大型集装箱船舶分油机仿真系统

王诗文， 沈智鹏， 张 宁， 郭 晨， 王国峰

(大连海事大学 a. 信息科学技术学院；b. 外国语学院，辽宁 大连 116026)

大型集装箱船舶分油机仿真系统

王诗文a， 沈智鹏a， 张 宁b， 郭 晨a， 王国峰a

(大连海事大学 a. 信息科学技术学院；b. 外国语学院，辽宁 大连 116026)

为更有效地帮助学员掌握分油机系统的操作方法，以中远集团PACIFIC万箱集装箱船的分油机系统为仿真对象，利用计算机仿真技术构建船舶燃油、主机滑油和副机滑油分油机系统的仿真场景，再现实际船舶分油机结构真实的工作过程，模拟分油机故障、报警的现象，实现分油机系统的软件设计和控制单元EPC50的时序控制。系统操作与测试结果表明，该系统能够全面反映分油机系统的各种工况，逼真地再现实际动态过程，达到实际训练的效果，且运行安全可靠。

船舶工程；船舶分油机；仿真系统；软件设计；时序控制

随着现代船舶技术不断发展，能使航海类院校学员知识同步更新的船舶轮机模拟器的需求在快速增长，其对船员训练的经济性、便捷性是在实船上难以实现的。分油机系统实际训练存在很大的局限性，不仅需要一定的实验条件，而且稳定性差、故障率高、二次开发困难，甚至可能因误操作而引发事故。相比之下，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。因此，若能开发出可以逼真反映分油机实际工况的分油机仿真系统，将有助于学员熟练掌握分油机系统的操作要领，提高其分析解决问题的能力。

国外研制轮机模拟器比较早，并且发展很快，但价格也比较高。比较著名的厂家有挪威的康斯博格公司、德国的西门子公司和日本的三菱公司，其产品性能处于世界领先水平。随着我国科技飞速发展，我国科研人员也逐渐加入到研发轮机模拟器的行列中，虽然相较国外起步晚、实验条件较差，但是在国外研究成果的基础上进行研究，发展比较快。胡军[1]模拟了分油机故障现象，在.Net开发环境下，以Visual C++编程语言开发燃油净化系统仿真软件，但其模拟故障简单，界面沉浸感不强。鲍军晖[2]利用VB编程语言对分油机系统进行了编程、建模和界面开发，但其引用的仿真数据控制模型与实际有一定的差别，且界面不完善。严华[3]采用PLC控制开发了船舶分油机模拟仿真系统，能反应分油机系统的工作过程，但主要以硬件为主，费用高且维护消耗大。

以中远集团PACIFIC万箱集装箱船为母船，构建该船舶的燃油、主机滑油和副机滑油分油机系统的仿真场景，再现实际船舶分油机的工作过程，并模拟分油机故障、报警的现象，实现分油机系统的软件设计和控制单元EPC50的时序控制。通过操作EPC50按钮可控制分油机工作，实时显示温度、流量和压力等参数。系统界面能全面、逼真地反应真实分油机系统的组成，所实现的逻辑时序控制严格按照实际分油机的工作情况模拟。

1 系统软件设计

分油机仿真系统分为燃油分油机系统、主机滑油分油机系统和副机滑油分油机系统。分油机仿真系统在Visual C++6.0编译环境下，基于微软基础类库(Microsoft Foundation Classes, MFC)动态链接库建立工程。具体操作办法为：新建工程通过MFC AppWizard生成DLL文件，选择并点击MFC Extension DLL(using shared MFC DLL)即可完成。打开新创建的工程，点击左侧“ClassView”发现是一个空的工程，接下来应根据需求添加相应的类。[4]可通过菜单栏“视图”中的ClassWizard添加类，并选择添加类的基类。燃油分油机系统、主机滑油分油机系统和副机滑油分油机系统均设为一个类(即CFOPSView,CMLPSView和CALPSView)，且为一个界面。为避免大量重复性工作，建立一个派生于CView类的CBaseView，主要实现管道、阀门、泵和油柜的动态显示，并设为上述3个类的基类。在3个派生类CFOPSView，CMLPSView和CALPSView中直接调用基类中的实现管道、阀门、供油泵和油柜液位。

