船舶分油机仿真系统的设计与实现
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船舶分油机仿真系统的设计与实现作者:焦品博王海燕
来源:《上海海事大学学报》2020年第02期
摘要:为帮助学员掌握分油机的工作原理和操作方法,以Alfa Laval S系列分油机为研究对象,结合层次状态机的概念,设计两层嵌套状态机作为分油机仿真系统的整个工作周期内的逻辑控制。通过简化分离筒的几何形状建立分油机的数学模型,以模拟分油机内油水分界液面的变化。采用树形拓扑结构描述操作菜单的信息显示。利用可编程逻辑控制器(programmable logic controller, PLC)通信技术,实现分油机的半实物仿真系统。测试结果表明,层次化的状态控制使得系统控制过程结构化、清晰化,状态之间的转换关系表达明确,能逼真地模拟分油机的工作过程。
关键词:船舶分油机; 层次状态机; 数学模型; 半实物仿真
中图分类号: U664.81+2; TP391.92 文献标志码: A
Design and realization of simulation system for marine oil purifiers
JIAO Pinbo, WANG Haiyan
(Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)
Abstract: In order to help students master the working principle and operation method of the oil purifier, the Alfa Laval S series oil purifier is taken as the research subject, and a two-layer nested state machine is designed as the logical control of the whole working cycle of the oil purifier simulation system based on the concept of the hierarchical state machine. The mathematical model of the oil purifier is established by simplifying the geometry of the separation cylinder. By this model,the change of the oil-water interface is simulated. A tree topology is used to describe the information display of the operation menu. With the application of the programmable logic controller (PLC)communication technology, the semi-physical simulation system of the oil purifier is realized. The test results show that the hierarchical state control makes the system control process structured and clear, the transition relationship between states is clearly expressed, and the working process of the marine oil purifier can be simulated realistically.
Key words: marine oil purifier; hierarchical state machine; mathematical model; semi-physical simulation
0 引言
船舶分油機是船舶净化燃油和滑油必不可少的设备,其净化性能直接影响船舶柴油机的工作性能和使用寿命。掌握船舶分油机的工作原理和操作方法是航海学员的必修课程,设计贴近实船的半实物分油机系统仿真模拟器将发挥重要作用[1-3]。黄小松[4]采用嵌入式微处理器STM32作为主控芯片,设计了分油机模拟控制面板。LI等[5]和WANG等[6]在建立数学模型的基础上,结合可编程逻辑控制器(programmable logic controller, PLC)编程模拟分油机工作时序控制。张宁等[7]设计了实时管理数据的过程仿真支撑平台,并结合单片机技术以及CAN采集卡和CAN总线,设计了与实船操作一致的仿真控制箱。上述研究中,利用单片机和PLC技术实现了分油机系统工作流程的时序控制[8],但不能清晰定位系统的运行状态。层次
状态机在描述复杂系统状态之间的转换上应用广泛[9-12]。由于具有状态层次的嵌套和行为共享等特点,使用层次状态机设计系统具有结构清晰、可维护、可扩展、可重用等优势。
通过分析Alfa Laval S系列分油机的工作原理和控制流程,建立简化的分离筒数学模型,模拟分离筒内液面的变化。分析分油机系统整个工作周期内工作状态之间转换关系可以得出,分油机具有静止等待、启动准备、手动启动、自动启动、校准、循环、转换、停机前排渣、分油机运转、停止中等多种状态,且状态之间按一定的顺序转换。其中,启动准备、手动启动、自动启动、转换和分油机运转等状态还包含二级子状态,如自动启动状态包含供油泵自动启动、加热器自动启动、分油机自动启动中等子状态。因此,设计两层嵌套状态机描述分油机仿真系统的逻辑控制过程。为清晰展示操作信息,采用多叉树的数据结构描述EPC操作菜单及其相关操作信息。在Visual Studio 2015环境下使用面向对象语言C#开发分油机模型程序、控制程序和通信接口程序。应用数字仿真技术,开发基于PLC的电气控制箱,实现分油机系统的半实物仿真。
1 仿真系统总体设计
分油机仿真系统整体设计包括软件和硬件两部分。软件部分由模型程序、控制程序和通信接口程序组成:模型程序主要根据输入信号求解模型并返回输出;控制程序以EPC 60为母型,设计两层嵌套状态机实现分油机的工作控制,与实际操作面板具有同样的界面布置和操作功能;通信接口程序主要负责与PLC之间的通信。硬件部分包括系统模拟屏、电气控制箱、PLC模块以及工业触摸屏电脑。电气控制箱与Alfa Laval S系列分油机EPC 60控制系统的控制箱外形、面板布置保持一致,符合多数船员的操作习惯。工业触摸屏电脑提供软件运行环境并且用以实现人机交互。采用西门子的Smart PLC模块,采集模拟量和数字量,并与工业触摸屏电脑通信。如图1所示为仿真系统组成,程序运行于工业触摸屏电脑上并互相通信,工业触摸屏电脑与PLC模块之间采用以太网通信,PLC模块与系统模拟屏之间采用多芯电缆连接。PLC模