基于组态技术的船舶燃油净化系统的动态仿真

刘建华

(集美大学轮机工程学院，福建厦门361021)

基于组态技术的船舶燃油净化系统的动态仿真

刘建华

(集美大学轮机工程学院，福建厦门361021)

运用组态软件PIMS构建虚拟船舶燃油净化系统的模型，利用PIMS自带的脚本系统编写船舶燃油净化组态场景内各对象之间复杂操控逻辑的脚本程序，进而完成虚拟燃油净化系统操控过程的动态仿真．运用PIMS的网络控件进行燃油净化虚拟操控系统的网络发布，以实现轮机模拟仿真训练和评估．

船舶;PIMS组态软件;燃油净化系统;虚拟仿真

0 引言

根据“STCW公约马尼拉修正案”和《中华人民共和国海船船员适任考试和发证规则》(2012年3月1日起施行)的有关规定，轮机部高级船员必须通过相应轮机模拟器训练及评估，这也是取得相应等级适任证书的必要条件之一［1］．目前国内普遍采用的是以物理量式仿真器为主的轮机模拟器，尽管此类模拟器在各级轮机员培训和评估中发挥着显著作用，但也存在着诸如:设备占地面积大、运行成本较高;故障率较高，维护修理较困难;功能扩展能力弱以及学员人数、培训时间及场地大小受限等缺陷［2］．高新技术装备汇集的现代船舶对高素质船员的需求以及国际公约、法规对船舶管理的新要求，使得新型轮机模拟器的开发势在必行［3］．基于PIMS组态软件的燃油净化系统操控过程的动态仿真系统是一种船舶辅助设备的操控仿真训练系统，是虚拟船舶轮机模拟器的重要组成部分．

1 虚拟场景的组态设计

1.2 组态场景的构建

1.2.1 燃油净化管路系统的创建

PIMS(Process Information Management System)是一套面向对象、人机界面、数据库、包含I/O驱动、网络通讯应用等方面功能的组态软件．其重要功能模块包括工程管理器、开发系统、运行系统、界面运行系统、实时数据库、网络通信程序及Web服务器［4］．利用PIMS实时数据库开发系统，可以创建所需的工程画面，进行画面、I/O驱动及数据库等资源方面组态，合理配置系统参数，启动其他程序软件，用户根据实际情况来设计开发所需的人机交互仿真界面．通过界面运行系统运行用户开发的应用系统，用户和组态场景对象之间就可以实现各种功能交互，进行一系列复杂操控过程的虚拟操作．利用其运行系统及Web服务器功能，通过IE浏览器可以实现用户远程访问燃油虚拟净化系统的组态画面和数据，实时操作燃油虚拟净化系统［5］．

本文以装备于某艘6000TEU集装箱船的α－LAVAL FOPX型全自动燃油分油机系统为建模原型．利用PIMS组态软件搭建了由虚拟燃油分油机等设备组成的燃油净化管路系统场景画面．

启动PIMS的工程管理器，选择新建工程，进入工程定义框，填写将要创建的工程名“船舶燃油净化虚拟操控系统”，选择路径，进入到组态环境中，选择“画面/窗口”，通过窗口名称的创建、窗口属性的设置并添加必要说明，在生成的窗口上建立燃油净化虚拟操控系统的人机交互界面．接着在组态编辑界面内 (如图1所示)，利用PIMS工具栏中的图形编辑工具和系统自带子图库 (如图2所示)绘制所需的工程图形，根据功能需要，针对所绘对象属性:位置、大小、颜色等，进行定义．同时针对所绘对象进行必要的动画场景设计，如:管路流体水平移动、液柜液面垂直填充、指示灯闪烁变化、阀件关通颜色改变等．依此方式完成各个场景对象画面的创建 (如图3所示)，直至搭建完成完整的燃油净化管路系统的虚拟场景画面．

1.2.2 燃油分油机机旁操作控制箱虚拟场景的搭建

燃油分油机虚拟操作控制箱设计原则:1)在同一个组态画面上设计安排分油机系统所有停止/起动按钮;2)控制箱上的按钮、指示灯、参数设定键等控件布置要合理．遵循这一指导原则，运用PIMS子图库中指示灯、按钮、旋钮及仪表等工程组态模型和自定义设计控件等方式建立分油机操作控制箱的组态模型，如图4所示．

