CN115616935A - 一种自动化机舱主机硬件在环仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自动化机舱主机硬件在环仿真系统，包括：设置在集控室中的服务器，所述服务器用于运行缸压监测软件和HIL系统软件，所述HIL系统软件包括系统运维模块、评估功能模块、通信功能模块、主机数字模型、燃油喷射模型、主机负载模型、主机换热模型和人机交互界面；设置在机舱内的主机辅助系统、主机物理模型以及本地控制箱；所述主机辅助系统、主机物理模型以及本地控制箱均与所述服务器通信连接。本发明通过对主机、主机辅助系统、和其它配套系统进行细节设计、技术改进和优化，将自动化机舱与仿真系统进行有机融合，构建了一套集成两者优点的自动化机舱主机硬件在环仿真系统。

Description

一种自动化机舱主机硬件在环仿真系统

技术领域

本发明涉及轮机工程技术领域，具体而言，尤其涉及一种自动化机舱主机硬件在环仿真系统。

背景技术

主柴油机(简称主机)是船舶的主动力装置，通过轴系连接螺旋桨并带动螺旋桨转动，进而将动力传递给船体使船舶运动。它是船舶上体积最大、成本最高的单体设备。为了保证船舶的安全航行，轮机员在正式上船工作前需要进行主机相关的操作培训和评估。

目前，相关院校和海事局主要利用自动化机舱或者仿真系统进行相关培训。其中，自动化机舱采用真实的主机及其辅助系统，其现场操作体验佳、培训效果好。然而，真实主机会带来诸多问题，如建设费用高、安全隐患多、污染排放大、维护工作量大等。

仿真系统的优缺点与自动化机舱相反。常见的仿真系统包括轮机模拟器、主机半实物仿真系统和主机在环仿真系统等。这些仿真产品的名称不同，实质却相似。主要采用数学模型或者三维模型模拟代替实际主机本体。主机辅助系统在轮机模拟器中采用数值模拟，而在主机半实物仿真系统和主机在环仿真系统中通常被省略掉，用固定值作为边界输入到主机数学模型中。另外，这些仿真产品通过配置一些控制盘台和外围控制系统形成半实物仿真系统，然而由于模拟控制台盘与真实操作系统存在差异，使其现场操作体验差、设备和系统的结构和工作原理不易掌握、培训项目不够完整。因此，仿真系统的培训效果不如自动化机舱好。

如果能够将二者恰当的融合为一个整体，则可以充分利用自动化机舱和仿真系统的优点，克服其缺点。然而，自动化机舱全部使用实际的设备和系统，必然包括使用真实的流动介质，包括燃油、滑油、压缩空气、高温冷却水、低温冷却水等，但现有技术中缺乏能够实现真实配套设备与仿真主机系统之间信号的完整、合理、高效交互的方案，另外，主机仿真模型代替实际主机后，燃油消耗、滑油/冷却水热量交换、压缩空气消耗等如何在相关的实际系统中一致性响应也是亟待克服的重大技术障碍。

发明内容

本发明提供了一种自动化机舱主机硬件在环仿真系统。解决了现有技术中存在的，主机仿真模型代替实际主机后，真实配套设备无法与主机仿真模型进行高效交互，同时燃油消耗、滑油/冷却水热量交换、压缩空气消耗等无法进行一致性响应的技术问题。本发明通过对主机、主机辅助系统、和其它配套系统进行细节设计、技术改进和优化，将自动化机舱与仿真系统进行有机融合，构建了一套集成两者优点的自动化机舱主机硬件在环仿真系统。

本发明采用的技术手段如下：

一种自动化机舱主机硬件在环仿真系统，所述主机硬件在环仿真系统包括：

设置在集控室中的服务器，所述服务器用于运行缸压监测软件和HIL系统软件，所述HIL系统软件包括系统运维模块、评估功能模块、通信功能模块、主机数字模型、燃油喷射模型、主机负载模型、主机换热模型和人机交互界面，所述缸压监测软件用于呈现主机数字模型计算的柴油机缸压和曲轴转角数据、查看柴油机气缸工况参数以及在线分析柴油机运行状态；

