基于仿真技术的PMS工厂验证方法

吴道丞

(镇江船舶电器有限责任公司，江苏 镇江 212002)

基于仿真技术的PMS工厂验证方法

吴道丞

(镇江船舶电器有限责任公司，江苏 镇江 212002)

基于目前石油平台、海洋工程类船舶用电设备多，功率大，电网结构复杂，并联运行的发电机台数多，功率管理系统的程序设计难度大，且生产厂家难以实现功能验证等现状，提出了一种以仿真技术实现功率管理系统的工厂验证方法。该方法已成功应用于实际工程系统， 验证的正确性达95%以上，系泊实验时间缩短至1～2天，效果显著。

功率管理系统；仿真；工厂验证

0 引言

随着新材料、新工艺的飞速发展，船舶吨位越造越大，功能越来越强，船舶电网呈现出用电设备多，功率大，电网结构复杂等特点，特别是石油平台与海洋工程类船舶并联运行的发电机台数多，功率管理系统(PMS)的逻辑运算极其复杂，程序设计难度大。对于制造商来说，程序设计好后，在工厂中也难以验证其功能，往往依赖于系泊实验。这种状况，势必造成系泊实验周期延长，实验期间长时间开动发电机与负载设备，会耗费大量的人力、物力、财力；同时，船舶建造期的条件也会限制实验的进行，可能会有部分功能测试不全、故障未排除的情况，给PMS将来的可靠运行留下隐患。为此，有必要研究一种方法，使PMS设备在工厂中就能得到有效验证。借鉴其他学科领域的经验，仿真验证应是一种行之有效的方法。

1 仿真技术在船舶工业中的作用

仿真又称为模拟，是利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过模型来研究存在的或设计中的系统。

仿真技术广泛应用于诸多学科，发挥了重要作用。如在航空领域，采用仿真技术使大型客机的设计和研制周期缩短20%；在航天领域，采用仿真实验代替实弹试验可使实弹试验的次数减少80%；利用飞行仿真器可在地面训练飞行员，并且可在仿真器上设置故障，培养飞行员应付空中故障的能力。借鉴这些领域的成功经验，利用仿真技术来研究船舶PMS复杂控制系统,也能发挥巨大的作用。

1.1 解决产品工厂验证问题

功率管理系统为电网的管理中心，其控制对象不仅有发电机、配电板，还包括推进在内的各种负载设备。这些设备一般不由功率管理系统的制造商供货，所以难以将这些设备集中在一起实现联调，工厂验证成为难题，只能寄希望于系泊实验。以仿真技术建立发电、配电、用电的仿真设备，就能实现PMS的工厂验证，并且能有效降低系泊实验周期与调试费用。

1.2 缩短产品设计开发周期

仿真设备建立后，可以通过不同组合，仿真不同船型的设备配置与电网结构，验证开发中的PMS产品，做到边开发边验证，能有效缩短开发周期。

1.3 提高船员培训的效率

通过建立数字化仿真设备，使操作界面与实船完全一致，但又不必像实船培训一样开动设备。这种培训模式不但可以加快学员对设备的了解，提高学员的实际操作能力，还能大大降低培训成本，改善培训环境。另外，仿真器所特有的安全性也是一个重要优点，培训中可以人为模拟一些故障，培训船员实船应变处理能力。

2 仿真的方法

仿真的方法很多，适用于功率管理系统的仿真方法主要有小比例物理仿真和软件仿真。

2.1 物理仿真

物理仿真是用具体的硬件设备，如小比例发电机、水电阻箱、信号开关板、仪表盘、电流发生器等模拟实际设备的运行状态，以验证功率管理系统的功能。这种方法用于小型的功率管理系统问题不大，但其主要缺点是投资费用较高，仿真时操作繁琐。

2.2 软件仿真

对于功能复杂的大中型功率管理系统来说，其控制的发电机至少5台以上，多电制、分区供电的配电板有几十屏，侧推与重载工程设备很多，被控对象间关联密切，需要模拟的信号很多，物理仿真实现困难，采用软件仿真则能很好地解决这一问题。

