应15秒的水，使分油机托盘上升关闭排渣口。补偿水电磁阀进60秒的水封水，以形成液封。启动时序开始75秒后三通阀自动打开，开始进油。再过50秒后分油机开始出油，倒计时结束后分油指示灯常亮，启动时序结束，进入正常分油时序。燃油分油机控制箱6中EPC50的“SEPARATION”按钮的指示灯常亮，LED显示1200秒倒计时。如果按下“DISCHARGE”按钮，则进入排渣时序，LED显示分油机状态为“DISCHARGE”。在分油机仿真系统2中，开启水电磁阀、关闭水电磁阀打开，进3秒开启水，分油机托盘下落，排渣口打开0.1秒。如果按下燃油分油机控制箱6中的紧急停车按钮灯，分油机停止工作。

E、使用者可以在分油机仿真系统2中模拟分油机故障条件，观察系统的故障、报警现象。例如，在分油机正常分油时，若关闭分油机进口前的阀门，此时燃油分油机控制箱6中的蜂鸣器响，发出低压报警，并在EPC50的LED中显示报警内容，分油机不再正常分油。使用者也可以在过程仿真支撑平台4中改变故障变量的值，模拟故障条件，实现故障报警。

本发明各子系统的实施方式如下：

1、燃油管路仿真系统1和分油机仿真系统2的实施方式

燃油管路仿真系统1和分油机仿真系统2的底图是采用画图板设计绘制的，并将底图导入工程。并将燃油管路仿真系统1和分油机仿真系统2抽象成派生于CView类的视图类。在燃油管路仿真系统1和分油机仿真系统2中阀门、管道和泵的状态会发生改变，是通过调用资源位图中相应的位图覆盖底图表现的，主要通过指定其坐标位置和大小获取位图实现的。

其中，前四个数字为该部件在底图中的位置矩形区域，接下来两个变量是该部件在资源位图中的位置坐标，第七个变量为该部件的标志，后三个变量分别是变量号、变量值和变量名。

实现阀门、管路、泵和标签的绘制，是通过DrawValve()、DrawTube()、DrawPump()和DrawText()函数实现，并将这些函数放在工程派生类视图的OnDraw()函数中。在该派生类的OnLButtonDown()函数中发送部件的变量号，并在该视图类的OnTimer()函数中获得部件的变量号并赋值给该部件的变量值，实现与过程仿真支撑平台4的通信，并实现其在仿真系统中状态的改变。

在分油机仿真系统2中可以实时显示参数的值，但为了便于观察数据的变化趋势，本发明在应用程序里添加了iocomp公司出品的工业控件显示分油机不同工作状态下系统温度、压力和流量等参数的变化，该控件具有图形精美，功能强大，操作方便的特点。由于要实时的显示温度、压力和流量等参数的变化，因此应在定时器的OnTimer函数中完成对控件赋值的操作，下面给出部分相关程序：

m_Q.GetChannel(0).AddYElapsedSeconds(m_dOilOutTotal_Q)；//分油机出油口流量

m_P.GetChannel(0).AddYElapsedSeconds(m_dOilOut_P)；//分油机出口压力

2、过程仿真支撑平台4的实施方式

过程仿真支撑平台4是面向对象的、基于模块化建模的生产过程仿真与控制支撑系统，模型通过C语言、界面通过C++进行编程。在仿真设计时，把常用的设备和常出现的过程做成标准的算法保存在算法库中，在建模时只需从算法库中调出算法，按照船舶燃油分油机系统的实际设备设置相应的输入、输出和参数，这样就生成一个一个的模块。许许多多的模块构成一个模型。支撑燃油管路仿真系统1和分油机仿真系统2调用算法和模型实现模拟仿真。分油机的模型主要是由PurifierClass类实现的，具体如下：

3、CAN总线5的实施方式

本发明是采用泓格公司生产的PISO-CAN400-DCAN采集卡，是目前市场上最流行的设备，它遵循CAN2.0A/2.0B协议，可编程传输速率高达1Mbps，在模块内部输入输出单元与控制单元之间内置光隔离，并对输入信号采取滤波措施，极大地降低了工业现场干扰对模块正常运行的影响。将CAN采集卡安装在计算机的PCI/PCIe插槽，再打开计算机，安装驱动程序，完成连接设置。作为远端I/O模块，实现采集燃油分油机控制箱6的各种信号，或者提供输出信号，实现通信。

4、燃油分油机控制箱6的实施方式

燃油分油机控制箱6基于单片机开发的同实船完全一致的燃油分油机控制箱，通过操作控制箱，将动作通过CAN总线5传送给过程仿真支撑平台4，控制燃油管路仿真系统1和分油机仿真系统2。主要设计分油机控制时序、EPC50按钮的响应、指示灯变化、参数调节设置和故障报警模块。每个功能均由相应的函数实现。