1.1燃油分油机系统界面

燃油分油机系统界面见图1，该系统的3台燃油分油机是ALFALAVAL公司的型号为SU881的分油机，该型号分油机的电机参数为35.6×3 600(kW×(r/min))，分油机的容量为9 850 L/h(AT 700 cSt/50 ℃)。系统中的2台燃油供油泵是HEISHIN PIMP WORK公司的型号为H.GEAR的供油泵，泵的电机为5.5×1 200(kW×(r/min))，容量为8.85×0.3 MPa D.P.((m3/h)×mTH)，泵模型为M-10B。3个燃油加热器采用的是蒸汽加热方式，系统中还有阀门、油柜和管道等。其中，1号分油机与另2台相比有些特殊，可以选择2个回路(即重油或轻油)，完成重油和轻油的净化。[5]

图1 燃油分油机系统界面

1.2主机滑油分油机系统界面

主机滑油分油机系统界面见图2，由2台滑油分油机、2个滑油供油泵和管道、阀门等组成。系统中2台滑油分油机是ALFALAVAL公司的型号为SU866的分油机，该型号分油机的电机参数为21×3 600(kW×(r/min))，分油机的容量为10 700 L/h(AT 700 cSt/50 ℃)。系统中的2台滑油供油泵是HEISHIN PIMP WORK公司的型号为H.GEAR的供油泵。泵电机为3.7×1 200(kW×(r/min))，容量为9.8×0.3 MPa D.P.((m3/h)×mTH)，泵模型为M-10B。整个系统主要是2台主机滑油分油机的循环回路，油从沉淀柜经供油泵到加热器加热后进入分油机，分离净油后回到日用柜。分离出来的杂质排放到泥渣柜。[6-9]

图2 主机滑油分油机系统界面

1.3副机滑油分油机系统界面

副机滑油分油机系统界面见图3，与主机滑油分油机系统相似，由2台副机滑油分油机、加热器、泵及阀件等组成。该系统的2台副机滑油分油机是ALFALAVAL公司的型号为PA625的分油机，电机参数为35.6×3 600(kW×(r/min))，容量为9 850 L/h(AT 700 cSt/50 ℃)。系统中的2台滑油供油泵是HEISHIN PIMP WORK公司的型号为H.GEAR的供油泵，泵的电机为1.5×1 200(kW×(r/min))，容量为2.0×0.3 MPa D.P.((m3/h)×mTH)，泵模型为M-2B。

图3 副机滑油分油机系统界面

1.4分油机操作界面

分油机仿真系统的3个子系统中有7个分油机，即每台分油机都有自己的操作界面，在每个子系统界面中双击分油机界面都会跳转到相应的操作界面。本系统与燃油系统、滑油系统和电站系统相关联，界面上某些阀件和泵不能操作(需到相应的燃油或滑油系统中进行操作)，但泵和阀的状态可以显示出来。由于各系统的分油机操作界面相同，仅以1号燃油分油机为例进行介绍(见图4)。图4右上方为分油机控制单元EPC50，在工程中将EPC50设为一个类，由于需要将其与分油机管路等显示在同一个界面中，因此将其设为分油机操作界面类的基类。在分油机操作类中的OnEraseBkgnd()函数返回到EPC50的OnEraseBkgnd()函数中，且在2个函数中将贴图的指针同时存到总的指针里，然后一起传给pDC，以在同一界面显示出来。[10]EPC50中的按钮是可以操作的，按下按钮分油机执行相应的指令，EPC50的指示灯也有相应的变化。

图4 1号燃油分油机界面

2 分油机时序控制

分油机系统结构示意图见图5，其中：1为供油泵；2为加热器；3为温度传感器；4为进油口压力传感器；5为进油三通阀V13；6为水分传感器；7为出油口压力传感器；8为出油调压阀V5；9为关闭水电磁阀V16；10为开启水电磁阀V15；11为补偿水电磁阀V10；12为出水口压力传感器；13为出水口电磁阀V9；14为分油机本体。

图5 分油机结构图

启动分油机后，控制器根据当前分油机转速和分油机燃油进口温度判断是否可以启动分离时序，若满足上述条件，则启动分离程序，同时启动时序计时器，进入分离时序。在正常分离时序期间，控制器检测是否有排渣信号，若有排渣信号(包括手动信号和自动信号)，则进入排渣时序。同时，检测是否有报警信号，若有报警信号，则跳转到相应的报警模块，响应报警，并等待处理。排渣时序结束后，若没有接收到停止指令，则转入正常分离时序，继续正常分离时序，否则进入停止时序，最终停止分离程序，分油机停止运行，转速逐渐减小至0。分油机仿真系统时序控制表见表1。