软件仿真只需1台普通电脑，安装组态软件，并与功率管理系统建立通讯。在组态软件中以画面的形式建立发电机、配电板、用电设备等图形模型，并在图形中设置输入输出人机对话窗口。输入值对应于设备被控后的特征，如发电机的功率值；输出值对应于设备的运行参数，如发电机运行信号，这样就建成了软件仿真设备。仿真验证时，以开关合闸为例，合闸前PMS需检测开关位置(运行参数)，故仿真设备需送出开关位置信号，经逻辑运算后PMS发出合闸命令，仿真设备画面则由分闸状态显示为合闸状态(被控后的特征)，这样，仿真设备就可替代实际设备验证PMS。

以软件建立的仿真设备，其数量几乎不受限制，验证操作全部在电脑上完成，反应速度快，图形直观，非常适合于验证大型功率管理系统，并且投资费用少。

3 软件仿真的关键技术

PMS基本由信号采集输入、逻辑运算、逻辑输出3部分构成，其中逻辑运算是主体部分，是PMS的功能所在，也是需要验证的对象。保证仿真验证的逻辑运算能直接应用于工程系统，是软件仿真的关键技术。

在实际工程系统中，PMS是通过物理输入接口采集发电机、配电板、负载设备的运行参数，如发电功率、电网状态、用电负荷等，经过逻辑运算后，再通过物理输出接口输出指令来控制相应的实际设备。在软件仿真中，仿真设备的运行参数是通过通信接口被功率管理系统采集，经过逻辑运算后，控制指令又以通信的方式输出给被控的仿真设备。两者的区别是输入、输出信号流向不同，实际工程系统的输入输出信号是通过物理接口与实际设备关联，仿真时是通过通讯接口与仿真设备关联，见图1。所以解决信号流向的转换问题，保证逻辑运算部分不受信号流向转换的影响，就能使仿真验证的逻辑运算直接用于工程系统，这点成为软件仿真的关键技术。

图1 物理接口与仿真接口

信号流向的转换实质是接口的切换。要想达到接口切换不影响逻辑运算的目的，则接口不能直接参与逻辑运算，所以可以设中间变量，由中间变量来参与逻辑运算，其原理示意如图2所示。

图2 接口切换原理示意图

仿真时，接通仿真输入接口，仿真设备的运行参数传递给变量A，由变量A参与逻辑运算，逻辑运算的结果为变量B，变量B经仿真输出接口控制仿真设备。实际工程应用时，接通的是物理接口，但实际设备的输入信号也只与变量A关联，输出信号只与变量B关联，与逻辑运算部分无关。这样，只要在PMS中增加接口转换控制程序，经仿真验证的PMS，就能直接应用于工程系统，工厂仿真验证变为现实。

4 仿真的效果

以仿真技术实现PMS的工厂验证后，能取得如下效果：

(1)功能正确性达95%以上。

(2)系泊实验时间缩短至1～2天。

(3)节约燃油、节省人力等达几十万元。

按照以上方法，作者以软件仿真的方法实现了多套PMS的工厂验证，并应用于实船。如2011年仿真验证了1套PMS，成功应用于11 888 m3绞吸式挖泥船上。该船2套主机为一拖三形式，主电网为690 V与400 V 2种电制，另配有辅助发电机和停泊发电机；供电模式共8种，其中7 种要求互切，水泵、风机也要求纳入PMS管理。PMS输入输出点数近900点，属于中型PMS。系泊实验过程非常顺利，一天内完成所有供电模式切换与辅机泵组的自动控制，较常规一周以上的系泊实验时间，效率提高数倍。

5 结语

以软件建立仿真设备验证PMS，方法简单，投资小，效果好，是设计开发的有力工具，在船舶自动化领域具有广泛的应用前景。

[1] 黄中玉.PLC应用技术[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[2] 黄向华.控制系统仿真[M].北京：航空航天大学出版社，2008.

[3] 李笑.控制系统数字仿真[M].沈阳：东北大学出版社，1999.

2013-08-07

吴道丞(1971-)，男，工程师，从事船舶电气与自动化设备设计开发工作。

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