设置在机舱内的主机辅助系统、主机物理模型以及本地控制箱；

所述主机辅助系统、主机物理模型以及本地控制箱均与所述服务器通信连接。

进一步地，所述主机硬件在环仿真系统还包括主机遥控系统和检测报警系统，所述主机遥控系统和检测报警系统均与所述服务器通信连接；

所述主机遥控系统一方面用于接收用户针对模拟主机的操作指令，并根据备车条件逻辑判断后，输出控制信号给主机气动操纵系统控制相关电磁阀动作，实现主机的遥控启动、停车和换向气路逻辑；另一方面用于接收用户针对模拟主机的操作指令，并通过硬件在环仿真系统将所述操作指令转发至发动机控制系统，最后由发动机控制系统逻辑运算后将喷油和排气阀控制信号发给搭载于服务器上的主机数字模型。进一步地，所述主机物理模型包括主机上相关的燃油、滑油、冷却淡水和压缩空气系统，所述主机物理模型按真实介质流动设计，包括燃油消耗模拟单元和压缩空气消耗模拟单元，所述燃油消耗模拟单元用于模拟真实主机运行过程中的燃油消耗，所述压缩空气消耗模拟单元用于模拟真实主机运行过程中的压缩空气消耗，将进入气缸的压缩空气泄放到大气中。

进一步地，所述燃油喷射模型基于母型机燃油喷射系统建模，模拟主机燃油高压油泵工作过程和燃油喷射过程，并计算喷油起始、结束角度和燃油消耗量，主机燃油进机的压力、温度和流量需要AMS从现场传感器采集后通过以太网送至硬件在环仿真系统。

进一步地，所述主机换热模型根据机舱主机和辅助系原型设备特性参数进行建模，主要包括缸套冷却水换热模型、低温淡水换热模型和滑油换热模型，用于模拟主机与缸套冷却水、低温冷却水和滑油的换热，并计算冷却水和滑油出口温度等辅助系统参数。

进一步地，所述主机物理模型的燃油系统、滑油系统和缸套水系统管路增设阻力单元，以保证主机模型上的压力表显示和压力传感器采集信号与真实柴油机系统一致；

在主机物理模型上基于原型机和硬件在环系统需求配置传感器及显示仪表，所述二次仪表与真实配套系统管路相连接，安装于被替代的一次仪表的位置，接入与显示的数据为硬件在环系统提供的仿真数据。

进一步地，所述本地控制箱包括主机机旁控制箱、辅助鼓风机控制箱和液压泵控制箱；

所述主机机旁控制箱输出的转速设定值电流信号与机旁强制控制信号一起通过I/O板卡采集后经以太网送至服务器；

辅助鼓风机控制箱、液压泵控制箱及其上的仪表、指示灯、按钮的外观和布置与原型一致，所述辅助鼓风机控制箱、液压泵控制箱需要模拟信号输出控制的仪表采用二次仪表；

各控制箱内部安装IO板卡，通过以太网通信实现控制箱的模拟操作与交互。

进一步地，所述主机辅助系统包括主机燃油供给系统、主机缸套冷却水系统、主机低温冷却水系统、主机滑油系统、主机压缩空气系统；

各辅助系统按照真实介质流动和正常运转的实物系统设计和建设，设备用电由船舶电站提供，需要模拟显示的参数由硬件在环系统软件计算后输出显示，相应的仪表采用二次仪表。

进一步地，所述仿真系统还包括I/O通信板卡，所述I/O通信板卡部署于配套机舱设备处，用于实现对机舱设备现场数据的采集，以及将硬件在环系统软件计算得到的数据输出到设备执行和仪表显示。I/O通信板卡具有以太网、串口和CAN通信接口功能。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明将主机仿真系统与实际机舱有机融合为一体，整个系统(包括机舱中所有设备、系统管路、控制箱，以及仪表和传感器等)按照实际机舱布置设计，确保具有高度一致的外观、声音和操作体验，从而使操作人员认为所操作的是实船主机，达到与使用实船主机高度一致的效果。与此同时，与实际主机系统相比，本发明解决了实际机舱建设费用高、安全隐患多、污染排放大、维护工作量大等问题。

