船舶辅锅炉系统仿真与虚拟操作的研究

吴晓婷，刘小榕，韦燚

（上海海事大学，物流工程学院，上海 201306）

船舶辅锅炉系统仿真与虚拟操作的研究

吴晓婷，刘小榕，韦燚

（上海海事大学，物流工程学院，上海 201306）

为了解决轮机培训教学过程中，场地、成本、操作危险性对船舶辅锅炉训练系统的限制，本文设计了一种船舶辅锅炉仿真系统，控制对象是通过3DS MAX建立的虚拟三维实景，控制系统采用实物PLC控制，控制方式采用触摸屏控制，建立了船舶辅锅炉的三维模型和PLC控制模型，在尽量不失操作真实性的情况下达到模拟实船培训的效果。

船舶辅锅炉；PLC；3D模型；触摸屏

0 引言

船舶辅锅炉是船舶动力装置的重要组成部分，同时也是船舶机舱辅助装置中最早实现自动控制的设备之一。由于其在船舶安全航行所处的重要性，以及它的多元参数的控制特点，在机舱的电控系统中占有很重要的地位，同时也是实验教学中必备的船舶辅助机械之一[1-5]。然而采用实体锅炉操作训练存在以下弊端：成本高，代价大，设备维护管理费高等[6-7]，因此目前大部分培训机构选用轮机模拟器对学员进行培训[8-10]。但是纯软件的操作方式与实体辅锅炉操作真实性相差较大，因此本文在此基础上为船员的培训建立一套采用虚实结合的船舶辅锅炉仿真系统。

1 船舶辅锅炉自动控制系统的基本环节

船舶辅锅炉的自动控制是指对锅炉的给水、燃烧等热工过程变量的自动调节。各种辅锅炉的自动控制环节是类似的，主要包括：水位和汽压的自动调节；以及燃烧时序控制等环节。燃烧时序控制是指给锅炉一个起动信号后，能按时序的先后自动进行预扫风，喷油点火，点火成功后转入正常燃烧的负荷控制阶段，同时对锅炉的运行进行一系列的安全保护。图1为船舶辅锅炉电气自动控制系统框图。

图1 船舶辅锅炉电气自动控制系统框图Fig.1 Electrical automatic control system of marine auxiliary boiler

2 辅锅炉PLC自动控制的设计

2.1 设计方案

根据船舶辅锅炉的工作原理设计由PLC控制的燃烧程序工作流程，流程图如图2所示，满足工作流程设计的船舶辅锅炉自动控制系统，实现以下基本功能：

（1）水泵的独立正常工作

（2）有手动—自动两种控制方式

（3）对锅炉蒸汽压力采用双位自动控制

（4）锅炉运行时，控制系统实时监测水位，风压，汽压是否正常以及水泵，风机，油泵是否过载。

2.2 PLC选择

根据锅炉控制系统的21个输入点，14个输出点，采用西门子S7-200 CPU226CN。I/O分配，定时器和辅助继电器的分配如表1所示。

图2 工作流程图Fig.2 Work flow chart

表1 I/O，定时器，继电器分配表Tab.1 I/O timer，relay distribution table

2.3 PLC软件设计及仿真

（1）起动前准备：自动控制状态需将水泵转换开关，燃油转换开关，油泵和风机转换开关打到自动位置。即I0.3，I0.3，I2.1处于闭合状态。

（2）水位的自动控制：如图3所示为水位自动控制梯形图。极限低水位（I1.2）在正常情况下为闭合状态，因此极限低水位中间继电器（M0.6）闭合，极限低水位报警灯（Q1.4）断开。水位为低水位情况时，低水位开关（I1.4）闭合，M0.5闭合并自锁，在水泵自动控制状态下，水泵接触器线圈（Q0.0）闭合，水泵运转指示灯（Q1.0）闭合，指示灯常亮，水泵打开，水位上升，到达高水位（I1.3）后，M0.5断开，Q0.0断开，水泵关闭，指示灯灭，不再进水。同时监测水泵是否过载，如果水泵过载（I1.5）开关闭合，则Network2中I1.5处断开，水泵接触器线圈无法闭合。

（3）燃油时序自动控制：如图4所示为燃烧时序自动控制梯形图。燃油自动控制情况下，燃油自动转换开关（I0.6）闭合，水位正常时，M0.6闭合，计时器T34处于断开状态，按下起动按钮（I0.0），M0.2闭合并自锁，系统处于燃烧状态。

