吳道丞

(鎮(zhèn)江船舶電器有限責(zé)任公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212002)

基于仿真技術(shù)的PMS工廠驗(yàn)證方法

吳道丞

(鎮(zhèn)江船舶電器有限責(zé)任公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212002)

基于目前石油平臺(tái)、海洋工程類船舶用電設(shè)備多，功率大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)多，功率管理系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)難度大，且生產(chǎn)廠家難以實(shí)現(xiàn)功能驗(yàn)證等現(xiàn)狀，提出了一種以仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)功率管理系統(tǒng)的工廠驗(yàn)證方法。該方法已成功應(yīng)用于實(shí)際工程系統(tǒng)， 驗(yàn)證的正確性達(dá)95%以上，系泊實(shí)驗(yàn)時(shí)間縮短至1～2天，效果顯著。

功率管理系統(tǒng)；仿真；工廠驗(yàn)證

0 引言

隨著新材料、新工藝的飛速發(fā)展，船舶噸位越造越大，功能越來越強(qiáng)，船舶電網(wǎng)呈現(xiàn)出用電設(shè)備多，功率大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，特別是石油平臺(tái)與海洋工程類船舶并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)多，功率管理系統(tǒng)(PMS)的邏輯運(yùn)算極其復(fù)雜，程序設(shè)計(jì)難度大。對(duì)于制造商來說，程序設(shè)計(jì)好后，在工廠中也難以驗(yàn)證其功能，往往依賴于系泊實(shí)驗(yàn)。這種狀況，勢必造成系泊實(shí)驗(yàn)周期延長，實(shí)驗(yàn)期間長時(shí)間開動(dòng)發(fā)電機(jī)與負(fù)載設(shè)備，會(huì)耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力；同時(shí)，船舶建造期的條件也會(huì)限制實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，可能會(huì)有部分功能測試不全、故障未排除的情況，給PMS將來的可靠運(yùn)行留下隱患。為此，有必要研究一種方法，使PMS設(shè)備在工廠中就能得到有效驗(yàn)證。借鑒其他學(xué)科領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，仿真驗(yàn)證應(yīng)是一種行之有效的方法。

1 仿真技術(shù)在船舶工業(yè)中的作用

仿真又稱為模擬，是利用模型復(fù)現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)中發(fā)生的本質(zhì)過程，并通過模型來研究存在的或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)。

仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于諸多學(xué)科，發(fā)揮了重要作用。如在航空領(lǐng)域，采用仿真技術(shù)使大型客機(jī)的設(shè)計(jì)和研制周期縮短20%；在航天領(lǐng)域，采用仿真實(shí)驗(yàn)代替實(shí)彈試驗(yàn)可使實(shí)彈試驗(yàn)的次數(shù)減少80%；利用飛行仿真器可在地面訓(xùn)練飛行員，并且可在仿真器上設(shè)置故障，培養(yǎng)飛行員應(yīng)付空中故障的能力。借鑒這些領(lǐng)域的成功經(jīng)驗(yàn)，利用仿真技術(shù)來研究船舶PMS復(fù)雜控制系統(tǒng),也能發(fā)揮巨大的作用。

1.1 解決產(chǎn)品工廠驗(yàn)證問題

功率管理系統(tǒng)為電網(wǎng)的管理中心，其控制對(duì)象不僅有發(fā)電機(jī)、配電板，還包括推進(jìn)在內(nèi)的各種負(fù)載設(shè)備。這些設(shè)備一般不由功率管理系統(tǒng)的制造商供貨，所以難以將這些設(shè)備集中在一起實(shí)現(xiàn)聯(lián)調(diào)，工廠驗(yàn)證成為難題，只能寄希望于系泊實(shí)驗(yàn)。以仿真技術(shù)建立發(fā)電、配電、用電的仿真設(shè)備，就能實(shí)現(xiàn)PMS的工廠驗(yàn)證，并且能有效降低系泊實(shí)驗(yàn)周期與調(diào)試費(fèi)用。