2、本发明中主机辅助系统(包括主机燃油供给系统、主机缸套冷却水系统、主机低温冷却水系统、主机滑油系统、主机压缩空气系统)都按可真实介质流动和正常运转的实物系统设计和建设，保证与实船系统的一致性。同时，设计了实际的辅助系统与在环仿真系统的交互方案，确保整个系统的有机融合。

3、本发明中主机物理模型的外观、材质及各种管路接口(燃油、滑油、汽缸油、冷却水、起动空气，控制空气)与原型机保持一致。在主机模型内部，燃油系统、滑油系统和缸套水系统管路增设阻力单元，以保证主机模型上的压力表显示和压力传感器采集信号与实际主机系统一致。

4、本发明中主机燃油系统管路上增设燃油消耗模拟单元，压缩空气系统上增设压缩空气消耗模拟单元，以保证燃油和压缩空气消耗与真实柴油机系统一致。

5、本发明中主机滑油系统、主机缸套冷却水系统、主机低温冷却水系统按实际系统设计，保证了操作场景真实性。为了逼真反映主机运行时与滑油、缸套冷却水和低温冷却水的热量交换，建立了滑油换热模型、缸套冷却水换热模型和低温淡水换热模型，并且对主机本体和主机辅助系统中的温度显示方案进行了虚实结合的设计，使系统中所有温度参数与实际主机系统一致。

6、本发明针对电喷主机配置了MOP控制站和发动机控制系统，使其可以同时满足传统主机和电喷主机的培训和评估要求。

7、本发明中设计和开发了多型专用通信板卡，可根据信号数量和种类灵活配置，满足多系统不同类型信号的采集和传输需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种自动化机舱主机硬件在环仿真系统原理图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种自动化机舱主机硬件在环仿真系统，所述主机硬件在环仿真系统包括：设置在集控室中的服务器，所述服务器用于运行缸压监测软件和HIL系统软件，所述HIL系统软件包括系统运维模块、评估功能模块、通信功能模块、主机数字模型、燃油喷射模型、主机负载模型、主机换热模型和人机交互界面，所述缸压监测软件用于呈现主机数字模型计算的柴油机缸压和曲轴转角数据、查看柴油机气缸压力参数以及分析在线分析柴油机运行状态；设置在机舱内的主机辅助系统、主机物理模型以及本地控制箱；所述主机辅助系统、主机物理模型以及本地控制箱均与所述服务器通信连接。

本发明以船舶主机为仿真对象建立其的仿真模型，与主机物理模型，发动机控制系统(简称ECS)、主机遥控系统(简称RCS)，监测报警系统(简称AMS)和主机辅助系统实现互联，构建主机硬件在环仿真系统(简称HIL系统)。HIL系统通过传感器和数据采集设备采集现场数据，并接收主机遥控系统、本地控制箱等的操作信号，输入到数学模型中进行运算，得到主机的实时运行状态和数据，进而输出到设备和仪表进行动作或显示。HIL系统总体目标为当操作人员操作模拟主机时，HIL系统代替真实主机运行，实时和真实地模拟实际主机的运行状态，从而使操作人员认为所操作的是实船主机，达到与使用实船主机高度一致的效果。

HIL系统能够代替实际主机完成主机的备车、启动、加速、程序负荷、转速控制、应急操作、减速、停车、换向、反向启动等实船主机运转的全部工况。HIL系统模拟产生的转速信号，通过变频电机驱动主机的飞轮来模拟主机的运转，主机上的各二次显示仪表也通过HIL系统输出信号来进行控制。主机物理模型(包括主机上相关的燃油、滑油、冷却淡水和压缩空气系统)热工参数显示及声音效果要求与实机匹配。

主机辅助系统(包括燃油系统、滑油系统、缸套水系统、低温淡水系统和压缩空气系统等)按真实介质流动和正常运转的实物系统设计和建设，设备用电由船舶电站提供。主机对辅助系统的影响，通过二次仪表显示出来，稳态数值与动态过程要求与实机匹配。

