主機(jī)遙控模擬裝置

1、主機(jī)遙控模擬裝置在能源和環(huán)保的雙重壓力下，雙燃料機(jī)正越來越多的被選為船用發(fā)動(dòng)機(jī)。為適應(yīng)本科教育和培訓(xùn)市場需求，提高教學(xué)質(zhì)量和范圍，現(xiàn)計(jì)劃在上海海事大學(xué)在建的瓦錫蘭雙燃料中速機(jī)實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上，建設(shè)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)課程，為本?？茖W(xué)生、培訓(xùn)學(xué)員、船廠和船東相關(guān)操作人員提供培訓(xùn)。為保證相關(guān)工作的順利開展，擬建設(shè)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)模擬器。模擬器以上海海事大學(xué)實(shí)驗(yàn)室在建的瓦錫蘭雙燃料中速機(jī)為仿真對象，建立包括雙燃料中速機(jī)本身、燃油系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)、控制系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)在內(nèi)的純軟件仿真系統(tǒng)。要求該仿真系統(tǒng)為基于WEB的實(shí)現(xiàn)，多位學(xué)員可以通過瀏覽器訪問仿真系統(tǒng)，并在瀏覽器端進(jìn)行操作和顯示，使學(xué)員了解整個(gè)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)

2、相關(guān)系統(tǒng)構(gòu)成，并熟悉相關(guān)操作。1 仿真系統(tǒng)的組成仿真系統(tǒng)基于WEB技術(shù)實(shí)現(xiàn)，仿真模型運(yùn)行在服務(wù)器端，學(xué)員通過瀏覽器訪問仿真系統(tǒng)，并進(jìn)行相關(guān)操作。1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真系統(tǒng)使用一臺(tái)高性能工作站作為WEB服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。多個(gè)瀏覽器客戶端通過HTTP信道訪問WEB服務(wù)器，對仿真系統(tǒng)進(jìn)行操作，并取回相應(yīng)的數(shù)據(jù)，如圖 1所示。圖 1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)WEB服務(wù)和數(shù)據(jù)庫安裝在同一臺(tái)工作站上，同時(shí)工作站進(jìn)行仿真模型的數(shù)值計(jì)算，并保存到數(shù)據(jù)庫中。WEB程序從數(shù)據(jù)庫中讀取相應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端。1.2 仿真功能主要仿真功能包括發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型、控制系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、相關(guān)的控制系統(tǒng)（如起動(dòng)、換

3、向、速度限制、速度調(diào)節(jié)等）等仿真模塊。仿真發(fā)動(dòng)機(jī)為瓦錫蘭W6L20DF雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，主要參數(shù)見表 1。表 1 W6L20DF發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)缸徑200 mm沖程280 mm單缸排量8.80 l氣缸配置6缸直列發(fā)火順序1-5-3-6-2-4額定轉(zhuǎn)速750 r min-1轉(zhuǎn)向順時(shí)針發(fā)動(dòng)機(jī)模型在控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)的共同作用下，可以工作在不同的模式，實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)行狀態(tài)，并能產(chǎn)生主要熱工參數(shù)。要求主要熱工參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際參數(shù)一致。仿真的發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)包括：轉(zhuǎn)速、排溫、指示功率、有效功率、指示油耗率、有效油耗率、壓縮壓力、爆發(fā)壓力、掃氣壓力、掃氣溫度、排煙管壓力、排煙管溫度等。燃油、燃?xì)?、壓縮空氣等輔助系統(tǒng)

4、管路圖與實(shí)際一致，參數(shù)符合輔助系統(tǒng)運(yùn)行工況，并能動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)更新?？刂葡到y(tǒng)動(dòng)作符合實(shí)際邏輯，具有發(fā)動(dòng)機(jī)邏輯控制和速度調(diào)節(jié)，可反應(yīng)邏輯控制和調(diào)速器的運(yùn)行狀態(tài)。并在各典型故障發(fā)生點(diǎn)可認(rèn)為遠(yuǎn)程設(shè)置故障，并可實(shí)際仿真真是故障現(xiàn)象。在采取合適的措施后，故障能夠得到修復(fù)，并回復(fù)運(yùn)行。每個(gè)授權(quán)用戶可以單獨(dú)使用其仿真功能，暫不需支持多用戶協(xié)作。1.3 前端顯示前端顯示主要指雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)及其系統(tǒng)的管路、系統(tǒng)原理圖及其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)的顯示。授權(quán)用戶打開瀏覽器并登錄系統(tǒng)后，可以看到顯示和操作界面，可以進(jìn)行相應(yīng)的操作，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)根據(jù)用戶操作進(jìn)行更新。顯示形式包括管路圖、原理圖、數(shù)據(jù)表、模擬儀表、柱狀圖等多種形式。1.4 管