风机启动条件：如图5所示为风机启动条件梯形图。系统处于燃烧状态，风机和油泵开关处于自动情况下，即I2.1闭合，则风机继电器（M1.2闭合），风门挡板（Q0.4）断开，风门开度最大，进行预扫风。燃烧状态断开后进行后扫风。

（4）自动控制过程：如图6所示为自动控制过程梯形图。M0.2闭合后，汽压正常时，I1.1为低电平，风机和油泵开关处于自动状态，油泵过载信号为低电平，M1.3得电，油泵开启。此时风机（M1.2）也处于开启状态，进行预扫风。M0.1处于断开状态，M0.3得电，由于此时为监测到火焰，I2.3为断开状态，M0.4得电，60s后，T35闭合，M1.4接通，自动点火，同时T36闭合，T33仍处于断开状态，所以风门挡板（Q0.4）得电。再过两秒，T97闭合，燃油电磁阀（Q0.5）打开，往炉内喷油。2s内检测到火焰，表示点火成功，I2.3闭合，M0.4失电，M1.4断开，点火变压器关闭，继续监视火焰，如果中途熄火，则I2.3断开，M0.4得电，T32开始计时，10s监测不到火焰，或者在燃烧过程中，中途熄火，10s监测不到火焰时，系统将启动熄火保护装置。

图4 燃烧时序自动控制梯形图Fig.4 Combustion timing automatic control ladder diagram

图5 风机启动条件梯形图Fig.5 Fan start condition ladder diagram

图6 自动控制过程梯形图Fig.6 Ladder diagram of automatic control process

（5）PLC仿真结果：

图7（a）为自动状态下，正常情况下，前60s时，风机和油泵正常运作；图7（b）为60s～62s之间，点火变压器打开，风门挡板开度控制到最小；图7（c）为62s后燃油电磁阀打开。

（a） （b） （c）图7 仿真结果Fig.7 PLC simulation result

3 辅锅炉的人机界面

操作人员可以通过对触摸屏的操作将控制信号输出至PLC，经由PLC中的程序处理，再将处理过的信号输入至虚拟辅锅炉系统进行三维实景显示，PLC及虚拟辅锅炉系统中的输出信号也传输到触摸屏，触摸屏上可观察到实时监测数据。触摸屏界面如图8所示，包括对锅炉蒸汽压力和水位的实时监测，各报警点的显示和油泵风机等运行状态。

图8 触摸屏界面Fig.8 Touch screen interface

4 辅锅炉系统建模

4.1 船舶辅锅炉系统三维实体建模

利用三维建模软件 3ds Max 构建系统各部件的实体模型，并在该软件中对模型进行材质处理、模型优化和设置装配动画。主要建模对象：（1）锅炉本体：包括炉膛、蒸发受热面、安全阀、压力表等；（2）燃油供给系统：包括燃油升压泵、预热器、过滤器等；（3）给水系统：包括、给水泵、水位计等；（4）凝水系统：包括冷凝器等。以及各系统相关的阀门和管路。将模型和动画导入 Unity 3D 仿真平台中，编辑资源和脚本构建虚拟场景，通过碰撞实现对辅锅炉系统的装配仿真和虚拟操作。系统建好后，选择合适的发布平台进行发布。最终得到的辅锅炉系统三维实景效果如图9液晶显示画面所示。

图9 辅锅炉三维虚拟场景Fig.9 3D virtual scene of auxiliary boiler

4.2 船舶辅锅炉系统数学建模

船舶辅锅炉仿真系统与虚拟操作的最大的特点是控制对象为虚拟的，因此为了达到培训的目的，必须将实际辅锅炉系统的工作过程通过数学模型仿真出来，因此辅锅炉系统数学仿真模型的精度决定了运行的效果。本文主要介绍燃烧系统数学建模。炉膛烟气平均温度可由下面的方程计算得到：

其中：K——有关受热面积等因素的系数；

B——计算燃油消耗量；

Q——每公斤燃料所产生的热量；

I——炉膛出口烟的焓；

ξ——反映炉壁污染程度的系数；

辐射释放的热量：

其中：Kr——随负荷等变化的辐射传热系数；

M——炉膛几何特性系数，M=f（h/d）；

h——某个时刻火焰的中心高度值；

d——在燃烧中心线处的炉膛当量直径。

5 结束语

船舶辅锅炉仿真操作训练系统在不失操作性真实性的前提下可大大降低训练成本，采用3DSMAX软件，实现辅锅炉三维实景交互，采用可靠性高的PLC控制技术与触摸屏，可实现多次操作而对设备不造成损害，可方便应用于船员对辅锅炉系统的操作训练。同时该系统可塑性强，主要体现在：一是可在辅锅炉系统数学模型中增加故障模型，设置故障给学员分析处理，以此提高学员处理故障的水平；二是可增加考核评估模块，对最终操作结果进行成绩评定，提高训练效果；三是可根据不同的锅炉模型的参数对系统中的三维模型，数学模型进行编辑，在一套系统中可以有多台设备的选择进行操作，增加学员的实践宽度。