具体来说，HIL系统主要包括服务器1套(含HIL系统软件和缸压监测软件各1套)、主机物理模型1套、本地控制箱1套、发动机控制系统(ECS)1套、主机辅助系统、主机遥控系统、监测报警系统、MOP控制站1套(含MOP仿真软件1套)、网络交换机1台、功放音响设备1套、I/O通信板卡1套。

整个系统(包括机舱中所有设备、系统管路、控制箱，以及仪表等)按照实际机舱布置设计，确保具有高度一致的外观和操作体验。用户可以操纵主机遥控系统通过HIL系统对模拟主机发出各种操纵指令，但用户需保证辅助系统在正常工作。HIL系统实时采集辅助系统的状态数据，判断辅助系统工作的工作状态，并据此控制主机仿真模型的运行。如果辅助系统状态异常，仿真主机将按照实际主机给出动作或响应，保证与实船系统的一致性。

下面对系统的各个模块方案进行分别说明：

1、服务器

服务器部署于机舱集控室的集控台，由1台高性能PC台式机和1台计算机显示器组成，是整个HIL系统的核心。PC台式机推荐配置如下：CPU八核+512G；16G内存；250TB固态硬盘P1000 4G独显。

服务器通过实时采集现场信号和AMS的通信数据，以及RCS对主机发出的指令，经过HIL系统软件中数学仿真模型计算，将模拟的主机和辅助系统性能参数实时输出到机舱二次仪表、RCS、AMS以及驱动电机的变频器等。

服务器中运行HIL系统软件和缸压监测软件。两个软件都采用.NET平台的C#语言开发，其人机交互界面采用WPF界面框架进行开发。缸压监测软件将主机数字模型计算的柴油机缸压和曲轴转角数据进行列表、柱状体和曲线图的方式呈现，用于查看柴油机气缸压力等参数，分析在线分析柴油机运行状态。HIL系统软件主要包含系统运维模块、评估功能模块、通信功能模块、主机数字模型、燃油喷射模型、主机负载模型、主机换热模型和人机交互界面。

系统运维模块包括自诊断程序，用于实时监控系统、网络、I/O板卡的运行状态；当有故障发生时，能给出声光指示，同时可记录、保存历史操作和历史数据。

评估功能模块基于权重分配、参数阈值判别和模糊辨识开发，能够实现对主机操作进行智能评估和打分。具体评估项目可根据需求在XML文件中对评估要素进行灵活配置，包括分值权重、评估持续时间、评估要素关键字、评估函数类别、阈值等信息。

通信功能模块根据TCP/IP通信协议开发，用于实现与I/O通信板卡、ECS系统、MOP、AMS和RCS的通信。

主机数字模型基于的母型机工作原理和特性参数，采用发动机零维建模方法进行建模。首先，在MABLAB/SIMULINK中进行建模和校准。然后，基于校准好的SIMULINK柴油机模型，采用C#语言进行发动机数学模型开发。相较于调用SIMULINK的封装文件，在系统软件中用C#直接开发的主机数字模型运行效率更高，且调试和配置更为灵活。主机数字模型模拟了主机工作过程，并实时计算并输出主机功率、扫气压力、扫气温度、排气管压力、排气管温度、各缸排温、透平转速、透平后温度等热工参数。主机数字模型中融入了故障机理模型，使其可以模拟主机的典型故障。主机数字模型模拟的工况参数与柴油机台架数据基本一致，而且主机数字模型的起动、停机、换向、调速与动态过程与实船相符，具备备车操作、靠离港、定速航行、应急操作、设备及系统故障分析功能。另外，开发与主机配套辅助鼓风机和液压油系统控制逻辑和数学模型，用于辅助鼓风机和液压油泵控制、以及状态和参数显示模拟。

燃油喷射模型基于母型机燃油喷射系统建模和开发，通过检测实际主机燃油系统的工作状况，判断燃油供给和流动状态，进而模拟主机燃油高压油泵工作过程和燃油喷射过程，并计算计算喷油起始、结束角度和燃油消耗量。主机燃油进机的压力、温度和流量需要AMS从现场传感器采集后通过以太网实时送到HIL系统。HIL系统通过这些信号来判断燃油供给和流动情况。即，进机的压力、温度和流量采用实际信号，喷油起始、结束角度和燃油消耗量采用模拟计算。