5、理功能管理功能仿真Web前端顯示，授權(quán)超級(jí)用戶可以進(jìn)行管理操作。功能包括用戶管理、服務(wù)器管理、并發(fā)管理、模型初始狀態(tài)設(shè)置、計(jì)算方法參數(shù)設(shè)置（如速度、精度參數(shù)）等。2 仿真功能仿真功能是系統(tǒng)的核心功能，要求能夠模擬雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)本身及其燃油系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)和控制系統(tǒng)等主要系統(tǒng)和設(shè)備。仿真功能由服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)。需要實(shí)現(xiàn)仿真的各子系統(tǒng)簡要描述如下：2.1 雙燃料機(jī)熱工參數(shù)模擬實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的全工況、全模式運(yùn)轉(zhuǎn)，能夠與輔助系統(tǒng)及控制系統(tǒng)匹配，共同完成仿真計(jì)算。模型要求能夠計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)各部件的性能，如圖 2所示，包括氣缸、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、渦輪增壓器、中冷器、掃氣箱、排氣管、燃油噴射系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、冷卻系

6、統(tǒng)等多個(gè)相對獨(dú)立而又相互關(guān)聯(lián)的部件和系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)的整體模型就是由這些部件和系統(tǒng)的獨(dú)立子模型根據(jù)物理規(guī)律結(jié)合組成。渦輪中冷器掃氣箱氣缸燃燒過程柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)曲柄連桿機(jī)構(gòu)壓氣機(jī)排氣管渦輪轉(zhuǎn)子注：此處是作者所獲學(xué)位名稱，居中，字體：Times New Roman，加黑，字號(hào)：小三號(hào)，例如：文學(xué)碩士為：Master of Arts 。閱后刪除此文本框。燃油/燃?xì)庀到y(tǒng)摩擦散熱損失負(fù)載排溫圖 2 發(fā)動(dòng)機(jī)模型結(jié)構(gòu)模型的基本工作原理如下：由廢氣驅(qū)動(dòng)的渦輪帶動(dòng)壓氣機(jī)將自然空氣壓縮，經(jīng)過中冷器的冷卻降溫后送入掃氣箱，使掃氣箱保持一定的壓力。新鮮空氣在掃氣過程進(jìn)入氣缸，在壓縮沖程中被壓縮使其溫度升高到可將燃油點(diǎn)燃的程

7、度。在活塞上死點(diǎn)前一定曲軸轉(zhuǎn)角，燃油噴射系統(tǒng)向氣缸內(nèi)噴入燃油，與高溫空氣在氣缸內(nèi)混合、燃燒，產(chǎn)生高溫高壓的燃?xì)馔苿?dòng)活塞做功?；钊麕?dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)，克服摩擦阻力和負(fù)載扭矩對外作功。燃燒腔室壁面的傳熱使高溫燃?xì)獾囊徊糠帜芰勘焕鋮s系統(tǒng)帶走，活塞與氣缸之間及各摩擦副之間的摩擦也會(huì)損失一部分能量，而相當(dāng)一部分能量則隨著仍然具有較高溫度的廢氣排入排氣管中。廢氣能量的一部分用于驅(qū)動(dòng)渦輪做功，帶動(dòng)壓氣機(jī)工作，通過壓縮空氣得到回收利用，而另一部分則隨廢氣排入大氣而損失。要求模型能夠計(jì)算各種工況下的主要熱工參數(shù)，包括：轉(zhuǎn)速、排溫、指示功率、有效功率、指示油耗率、有效油耗率、壓縮壓力、爆發(fā)壓力、掃氣壓力、掃氣溫度、

8、排煙管壓力、排煙管溫度等。2.2 控制系統(tǒng) UNIC C3瓦錫蘭UNIC C3是完全的嵌入式和分布式控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)對發(fā)動(dòng)機(jī)的全部控制功能，包括：啟動(dòng)順序、啟動(dòng)閉鎖、燃油噴射、各缸平衡、敲缸控制、轉(zhuǎn)速控制、負(fù)荷分配、正常停車和安保停車等?？刂葡到y(tǒng)各模塊之間通過CAN總線通信；控制系統(tǒng)與外部設(shè)備間的通信（如監(jiān)測報(bào)警）通過Modbus TCP實(shí)現(xiàn)。UNIC C3控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 3所示。圖 3 UNIC C3控制系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)所使用的主要模塊見表 2所示。表 2 控制系統(tǒng)的主要模塊模塊名稱說明MCM主控模塊處理發(fā)動(dòng)機(jī)所有的控制策略（如啟動(dòng)/停止順序，轉(zhuǎn)速/負(fù)荷控制等）ESM安保模塊實(shí)現(xiàn)發(fā)