本发明实现了以下功能：

1、再现分油机工作过程。本发明的船舶燃油管路仿真系统1和分油机仿真系统2真实再现了实际船舶分油机布局，使用者可以通过鼠标操作仿真系统中的部件，改变其状态。用半实物模型构造真实的燃油分油机控制箱操作环境，通过操作燃油分油机控制箱6、燃油管路仿真系统1和分油机仿真系统2模拟分油机启动、分离、排渣和停止等工作过程，观察分油机工作变化，再现了实船分油机系统的工作过程，对培养学员熟练掌握分油机操作知识、了解分油机系统都起到了重要的作用。

2、模拟分油机故障报警现象。使用者可以通过改变过程仿真支撑平台4中故障变量的值，模拟故障现象；也可以改变燃油管路仿真系统1和分油机仿真系统2部件的状态，模拟故障现象。当出现故障时，本发明会对故障进行报警，并且要求使用者根据报警内容处理故障。提高学员故障分析能力、故障处理能力，养现代优秀的轮机管理人才。

3、半实物仿真控制。本发明利用物理-数字混合仿真技术，采用半实物模型构造真实的分油机操作环境燃油分油机控制箱6，控制燃油管路仿真系统1、分油机仿真系统2和过程仿真支撑平台4。可以给使用者很大的沉浸感和临场感，熟悉实船环境，培养其操作实船的技能。设计半实物操作仿真系统不仅节省了大量的实船试验所需的人力物力开支，提高了工作效率，而且也逼真地模拟实船环境反映真实分油机工作情况。

Claims (3)

1.一种船舶燃油分油机操作实训仿真系统，其特征在于：包括燃油管路仿真系统(1)、分油机仿真系统(2)、过程仿真支撑平台(4)和燃油分油机控制箱(6)，所述的燃油管路仿真系统(1)、分油机仿真系统(2)、过程仿真支撑平台(4)安装在一台或几台计算机内，所述的过程仿真支撑平台(4)包括算法与模型库模块和数据采集模块，所述的燃油管路仿真系统(1)和分油机仿真系统(2)分别通过以太网(3)通信与过程仿真支撑平台(4)的算法与模型库模块实现数据的相互连接，所述的过程仿真支撑平台(4)的数据采集模块利用CAN采集卡通过CAN总线(5)与燃油分油机控制箱(6)通信连接；

所述的燃油管路仿真系统(1)和分油机仿真系统(2)均以二维图片的形式分别剖析燃油管路系统和分油机系统的详细结构，合理布局，燃油管路系统和分油机系统共有的结构部件采用全局变量关联，分别包含管网数学模型和分油机数学模型，不仅显示分油机的工作状态、模拟分油机故障报警，而且实时显示分油机系统的温度、压力和流量参数；

所述的过程仿真支撑平台(4)是面向对象的、基于模块化的生产过程仿真与控制支撑系统，包括图形化建模模块、过程控制建模模块、教练员/工程师站交互模块，操作员站的通信接口及其它设备的通信接口，具有图形建模、建模方便灵活、支持在线调试、人机交互采用全汉化环境/多窗口界面/鼠标操作和系统的维护、扩充容易的特点，实现算法库管理、模块库管理、图形文件管理和变量库管理功能；

所述的燃油分油机控制箱(6)是基于单片机设计开发的与实船一致的控制箱，主要包括分油机控制单元EPC50控制面板、分油机电机电流表、用于故障报警的蜂鸣器、分油机启动/停止/紧急停车按钮灯和三台分油机相应的切换按钮灯，用半实物模型构造真实的分油机控制箱操作环境；

所述的CAN采集卡是PISO-CAN400-D隔离4口CAN总线(5)通讯卡，它有2-4个独立的过CAN总线(5)通讯口，带有9针D型插头和带有5针螺钉接线端子，内置光隔离保护，可编程传输速率高达1Mbps，每个口可用跳线选用120Ω终端电阻，可实现直接存储器交换到CAN控制器，且即插即用。

2.根据权利要求1所述的一种船舶燃油分油机操作实训仿真系统，其特征在于：所述的燃油管路仿真系统(1)、分油机仿真系统(2)、过程仿真支撑平台(4)都是采用VisualC++语言开发。

3.根据权利要求1所述的一种船舶燃油分油机操作实训仿真系统，其特征在于：所述的燃油管路仿真系统(1)包括管路模型、供油泵模型、阀门模型，所述的分油机仿真系统(2)包括分油机转速模型、分油机电机电流模型和分油机分离模型，所述的燃油分油机控制箱(6)包括分油机控制单元EPC50的逻辑控制模型。