主机负载模型考虑了恶劣海况、污底、不同吃水与航区等影响因素，结合船舶和推进器特性开发，含船舶直航运动数学模型和四象限螺旋桨动力学模型，模拟船舶螺旋桨负载，实现主机与螺旋桨在各种工况下的匹配运行，能模拟恶劣海况、污底、不同吃水与航区等影响下的船舶推进状况。

主机换热模型根据机舱主机和辅助系原型设备特性参数进行建模，主要包含缸套冷却水换热模型、低温淡水换热模型和滑油换热模型，用于模拟主机与缸套冷却水、低温冷却水和滑油的换热，并计算冷却水和滑油出口温度等辅助系统参数。

缸套冷却水换热模型基于机舱的主机高温冷却水系统和主机特征参数建立，模拟冷却水系统对主机的冷却性能，并计算主机各工况下冷却水温度变化。要求高温淡水热力学参数变化规律与原型机台架或试航数据基本一致。主机缸套淡水冷却系统的压力与进口温度信号需要AMS从现场传感器采集后实时送到HIL系统服务器。缸套冷却水换热模型根据主机运行工况计算主机各缸出口和总管的冷却水温度，并通过I/O板卡送出到现场二次仪表显示。用于AMS报警与显示的温度传感器模拟信号由HIL系统服务器通过以太网通信送给AMS。

主机中需要低温淡水冷却的内容有主机空冷器，滑油冷却器、缸套水冷却器。其中低温淡水冷却滑油冷却器后，再冷却缸套水冷却器。主机空冷器则是低温水单独冷却。低温淡水换热模型基于机舱的主机低温淡水系统和主机特征参数建立，模拟低温淡水系统对主机空冷器、滑油冷却器和缸套水冷却器的冷却效果，并计算主机各工况下冷却水温度变化。要求低温淡水热力学参数变化规律与原型机台架或试航数据基本一致。主机低温淡水系统的压力与滑油冷却器进口温度信号需要AMS从现场传感器采集后实时送到HIL系统服务器。低温淡水换热模型根据主机运行工况计算主机空冷器、滑油冷却器和缸套水冷却器的冷却水出口温度，并通过I/O板卡送出到现场二次仪表显示。用于AMS报警与显示的温度传感器模拟信号由HIL系统服务器通过以太网通信送给AMS。

滑油换热模型基于机舱的主机滑油系统和主机特征参数建立，模拟滑油系统润滑和冷却效果，输出滑油出口温度等参数。滑油换热模型接收主滑油泵运行/停止信号、滑油进机压力和滑油出机压力，进而计算主机滑油系统各节点出口温度等参数并送给AMS，以及主机滑油系统二次仪表显示。

2、主机物理模型

主机物理模型的外观、材质及各种管路接口(燃油、滑油、汽缸油、冷却水、启动空气，控制空气)与原型机保持一致。

主机物理模型外形结构完整。在主机模型内部，燃油系统、滑油系统和缸套水系统管路增设阻力单元，以保证主机模型上的压力表显示和压力传感器采集信号与真实柴油机系统一致。在主机模型外部，燃油系统管路上增设燃油消耗模拟单元，压缩空气系统上增设压缩空气消耗模拟单元。主机物理模型上基于原型机和HIL系统需求配置传感器及显示仪表。原型机配置的需要模拟信号控制的一次性仪表更换成二次仪表；二次仪表与真实配套系统管路相连接，接入与显示数据为HIL系统提供的仿真数据。

主机物理模型通过变频电机直接驱动输出端的短轴和飞轮旋转，模拟主机旋转动作。变频电机布置在模型机座内。变频电机由市电电网通过分电箱直接供电，其功率根据主机及转速确定。