［1］ 曾步辉，高小瑞，陈景锋.PLC在船舶辅锅炉模拟装置中的应用［J］ .工业自动化，2010，39（12）：77-79. B H ZENG，X R GAO，J F CHEN. Application of PLC in simulation device of marine auxiliary boiler［J］. Industrial Automation，2010，39（12）：77-79.

［2］ 沈智鹏，张宁，王海伟，等.大型集装箱船舶辅锅炉仿真系统的研究［J］ .系统仿真学报，2014，26（10）：2345-2364. Z P SHEN，N ZHANG，H W WANG，et al .Research on simulation system of auxiliary boiler for large container ships［J］.Journal of System Simulation，2014，26（10）：2345-2364.

［3］ 李建伟，徐轶群，杨国豪.基于虚拟现实技术的船舶辅锅炉控制系统研究［J］.航海工程，2009，38（4）：70-72. J W LI，Y Q XU，G H YANG. Research on control system of marine auxiliary boiler based on Virtual Reality Technology ［J］.SHIP&OCEAN ENGINEERING，2009，38（4）：70-72 .

［4］ B Y LI，X L ZHAO. Simulation of Auxiliary Boiler Subsystem in Marine Engine Room Simulator Based on VC++6.0 ［J］. IEEE /computer society，2009，9（9）：952-955.

［5］ Z P Shen，Y T Wang .Research on the Operational Training System for Ship Marine Auxiliary Boiler［J］. CSEE/CCIS，2011，4（217）：459-464.

［6］ Q Ma，A Ma，Tao Wang. Development of Simulation System for Auxiliary Boiler［J］. IEEE，2010，7（10）：8-11.

［7］ 陈海平，熊召，刘长春，等.Top-Down 设计模式下的机构运动仿真［J］.新型工业化，2014，44（3）：65-69. H P CHEN，Z XIONG，C C LIU，et al. Mechanism motion simulation in Top-Down design pattern［J］. The Journal of New Industrialization，2014，4（3）：65-69.

［8］ 王勇，张腾，恽炅明，等.液压系统动态分析方法改进研究［J］.新型工业化，2014，4（2）：33-38. Y WANG，T ZHANG，M M YUN，et al. Improvement of dynamic analysis method for hydraulic system［J］. The Journal of New Industrialization，2014，4（2）：33-38.

［9］ 陈虹宇，杨国豪，徐轶群.基于模型的船用辅锅炉蒸汽仿真系统设计［J］.中国航海，2011，34（4）：56-60. H Y CHEN，G H YANG，Y Q XU. Simulation system design of marine auxiliary boiler steam based on Model［J］. NAVIGATION OF CHINA，2011，34（4）：56-60.

［10］ 谢荣，陈辉，尚前明.船舶锅炉水位控制仿真设计［J］ .船海工程，2005，1（5）：48-50. R XIE，H CHEN，Q M SAHNG. Simulation design of ship boiler water level control［J］. SHIP&OCEAN ENGINEERING，2005，1（5）：48-50.

Research on Simulation and Virtual Operation of Marine Auxiliary Boiler System

WU Xiao-ting, LIU Xiao-rong, WEI Yi
(School of Logistics Engineering, Shanghai Maritime Univeristy, Shanghai 201306, China; )

A marine auxiliary boiler simulation system is designed to solve the limitation of site, cost and risk to the ship auxiliary boiler training system in the engineering training process. The control object of system is a virtual scene created by 3ds Max, the control system of it is controlled by real PLC and touch screen. The 3D model and the PLC control model of the marine auxiliary boiler is established to achieve the simulation of the effect of training on board ship as far as possible without loss of authenticity.

Marine auxiliary boiler; PLC; 3D model; Touch screen

10.3969/j.issn.2095-6649.2016.02.009

WU Xiao-ting， LIU Xiao-rong， WEI Yi. Research on Simulation and Virtual Operation of Marine Auxiliary Boiler System[J]. The Journal of New Industrialization， 2016， 6（2）: 53-58.

本文引用格式：吴晓婷，刘小榕，韦燚. 船舶辅锅炉系统仿真与虚拟操作的研究［J］. 新型工业化，2016，6（2）：53-58.