船舶机舱综合自动化实训平台开发和教学实践

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(武汉理工大学 能源与动力工程学院, 武汉 430063)

船舶机舱综合自动化实训平台开发和教学实践

汪恬，汤旭晶，李鹤鸣，杨志勇

(武汉理工大学 能源与动力工程学院, 武汉 430063)

为适应船舶机舱综合自动化发展趋势，提高轮机员使用、维护和管理综合自动化系统的能力，探讨船舶机舱综合自动化实验平台的设计与建设，以及利用该平台组织“轮机自动化”课程实验教学，提高实验教学效果的有效途径。

轮机工程专业；轮机自动化；船舶机舱综合自动化；实训平台；实验教学

一、引言

近年来，随着计算机网络、现代控制理论、通信、信息处理、新型传感器等多学科和技术的综合应用，船舶机舱自动化不断向综合自动化方向发展，提高了轮机系统的可靠性和经济性，进一步降低了轮机管理人员的劳动强度，但同时也对其理论知识和维护管理水平提出更高要求。STCW公约马尼拉修正案中也特别强调对轮机员及电子电气员自动化方面的适任实操评估。为提高航海类人才培养质量，更好地履行国际公约，2014年武汉理工大学由交通运输部航海专项投资建造了机舱综合自动化实训平台，研制了一套紧跟当前船舶机舱自动化技术发展步伐，基于分布式现场总线网络、微机控制的柴油主机推进控制、集中监测、火灾和综合报警实操训练教学系统。平台设计预留二次开发接口，便于后续平台建设及拓展实验教学。实训平台可作为轮机工程专业综合自动化实验教学基地，还可高标准完成新大纲要求下的轮机员及电子电气员实操训练和适任评估考试。经两年多的教学实践，取得了满意的效果。

二、船舶机舱综合自动化实训平台设计

依据理论联系实际和有限教学课时内达到最优教学效果的原则，更大程度地综合“轮机自动化”课程柴油主机推进控制和机舱监测与报警系统两块主要教学内容，设计了一套具有实船机舱综合自动化功能的实训教学平台(如图1)。

1.柴油主机推进控制系统

柴油主机推进控制系统以大型低速柴油机为对象，由驾驶室或集控室车钟操纵柴油主机的起动、停车、换向和变转速，实现主机的转速和负荷限制，并设置独立的柴油主机安全保护系统。

图1中柴油主机推进控制系统包括主机遥控装置、主辅车钟、安保装置和柴油主机操纵系统半实物仿真示教装置。为保证机旁、集控室和驾驶室三地的控制单元间实时可靠通信，系统采用冗余 CAN总线，冗余路由模块设置在集控室。

实船应用的大型低速柴油主机体积大，且均为封闭结构，在操纵过程中无法同时观察到柴油机各控制阀件以及执行机构的动作过程，很难有效验证理论教学内容。为降低教学难度，提高课堂效率，综合自动化实训平台开发了一套缩微平面布置的柴油主机操纵系统半实物仿真示教装置，包括柴油主机起动、换向、停油和调速操纵机构，柴油主机飞轮测速机构和螺旋桨(如图2)。半实物仿真装置起动操纵部分设有气动执行器驱动的主辅起动阀、空气分配器换向机构及气缸起动阀；由气动执行器驱动的燃油泵换向凸轮机构；调速执行器由步进电机驱动传动机构，可形象逼真地模拟调速器油门拉杆动作，调节柴油主机油门开度，从而改变主机及其驱动的螺旋桨转速；调速器停油由气动执行器直接作用油门拉杆上，安保停油由安保断油电磁阀控制气动停油伺服机构实现油门零位连锁和紧急停油。

图1 机舱综合自动化实训平台总体结构

主机遥控装置车钟手柄发出车令信号，输入现场处理单元，经主控单元的转速限制和程序加减速等逻辑运算后输出指令转速，调速器根据指令转速与实际转速的偏差、PID运算和负荷限制后输出控制油门拉杆动作，实现柴油主机的转速闭环控制。各气动执行器的实际动作状态通过限位开关检测后反馈至遥控系统主控单元，实现对主机运行状态的逻辑判断。推进控制系统可实现慢转起动、重复起动、三次起动失败、调速器停油、安保停油和运行中换向等一系列遥控的逻辑操纵动作过程。