主机物理模型的机旁控制台按原型机设计，能实现主机机旁操纵，具体包括启动、停车、换向、机旁/遥控位置转换。

主机盘车装置和盘车机控制箱按原型机设计，能进行盘车机脱开/合上、主机盘车等操作，并与气动操纵系统气路连锁。

3、本地控制箱

本地控制箱包括主机机旁控制箱、辅助鼓风机控制箱和液压泵控制箱。

主机机旁控制箱的转速设定旋钮输出4-20mA电流信号，与机旁强制控制信号一起通过I/O板卡采集后以太网送至HIL系统服务器。

辅助鼓风机和液压泵控制箱及其上的仪表、指示灯、按钮的外观和布置与原型一致；需要HIL模拟信号输出控制的一次仪表更换为二次仪表；运行小时计按原型设计，通过24V DC控制；控制箱内部安装IO板卡，通过以太网通信实现控制箱的模拟操作与交互。

4、发动机控制系统

针对电喷主机，配置了发动机控制系统(ECS)，包括硬件和软件功能模拟。硬件部分保留原型机ECS控制箱，外形与真实主机控制系统相似，移除内部原型机控制单元，安装定制的ECS仿真板卡，通过通信实现数据采集和控制输出。软件功能按照原型机ECS系统功能进行开发，具体包括主机转速控制、油量控制、喷油控制、启动定时、排气定时、气缸注油等功能。

5、主机辅助系统

主机辅助系统包括主机燃油供给系统、主机缸套冷却水系统、主机低温冷却水系统、主机滑油系统、主机压缩空气系统。所有辅助系统按可真实介质流动和正常运转的实物系统设计和建设，设备用电由船舶电站提供，需要模拟显示的参数由HIL系统软件计算后输出显示，相应的仪表采用二次仪表。其它压力表和温度表采用一次仪表，显示系统实际压力和温度值，相应的传感器信号由AMS采集，并通过以太网通信送给HIL系统服务器。

为了模拟主机的燃油消耗，在主机燃油供给管路上(主机进口流量计后，主机出口流量计前)增设一个开度连续可调的阀门。HIL系统软件根据主机工况控制该阀门的开度和持续时间来分流燃油流量，进而模拟燃油的消耗。

主机缸套冷却水系统中主机各缸出口和总管的冷却水温度表采用二次仪表，由HIL系统软件计算后输出显示；其它仪表采用一次仪表，采集实际信号显示。

主机低温冷却水系统中主滑油冷却器和缸套水冷却器的冷却水出口处，以及主机空冷器的冷却水出口处的三个温度表采用二次仪表，由HIL系统软件计算后输出显示；其它仪表采用一次仪表，采集实际信号显示。

主机滑油系统滑油冷却器后滑油温度、增压器滑油出口温度、主机各缸活塞冷却油出口温度仪表采用二次仪表，由HIL系统软件计算后输出显示；其它仪表采用一次仪表，采集实际信号显示。

主机压缩空气系统以及气动操纵系统按实物系统设计，并保留原型系统的传感器、压力开关和仪表。为了模拟主机起动过程中的压缩空气消耗，将进入气缸的压缩空气泄放到大气中；为了避免噪音污染，在压缩空气泄放管上安装消音装置；为了避免高压力的起动空气泄放时可能导致的危险，在起动空气进入起动操纵系统之前安装减压装置，将30bar压缩空气减压至10bar。

6、主机遥控系统

主机遥控系统(RCS)采用真实的RCS系统，含安全保护系统功能。RCS采集实际的盘车机Engaged/Disengaged信号、主起动阀Service/Blocked信号、起动空气分配器Service/Blocked信号、控制空气压力信号、起动空气压力信号、以及各起动阻塞信号，判断备车条件，并根据操作人员的控制指令进行逻辑运算，输出电信号直接控制气动操纵系统的起动、停车、正车和倒车电磁阀，实现遥控启动、停车和换向功能。RCS根据驾驶台车令进行相应的转速限制后，将转速设定值以4-20mA电流信号传递给HIL系统服务器。另外，RCS需具备故障停车和故障降速功能，并将相关信号以开关量形式传递给HIL系统服务器。

