【文章內(nèi)容簡介】 模擬器 基于對仿真環(huán)境真實性的考慮，德國 STN 最新推出了 SES4000 系列輪機模擬器，主要由模擬機艙、模擬 集控室、教員室和講習室等組成。其中集控室的電站模擬器系第一章 緒論 11 統(tǒng)對所有的物理過程進行建模、圖形顯示，對每個系統(tǒng)的泵和管線都予以復制，并且對液體或氣體的流動特性也加以考慮。 SES4000 系列中的大型和中型電站模擬器屬于全任務式電站模擬器的結構形態(tài)，而小型電站模擬器則是基于工作站，采用多任務圖形方式來仿真電站系統(tǒng)的功能。其突出的一個優(yōu)點是它可以作為整船的船舶操縱仿真器的一部分。 國內(nèi)電站模擬器的主要產(chǎn)品 國內(nèi)模擬器是在 80 年代出引進的，但隨著計算機的發(fā)展和對船員的要求的提高，引進的遠遠不能滿足需要。 1994 年武漢交通科技大學研制出我國首臺輪機模擬訓練器（含電站模擬器，下同）， 1999 年 5 月上海海運學院 SMSC2020 型輪機模擬器（含電站模擬器，下同）又通過了驗收。這 20 年內(nèi)我國航海教育和航海科技取得了長足的進步 [12]。目前國內(nèi)已有十幾家航海院校和培訓中心裝備了輪機模擬器，其中比較先進的有：武漢交通科技大學（現(xiàn)為武漢理工大學）的 WMS1 型和其改進 WMS2020 型、上海海運學院的 SMSC2020 型和大連海事大學的基于 VR(Virtual Reality)技術的DMS2020 型 。 一、 WMS2020 系列船舶電站仿真器 [12~19] WMS1 型是國產(chǎn)第一臺電站模擬器 ,為集散型分布式控制系統(tǒng)，分布在模擬集控室、模擬機艙、教練室和講習室，實現(xiàn)單片機（下位機）、監(jiān)控計算機與工作站（上位機）的上行和下行通訊，并用單片機對輸入 /出接口進行控制。船舶電站控制屏配置在集控室內(nèi)，主要負責配置船上的用電，在集控室內(nèi)可以對船舶電站流程圖監(jiān)測。 國產(chǎn) WMS 2020 型電站仿真器是以中遠集運公司 1675TEU 的第三代集裝箱船“祥云河”輪為母型船進行仿真設計的，包括兩臺輔助柴油發(fā)電機、一臺軸帶發(fā)電機、一臺應急發(fā)電機以及相應 的配電屏、負載屏等設備，較 WMS 1 型電站仿真器在系統(tǒng)的配置和性能上有較大提升 ,系統(tǒng)的內(nèi)容及功能有多項擴充及提高。 WMS2020 型仿真船舶電站具有現(xiàn)代自動化船舶電站的絕大多數(shù)功能，可對其進行各種正常的手動及自動操作，輔助柴油發(fā)電機控制屏上除具有常規(guī)的控制按鈕及報警指示燈外，還安裝有網(wǎng)絡控制器，兩種控制方式互鎖，可通過發(fā)電機控制屏面板上的選擇開關進行切換 ,通過網(wǎng)絡控制器可以對輔助柴油發(fā)電機系統(tǒng)的部分參數(shù)進行設置和更改。在軸帶發(fā)電機的模擬實驗板上，可以模擬起動、電壓檢測、頻率檢測、同步、并車、停車、故障檢 測等工作過程。電站仿真訓練軟件選用了 SCO UNIX 操作系統(tǒng)，采用 XWINDOWS 下的圖形技術開發(fā)出船舶電站的盤臺操作界面及監(jiān)控流程圖，利用計算功能強大的 FORTUNE 語言編制了高效率的仿真程序代碼。電站系統(tǒng)監(jiān)控程序對軸帶發(fā)第一章 緒論 12 電機、柴油發(fā)電機及電力系統(tǒng)中各臺仿真設備運行工況進行監(jiān)控，通過 CRT 可以隨時察看船舶電力網(wǎng)系統(tǒng)流程固。在電站的監(jiān)控流程圖上，可以設置發(fā)電柴油機的功率因數(shù)及負荷大小，進行電壓及頻率特性測試。采用不同方式對軸帶發(fā)電機及柴油發(fā)電機的噪聲、主開關及分路開關的合閘 /脫扣的聲音和重載、輕載、短路等 各種報警都進行了聲響模擬．模擬電站盤臺大小、操作功能、音效、燈光照明與實船完全一樣 ,有如實船操作一樣的環(huán)境感受。可以通過教練員臺設置船舶電站實際運行中很少出現(xiàn)的各種故障，如短路、逆功率等． 