船舶主机曲轴箱油雾浓度探测器仿真

杨泽宇，王 琪，王前进

(南通航运职业技术学院轮机工程系，江苏南通 226010)

0 引言

曲轴箱浓度探测器作为1种重要的安保监测设备，担负着大型船舶主机运行状态监测和安全运行维护的重任.自20世纪50年代“瑞纳·德尔·帕西菲哥”轮发生曲轴箱爆炸事故以来，油雾浓度探测器已在大功率船舶上广泛应用，对其的使用和维护管理也受到越来越多的重视.［1]中国海事局［2]将油雾浓度探测器的维护管理内容作为海船船员(大管轮)适任证书考核的主要内容之一，列入实际操作考核评估项目.目前，各海事院校和船员培训机构在实训和考核评估中大多采用口述取代实物操作，一些院校或培训机构虽然购买了昂贵的设备，考虑到运行成本也只进行“比划”式训练.由于维修管理人员的技术熟练程度对船舶生产安全、设备使用效率、设备使用寿命和经济效益起着决定性作用，提高培训质量已成为亟待解决的课题之一.

随着计算机技术、多媒体技术以及自动控制技术的飞速发展和广泛应用，以计算机系统开发为基础的各种仿真训练器已成为当今重大生产设备或过程控制设备操作人员上岗培训的必备设备，在石油化工、航空航天和航海等诸多领域广泛使用.将基于计算机技术的油雾浓度探测器仿真装置用于培训，可反复操练在实船上不允许随便进行的操作，使受训人员在短时间内能获得实船工作多年才能积累的经验，并总结因操作不当或失误而造成的事故教训.

目前，我国已经开发出一些功能强大的轮机仿真训练器，但尚未有真正意义上的油雾浓度探测仿真训练器.本文介绍以Mark 5型油雾浓度探测器为仿真对象的仿真系统的结构组成，分析基于King-View 6.5的仿真系统的设计和实现过程，以期对小型设备的仿真训练器的开发提供借鉴.

1 仿真对象的工作原理

Mark 5型油雾波度探测器是英国GRAVINER公司生产的主要用于检测主机工况的监测设备.主机一旦工作不正常，会立即报警并发出主机减速或主机停车指令，以保护主机.［3]Mark 5型油雾浓度探测器控制系统的工作原理见图1.系统通过风机抽取主机汽缸曲轴箱内润滑油的油雾作为采样，并将其送进检测室，通过光电转换装置将油雾浓度信号转变为电信号，由单片机监测并将监测值与预设的参考值进行比较，控制输出报警和显示.油雾浓度可反映主机工况，当主机工况不正常时(如不正常的轴承磨损以及过热等会导致主机曲轴箱内温度升高)，曲轴箱内的润滑油挥发，使油雾浓度增加，当浓度高于正常值时，系统会发出报警、减速甚至停车信号.

图1 Mark 5型油雾浓度探测器控制系统工作原理

系统以单片机为监视报警的核心部件，具有采样准确、执行速度快以及自检功能强大等优点.单片机通过采样通道选择译码/驱动电路，选中1路采样信号，在光电检测室内将油雾浓度信号转变为电信号，再由电流/电压转换放大器和多增益放大器放大后送到模数转换电路.单片机将其检测得到的数字信号与预设值进行比较，同时将此新检测值用于平均值计算，再将新平均值与预设的平均值极限比较，如果超限，就输出报警、减速甚至停车信号，并在液晶显示器上显示报警值和通道号;如未超限，则只显示检测值及通道号.

2 仿真对象的结构设计

Mark 5型油雾浓度探测器仿真系统为2级分布式结构，其结构组成见图2.第1级为计算机，由组态监控软件开发现场监控和数据采集系统(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)，通过RS485通信线和下位机可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)串口通信;第 2级由下位机PLC和硬件盘台组成.硬件盘台的设计按实物界面1∶1设计，盘台下部设有故障信号设置箱，内有6个模拟船舶主机曲轴箱内油雾浓度的电位计、1个气路模拟信号变送单元、1个采样系统故障模拟信号变送单元、1个光学系统故障模拟信号变送单元、1个灵敏度调节电位器和1个模拟方式测试信号发送电位器等装置.各仿真信号通过输入接口读入PLC，经逻辑判断输出2路，1路经RS485通信线与上位机相连，1路直接输出至硬件盘台进行功能显示.上位机操作系统选用Windows XP，监控软件选用KingView 6.5.计算机作为上位机可提供良好的人机界面进行全系统的监控和参数设置;PCI板卡和传感器作为下位机，结构简单、信号来源直观、执行可靠.

图2 油雾浓度探测器仿真系统结构组成

2.1 上位机软件设计

上位机软件采用国内先进的KingView 6.5编写.其为运行Windows 2000/XP的全中文界面的组态软件，采用多线程和COM组件等新技术，具有丰富的设备驱动程序、灵活的组态方式和数据链接功能，可充分利用Windows的图形编辑功能构成监控画面;用其构造监控系统能大大缩短开发时间，并能保证系统的质量.［4]

KingView 6.5将每台下位机看作1个外部设备，通过驱动程序和外部设备交换数据，包括采集数据和发送数据指令.每个驱动程序都是1个COM对象，使通信程序和kingView 6.5构成1个完整的系统，既可以保证系统运行的高效率，也可以使系统达到较大规模.上位机主要由数据库管理、通信管理和控制决策生成等功能模块组成.数据库用于存储由传感器采集的现场环境数据，并建立各缸油雾浓度历史数据表供用户对比查看.控制策略组态负责系统中控制子系统内部的具体控制策略及某些控制参数的设定等(如故障报警控制模块被设计成带有组态思想的控制子系统，可以根据用户在系统组态配置中的控制设备参数设置自动判断各缸油雾浓度情况，自动选用合适的控制流程).