7、监测报警系统

监测报警系统(AMS)采用真实的AMS系统。AMS的数据来源包括两部分，一部分是能够从实际系统通过传感器采集到的信号；如果不能从实际系统采集到的信号，如扫气压力和温度、排气压力和温度等，则由HIL系统数字模型计算后通过TCP通信传输给AMS。HIL系统需要用到的实际系统参数信号，由AMS系统通过TCP通信传输给HIL系统服务器。AMS监测报警点数至少1000个以上，能实现系统图形和参数的显示、设置、打印、面板操作、延伸报警及分组、报警点闭锁、测点表等功能。

8、MOP控制站

针对电喷主机，配置MOP控制站1套，包括MOPA和MOPB两个独立的单元，用于运行MOP软件，部署于集控台。MOPA和MOPB可同时操作、同时生效又起到冗余备份的功能，通过以太网与HIL系统服务器通信。

MOP控制站具体由2台15英寸工业触控一体机组成，推荐配置如下：Intel高性能低功耗四核处理器，主频2.0GHz，8GB内存，Windows 10操作系统，全平面五线电阻屏，15英寸，屏幕宽高比4:3，接口类型：串口、USB、千兆以太网口、HDMI。

MOP控制站包含MOP人机交互仿真软件，用于监控电喷主机运行。MOP软件采用.NET平台的C#语言开发，其人机交互界面采用WPF界面框架进行开发。

9、网络交换机

16端口网络交换机2台，部署于集控室，用于汇聚I/O通信板卡信号。

10、功放音响设备

功放音响设备1套，部署于集控室和配套机舱，用于模拟主机运行声音。

11、I/O通信板卡

根据HIL系统需求，设计和开发I/O通信板卡1套，部署于配套机舱中相关设备附近，用于实现对机舱设备现场数据的采集，以及将HIL系统软件计算得到的数据输出到设备执行和仪表显示。I/O通信板卡具有以太网、串口和CAN通信接口功能。

I/O通信板卡包括三种：分别为通用型分布式信号处理单元(DPU)、模拟量分布式处理单元(DPA)、电喷控制系统仿真板卡(ECU)。具体配置如下：

DPU包含32路开关量输出(DC24V)、32路开关量输入、8路模拟量输出(4-20mA)、6路模拟量输入(4-20mA)。

DPA包含含32路模拟量输出(4-20mA)、8路AI模拟量输入(4-20mA)。

ECU为发动机电喷控制系统仿真板卡，通道数量和类型与实际板卡一致。

满足仿真系统与现场设备之间的数据交互，数据刷新速度不大于1秒，动态变化过程连续。主机及其燃油、滑油、冷却水等系统信号送入HIL系统，并能够接收HIL系统仿真得到的柴油机及其燃油、滑油、冷却水等系统的参数，并显示。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种自动化机舱主机硬件在环仿真系统，其特征在于，所述主机硬件在环仿真系统包括：

设置在集控室中的服务器，所述服务器用于运行缸压监测软件和HIL系统软件，所述HIL系统软件包括系统运维模块、评估功能模块、通信功能模块、主机数字模型、燃油喷射模型、主机负载模型、主机换热模型和人机交互界面，所述缸压监测软件用于呈现主机数字模型计算的柴油机缸压和曲轴转角数据、查看柴油机气缸工况参数以及在线分析柴油机运行状态；

设置在机舱内的主机辅助系统、主机物理模型以及本地控制箱；

所述主机辅助系统、主机物理模型以及本地控制箱均与所述服务器通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种自动化机舱主机硬件在环仿真系统，其特征在于，所述主机硬件在环仿真系统还包括主机遥控系统和检测报警系统，所述主机遥控系统和检测报警系统均与所述服务器通信连接；

所述主机遥控系统一方面用于接收用户针对模拟主机的操作指令，并根据备车条件逻辑判断后，输出控制信号给主机气动操纵系统控制相关电磁阀动作，实现主机的遥控启动、停车和换向气路逻辑；另一方面用于接收用户针对模拟主机的操作指令，并通过硬件在环仿真系统将所述操作指令转发至发动机控制系统，最后由发动机控制系统逻辑运算后将喷油和排气阀控制信号发给搭载于服务器上的主机数字模型。