图2 柴油主机操纵系统半实物仿真示教装置

缩微平面布置半实物仿真柴油机操纵系统不仅节约成本，同时由于结构清晰，便于学员直观观察各执行机构动作顺序及过程，改善实验教学效果，拓展学生思维。

2.机舱监测与报警系统

机舱监测与报警系统可实现船舶动力装置和其辅助设备的运行状态及重要参数的测量显示、声光报警、打印记录、延伸报警、值班呼叫及火灾报警等系列功能。

综合自动化实训平台的机舱监测与报警系统配置了一套全分布网络型系统，其结构如图1。为能模拟实际船舶机舱动力设备参数变化，开发了一套机舱监测与报警系统模拟示教板(如图3)。示教板上丝印大型低速柴油机侧视图，并在相应参数测试位置设置可调电阻或自锁按钮，发送柴油主机运行的重要模拟量和开关量信号，如气缸扫气箱空气温度、气缸冷却水出口温度、活塞冷却油出口温度、气缸排气温度、滑油压力、滑油温度、推力块温度、起动空气压力和控制空气压力等柴油主机重要参数。为便于教学，示教板设置了两台小型电加热装置，分别安装实物PT100热电阻和K型热电偶温度传感器，由温控仪面板旋钮设定温度，实现加热器内温度控制；另外，还设置了一套可变液位的水柜，顶部安装浮子开关，底部安装电容式液位传感器。示教板模拟信号和传感器信号均由分布式处理单元采集，以Modbus总线传输到上位监控主机。当出现参数越限，以图形和列表的方式予以显示并输出报警，通过以太网通信实现延伸报警。集控室设两台操作员站，其中一台为监控主机，另一台为从机，从机在监控主计算机正常工作时接收局域网传输数据并实时备份；当主机故障或损坏时，可从机无缝切换替代其执行监测报警任务；驾驶室监控计算机也接收局域网数据作为另一操作员站。

图3 实验平台整体布置图

三、船舶机舱综合自动化实践教学设计

当前船舶电气自动化的程度越来越高，要求船舶轮机管理人员有更高的电气自动化专业素养。因此，加强轮机工程专业学生电气自动化知识和能力培养，已是本专业教师的共识。但理论教学学时又不允许增加，学生电气自动化方面理论知识相对于机电专业单薄甚至理论知识体系不完整的状况很难改变。为解决轮机工程专业长期存在的“机强电弱”问题，通过摸索与实践，认为可通过优化课程内容、改进教学方法和手段、激发学生学习兴趣等办法提高课堂效率，加强电气自动化理论基础；另外还需根据轮机专业毕业后上船管理轮机系统的特点，改进实践教学。改进的途径一方面需加大投入更新建设实验仪器和设备；另一方面，实践教学要尽可能采取模拟实船环境，在验证理论的基础上，提升学生分析和解决实际问题的能力。在上述思想指导下，开展了基于机舱综合自动化实训平台的实践教学设计研究。

1.综合验证性实验设计

主机遥控和机舱监测与报警两大系统的管理与操作多是验证性实验，传统实验课程内容单一，仅限于验证某一个功能或结论。考虑实验内容安排的主次和先后逻辑，设计了基于船舶机舱综合自动化实训平台综合验证性实验(如图4)。