其突出特點：具有較高的設計起點，發(fā)電機網(wǎng)絡控制器及軸帶發(fā)電機的仿真在當時的國內(nèi)尚屬首次，基本上模擬了實船的硬件結構、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)，其仿真訓練軟件具有完備的控制臺功能、友好的人機界面、豐富的操作訓練功能、精確的數(shù)學模型、完善的實時數(shù)據(jù)庫，具有很強的實用性。仿真模型具有很好的實時性能和較高的靜動態(tài)仿真精度，整個系統(tǒng)的 運行穩(wěn)定性和工作可靠性亦很高。其缺點是：系統(tǒng)過于復雜，編程工作量大，擴展比較困難，整個系統(tǒng)的反應速度慢。 二、 SMSC2020 系列電站模擬器 [1,2,3,12,][20~27] SMSC2020 是一個基于網(wǎng)絡化技術的以大型集裝箱船舶為仿真對象的電站模擬器，它由仿真機艙集控室、仿真船舶上甲板、教學機房和多媒體教室等組成， 各類自動化儀表均以計算機仿真軟件實現(xiàn) 。整個系統(tǒng)以網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫服務器為中心采用集散型分布式控制系統(tǒng)（ DCS），仿真主網(wǎng)絡系統(tǒng)的教員臺、電站模擬系統(tǒng)和電站仿真站應用多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和智能型 I/O 系統(tǒng)構成數(shù)據(jù)采集與通信網(wǎng)絡，與學生工作站構成擴展培訓網(wǎng)絡。該仿真器實現(xiàn)了“軟硬結合”的仿真系統(tǒng)設計技術方案，模擬電站采用了硬件操作監(jiān)控界面、軟件操作監(jiān)控功能的方式。建立在微機 ISA／ PCI 總線上的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)在工控微機控制下，完成船舶電站系統(tǒng)的在線仿真控制和人機信息交換。仿真工作站的 CRT 畫面和主配電屏、應急配電屏保持同步，在模擬量輸出時能反應電網(wǎng)和發(fā)電機參數(shù)的動態(tài)變化過程， 配置了 14m2大型實時監(jiān)控操作型圖解板及機旁操作臺，采用模塊式拼裝結構，擴展性強，集顯示、操作控制于一體。 軟件部分綜合了系 統(tǒng)集成技術、網(wǎng)絡技術、多媒體技術和仿真技術，仿真實時性高，實現(xiàn)物理－數(shù)字仿真，有強大的人機交互功能。仿真系統(tǒng)軟件的開發(fā)選用 WINDOWS操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集動態(tài)連接庫和 VB 集成軟件，主要完成仿真系統(tǒng)的模型、人機界面和網(wǎng)絡通訊，可以完成在線運行和離線運行兩種工作方式。網(wǎng)絡結構設計為星形以太網(wǎng)結構，在 WINDOWS 操作系統(tǒng)平臺下進行管理。 其突出特點：該仿真器首次應用了基于人工智能的故障診斷技術。系統(tǒng)具有起點高，規(guī)模大，功能齊全，技術先進，可靠性和穩(wěn)定性好的特點，采用網(wǎng)絡化技術，具有在線控制特性和良好的人機信息交 換界面特性。具有仿真主網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)采集和通信第一章 緒論 13 網(wǎng)絡以及擁有眾多學生工作站的擴展培訓網(wǎng)絡，屬國內(nèi)首創(chuàng)。實時仿真軟件是在實時工控平臺開發(fā)軟件 GFW (Genesis for Windows)環(huán)境下開發(fā)、集成的，提出了網(wǎng)絡環(huán)境下的實時并行仿真技術，實現(xiàn)了集裝箱船舶機艙系統(tǒng)的分布式實時仿真。采用模塊化建模與數(shù)據(jù)的采集，擴展容易。在輸入輸出速度快、功能強大的微機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的支持下 ,系統(tǒng)外設操作手感真實性好 ,系統(tǒng)的反應速度能與操作者的感覺相同。該系統(tǒng)在船舶電站仿真系統(tǒng)的開發(fā)技術方面的研究成果已達到國內(nèi)領先、 90 年代中期國 際先進水平。但還需要增加一些控制箱來提高與實船的相似性。 