1.2 縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)周期

仿真設(shè)備建立后，可以通過不同組合，仿真不同船型的設(shè)備配置與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證開發(fā)中的PMS產(chǎn)品，做到邊開發(fā)邊驗(yàn)證，能有效縮短開發(fā)周期。

1.3 提高船員培訓(xùn)的效率

通過建立數(shù)字化仿真設(shè)備，使操作界面與實(shí)船完全一致，但又不必像實(shí)船培訓(xùn)一樣開動(dòng)設(shè)備。這種培訓(xùn)模式不但可以加快學(xué)員對(duì)設(shè)備的了解，提高學(xué)員的實(shí)際操作能力，還能大大降低培訓(xùn)成本，改善培訓(xùn)環(huán)境。另外，仿真器所特有的安全性也是一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)，培訓(xùn)中可以人為模擬一些故障，培訓(xùn)船員實(shí)船應(yīng)變處理能力。

2 仿真的方法

仿真的方法很多，適用于功率管理系統(tǒng)的仿真方法主要有小比例物理仿真和軟件仿真。

2.1 物理仿真

物理仿真是用具體的硬件設(shè)備，如小比例發(fā)電機(jī)、水電阻箱、信號(hào)開關(guān)板、儀表盤、電流發(fā)生器等模擬實(shí)際設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，以驗(yàn)證功率管理系統(tǒng)的功能。這種方法用于小型的功率管理系統(tǒng)問題不大，但其主要缺點(diǎn)是投資費(fèi)用較高，仿真時(shí)操作繁瑣。

2.2 軟件仿真

對(duì)于功能復(fù)雜的大中型功率管理系統(tǒng)來說，其控制的發(fā)電機(jī)至少5臺(tái)以上，多電制、分區(qū)供電的配電板有幾十屏，側(cè)推與重載工程設(shè)備很多，被控對(duì)象間關(guān)聯(lián)密切，需要模擬的信號(hào)很多，物理仿真實(shí)現(xiàn)困難，采用軟件仿真則能很好地解決這一問題。

軟件仿真只需1臺(tái)普通電腦，安裝組態(tài)軟件，并與功率管理系統(tǒng)建立通訊。在組態(tài)軟件中以畫面的形式建立發(fā)電機(jī)、配電板、用電設(shè)備等圖形模型，并在圖形中設(shè)置輸入輸出人機(jī)對(duì)話窗口。輸入值對(duì)應(yīng)于設(shè)備被控后的特征，如發(fā)電機(jī)的功率值；輸出值對(duì)應(yīng)于設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，如發(fā)電機(jī)運(yùn)行信號(hào)，這樣就建成了軟件仿真設(shè)備。仿真驗(yàn)證時(shí)，以開關(guān)合閘為例，合閘前PMS需檢測開關(guān)位置(運(yùn)行參數(shù))，故仿真設(shè)備需送出開關(guān)位置信號(hào)，經(jīng)邏輯運(yùn)算后PMS發(fā)出合閘命令，仿真設(shè)備畫面則由分閘狀態(tài)顯示為合閘狀態(tài)(被控后的特征)，這樣，仿真設(shè)備就可替代實(shí)際設(shè)備驗(yàn)證PMS。

以軟件建立的仿真設(shè)備，其數(shù)量幾乎不受限制，驗(yàn)證操作全部在電腦上完成，反應(yīng)速度快，圖形直觀，非常適合于驗(yàn)證大型功率管理系統(tǒng)，并且投資費(fèi)用少。

3 軟件仿真的關(guān)鍵技術(shù)

PMS基本由信號(hào)采集輸入、邏輯運(yùn)算、邏輯輸出3部分構(gòu)成，其中邏輯運(yùn)算是主體部分，是PMS的功能所在，也是需要驗(yàn)證的對(duì)象。保證仿真驗(yàn)證的邏輯運(yùn)算能直接應(yīng)用于工程系統(tǒng)，是軟件仿真的關(guān)鍵技術(shù)。