完成对仿真控制箱虚拟对象的操控逻辑脚本程序的编写输入后，就能够实现对虚拟燃油分油机控制箱各个相关控件的操控，从而完成虚拟燃油分油机系统一系列相关的虚拟场景的操作．例如:进行分油机燃油加热温度与排渣间隔时间的设定调整，燃油沉淀柜的补油以及分油机自动分油与排渣等虚拟操作．

为了实现虚拟分油机操作控制箱上的各个控件的动画效果，就必须在完成数据库点组态的基础上，对每个控件设置相应的变量，通过数据库组态完成数据连接，然后根据各控件图形所需的动作属性，利用PIMS软件中的动画连接模块对控件对象进行动画组态，以实现该控件被触动后产生的相关状态的变化，比如指示灯颜色的变化、功能旋钮角度的改变等．下面以分油机马达带灯起动按钮为例说明带灯按钮鼠标触动后状态变化的设定．首先，在所创建的控制箱组态画面上，双击对象“分油机马达带灯起动按钮”，进入动画连接对话框，将变量“S4002.PV”赋于按钮，勾选“颜色相关动作”下的“条件”，设定方法是:当“S4002.PV”为真时按钮显现鲜绿色，“S4002.PV”为假时按钮显示暗绿色．这样模拟按钮的亮与灭的变化就可以通过这两种颜色的变换来体现．然后，在上述动画连接对话框内，点击打开“鼠标相关动作”的下拉框，双击选项“自定义”，进入“鼠标脚本”窗口，在该主页的分页“按下鼠标”界面的脚本编写对话框内进行鼠标触动时分油机马达起动按钮颜色状态变换的脚本程序的编写．图5为该按钮用鼠标触动后，按钮状态变化的脚本程序编写界面．本控制箱其余控件对象的状态、颜色等动态过程的设计方法与此类似．

1.3 船舶燃油分油机系统整体虚拟场景的搭建

选用PIMS子图库中开关、管道、仪表等组态模型，利用丰富的建模工具自定义设计场景单元等方式完成燃油分油机净化系统整体场景的构建．图6为燃油分油机净化系统整体虚拟场景的组态画面．场景中停止/起动按钮动作设计及各个指示灯颜色的变化、阀门状态变化的显示、泵浦停止/起动状态的显示、油柜液位的变化以及油液流动显示均通过PIMS的动画连接功能组态各场景对象的动画属性来实现，方法同前所述．

2 船舶燃油净化系统操控过程的动态仿真设计

2.1 燃油分油机系统关键操控过程的组态模型

燃油分油机净化系统关键操控过程包括:燃油驳运操作;燃油分油机起动前的准备操作;分油与排渣过程的自动执行操作;燃油分油机的停止操作．这些操控仿真过程的实现基于燃油净化系统虚拟操控场景的成功组态．在PIMS开发环境中，必须编写各组态场景对象的脚本程序，才能够在燃油分油机净化系统的各个组态场景对象间实现一系列操控逻辑的人机交互，因而编写该虚拟操作系统的交互操作脚本程序是系统仿真设计的核心环节，脚本程序的编写主要基于PIMS提供的操作符、函数及大量特定的编程语句等脚本语言［6］．打开PIMS的脚本编辑器，在“进入程序”页，先定义场景对象相关参数的初始值，在“程序运行周期执行”页，编写虚拟燃油净化系统操控逻辑的脚本程序，以实现虚拟场景内上述燃油净化系统重要操控过程复杂逻辑的编写与设计．

2.2 燃油净化虚拟操控系统数据库的设计

船舶燃油净化虚拟操控系统数据库的设计原则是:实时数据库及时存储该虚拟燃油净化系统各个组态对象在操控过程中运行参数 (油/水液位、燃油压力、加热温度等)的实时变化的数据信息;操作记录数据库存储学员在该虚拟操控系统场景中训练操作时的操作逻辑、参数改变、场景对象状态变化的结果等信息;历史数据库储存各种泵浦/阀门初始状态、燃油加热温度设定值、燃油沉淀柜及工作水柜等液位原始设定值数据．

上述三个数据库系统均采用开放的ODBC和OLE/OPC接口来设计．避免开放实时数据库的第三方引用功能，以确保实时数据通讯的顺畅与可靠，准许于操纵界面查询操控过程相关信息;对于历史数据库，可以在虚拟操纵界面上执行按时间搜索查询，同时能向第三方软件开放接口;对于操作记录数据库，可以在虚拟操纵界面上查询，并且可以进行SQL查询，并为自动考试评分系统预留接口．下面以燃油自动分油与排渣过程的虚拟操作动态仿真设计为例进行分析．