三、 DMS2020 系列電站模擬器 [28~36] DMS2020 型電站仿真器 以 網(wǎng)絡 數(shù)據(jù) 庫 服務器為中心 ， 將系統(tǒng)仿真工作站、 服務器、配電盤、 工控機、可視化仿真 VR 工作站以及教師和學生用機以星形網(wǎng)絡結構構成一個分布式仿真系統(tǒng) ，采用多微機組網(wǎng)運行協(xié)同完成新型電站模擬器的任務，各臺微機也可單獨運行完成特定系統(tǒng)的功能。 系統(tǒng) 組成為 虛擬機艙、虛擬集控室、虛擬控制儀表板 等。仿真系統(tǒng)能夠在仿真配電盤界面和物理配電盤面板上動態(tài)顯示其整個仿真操作過。應用計算機仿真技術模擬 船舶電站的操作功能，并與虛擬配電盤相結合，實現(xiàn)了具有視景和人機自然交互界面的電站仿真系統(tǒng)。 該電站模擬器系統(tǒng)為一局部通信網(wǎng)絡系統(tǒng) ,船舶電站硬件盤臺的輸入信息由工業(yè)控制機采集后經(jīng)網(wǎng)絡交換機送到服務器進行集中管理 ,然后再送達電站仿真子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理 ,子系統(tǒng)的輸出信息經(jīng)網(wǎng)絡交換機送到服務器后再送達工業(yè)控制機輸出到各硬件盤臺執(zhí)行或顯示或送達虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。服務器操作系統(tǒng)為 ,采用數(shù)據(jù)庫管理軟件 負責數(shù)據(jù)處理。該局部通信網(wǎng)絡系統(tǒng)主要特點是：實時響應能力快 ,數(shù)據(jù)吞吐量大 ,可靠性高。 其優(yōu) 缺點為：增加機艙視景系統(tǒng) ,實現(xiàn)可視化圖形交互式仿真 ,從物理盤臺儀表到實施數(shù)據(jù)采集與控制的工業(yè)控制機再到數(shù)據(jù)管理網(wǎng)絡服務器然后到監(jiān)視、操作的人機交互系統(tǒng) ,層次分明。綜合應用三維圖形、 VGA 墻顯示系統(tǒng)和分布式仿真技術 ,并采用大量高精度的仿真模型。使用大量圖像，具有機艙和集控室的臨場感；系統(tǒng)具有擴充性好，更換對象方便等特點，但在實操性方面不如其它的模擬器，且大規(guī)模的采用虛擬與現(xiàn)實技術使的投入成本高。 電站模擬器的發(fā)展趨勢和應用前景 隨著計算機技術的飛速發(fā)展，電站模擬器的網(wǎng)絡化、智能化、標準化、模塊化、系列化、多功能和開放型方向發(fā)展。采用多媒體技術和虛擬現(xiàn)實技術，增加了操作環(huán)境真實感，其實現(xiàn)的功能也越來越齊全，以滿足輪機教學培訓和科研的需要。隨著全球航運業(yè)的發(fā)展壯大、船舶自動化程度的提高和對船員要求的提高，電站模擬器的重第一章 緒論 14 要性越來越明顯。電站模擬器培訓作為一種現(xiàn)代教育手段，是行之有效的，對提高輪機管理專業(yè)的教學質量、學員的實際操作和故障分析能力發(fā)揮了巨大的作用，提高了船員教育和培訓的科技含量和教學效果，模擬器在教學及培訓中將會有更加廣泛的應用前景。 論文的主要研究工作 本文是結合船舶電站模擬器的研制 展開工作的，該項目從 2020 年 9 月起開始著手研制，整個項目分為模擬器的項目論證、整個模擬器的結構設計、模擬器的各個分系統(tǒng)的設計。分系統(tǒng)設計包括發(fā)動機及熱工系統(tǒng)、發(fā)電機系統(tǒng)、電力及分配系統(tǒng)、控制及保護系統(tǒng)和報警系統(tǒng)。各個系統(tǒng)設計又可分為硬件、軟件設計兩大部分。本課題承擔的主要任務是船舶電站系統(tǒng)結構的設計、船舶電站及電力系統(tǒng)數(shù)學模型的建立及系統(tǒng)仿真軟件的開發(fā)，并根據(jù)電站模擬器訓練操作的需要，設計和編制電站信息流的部分人機交互界面。具體的研究工作包括： 船舶電站模擬器的結構設計。對整個模擬器的結構布局，實現(xiàn)的 功能設計。對模擬器的總體結構、系統(tǒng)功能、硬件結構、軟件結構、網(wǎng)絡結構進行具體設計，并進行可行性論證。 建立電站及電力系統(tǒng)數(shù)學模型。對 船舶電站電力系統(tǒng)建立數(shù)學模型，編制算法。在 Minis 支撐平臺上 建立仿真模型軟件，對電站系統(tǒng)的運行情況和動態(tài)過程進行模擬仿真計算，并分析仿真結果。 