大型集裝箱船舶分油機仿真系統

王詩文， 沈智鵬， 張 寧， 郭 晨， 王國峰

(大連海事大學 a. 信息科學技術學院；b. 外國語學院，遼寧 大連 116026)

大型集裝箱船舶分油機仿真系統

王詩文a， 沈智鵬a， 張 寧b， 郭 晨a， 王國峰a

(大連海事大學 a. 信息科學技術學院；b. 外國語學院，遼寧 大連 116026)

為更有效地幫助學員掌握分油機系統的操作方法，以中遠集團PACIFIC萬箱集裝箱船的分油機系統為仿真對象，利用計算機仿真技術構建船舶燃油、主機滑油和副機滑油分油機系統的仿真場景，再現實際船舶分油機結構真實的工作過程，模擬分油機故障、報警的現象，實現分油機系統的軟件設計和控制單元EPC50的時序控制。系統操作與測試結果表明，該系統能夠全面反映分油機系統的各種工況，逼真地再現實際動態過程，達到實際訓練的效果，且運行安全可靠。

船舶工程；船舶分油機；仿真系統；軟件設計；時序控制

隨著現代船舶技術不斷發展，能使航海類院校學員知識同步更新的船舶輪機模擬器的需求在快速增長，其對船員訓練的經濟性、便捷性是在實船上難以實現的。分油機系統實際訓練存在很大的局限性，不僅需要一定的實驗條件，而且穩定性差、故障率高、二次開發困難，甚至可能因誤操作而引發事故。相比之下，采用模擬訓練成為擺脫各種局限、培養現代輪機管理人才的重要途徑。因此，若能開發出可以逼真反映分油機實際工況的分油機仿真系統，將有助于學員熟練掌握分油機系統的操作要領，提高其分析解決問題的能力。

國外研制輪機模擬器比較早，并且發展很快，但價格也比較高。比較著名的廠家有挪威的康斯博格公司、德國的西門子公司和日本的三菱公司，其產品性能處于世界領先水平。隨著我國科技飛速發展，我國科研人員也逐漸加入到研發輪機模擬器的行列中，雖然相較國外起步晚、實驗條件較差，但是在國外研究成果的基礎上進行研究，發展比較快。胡軍[1]模擬了分油機故障現象，在.Net開發環境下，以Visual C++編程語言開發燃油凈化系統仿真軟件，但其模擬故障簡單，界面沉浸感不強。鮑軍暉[2]利用VB編程語言對分油機系統進行了編程、建模和界面開發，但其引用的仿真數據控制模型與實際有一定的差別，且界面不完善。嚴華[3]采用PLC控制開發了船舶分油機模擬仿真系統，能反應分油機系統的工作過程，但主要以硬件為主，費用高且維護消耗大。

以中遠集團PACIFIC萬箱集裝箱船為母船，構建該船舶的燃油、主機滑油和副機滑油分油機系統的仿真場景，再現實際船舶分油機的工作過程，并模擬分油機故障、報警的現象，實現分油機系統的軟件設計和控制單元EPC50的時序控制。通過操作EPC50按鈕可控制分油機工作，實時顯示溫度、流量和壓力等參數。系統界面能全面、逼真地反應真實分油機系統的組成，所實現的邏輯時序控制嚴格按照實際分油機的工作情況模擬。

1 系統軟件設計

分油機仿真系統分為燃油分油機系統、主機滑油分油機系統和副機滑油分油機系統。分油機仿真系統在Visual C++6.0編譯環境下，基于微軟基礎類庫(Microsoft Foundation Classes, MFC)動態鏈接庫建立工程。具體操作辦法為：新建工程通過MFC AppWizard生成DLL文件，選擇并點擊MFC Extension DLL(using shared MFC DLL)即可完成。打開新創建的工程，點擊左側“ClassView”發現是一個空的工程，接下來應根據需求添加相應的類。[4]可通過菜單欄“視圖”中的ClassWizard添加類，并選擇添加類的基類。燃油分油機系統、主機滑油分油機系統和副機滑油分油機系統均設為一個類(即CFOPSView,CMLPSView和CALPSView)，且為一個界面。為避免大量重復性工作，建立一個派生于CView類的CBaseView，主要實現管道、閥門、泵和油柜的動態顯示，并設為上述3個類的基類。在3個派生類CFOPSView，CMLPSView和CALPSView中直接調用基類中的實現管道、閥門、供油泵和油柜液位。

