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船舶航向控制仿真器的研制

2020/10/22    来源:互联网    作者:孙增华      
关键字:船舶  航向控制  仿真器  
本文介绍了船舶航向控制仿真器的作用和功能特点,简述了船舶航向控制仿真器的基本原理及PLC实现的基本方法。该船舶航向控制仿真器能够满足IMO和国家海事局规定的驾驶员和值班水手培训任务的需要,提高远洋船舶驾驶员的船舶操纵能力。

    为了满足IMO规定的驾驶员和值班水手的培训要求,提高远洋船舶驾驶员的操船能力,各航海院校配置了航海模拟器。由于模拟器运行成本和造价较高,不适合于大批学员的单机训练。航海院校虽然有船舶航向控制模拟器,但它们功能不全,不贴近教学实际,某些方面不能满足IMO的评估规范。

    为了满足船舶驾驶专业的培养与知识更新要求,根据IMO颁布的“海员培训、发证及值班标准国际公约”和我国海事局制订并颁布的“海船船员适任证书考试、评估和发证规则与大纲”,以远洋船舶的航向控制器为研究对象,研制以西门子S7-200PLC为控制核心,结合PC机进行联合控制、监控与记录的船舶航向控制仿真器,增加船况和船速仿真功能,适应性强,操纵方便。

1 船舶航向控制仿真器的设计

    船舶航向控制仿真器由操舵仪模拟器和PC机两大部分组成。操舵仪模拟器由S7-200PLC、随动舵令检测编码器、航向检测编码器、盘台上的舵轮、按钮、仪表和指示灯等组成,如图1所示,其外观及操作功能与实船几乎一致,提高了训练的真实性。PC机包含仿真模型、数据库,与硬件操作功能相同的仿真操纵界面,如图2所示。

船舶航向控制仿真器

图1 船舶航向控制仿真器

仿真系统PC主界面

图2 仿真系统PC主界面

    图1中,盘台上左侧带灯按钮用于自动操舵时的航向设定、灵敏度及PID参数的调整,设定航向值及参数用数码管显示。右侧上方为船型、装载状态、水深选择和指示的带灯按钮。右侧下方为船舶主机车令指示灯,指示不同的船舶航速。盘台上还有指示航向的复示仪、指示转船速率的光柱表、舵角指示表、舵令表、操舵方式转换开关、操舵手柄、舵机控制转换开关、航向偏离报警和应答按钮、舵轮等。

    复示仪由两个罗经盘组成,由电机通过减速齿轮机构驱动,外圈大圆盘和内圈小圆盘都可以转动。内圈小罗盘转动一圈,外圈大罗盘转动10度。电机驱动罗盘转动时,船舶航向变化由PLC记录光电编码器的脉冲数来测量。PLC也通过光电编码器测量舵轮舵令。盘台上的其它按钮、开关状态都送入PLC,PLC根据程序运行结果来控制指示灯、仪表和数码管的显示。

    图2是系统登录后的主界面。左边是航向设定、自动舵参数和舵机油泵开关,中间是模拟罗经复示仪自定义控件、转向速度显示控件、舵角指示和舵轮控件,右边是船舶状态和车钟状态及消声按钮,最右边是操舵模式切换开关、舵令指示和应急操舵开关。

2 船舶航向控制仿真器实现的功能

    船舶航向控制仿真器以远洋船舶PID航向控制器为研究对象,功能如图3所示。其中建立了船舶运动模型、舵机系统模型,可修改模型参数,模拟不同船型、不同状态下的操纵性能。操舵仪模拟器以S7-200 PLC为硬件平台,简化的船舶模型可直接在PLC中运算。PLC接收盘台和PC机界面上的操作信息,根据模型运算结果,控制盘台上仪表和指示灯的显示及复示仪电机的运转指示船舶航向。

    在PC机上应用C#语言编程,设计操舵仪界面,可进行单机操舵训练,可对船舶模型、舵机模型和系统功能进行PC仿真。PLC与PC机连接,操舵仪的仪表、指示灯、参数及航向值在PC上远程监视,PC的操作信息送到PLC远程操作。PLC主程序如图3。

传真器研究对象及功能

图3 传真器研究对象及功能

    船舶航向控制仿真器能够仿真大、小两种船型,轻载和重载两种状态,深水和浅水两种环境,并能随时切换;仿真船舶在不同车令状态下运行情况:全速、半速、慢速、微速、停车和完车六种状态;能响应自动、随动和应急三种操舵模式,求解出相应的舵角、航向角和转舵角速率;自动操舵模式下可设定航向并可调整自动舵的灵敏度、P、I、D系数;随动操舵时响应舵轮舵令,应急操舵时响应手柄信号;能响应舵机油泵的启动、停止和油泵运转台数的切换。

    在PC机上既能单独操舵,也可作为教练员工作站,对学员的操作进行远程监视,可根据需要修改模拟器参数,在PC机实现航向控制。基于PLC的操舵仪模拟器可完全脱离PC机单独运行。该系统利用SQL Server2000数据库管理学员的操纵和船舶航向轨迹,为评估学员的操舵效果提供依据(图4)。

船舶航向控制器功能框图

图4 船舶航向控制器功能框图

3 船舶航向控制仿真器的应用

    船舶航向控制仿真器采用数据库、PLC技术,实现操船训练、参数调整、自动舵设置等专业技能培训,应用于驾驶员、值班水手船舶操纵和航海仪器使用操作评估,船舶驾驶专业学生船舶自动舵的实操训练。提高船舶驾驶员的操船水平,预防船舶重大事故的发生起到积极的促进作用,将为船公司带来较好的经济和社会效益。

责任编辑:程玥
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