2.3 燃油分油机自动分油仿真过程的组态设计与实现

已建成的虚拟燃油净化系统操控场景，具备如下虚拟仿真训练功能:燃油分油机起动前燃油沉淀柜液位检查与补油;燃油分油机起动前的准备工作;燃油分油机自动分油及自动排渣过程的虚拟操作;停止燃油分油机运行的虚拟操作．篇幅所限，这里仅说明燃油分油机自动分油控制动态仿真的设计与实现方法，其他的仿真操作功能的实现与此类似．

本文所创建的虚拟燃油分油机仿真系统的自动分油过程的操控逻辑流程如图7所示．根据该操控逻辑，基于PIMS软件提供的脚本语言，通过应用脚本模块编写脚本程序，实现该虚拟燃油净化系统中分油机自动分油运行过程中各场景对象之间复杂操控逻辑的相互联系，进而在虚拟场景下，完成燃油分油机系统自动分油的实时仿真操作［6］．

3 实现人机交互功能的燃油净化系统虚拟场景网络发布

利用PIMS软件本身配置的Web服务器，能够便捷地将该虚拟燃油净化操控系统进行网络发布．轮机学员只要通过个人电脑的IE等浏览器，就能够借助Internet实时迅速访问该虚拟操控训练系统［7］．如图8所示，远程用户可以通过“ISP接入”、 “电话拨号”和“局域网”这三种方式访问PIMS的Web服务器．该系统的主要优越性在于:远程用户仅需一台个人电脑，即可通过学员客户端的IE浏览器，在该燃油净化虚拟操控系统场景内实现人机交互，进行分油机分油与排渣等各种操作训练和评估，因而占用场地小，维护简单，运行成本低，训练过程不受时间和人数的限制，方便了轮机学员的培训和评估．

4 结束语

基于PIMS组态软件的船舶燃油净化仿真操控系统是虚拟轮机模拟器的重要组成部分．综合运用组态技术、计算机技术、网络技术，基于母型船－LAVAL FOPX全自动燃油分油机系统，创建的燃油净化虚拟操控系统，能在虚拟场景内完成分油机自动分油与排渣过程等一系列相关的虚拟操作训练．该系统的开发使得学员利用互联网或局域网进行在线远程操控仿真训练和评估得以实现，提高了培训效率，降低了培训成本．

［1］中华人民共和国海事局．中华人民共和国海船船员适任评估大纲和规范［M］．辽宁:大连海事大学出版社，2010:113－202．

［2］曾青山，陈景峰，黄加亮．轮机模拟器的现状和发展趋势［J］．集美大学学报:自科科学版，2003，8(1):74－79．

［3］王永坚．基于Web3D主机控制台的建模及起动与安全保护虚拟操作研究 ［D］．厦门:集美大学轮机工程学院，2009．

［4］浙江中控技术有限公司．PIMS(3.6)使用手册［R］，杭州:浙江中控技术有限公司，2007．

［5］龙志文．工控组态软件［M］．重庆:重庆大学出版社，2005．

［6］魏云云，吴健．一种监控组态软件脚本语言的设计与实现 ［J］．微型电脑应用，2009，25(9):2－4．

［7］李强，李敬敬．组态软件在电气控制与PLC课程多媒体教学中的应用 ［J］．中国现代教育装备，2010(4):60－62．

(责任编辑 陈 敏 英文审校 陈 武)

Dynamic Simulat Of the Fuel Oil Purifying System for Ships Based on Configuration Technology

LIU Jian-hua
(Marine Engineering Institute，Jimei University，Xiamen 361021，China)

The paper focus on the construction of ship fuel purifying system virtual scene and the design of simulated operation process for fuel purifying system．The PIMS configuration software was used to construct the virtual model of fuel purifying system，compile scrip programs for logic relationship of interactive operation on every configuration scene with PIMS script system，and then complete dynamic simulat for fuel purifying system virtual operation．Through the network－release for the purifying controlling virtual system with the aid of network－release function of PIMS itself，the cost-effective and high-efficiency network－online training and evaluating of marine engineering simulator course was realized．

PIMS configuration software;virtual fuel oil purifying system;network release

U 664.81+2

A

1007－7405(2012)04－0275－06

2012－03－29

2012－05－15

福建省自然科学基金资助项目 (2011J01325)

刘建华 (1969—)，男，高级轮机长，硕士，从事轮机模拟器、船舶防污染技术的研究．