1.1燃油分油機系統界面

燃油分油機系統界面見圖1，該系統的3臺燃油分油機是ALFALAVAL公司的型號為SU881的分油機，該型號分油機的電機參數為35.6×3 600(kW×(r/min))，分油機的容量為9 850 L/h(AT 700 cSt/50 ℃)。系統中的2臺燃油供油泵是HEISHIN PIMP WORK公司的型號為H.GEAR的供油泵，泵的電機為5.5×1 200(kW×(r/min))，容量為8.85×0.3 MPa D.P.((m3/h)×mTH)，泵模型為M-10B。3個燃油加熱器采用的是蒸汽加熱方式，系統中還有閥門、油柜和管道等。其中，1號分油機與另2臺相比有些特殊，可以選擇2個回路(即重油或輕油)，完成重油和輕油的凈化。[5]

圖1 燃油分油機系統界面

1.2主機滑油分油機系統界面

主機滑油分油機系統界面見圖2，由2臺滑油分油機、2個滑油供油泵和管道、閥門等組成。系統中2臺滑油分油機是ALFALAVAL公司的型號為SU866的分油機，該型號分油機的電機參數為21×3 600(kW×(r/min))，分油機的容量為10 700 L/h(AT 700 cSt/50 ℃)。系統中的2臺滑油供油泵是HEISHIN PIMP WORK公司的型號為H.GEAR的供油泵。泵電機為3.7×1 200(kW×(r/min))，容量為9.8×0.3 MPa D.P.((m3/h)×mTH)，泵模型為M-10B。整個系統主要是2臺主機滑油分油機的循環回路，油從沉淀柜經供油泵到加熱器加熱后進入分油機，分離凈油后回到日用柜。分離出來的雜質排放到泥渣柜。[6-9]

圖2 主機滑油分油機系統界面

1.3副機滑油分油機系統界面

副機滑油分油機系統界面見圖3，與主機滑油分油機系統相似，由2臺副機滑油分油機、加熱器、泵及閥件等組成。該系統的2臺副機滑油分油機是ALFALAVAL公司的型號為PA625的分油機，電機參數為35.6×3 600(kW×(r/min))，容量為9 850 L/h(AT 700 cSt/50 ℃)。系統中的2臺滑油供油泵是HEISHIN PIMP WORK公司的型號為H.GEAR的供油泵，泵的電機為1.5×1 200(kW×(r/min))，容量為2.0×0.3 MPa D.P.((m3/h)×mTH)，泵模型為M-2B。

圖3 副機滑油分油機系統界面

1.4分油機操作界面

分油機仿真系統的3個子系統中有7個分油機，即每臺分油機都有自己的操作界面，在每個子系統界面中雙擊分油機界面都會跳轉到相應的操作界面。本系統與燃油系統、滑油系統和電站系統相關聯，界面上某些閥件和泵不能操作(需到相應的燃油或滑油系統中進行操作)，但泵和閥的狀態可以顯示出來。由于各系統的分油機操作界面相同，僅以1號燃油分油機為例進行介紹(見圖4)。圖4右上方為分油機控制單元EPC50，在工程中將EPC50設為一個類，由于需要將其與分油機管路等顯示在同一個界面中，因此將其設為分油機操作界面類的基類。在分油機操作類中的OnEraseBkgnd()函數返回到EPC50的OnEraseBkgnd()函數中，且在2個函數中將貼圖的指針同時存到總的指針里，然后一起傳給pDC，以在同一界面顯示出來。[10]EPC50中的按鈕是可以操作的，按下按鈕分油機執行相應的指令，EPC50的指示燈也有相應的變化。

圖4 1號燃油分油機界面

2 分油機時序控制

分油機系統結構示意圖見圖5，其中：1為供油泵；2為加熱器；3為溫度傳感器；4為進油口壓力傳感器；5為進油三通閥V13；6為水分傳感器；7為出油口壓力傳感器；8為出油調壓閥V5；9為關閉水電磁閥V16；10為開啟水電磁閥V15；11為補償水電磁閥V10；12為出水口壓力傳感器；13為出水口電磁閥V9；14為分油機本體。

圖5 分油機結構圖

啟動分油機后，控制器根據當前分油機轉速和分油機燃油進口溫度判斷是否可以啟動分離時序，若滿足上述條件，則啟動分離程序，同時啟動時序計時器，進入分離時序。在正常分離時序期間，控制器檢測是否有排渣信號，若有排渣信號(包括手動信號和自動信號)，則進入排渣時序。同時，檢測是否有報警信號，若有報警信號，則跳轉到相應的報警模塊，響應報警，并等待處理。排渣時序結束后，若沒有接收到停止指令，則轉入正常分離時序，繼續正常分離時序，否則進入停止時序，最終停止分離程序，分油機停止運行，轉速逐漸減小至0。分油機仿真系統時序控制表見表1。