上位机监控软件具有良好的人机交互界面，主要对各控制站的状态信号进行监控，利用直观的动态画面模拟控制对象的工作状态，实时处理现场数据并实时报警，具备主机各缸曲轴箱内油雾浓度数据显示、探测器运行状态显示、参数设置、历史数据查询、报警提示和报警记录查询等功能.用户可以在监控界面上对各缸曲轴箱油雾浓度进行在线实时监控，监视学员的操作状态;可以通过报表查看过去相当长一段时间内各缸油雾浓度变化数据和曲线，并分析判断故障原因等.

2.2 下位机软件设计

下位机位于硬件盘台控制箱内，包括各参数设置单元、变送单元、显示单元、控制单元和执行单元等.根据仿真对象的工作原理和仿真训练器的功能要求，控制单元选择西门子S7-200CN，CPU226CN AC/DC/RLY.表1为PLC的I/O变量，该PLC具有功能强大、适应性强、可靠性高、抗干扰能力强以及使用维修方便等优点.［5]

表1 PLC的I/O变量

各缸曲轴箱内油雾浓度环境是个多变量、多耦合、非线性和大滞后的复杂动态系统，很难建立精确的数学模型，因此，本文利用PLC循环扫描的特点，将所测模拟状态实际值和设定值作比较，并根据比较结果采取相应的执行方案，其逻辑原理见图3.下位机将实时采集的数据送PLC处理后，由硬件盘台和上位机同步显示，并接受上位机的控制和相关操作.此外，下位机也可以脱离上位计算机独立工作，控制系统按预设程序自主运行下位机决策程序，对探测器实现全自动控制.以PLC为核心的下位机控制软件采用西门子的LAD语言和STL语言编制.［6]各参数设置单元采用电位计模拟的结构实施，整个系统联网采用基于RS485通信线的组态模式.

图3 仿真训练器逻辑原理

3 仿真运行结果分析

以平均浓度报警监测为例，将灵敏度调节电位器调至5挡，即平均油雾浓度报警值设为1.0 mg/L，同时通过偏差电位器将偏差报警值设为0.1 mg/L.系统启动后将3号缸油雾浓度仿真信号变送器信号增大，其油雾浓度监测曲线见图4.

图4 3号缸油雾浓度监测曲线

由图4可知，最初该缸油雾浓度信号不断增大，12 s时油雾浓度达到1.0 mg/L，此时上位机检测界面中给出3号缸平均浓度报警，触发软件面板上3号缸平均浓度报警指示灯亮，并给出声光报警，同时主机减速运行.随着3号缸模拟油雾浓度输入不断增大，17.5 s时3号缸油雾浓度值超过1.1 mg/L，触发偏差报警.应答后，将3号缸油雾浓度仿真信号调整为正常值，并按复位按钮，系统恢复到正常状态.

4 曲轴箱油雾浓度探测仿真训练器的功能

(1)提供1套完整的曲轴箱油雾浓度探测器操作系统，具有与实物相同的可操作化软硬面板，便于学员熟悉油雾浓度探测器的面板功能;

(2)通过软件模拟，学员能学习和了解曲轴箱油雾浓度探测器的基本工作原理;

(3)实现船舶主机运行时探测器实时监控的仿真功能，通过探测器的启动、运行、测试和复位，包括指示灯、报警器和参数显示器等的真实显示，学员可以获得各种真实的感觉;

(4)实现参数调节的功能，包括灵敏度调节、各缸平均浓度报警值调节和偏差报警值调节等;

(5)利用软硬盘台的同步显示功能，教师能实时了解学员的操作情况并调整教学内容，如进行平均浓度报警、偏差浓度报警、气路故障和光路故障等的设置;

(6)学员通过观察仿真训练器工作运行状态判断故障原因，掌握排除故障的方法，提高分析和处理异常事件的能力.

5 结束语

目前，曲轴箱油雾浓度探测仿真训练器已成功应用于轮机工程技术专业的日常教学和船员培训工作，由于其可以充分模拟船舶主机现场控制状态，人机界面友好，使用中获得了较好的效果，可以为小型设备仿真训练器的开发提供借鉴.

［1]王琪.船舶主机曲轴箱爆炸事故的预防及应急管理［J].浙江交通职业技术学院学报，2008，9(3):44-48.

［2]中华人民共和国海事局.中华人民共和国海船船员适任考试大纲［M].大连:大连海事大学出版社，2006:180-181.

［3]杨泽宇.轮机自动化［M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2006:185-187.

［4]袁秀英.组态控制技术［M].北京:电子工业出版社，2003:25-26.

［5]童刚，陈丽君，冷健.基于组态王和PLC的流体黏度测量系统［J].微计算机信息，2008，24(25):130-131.

［6]周永勤，周美兰，颜景斌，等.基于组态技术虚拟被控对象的PLC仿真实验研究［J].哈尔滨理工大学学报，2004，9(6):7-9.