2.1启动时序

当有启动信号输入时，按下EPC50的启动按钮，主程序判断当前在哪个时序，若处在启动、分油、排渣等时序，则执行完停止时序立即执行启动时序，进入启动时序。进入启动时序后，首先打开V16，供应15 s的水，使分油机托盘上升以关闭排渣口；然后检测分油机转速是否达到额定转速，没达到则等待，达到后再检测油温。如油温不在给定值范围内，则通过传感器检测，油温高则进行高油温报警处理，油温低则进行底油温报警处理。如油温在给定范围内，补偿水电磁阀V10进60 s的水封水，以形成液封。启动时序开始75 s后三通阀自动打开，开始进油。此阶段有振动报警、加热器故障报警和高油温报警检测。

表1程序时序表

2.2分油时序

主程序初始化后，首先检测WT200是否能够正常工作，若不能，则发警报；若正常，则检测油压是否正常。油压高，则发高油压警报；油压低，则发低油压警报；正常，则继续往下检测是否达到最大排渣时间。如果到了，就注入置换水，进行一次排渣；如果没有，则检测是否达到设定的触发值。没达到，则继续循环检测；达到了，再检测是否距上次排渣超过10 min，超过了就返回主程序进行排渣，没超过就打开排水电磁阀V9进行排水。排水阀V9只打开20 s，如果打开120 s还不能低于触发值则进行一次排渣，如果仍不能低于触发值，则再打开V9，累计达到120 s就报警。此阶段还有加热器故障报警、水分传感器报警和高油温报警检测。

2.3排渣时序

主程序初始化后，打开开启水电磁阀V15，进开启水，分油机托盘下落，同时关闭水电磁阀V16也打开。开启水只进3 s，而排渣口只打开0.1 s。在排渣时，EPC50必须接到一个低油压信号，否则认为排渣失败。但为了防止误报警，要在第2次没检测到低压信号时才给出报警信号。

在EPC50型装置中，设定了一个最短排渣时间间隔10 min和一个最大排渣时间间隔63 min。分油机是以最短的时间间隔打开一次排渣口，还是以最大时间间隔打开一次排渣口，取决于待分离的油中含水量的多少。

如果待分离的油中含水量极少，从上次排渣算起，在63 min内油水分界面在分离盘外侧的一段距离处，净油中含水量很少，没有达到触发值，这时EPC50就决定排一次渣。在排渣前要先输出一个控制信号，使补偿水电磁阀V10通电打开；向分油机内注入置换水，油水分界面会逐渐向里面移动，当净油中含水量达到触发值时，EPC50型装置再输出控制信号，使开启水电磁阀V15和关闭水电磁阀V16同时通电打开，进行一次排渣。

2.4停止时序

当收到停止分离程序信号时，进入停止时序。首先停止给分油机供油，进冲洗水70 s，有振动报警(紧急停车)检测；然后使分油机停止工作，180 s的停机时间；再关闭加热器和供油泵。分油机转速逐渐减至0，温度也逐渐降低为0。有加热器故障报警和高油温报警检测。

3 系统操作与测试

前面设计的软件仿真界面可显示工质(油或水)的流动及各控制阀件的状态。当光标移动到本系统可控阀件、泵时，光标将变为小手的形状，此时左单击鼠标将弹出对应阀件和控制界面，可进行开关等相应操作。

在图4分油机操作界面中，主要显示分油机运行时管道、开关阀、电磁阀和分离筒内油、水和渣体分界面以及分油机控制单元EPC50的状态。分油机的操作主要是启动/停止分油机以及操作分油机控制单元EPC50。图4右下角有一个红色的“打开”按钮，左单击该按钮，则弹出图6所示的分油机启动/停止对话框。图6下方为分油机运行和停止按钮，按“OK”键确认本次操作。上方为分油机电机电流表，按下运行按钮时，电流表指针波动较大，过一段时间后会稳定在某一个值处。