2.1啟動時序

當有啟動信號輸入時，按下EPC50的啟動按鈕，主程序判斷當前在哪個時序，若處在啟動、分油、排渣等時序，則執行完停止時序立即執行啟動時序，進入啟動時序。進入啟動時序后，首先打開V16，供應15 s的水，使分油機托盤上升以關閉排渣口；然后檢測分油機轉速是否達到額定轉速，沒達到則等待，達到后再檢測油溫。如油溫不在給定值范圍內，則通過傳感器檢測，油溫高則進行高油溫報警處理，油溫低則進行底油溫報警處理。如油溫在給定范圍內，補償水電磁閥V10進60 s的水封水，以形成液封。啟動時序開始75 s后三通閥自動打開，開始進油。此階段有振動報警、加熱器故障報警和高油溫報警檢測。

表1程序時序表

2.2分油時序

主程序初始化后，首先檢測WT200是否能夠正常工作，若不能，則發警報；若正常，則檢測油壓是否正常。油壓高，則發高油壓警報；油壓低，則發低油壓警報；正常，則繼續往下檢測是否達到最大排渣時間。如果到了，就注入置換水，進行一次排渣；如果沒有，則檢測是否達到設定的觸發值。沒達到，則繼續循環檢測；達到了，再檢測是否距上次排渣超過10 min，超過了就返回主程序進行排渣，沒超過就打開排水電磁閥V9進行排水。排水閥V9只打開20 s，如果打開120 s還不能低于觸發值則進行一次排渣，如果仍不能低于觸發值，則再打開V9，累計達到120 s就報警。此階段還有加熱器故障報警、水分傳感器報警和高油溫報警檢測。

2.3排渣時序

主程序初始化后，打開開啟水電磁閥V15，進開啟水，分油機托盤下落，同時關閉水電磁閥V16也打開。開啟水只進3 s，而排渣口只打開0.1 s。在排渣時，EPC50必須接到一個低油壓信號，否則認為排渣失敗。但為了防止誤報警，要在第2次沒檢測到低壓信號時才給出報警信號。

在EPC50型裝置中，設定了一個最短排渣時間間隔10 min和一個最大排渣時間間隔63 min。分油機是以最短的時間間隔打開一次排渣口，還是以最大時間間隔打開一次排渣口，取決于待分離的油中含水量的多少。

如果待分離的油中含水量極少，從上次排渣算起，在63 min內油水分界面在分離盤外側的一段距離處，凈油中含水量很少，沒有達到觸發值，這時EPC50就決定排一次渣。在排渣前要先輸出一個控制信號，使補償水電磁閥V10通電打開；向分油機內注入置換水，油水分界面會逐漸向里面移動，當凈油中含水量達到觸發值時，EPC50型裝置再輸出控制信號，使開啟水電磁閥V15和關閉水電磁閥V16同時通電打開，進行一次排渣。

2.4停止時序

當收到停止分離程序信號時，進入停止時序。首先停止給分油機供油，進沖洗水70 s，有振動報警(緊急停車)檢測；然后使分油機停止工作，180 s的停機時間；再關閉加熱器和供油泵。分油機轉速逐漸減至0，溫度也逐漸降低為0。有加熱器故障報警和高油溫報警檢測。

3 系統操作與測試

前面設計的軟件仿真界面可顯示工質(油或水)的流動及各控制閥件的狀態。當光標移動到本系統可控閥件、泵時，光標將變為小手的形狀，此時左單擊鼠標將彈出對應閥件和控制界面，可進行開關等相應操作。

在圖4分油機操作界面中，主要顯示分油機運行時管道、開關閥、電磁閥和分離筒內油、水和渣體分界面以及分油機控制單元EPC50的狀態。分油機的操作主要是啟動/停止分油機以及操作分油機控制單元EPC50。圖4右下角有一個紅色的“打開”按鈕，左單擊該按鈕，則彈出圖6所示的分油機啟動/停止對話框。圖6下方為分油機運行和停止按鈕，按“OK”鍵確認本次操作。上方為分油機電機電流表，按下運行按鈕時，電流表指針波動較大，過一段時間后會穩定在某一個值處。

