C/S架构下的工业锅炉培训与考核仿真系统

周一卉 胡佰龙 杜 宁

(大连理工大学化工机械学院，辽宁 大连 116024)

0 引言

我国工业锅炉具有数量大、分布广泛的特点，这些锅炉大部分为人工操作，自动化水平较低，这就要求司炉人员具有较高工业锅炉操作水平和实战经验[1]。每年仅因为司炉人员操作不当引起的锅炉事故多达数百起，因此，对司炉学员进行上岗前培训、定期轮训就显得十分必要[2]。

传统的锅炉培训方式周期长、缺少实练、效率不高[3]。随着计算机仿真技术的发展，计算机仿真系统对司炉工进行培训成为了锅炉培训的主要方式[4]。纯粹单一的计算机仿真系统，虽然提高了培训效率，但却降低了操作人员的动手能力，再加上司炉工不熟悉计算机的操作，效果也欠佳[5－7]。

针对传统锅炉培训考核方法的诸多不足，本文开发了一个基于Client/Server结构的工业锅炉培训与考核仿真系统。该仿真系统对锅炉运行过程和事故进行实时模拟，司炉学员可以反复身临其境地进行锅炉运行的实际操作，观察开停炉等正常操作和事故发生前的异常现象，演练各种事故的处理程序。

1 系统硬件结构设计

工业锅炉培训/考核仿真系统主要分为硬件系统和软件系统2个部分。其中，硬件部分包括2台半实物锅炉模拟样机(1台燃煤蒸汽锅炉模拟样机和1台燃油蒸汽锅炉模拟样机)及其控制台、1～5台学员操作计算机、1个学员用显示屏以及传感元件和用于数据采集的板卡等。从功能上划分，本仿真系统的硬件部分可以分为服务器、客户端和底层硬件设备。系统硬件结构如图1所示。

图1 系统硬件结构图Fig.1 Hardware structure of system

1.1 数据服务器

本仿真系统采用C/S网络结构。服务器主要用于数据的记录、存储和调用以及与终端进行数据的传递;同时，在学员培训和考核过程中，可对学员操作及现场情况进行实时监控。

1.2 客户端

本仿真系统的客户端由若干台计算机组成，通过局域网访问位于服务器上的远程数据库。同时，学员在锅炉模拟样机上进行练习和考核时，每进行一步操作，仿真界面中都会有实时响应。不仅如此，根据学员操作步骤，锅炉模拟样机上经过数字改造后的水位表、压力表等能够进行实时动态显示。

1.3 底层硬件

本仿真系统的底层硬件由半实物锅炉模拟样机、控制柜和交换机等组成。为了营造一个高度逼真的运行环境，在对锅炉样机以及控制元件进行数字化改造时，锅炉样机以及控制元件保持了原实物的外观和特性。控制元件内部进行了改造，安装了非接触式传感器，延长了样机的使用寿命。

2 系统软件结构设计

本仿真系统的软件部分以三维力控组态软件为系统开发平台，采用Modbus协议进行数据通信，同时利用Visual Basic 6.0嵌套关系数据库进行第三方程序开发，这样不仅确保了数据传递的迅速可靠，而且保证了用户界面的生动逼真。系统软件结构如图2所示。

图2 系统软件结构图Fig.2 Software structure of system

培训/考核仿真系统软件的设计采用模块化思路，具体就是将系统软件所要求达到的功能进行合理拆分，主要可以分为锅炉结构和操作原理演示模块、学员操作培训模块、模拟考试模块、学员考核模块、自动评分模块和用户管理模块。这些系统模块采用“高内联低耦合”的方式，不仅满足了锅炉仿真培训的整体需求，同时，基于Client/Server模式的网络架构还实现了教师与学员的互动与交流。

2.1 培训演示模块

系统采用多媒体技术，能够演示各种不同类型锅炉的内在结构、工作原理和操作过程，帮助学员学习掌握，从而提高培训质量和效果。燃煤蒸汽锅炉和燃油蒸汽锅炉各个功能演示模块如图3所示。

图3 功能演示模块示意图Fig.3 Drawing of functional demo

演示时，将真实的锅炉系统拆分成几个子系统，再根据各个子系统的运行条件、规律和介质等影响因素进行设定，并给出相应的动画显示。

其中，燃煤蒸汽锅炉的培训演示模块包括7大系统共22个功能演示，能够仿真演示燃煤锅炉各部分主要结构、工作过程和工作状态。燃油蒸汽锅炉的培训演示模块包括9大系统共22个功能演示，能够仿真演示燃油锅炉各部分主要结构、工作过程和工作状态。