图6 分油机启动/停止对话框

分油机控制单元EPC50见图7。当泵前后的阀门全部打开且泵启动时，启动分油机并按下加热按钮，待分油机转速和油的温度均达到所需值以后，EPC50中的LED现实模块显示为Standby。按下面的“+”“-”键可以查看当前状态、时序时间、温度、压力等，并且可以设置参数；按ENTER键确认本次操作。准备工作做好后，按下分油键，即“SEPARATION”， 分油机进入启动时序，分油指示灯闪亮，关闭水电磁阀V16开始工作，V16指示灯亮。15 s后分油机托盘向上托起，开启水电磁阀V10开始工作。再过60 s，V10停止工作，三通阀打开，开始进油。50 s后分油机开始出油，10 s后分油指示灯常亮，启动时序结束，进入正常分油时序。在正常分油时间，可以在分油时序结束时自动进入排渣时序，也可以按下排渣键手动排渣。进入排渣时序后，电磁阀V10开始工作，待电磁阀V15工作后，补偿水进入分油机，使得分油机托盘下落，渣体从分油机排出至泥渣柜。

分油机还有自动报警模块，当发生报警时，控制面板左上方相应的报警指示灯闪亮，控制面板上的“ALARM”指示灯闪亮，LED显示屏不断滚动显示警报内容，此时按下“ALARM”键，“ALARM”指示灯常亮，看清报警内容后，作出相应处理，处理完成后“ALARM”指示灯熄灭，分油机将按程序继续工作。

图7 分油机控制单元EPC50

4 结 语

本文构建了船舶分油机系统的模拟仿真场景，具有动态的人机交互界面，真实再现了实际船舶分油机结构的工作过程，利用逻辑时序控制分油机工作，模拟了分油机故障、报警的现象。该仿真系统不仅能够调整分油机的运行参数、实现操作分油机并观察分油机运行状态，还能设置各种故障报警。仿真结果与实船上的分油机系统工况是一致的，说明建立的仿真系统是合理的，能够逼真地模拟实船分油机系统。分油机仿真系统能使学员充分掌握分油机工作原理，对学员熟练操作分油机系统、增强对分油机系统的直观认识、提高对出现的故障的分析解决能力、获得宝贵的操作经验都有重要的推动作用，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。

[1] 胡军.船舶燃油净化系统的设计与研究[D].大连:大连海事大学,2009.

[2] 鲍军晖.船舶分油机仿真控制系统的设计与实现[D].上海：华东师范大学，2010.

[3] 严华.船舶分油机操作训练模拟系统的研制[J].机电工程技术,2012,41(10):42-44.

[4] 王玉婷.船舶辅锅炉虚拟操控仿真系统的研究[D].大连:大连海事大学,2012.

[5] 马强，毛宏燕，贾宝柱.分油机系统模拟仿真设计[J].中国航海,2011,34(2):46-49.

[6] 李世臣，甘辉兵，邹奔腾,等.船用分油机仿真系统的设计与实现[J].中国航海，2009,32(1):43-47.

[7] 冯金红.船舶主机滑油系统的设计与实现[D].大连:大连海事大学，2009.

[8] 曹京生.基于PLC的ALFA分油机控制系统研究[J].微计算机信息，2008(28):62-64.

[9] 周名侦，张少明，卢晓春，等.基于人机界面的分油机控制系统的设计[J].船电技术，2009，29(12):57-60.

[10] 孙鑫.VC++深入详解[M].北京：电子工业出版社，2012：311-314.

SimulationSystemofFuelOilPurifierforLargeContainerShip

WANGShiwena,SHENZhipenga,ZHANGNingb,GUOChena,WANGGuofenga

(a. School of Information Science and Technology College; b. School of Foreign Languages, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

The training simulator based on the fuel oil purifier system on COSCO container ship the PACIFIC is developed. This computerized simulator demonstrates the structure and operation process of the fuel oil purifier system and analogs the malfunction and alarm processes through simulating the subsystems for fuel oil, main lubricating oil, auxiliary lubricating oil, and the timing control unit EPC50. Test results show that the simulator system comprehensively and realistically presents the working conditions and the actual dynamic process of the oil purifier system. The system works reliably and proves to be an effective training facility.

ship engineering; marine oil purifier; simulation system; software design ; timing control

2014-07-26

国家高技术研究发展计划(“八六三”计划)项目(2012AA112702)；国家自然科学基金(61374114)；交通运输部应用基础研究项目(2011-329-225-390)；中央高校基本科研业务费专项资金(3132014321)

王诗文(1989—), 女, 辽宁锦州人, 硕士生, 研究方向为船舶系统仿真。E-mail: wangshiwenlz@126.com

沈智鹏(1977—), 男, 福建永定人,教授， 博士，从事船舶系统控制与仿真研究。E-mail: s_z_p@263.net

1000-4653(2014)04-0015-05

U664.1；U664.5

A