图4 机舱综合自动化综合验证性实验教学设计

实验设计根据主机遥控和机舱监测与报警两大系统的管理与操作要求，结合柴油主机动力装置系统间的内在联系，融合实践教学知识点，形成综合验证性实验。实验教学首先介绍实验平台，通过系统组成结构及功能讲解扼要回顾理论知识，再逐一演示主机遥控系统各项主要功能，包括车钟功能试验、逻辑程序控制、转速与负荷控制、安全保护与应急操作4个主要功能。车钟功能实验包括主、辅车钟的功能演示，如主机操纵优先级及车钟无扰动切换操作。正常起动主机前可通过限位开关设置起动油量不足，模拟三次重复起动，此时主机首次起动，满足慢转起动条件，由主辅起动阀、空气分配器及燃油换向凸轮演示主机起动过程中阀件动作过程；然后再正常起动主机，主机起动需满足起动鉴别逻辑条件；当主机转速稳定后，将车钟推到正车最大转速，在加速过程中，实现加速速率限制、临界转速避让和程序负荷限制等功能；在此过程中，安排监测报警和安保实验，调整主机参数模拟示教面板相应参数，如排温高、滑油失压等，通过上位显示观测实时数据的变化，当参数越限时将发出声光报警提醒操作人员，并打印记录故障信息；实训系统有6个延伸报警单元，可实时显示报警信息及主机状态信息，若轮机员未及时应答报警信号，将出现失职报警甚至全船报警；对误报警信号由上位系统实现闭锁操作；继续调整越限报警值达到故障降速、故障停车设定值时，主机将实现故障降速、故障停车操作。

在完成上述验证演示操作后将车钟手柄拉至倒车低速挡，对于可逆转柴油机运行过程中的换向需满足换向逻辑条件，并可通过空气分配器和主起动阀开启观察到能耗和强制制动动作；当主机转速达到允许换向转速后，燃油凸轮动作，完成换向过程；当倒车转速稳定后，再次加速，此时倒车最大转速应当低于正车最大转速。上述实验设计，通过实验验证主线，结合分支内容，较好地理清系统结构及功能上的联系，构成一套完整的理论体系。

2.船员适任评估训练教学

实训平台还可开展海船船员适任评估电气自动化部分培训。因学员多数有上船经历，对轮机自动控制系统有一定认识，课程内容参照验证性实验教学设计。且针对适任评估考试要求，需突出操作过程和实验步骤，培养动手操作能力，重点掌握设备维护操作及基本故障排除。如主机不许起动，教学中在起动主机前设置诸如起动空气压力不足、盘车机未脱开和三次起动失败等不满足起动准备逻辑条件，由学员查看相应主起动准备逻辑控制条件界面，并分析查找原因后逐一排除。本实训平台满足适任评估考试项目如图5。

图5 适任评估训练考试项目

3.开放性综合实验教学

为提高实验室利用率，改善实验教学效果，开放性实验是实验教学的发展趋势。实验内容围绕轮机工程专业电气自动化专业课程，涉及基于PLC硬件组态、软件编程、传感器技术、现场总线等知识应用，如何将多门专业课程在实践项目中融合是开放性实验要解决的重点。以机舱监测报警系统设计为例，实践项目需根据机舱内主要设备的运行状态进行参数实时显示、越限报警等。系统中各类电气的接线及调理电路等运用了电路基础知识；采集现场温度、压力等热工参数时融合了传感器应用技术；然后再运用PLC作为核心进行控制运算，并完成与上层监控层的数据交互，上位采用组态软件进行显示、报警、数据记录等界面程序编写，最终与平台预留接口交互，利用半实物仿真示教装置进行验证(如图6)。

图6 机舱综合自动化开放性实验平台

开放设计型实验不仅能使学生更好地掌握轮机电气自动化课程的理论知识，还能引导学生通过实验去拓展知识、培养创新思维能力和综合实践能力，加强独立解决问题的能力，并促进实践教学与理论教学的有机结合，提高实践课的教学质量，全面提升学生的适应能力，增强核心竞争力。

四、结语

依托船舶机舱综合自动化实验平台开展实验教学模式和方法改革，加强了学生对机舱综合自动化系统的全面透彻理解，提高了教学质量，夯实了学生专业素养，增强了其就业竞争力。但实训平台主要对象是主推进装置，未涉及辅助机械自控系统、船舶电站能量管理系统和阀门遥控等内容，建设组成更完善、功能更齐全的机舱综合自动化教学实训平台值得进一步探索。

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2017-05-17

：武汉理工大学校级重点教学研究资助项目(2012018)

：1006-8724(2017)03-0076-04

U676.2

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