圖6 分油機啟動/停止對話框

分油機控制單元EPC50見圖7。當泵前后的閥門全部打開且泵啟動時，啟動分油機并按下加熱按鈕，待分油機轉速和油的溫度均達到所需值以后，EPC50中的LED現實模塊顯示為Standby。按下面的“+”“-”鍵可以查看當前狀態、時序時間、溫度、壓力等，并且可以設置參數；按ENTER鍵確認本次操作。準備工作做好后，按下分油鍵，即“SEPARATION”， 分油機進入啟動時序，分油指示燈閃亮，關閉水電磁閥V16開始工作，V16指示燈亮。15 s后分油機托盤向上托起，開啟水電磁閥V10開始工作。再過60 s，V10停止工作，三通閥打開，開始進油。50 s后分油機開始出油，10 s后分油指示燈常亮，啟動時序結束，進入正常分油時序。在正常分油時間，可以在分油時序結束時自動進入排渣時序，也可以按下排渣鍵手動排渣。進入排渣時序后，電磁閥V10開始工作，待電磁閥V15工作后，補償水進入分油機，使得分油機托盤下落，渣體從分油機排出至泥渣柜。

分油機還有自動報警模塊，當發生報警時，控制面板左上方相應的報警指示燈閃亮，控制面板上的“ALARM”指示燈閃亮，LED顯示屏不斷滾動顯示警報內容，此時按下“ALARM”鍵，“ALARM”指示燈常亮，看清報警內容后，作出相應處理，處理完成后“ALARM”指示燈熄滅，分油機將按程序繼續工作。

圖7 分油機控制單元EPC50

4 結 語

本文構建了船舶分油機系統的模擬仿真場景，具有動態的人機交互界面，真實再現了實際船舶分油機結構的工作過程，利用邏輯時序控制分油機工作，模擬了分油機故障、報警的現象。該仿真系統不僅能夠調整分油機的運行參數、實現操作分油機并觀察分油機運行狀態，還能設置各種故障報警。仿真結果與實船上的分油機系統工況是一致的，說明建立的仿真系統是合理的，能夠逼真地模擬實船分油機系統。分油機仿真系統能使學員充分掌握分油機工作原理，對學員熟練操作分油機系統、增強對分油機系統的直觀認識、提高對出現的故障的分析解決能力、獲得寶貴的操作經驗都有重要的推動作用，且運行安全可靠，能夠實現在實船上難以實現的特殊訓練項目。

[1] 胡軍.船舶燃油凈化系統的設計與研究[D].大連:大連海事大學,2009.

[2] 鮑軍暉.船舶分油機仿真控制系統的設計與實現[D].上海：華東師范大學，2010.

[3] 嚴華.船舶分油機操作訓練模擬系統的研制[J].機電工程技術,2012,41(10):42-44.

[4] 王玉婷.船舶輔鍋爐虛擬操控仿真系統的研究[D].大連:大連海事大學,2012.

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[6] 李世臣，甘輝兵，鄒奔騰,等.船用分油機仿真系統的設計與實現[J].中國航海，2009,32(1):43-47.

[7] 馮金紅.船舶主機滑油系統的設計與實現[D].大連:大連海事大學，2009.

[8] 曹京生.基于PLC的ALFA分油機控制系統研究[J].微計算機信息，2008(28):62-64.

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[10] 孫鑫.VC++深入詳解[M].北京：電子工業出版社，2012：311-314.

SimulationSystemofFuelOilPurifierforLargeContainerShip

WANGShiwena,SHENZhipenga,ZHANGNingb,GUOChena,WANGGuofenga

(a. School of Information Science and Technology College; b. School of Foreign Languages, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

The training simulator based on the fuel oil purifier system on COSCO container ship the PACIFIC is developed. This computerized simulator demonstrates the structure and operation process of the fuel oil purifier system and analogs the malfunction and alarm processes through simulating the subsystems for fuel oil, main lubricating oil, auxiliary lubricating oil, and the timing control unit EPC50. Test results show that the simulator system comprehensively and realistically presents the working conditions and the actual dynamic process of the oil purifier system. The system works reliably and proves to be an effective training facility.

ship engineering; marine oil purifier; simulation system; software design ; timing control

2014-07-26

國家高技術研究發展計劃(“八六三”計劃)項目(2012AA112702)；國家自然科學基金(61374114)；交通運輸部應用基礎研究項目(2011-329-225-390)；中央高?；究蒲袠I務費專項資金(3132014321)

王詩文(1989—), 女, 遼寧錦州人, 碩士生, 研究方向為船舶系統仿真。E-mail: wangshiwenlz@126.com

沈智鵬(1977—), 男, 福建永定人,教授， 博士，從事船舶系統控制與仿真研究。E-mail: s_z_p@263.net

1000-4653(2014)04-0015-05

U664.1；U664.5

A