9、動(dòng)機(jī)基本安保，比如超速或滑油低壓LCP就地控制箱安裝有按鈕和轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)就地控制，并顯示運(yùn)轉(zhuǎn)小時(shí)和關(guān)鍵操作LDU就地顯示單元獲取和圖形化的顯示操作數(shù)據(jù)、運(yùn)算數(shù)據(jù)和歷史事件?；贛odbusTCP實(shí)現(xiàn)與外部系統(tǒng)的通信。PDM配電箱配電、絕緣檢查、提供2路冗余24 VDC電源IOM輸入/輸出模塊CCM汽缸控制模塊單缸燃油噴射控制；汽缸參數(shù)監(jiān)測。2.2.1 就地控制箱和就地顯示單元就地控制箱（如圖 4所示）完成的控制功能包括： 就地啟動(dòng) 就地停止 就地應(yīng)急速度設(shè)定選擇（機(jī)型推進(jìn)）- 正常/ 應(yīng)急模式- 加 / 減速 就地緊急停車 就地急停復(fù)位 包含沖車、閉鎖、就地、遙控位置的就地模式選擇開關(guān)圖 4

10、就地控制箱和顯示單元2.2.2 安保系統(tǒng)主要特征： 電源、速度輸入、停車電磁閥控制的冗余設(shè)計(jì) 傳感器、電磁閥和電纜的故障監(jiān)測 狀態(tài)和故障的LED指示燈 數(shù)字狀態(tài)輸出 急停閉鎖和復(fù)位 急停預(yù)警 急停越控 (按需配置) 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和渦輪增壓器轉(zhuǎn)速的模擬量輸出 可調(diào)的速度開關(guān)2.2.3 信號(hào)需要仿真的控制系統(tǒng)信號(hào)如圖 5和圖 6所示。圖 5 信號(hào)圖（1）圖 6 信號(hào)圖（2）2.2.4 控制系統(tǒng)功能 發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式有兩種不同的運(yùn)行模式： 氣體模式 (氣體燃料 + 先導(dǎo)燃油噴射) 柴油機(jī)模式 (傳統(tǒng)燃油噴射 + 先導(dǎo)燃油噴射)模式切換如圖 7所示。圖 7模式切換圖 啟動(dòng)包括啟

11、動(dòng)阻塞、氣體機(jī)運(yùn)行模式啟動(dòng)、柴油機(jī)運(yùn)行模式啟動(dòng)散裝基本狀態(tài)。 氣體/柴油機(jī)控制切換可通過現(xiàn)場或遙控實(shí)現(xiàn)即時(shí)切換。 停車、故障停車、緊急停車可確保停止有效動(dòng)作，無論是氣體運(yùn)行還是柴油運(yùn)行。 轉(zhuǎn)速控制：主機(jī)或發(fā)電機(jī)可根據(jù)實(shí)際需求切換主機(jī)模式或發(fā)電機(jī)模式，對應(yīng)的速度調(diào)節(jié)和限制其作用。 監(jiān)測與報(bào)警反應(yīng)設(shè)備的狀態(tài)和故障反應(yīng)，包括傳感器回路本身的故障監(jiān)測和報(bào)警。2.3 燃?xì)庀到y(tǒng)燃?xì)庀到y(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的燃?xì)庀到y(tǒng)和外部的燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)。2.3.1 內(nèi)部燃?xì)庀到y(tǒng)如圖 8所示。圖 8 內(nèi)部燃?xì)庀到y(tǒng)2.3.2 外部燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)如圖 9所示，其中GVU為燃?xì)忾y組單

12、元，如圖 10。外部供氣系統(tǒng)管路為雙壁管，管壁間可以使用惰性氣體驅(qū)氣，確保安全。圖 9 外部燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)圖 10 GVU單元2.4 燃油系統(tǒng)分為內(nèi)部燃油系統(tǒng)和外部燃油供應(yīng)系統(tǒng)，本仿真系統(tǒng)仿真內(nèi)部燃油系統(tǒng)，如圖 11所示。圖 11 內(nèi)部燃油系統(tǒng)2.5 壓縮空氣系統(tǒng)壓縮空氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)/停止，如圖 12所示。圖 12 壓縮空氣系統(tǒng)3 故障模擬故障模擬應(yīng)包括兩大類：3.1.1 機(jī)械故障機(jī)械故障主要是發(fā)動(dòng)機(jī)及其輔助系統(tǒng)中的機(jī)械故障，如管路、閥門的臟堵、磨損等，造成機(jī)械性能下降和熱工參數(shù)的不正常。這類故障不少于10個(gè)。3.1.2 控制系統(tǒng)故障包括傳感器、執(zhí)行器、線路、結(jié)點(diǎn)故障等，造成控制系統(tǒng)的失靈，不能正常完成系統(tǒng)功能，如線路斷開等。這類故障不少于20個(gè)。4 前端顯示要求基于IE9（或相當(dāng)于）及以上瀏覽器開發(fā)，各界面具有統(tǒng)一的顯示風(fēng)格和操作方式。各頁面顯示發(fā)動(dòng)機(jī)及輔助系統(tǒng)的管路原理圖，在原理圖的合適位置（一般是安裝傳感器或儀表的位置）顯示仿真參數(shù)，并能夠動(dòng)態(tài)刷新。顯示界面美觀、大方，整體風(fēng)格符合船舶行業(yè)習(xí)慣，具體設(shè)備頁面顯示盡量與實(shí)際設(shè)備保持協(xié)調(diào)