船舶辅锅炉模拟教学训练系统设计与开发

黄家宁，韩江桂



船舶辅锅炉模拟教学训练系统设计与开发

黄家宁，韩江桂

（海军工程大学动力工程学院，武汉 430033）

本文以立式锅炉为基础，结合计算机控制及仿真技术，对辅锅炉模拟教学训练系统进行设计和实现。主要介绍了训练系统的结构和功能，基于PLC实现了锅炉的自动控制，基于虚拟软件技术实现了维修训练系统的操作，达到了教学训练的目标。

船舶辅锅炉 教学 训练

0 引言

船舶辅锅炉是船舶重要的辅机之一，也是实现自动化控制最早的设备之一。为方便教学和训练，本次设计的模拟锅炉，即以立式锅炉为蓝本，进行技术改造，实现仿真训练。本模拟锅炉的设计，以实际的锅炉为蓝本，通过计算机辅助控制和适度的仿真，使实验台架能够模拟锅炉的运行状态，能够实现对锅炉油路、水路、汽路、电路、风门的各个环节的模拟维修训练。

1 维修训练系统的构成

辅助锅炉系统主要包括：锅炉本体、供水系统、燃油系统、燃烧系统、模拟加热系统，以及锅炉电控箱、仿真计算机和维修平台辅助系统。本系统锅炉本体采用了实际的锅炉作为基础，为满足训练的安全性和经济性。对锅炉的其他系统做了适当改造和模拟。锅炉本体如图1所示。

1）锅炉本体

锅炉本体采用船用LSK立式针形管锅炉为基础，具有体积小、重量轻、热效率高（>83%）、升汽速度较快（一般为15-18分钟）、便于维护等特点，特别是针型管结构使得清理烟灰更加方便，同时不污染机仓环境。

2）供水系统

锅炉加水功能和实际锅炉一致，通过锅炉的水位计，进行水位显示。通过锅炉自带的水泵控制自来水的加入和排出，水位变化信号为实际信号。加水回路各个管路及水泵等同样移到锅炉外易于操作的地方，便于学员进行拆装、维修训练。

3）燃油系统

锅炉通过燃烧器在炉膛内形成火焰，对炉内水进行加热。由于本锅炉作为训练系统无需产生大量的蒸汽和热水，因此也就不需要进行实际的燃烧。为保证训练学员安全，采用机油作为油管内的材料，既使学员能够体会到油路的构成及管路特点，又不会产生燃烧等危险情况。

4）燃烧系统

由于没有燃油的输送，因此锅炉燃烧器无法发出火焰。如果没有火焰，燃烧器火焰检测无法检测出火焰，会停炉并报告点火失败和停炉。同时炉膛中没有火光，不利于仿真运行。因此在炉膛内安装红色灯光照明，模拟炉火燃烧，同时使火焰检测原件检测到火光，使电控系统能够正常运行。

5）模拟加热系统

由于没有实际燃烧，所以加热过程中的温度及压力信号由计算机模拟。根据炉膛燃烧器的火焰等级，由计算机根据模型计算出水温和压力，通过仪表进行显示。在训练时能够模拟实际运行状态。

2 控制系统

控制箱以西门子PLC核心、以及接触器、热继电器、开关等若干设备组成，和实际的锅炉控制箱完全相同。锅炉电控箱与其他系统设备通过对泵、电磁阀、传感器等信号的控制和采集，通过接口电路来实现对锅炉的电气控制。设备之间电气连接控制如图2所示。

图2 辅助锅炉电气系统

船舶辅助锅炉的控制系统包括锅炉水位控制，蒸汽压力控制，燃烧自动控制，声光与报警等控制环节。主程序逻辑图如图3示。

图3 主程序逻辑图

控制系统在工作时，系统可以进行全自动起炉和停炉，故障报警，停炉等事件的处理，按照用户的要求编写用户程序，实现给水、给油、蒸汽压力控制、燃烧等过程的全自动控制（根据用户的要求也有相应的手动应急控制系统）。在系统的运行中，根据要求自动起、停风机，开、关电机，并根据燃烧情况，控制风门的开闭大小等。另外，风机的电机马达故障、蒸汽压力超限报警、燃烧时发生系统故障的控制与报警处理等也由整个控制系统完成。

PLC通过以太网和上位机进行数据交换。数据发送，TCP通信方式，通信周期采用定时器控制，周期为500 ms，一次性发送25个字节，通信数据包括系统全部运行状态、报警信息、传感器信息等。数据接收，每周期收到上位机传送的指令和状态信息，作出相应的处理。通讯子程序流程图如图4所示。

图4 通讯子程序图

3 模拟维修训练的实现

本系统采用硬件训练平台和计算机虚拟控制实现教学和维修训练的目标。

1）教学训练模式

教学模式界面由模拟仪表显示（显示水路温度、水路压力、油路温度和油路压力）、模拟排放设置、模拟温升设置、锅炉状态显示和故障模拟几个模块组成。

运行中，水路压力和油路压力为实测压力，水路温度和油路温度为模拟温度。由于锅炉没有实际燃烧，故排放参数为计算机模拟参数。可以通过设置，模拟蒸汽排放速度和加热时间常数，加快运行速度，减少教学时间。锅炉状态可实时显示风机运行状态、油泵运行状态和水泵运行状态，可显示锅炉水位状态、锅炉温度、锅炉点火状态和各报警状态。故障模拟可在实际设备未产生的状态下，模拟故障模拟列表中对应的各种报警。教练员在教学模式下，可训练学员对锅炉的整体认识，可训练学员对给水泵、燃油泵、燃烧器的手自动启停操作；可模拟锅炉故障，让学员排查故障原因；可训练学员对水路管路和油路管路部件的拆卸操作。

2）维修考核模式

在考核模式中可以实现对学员掌握知识程度的检测。学员在模拟考核中，填入班级、学号和姓名，系统随机出客观题以及相应的实操题，最终进行成绩的评定。

考核模式下，具体考核过程为：首先第一阶段为选择题，根据题目要求，从四个选项中选出对应的答案，被选答案底色改变；答案选择正确时，弹出选择正确对话框；答案选择错误时，弹出选择错误对话框；通过上一题、下一题按钮切换选择题题目；其次在第一阶段全部答题完毕后，可进行下面第二阶段的操作题，根据相应题目，完成对应维修操作。

现阶段的辅锅炉维修模拟训练平台实物图，如图5所示。

图5 辅锅炉维修训练系统实物图

4 总结

本辅锅炉模拟教学训练系统依据船上实际辅锅炉硬件为基础，进行了科学合理的适当简化，结合计算机控制技术、虚拟仿真技术实现了船用辅锅炉的模拟教学和维修训练的功能。

该系统具备经济性、安全性、先进性效果逼真，教学方便等优点。最终实现了让学生能够便于掌握辅锅炉工作原理的目标，也使学生熟悉各种实际辅锅炉的常见故障，同时使得学生对现代化的控制技术有一定的掌握，为日后适应船上工作打下一定的工作基础。

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Design and Development of Simulation Teaching and Training System for Marine Auxiliary Boiler

Huang Jianing, Han Jianggui

(College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

U664

A

1003-4862（2019）02-0057-03

2018-08-02

黄家宁（1992-），男，硕士研究生。研究方向：机械机构设计及优化，舰船装备维修保障技术。E-mail: 1418908613@qq.com。