3.根据权利要求1所述的一种自动化机舱主机硬件在环仿真系统，其特征在于，所述主机物理模型包括主机上相关的燃油、滑油、冷却淡水和压缩空气系统，所述主机物理模型按真实介质流动设计，包括燃油消耗模拟单元和压缩空气消耗模拟单元，所述燃油消耗模拟单元用于模拟真实主机运行过程中的燃油消耗，所述压缩空气消耗模拟单元用于模拟真实主机运行过程中的压缩空气消耗，将进入气缸的压缩空气泄放到大气中。

4.根据权利要求1所述的一种自动化机舱主机硬件在环仿真系统，其特征在于，所述燃油喷射模型基于母型机燃油喷射系统建模，模拟主机燃油高压油泵工作过程和燃油喷射过程，并计算喷油起始、结束角度和燃油消耗量，主机燃油进机的压力、温度和流量需要AMS从现场传感器采集后通过以太网送至硬件在环仿真系统，再由硬件在环仿真系统判断油供给和流动情况，计算喷油起始、结束角度和燃油消耗量。

5.根据权利要求1所述的一种自动化机舱主机硬件在环仿真系统，其特征在于，所述主机换热模型根据机舱主机和辅助系原型设备特性参数进行建模，主要包括缸套冷却水换热模型、低温淡水换热模型和滑油换热模型，用于模拟主机与缸套冷却水、低温冷却水和滑油的换热，并计算冷却水和滑油出口温度等辅助系统参数；

所述缸套淡水冷却系统的压力与进口温度信号需要AMS从现场传感器采集后实时送到HIL系统服务器，缸套冷却水换热模型根据主机运行工况计算主机各缸出口和总管的冷却水温度，并通过I/O板卡送出到现场二次仪表显示；

所述低温淡水换热模型的压力需要AMS从现场传感器采集后实时送到HIL系统服务器，低温淡水换热模型根据主机运行工况计算主机空冷器温度，并通过I/O板卡送出到现场二次仪表显示；

所述滑油换热模型接收主滑油泵运行/停止信号、滑油进机压力和滑油出机压力，进而计算主机滑油系统各节点出口温度等参数并送给AMS以及主机滑油系统二次仪表显示。

6.根据权利要求1所述的一种自动化机舱主机硬件在环仿真系统，其特征在于，所述主机物理模型的燃油系统、滑油系统和缸套水系统管路增设阻力单元，以保证主机模型上的压力表显示和压力传感器采集信号与真实柴油机系统一致；

在主机物理模型上基于原型机和硬件在环系统需求配置传感器及一次和二次显示仪表，所述二次仪表与真实配套系统管路相连接，安装于被替代的一次仪表的位置，接入与显示的数据为硬件在环系统提供的仿真数据。

7.根据权利要求1所述的一种自动化机舱主机硬件在环仿真系统，其特征在于，所述本地控制箱包括主机机旁控制箱、辅助鼓风机控制箱和液压泵控制箱；

所述主机机旁控制箱输出的转速设定值电流信号与机旁强制控制信号一起通过I/O板卡采集后经以太网送至服务器；

辅助鼓风机控制箱、液压泵控制箱及其上的仪表、指示灯、按钮的外观和布置与原型一致，所述辅助鼓风机控制箱、液压泵控制箱需要模拟信号输出控制的仪表采用二次仪表；

各控制箱内部安装IO板卡，通过以太网通信实现控制箱的模拟操作与交互。

8.根据权利要求1所述的一种自动化机舱主机硬件在环仿真系统，其特征在于，所述主机辅助系统包括主机燃油供给系统、主机缸套冷却水系统、主机低温冷却水系统、主机滑油系统、主机压缩空气系统；

各辅助系统按照真实介质流动和正常运转的实物系统设计和建设，设备用电由船舶电站提供，需要模拟显示的参数由硬件在环系统软件计算后输出显示，相应的仪表采用二次仪表。

9.根据权利要求1所述的一种自动化机舱主机硬件在环仿真系统，其特征在于，所述仿真系统还包括I/O通信板卡，所述I/O通信板卡部署于配套机舱设备处，用于实现对机舱设备现场数据的采集，以及将硬件在环系统软件计算得到的数据输出到设备执行和仪表显示，I/O通信板卡具有以太网、串口和CAN通信接口功能。

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