基于 Intouch 的電站監(jiān)控系統(tǒng)的設計。在 Intouch 環(huán)境下編寫控制邏輯程序，通過 Intouch 設計的監(jiān)控界面，對 Minis 仿真環(huán)境下運行的電站系統(tǒng)模型進行監(jiān)視、控制、報警和數(shù)據(jù)記錄，實現(xiàn)對發(fā)電機組的起動、同步并車、負載均分 、解列、停車等運行狀態(tài)及過程的實時監(jiān)控功能。 MMI 設計。 MMI 是控制 實現(xiàn) Intouch 監(jiān)控界面與 Minis 下仿真運行的電站系統(tǒng)模型之間的數(shù)據(jù)通訊。 所有的操作和顯示都以實時的動態(tài)方式進行，受訓者在模擬和操作整個電站系統(tǒng)時可以感受到和實船相同的方式。 第二章 船舶電站模擬器的結構及功能設計 10 第二章 船舶電站模擬器的結構及功能設計 船舶電站模擬器的總體結構 電站仿真類型 利用模型對系統(tǒng)特性實現(xiàn)再現(xiàn)并對系統(tǒng)進行試驗研究稱為仿真。模型是實際系統(tǒng)或過程在某些方面特性的一種表現(xiàn)形式，它能反映出該系統(tǒng)和過程的行為特性。電站仿真按其實 現(xiàn)方法分為三類： (1)物理仿真 按照真實系統(tǒng)的物理性質構造系統(tǒng)的物理模型，以再現(xiàn)系統(tǒng)的一些特性稱為物理仿真。 (2)數(shù)學仿真 按照真實系統(tǒng)的數(shù)學關系構造系統(tǒng)的數(shù)學模型，也就是將實際系統(tǒng)的運動規(guī)律用數(shù)學形式表達出來，以再現(xiàn)系統(tǒng)的特性并在數(shù)學模型上進行試驗，稱為數(shù)學仿真。計算機為數(shù)學模型的建立、運算和試驗提供了有力的工具。數(shù)學仿真可在實時、超實時和欠實時環(huán)境下運行。 (3) 數(shù)學－物理混合仿真 將系統(tǒng)的一部分用數(shù)學模型描述，并放到計算機上運算，而另模型或直接采用實物，然后將它們連接成系統(tǒng)，這種仿真稱為數(shù)學－物 理混合仿真。這種仿真系統(tǒng)主要用于大型發(fā)電機組運行操作人員的培訓、設備的分析和研究、運行特性分析和控制系統(tǒng)研究等。數(shù)學－物理仿真方式可以在實時、超實時和欠實時環(huán)境下運行，但對接入的實物部分則必須是實時的。 迄今為止，絕大多數(shù)電站培訓仿真機，是數(shù)學－物理混合式仿真裝置。 仿真器從功能用途可分為工程仿真器、分析研究仿真器和訓練仿真器，本文討論的船舶電站仿真系統(tǒng)主要用于對海船輪機管理人員進行訓練，是屬于訓練仿真器。訓練仿真器是一套供專業(yè)人員進行訓練的模擬設備，模擬實際船舶電站系統(tǒng)，要求仿真逼真。從仿真模型種類來分它 又是一個數(shù)學－物理混合仿真。由計算機、自動化裝置和各種物理的設備和儀表構成，根據(jù)發(fā)電機組的電氣系統(tǒng)及電力生產(chǎn)過程建立其數(shù)學模型，并在數(shù)學計算機上運算稱為電站計算機仿真 (數(shù)學仿真 )，按照真實系統(tǒng)構造電站主配電屏，應急配電屏再現(xiàn)監(jiān)視、操作和控制等設備稱為物理仿真，然后通過 I/O接口將它們連接成系統(tǒng)。 第二章 船舶電站模擬器的結構及功能設計 11 船舶電站模擬器的結構設計 一、總體布局 參照國內(nèi)外電站模擬器的布局設計，船舶電站模擬器主要包括： 仿真機艙集控室、仿真船舶上甲板、教學機房和多媒體教室等組成 。具體分布如圖 21 所示： 圖 21 船舶電站仿真系統(tǒng)結構圖 該船舶電站仿真器系統(tǒng)是一個以微機為核心的系統(tǒng)，由微機硬件系統(tǒng)和微機軟件系統(tǒng)組成。微機硬件系統(tǒng)有兩部分組成，一部分是用于 CBT(Computer Based Training)教學的微機局域網(wǎng)系統(tǒng)，另一部分是用于仿真實際船舶電站控制系統(tǒng)運行的船舶模擬配電屏控制系統(tǒng)。 船舶模擬配電屏控制系統(tǒng) 圖 22 船舶模擬配電屏控制系統(tǒng) 如圖 22 所示，模擬配電屏控制系統(tǒng)是船舶