2.2 操作练习和考核模块

本仿真系统为学员提供了正常操作和故障排除这2大类实践性练习内容。按训练方式，可将练习分为独立练习和模拟考核2种方式。所有练习内容均从试题库中抽取，保证了培训和考核内容的统一。

在学员进行操作训练时，系统首先进行初始状态的校验，这一步对于进行故障排除项目时尤为重要;然后通过大屏幕、声光等手段对学员进行的每一步操作进行反馈和实时响应，尽可能地创造逼真的锅炉现场操作环境和状态;当学员培训完毕进行考核时，系统根据锅炉类型、考试级别等因素，从题库中随机抽取正常操作和故障排除题目，自动记录学员的每一步操作，并予以成绩评定。

3 仿真信号的智能化处理

工业锅炉培训/考核仿真系统中锅炉模拟样机的仿真信号的数量庞大，其所表征的状态千差万别，如何将这些信号与锅炉仿真状态相关联，能够被计算机语言识别并进行记录与分析是本系统要解决的核心问题。

在信号传递、接收与处理过程中，不同类型的信号需要采用不同的处理办法。该培训/考核仿真系统的仿真信号分为开关量信号、档位信号和模拟量信号3种类型。以下分别对这3种类型进行具体介绍。

①开关量仿真信号主要包括阀门、泵和风机的启停开关、报警器和指示灯等，它们全部通过改造真实元件的方式实现。以阀门为例，本仿真系统的所有阀门均采用真实阀门进行数字化改造，它们在外部结构和操作要点上，同真实阀门没有区别。当学员进行操作时，阀门状态的变化会被实时显示和存储。

②多档位开关量仿真信号标志了操作手柄的不同位置，如液位计三通旋塞、鼓风机风量控制等。当学员进行档位变换时，系统能够根据反馈的开关量判定当前档位，并记录学员的操作。

③模拟量仿真信号用于压力表和液位计的显示控制。这些控制仪表均采用经过内部改造后的真实仪表，但是由于锅炉模拟样机中没有实际介质，所以仪表的数值显示就没有了支撑来源。本系统依靠智能算法使仪表能够正确地模拟显示当前锅炉模拟样机在学员操作状态下应有的实际运行状态。

该系统对所有操作单元、控制单元和显示单元进行了数字化改造，可以逼真地实现学员与操作对象之间的双向互动。

4 智能数据库系统

工业锅炉培训/考核仿真系统的数据库模块是整个系统的基础和核心，从功能上主要分为学员信息数据库、试题信息数据库和系统基本信息数据库3部分。学员信息数据库主要用于记录受训学员的个人基本信息以及历次考核培训情况，实现方法采用VB编程访问ODBC数据源。试题信息数据库用于记录、保存培训考核时试题的基本信息以及学员操作情况。针对以往锅炉培训系统在题库管理上的不足，在设计思路上主要着力于解决新试题录入的通用性，控制元件编码管理的通用性等难点，采用智能化的设计规范，使题库系统的通用性高。基本信息数据库主要用于记录仿真系统控制元件基本情况。

这3部分数据库的设计充分考虑了仿真系统所需要的多种功能，同时，智能化的数据库设计使系统不仅具有可拓展性，还使操作更加人性化。各个数据库模块制作成可执行文件，再利用力控的“StartApp(App-Name)”脚本调用Visual Basic可执行文件，就可以实现力控与关系数据库的无缝嵌接。

5 结束语

本系统提供了丰富的训练内容，可以模拟显示不同类型锅炉各个组成部分的工作原理和工作过程。依靠庞大的试题库，学员能够充分熟悉锅炉正常操作和故障排除中遇到的各种问题，大大提高了学员的操作水平，有利于锅炉生产的正常进行。

此外，本系统采用开放式接口，可根据培训需要随时添加新类型锅炉模拟样机或增加新的仿真信号点，不断完善试题库和培训知识点。随着学员人数增多和培训地域范围的扩大，系统可进一步开通远程教学与培训，提高培训质量和效率和节省培训费用。本系统为司炉学员提供了专业、经济、可靠的培训方式和真实的培训环境，经过一定时间的培训与练习，学员的司炉技术将得到全方位的提高。

[1]周由海，张向民.锅炉仿真培训系统的开发[J].中国科技信息，2005(17A)：59 －64.

[2]周刚毅，王新，单国君，等.供热锅炉仿真培训系统[J].微处理机，2004，2(1)：62 －64.

[3]王询，张馨.锅炉仿真培训系统[J].计算机仿真，2002，19(3)：71－73.

[4]赵育才.基于工控机的锅炉仿真培训系统[J].测控技术，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，孙国基.航天仿真技术的现状及展望[J].系统仿真学报，1999，10(2)：7－9.