在實(shí)際工程系統(tǒng)中，PMS是通過物理輸入接口采集發(fā)電機(jī)、配電板、負(fù)載設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，如發(fā)電功率、電網(wǎng)狀態(tài)、用電負(fù)荷等，經(jīng)過邏輯運(yùn)算后，再通過物理輸出接口輸出指令來控制相應(yīng)的實(shí)際設(shè)備。在軟件仿真中，仿真設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)是通過通信接口被功率管理系統(tǒng)采集，經(jīng)過邏輯運(yùn)算后，控制指令又以通信的方式輸出給被控的仿真設(shè)備。兩者的區(qū)別是輸入、輸出信號(hào)流向不同，實(shí)際工程系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)是通過物理接口與實(shí)際設(shè)備關(guān)聯(lián)，仿真時(shí)是通過通訊接口與仿真設(shè)備關(guān)聯(lián)，見圖1。所以解決信號(hào)流向的轉(zhuǎn)換問題，保證邏輯運(yùn)算部分不受信號(hào)流向轉(zhuǎn)換的影響，就能使仿真驗(yàn)證的邏輯運(yùn)算直接用于工程系統(tǒng)，這點(diǎn)成為軟件仿真的關(guān)鍵技術(shù)。

圖1 物理接口與仿真接口

信號(hào)流向的轉(zhuǎn)換實(shí)質(zhì)是接口的切換。要想達(dá)到接口切換不影響邏輯運(yùn)算的目的，則接口不能直接參與邏輯運(yùn)算，所以可以設(shè)中間變量，由中間變量來參與邏輯運(yùn)算，其原理示意如圖2所示。

圖2 接口切換原理示意圖

仿真時(shí)，接通仿真輸入接口，仿真設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)傳遞給變量A，由變量A參與邏輯運(yùn)算，邏輯運(yùn)算的結(jié)果為變量B，變量B經(jīng)仿真輸出接口控制仿真設(shè)備。實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，接通的是物理接口，但實(shí)際設(shè)備的輸入信號(hào)也只與變量A關(guān)聯(lián)，輸出信號(hào)只與變量B關(guān)聯(lián)，與邏輯運(yùn)算部分無關(guān)。這樣，只要在PMS中增加接口轉(zhuǎn)換控制程序，經(jīng)仿真驗(yàn)證的PMS，就能直接應(yīng)用于工程系統(tǒng)，工廠仿真驗(yàn)證變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

4 仿真的效果

以仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)PMS的工廠驗(yàn)證后，能取得如下效果：

(1)功能正確性達(dá)95%以上。

(2)系泊實(shí)驗(yàn)時(shí)間縮短至1～2天。

(3)節(jié)約燃油、節(jié)省人力等達(dá)幾十萬元。

按照以上方法，作者以軟件仿真的方法實(shí)現(xiàn)了多套PMS的工廠驗(yàn)證，并應(yīng)用于實(shí)船。如2011年仿真驗(yàn)證了1套PMS，成功應(yīng)用于11 888 m3絞吸式挖泥船上。該船2套主機(jī)為一拖三形式，主電網(wǎng)為690 V與400 V 2種電制，另配有輔助發(fā)電機(jī)和停泊發(fā)電機(jī)；供電模式共8種，其中7 種要求互切，水泵、風(fēng)機(jī)也要求納入PMS管理。PMS輸入輸出點(diǎn)數(shù)近900點(diǎn)，屬于中型PMS。系泊實(shí)驗(yàn)過程非常順利，一天內(nèi)完成所有供電模式切換與輔機(jī)泵組的自動(dòng)控制，較常規(guī)一周以上的系泊實(shí)驗(yàn)時(shí)間，效率提高數(shù)倍。

5 結(jié)語

以軟件建立仿真設(shè)備驗(yàn)證PMS，方法簡單，投資小，效果好，是設(shè)計(jì)開發(fā)的有力工具，在船舶自動(dòng)化領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 黃中玉.PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[2] 黃向華.控制系統(tǒng)仿真[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2008.

[3] 李笑.控制系統(tǒng)數(shù)字仿真[M].沈陽：東北大學(xué)出版社，1999.

2013-08-07

吳道丞(1971-)，男，工程師，從事船舶電氣與自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)開發(fā)工作。

TP273

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