本发明涉及船用柴油机的操作培训系统，具体涉及一种ME-GI双燃料电控发动机用硬件在环仿真培训系统，属于柴油机技术领域。
背景技术：
随着智能控制在工业领域的快速发展，人们对船用柴油机的可靠性、经济性和废气排放控制日益关注，船用主机智能化程度不断提高。与此同时，船用柴油机替代燃料的研究也一直没有停止过。液化天然气是一种清洁、高效、经济、理想的绿色新能源，符合国际节能环保、低碳经济的发展方向，未来其使用量将不断加大，已引起了世界各国的高度重视，纷纷把其作为能源结构调整的目标。ME-GI新型低速二冲程船用柴油机是一种建立在ME电控型燃油喷射柴油机基础上的双燃料柴油机，其以液化天然气及柴油作为燃料，经济性好，灵活性高，废气排量低，并且具有ME型柴油机的所有功能，在LNG船市场上具有广阔的前景。
在对操作人员及技术人员进行船用发动机操作及原理的培训时，由于条件限制，无法满足每个人都能上船进行实际操作，同时船舶现场进行操作演示也受到系统完整性、安全保护性及经济性等因素制约。
ME-GI双燃料发动机实际操作培训时，需要发动机本体、辅机系统、燃油供油系统、伺服油供油系统、供气系统等实机进行真实运行，这在很大程度上会耗费大量人力物力，操作培训成本巨大，同时还存在有一定的安全性问题，并且这种实机操作培训无法模拟发动机在全工况运行时的各种故障。此外，由于ME-GI双燃料发动机零部件众多、系统复杂，真实操作时也不允许进行反复的动车、停车，同时考虑到安全性问题，发动机在动车时也不允许旁边围绕大量人员，这就在很大程度上限制了培训人员对发动机工作原理的理解。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种ME-GI双燃料电控发动机用硬件在环仿真培训系统，利用硬件在环仿真及虚拟仪器技术，使得培训人员能够系统、直观和沉浸式理解电控柴油机的工作原理及操作流程。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种ME-GI双燃料电控发动机用硬件在环仿真培训系统，包括ME-GI双燃料发动机电控系统、硬件在环仿真系统、发动机实时仿真模型和虚拟人机交互系统；
所述ME-GI双燃料发动机电控系统是全套真实的ME-GI双燃料发动机电控系统硬件，其能够还原现场操作环境，全面反映所述发动机的真实操作流程；
所述硬件在环仿真系统对所述ME-GI双燃料发动机、传感器、执行器、燃油系统和供气系统的数学模型和实时脚本进行解算，实现对全系统的控制；
所述动机实时仿真模型获得所述硬件在环仿真系统采集处理的发动机控制信号，通过仿真计算模拟发动机的起动、运行和停车过程，反馈和输出发动机运行的性能参数以及传感器和执行器的信号到所述ME-GI双燃料发动机电控系统和虚拟人机交互系统，使所述培训系统具有可操作性；
所述虚拟人机交互系统访问设备上运行的实时仿真程序并在线监控和采集计算产生的数据。
进一步地，所述的硬件在环仿真系统包括故障注入系统、信号调理系统、发动机转速模拟系统和信号输入输出系统；其中，信号调理系统能够实现所述硬件在环仿真系统与ME-GI双燃料发动机电控系统之间的电气特性匹配，并且保护实时仿真机和控制器；故障注入系统接受上位机的命令且按照命令要求产生开关选通控制信号，然后经过驱动电路控制开关的通断，实现故障注入；发动机转速模拟系统通过带动安装有测速传感器的测速齿轮的变频电机的转速来模拟发动机转速。
进一步地，所述的硬件在环仿真系统采用NI PXI仿真平台搭建；仿真机采用多核处理器，基于PXI总线，包含不同功能的I/O接口板卡；软件采用NI的实时操作系统LabVIEW RT，并配置了LabVIEW和VeriStand配合使用。
进一步地，所述的发动机实时模型能够模拟计算出发动机缸内燃烧压力曲线，用于PMI缸压监测系统的培训。
进一步地，所述的发动机实时模型采用GT-POWER建立一维性能仿真模型，然后利用GT-SUITE快速仿真计算和简化该模型，同时对该模型进行船用推进特性主要工况点的仿真计算，并比较该简化模型与原详细模型的仿真结果，显示发动机比油耗、功率、扫排气压力和空气流量的相对误差，满足所述硬件在环仿真系统的要求。
进一步地，所述的虚拟人机交互系统采用NI Veristand实时操作软件设计。
本发明根据发动机及辅机系统的真实运行参数、实际操作流程、真实控制系统，采用硬件在环技术实现ME-GI双燃料发动机全工况下的实操训练。所述硬件在环仿真培训系统直观反映了ME-GI双燃料发动机电控系统的组成及结构，体现出该发动机的典型结构特征和技术特点；同时系统具有故障注入功能，能够模拟ME-GI发动机在全工况下真实运行过程中的各种故障，如传感器超限报警、停车、执行器断线检测、执行机构非正常动作等；此外系统可对反馈参数进行设置，真实地反映ME-GI双燃料发动机的运行参数；系统还能够模拟出真实缸压数据，能够支持PMI缸压监测系统的培训。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)所述培训系统不需要发动机实际动车，大大地节约了培训成本，且在安全方面具有零风险性；
2)系统的故障模拟注入功能克服了传统实机操作培训导致的工况不全面和人身设备不安全的缺陷；
3)系统能够模拟出ME-GI双燃料发动机的真实工作过程，操作人员能够连续进行发动机起动、运行和停车等操作，达到使培训人员及技术人员能够直观地体验和理解发动机操作流程及工作原理的目的。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的ME-GI双燃料电控发动机用硬件在环仿真培训系统做进一步的详细阐述，但不应以此来限制本发明的保护范围。
请参阅图1，本发明所述的ME-GI双燃料电控发动机用硬件在环仿真培训系统包括ME-GI双燃料发动机电控系统、硬件在环仿真系统、发动机实时仿真模型和虚拟人机交互系统。
本发明采用的是全套真实的ME-GI双燃料发动机电控系统，其包括EICU、ECU、CCU、ACU等部分，最大程度上还原现场操作环境，能够全面反映所述发动机的真实操作流程。
所述硬件在环仿真系统的功能是完成对ME-GI双燃料发动机、传感器、执行器、燃油系统、供气系统等的数学模型和实时脚本的解算，实现对所有信号模拟和采集通道的I/O控制以及其他系统的控制。所述系统采用NI PXI仿真平台搭建；硬件方面，仿真机采用多核处理器，基于PXI总线，包含不同功能的I/O接口板卡；软件方面，仿真机采用NI的实时操作系统LabVIEW RT，并配置了LabVIEW和VeriStand配合使用。
所述硬件在环仿真系统包括故障注入系统、信号调理系统、发动机转速模拟系统和信号输入输出系统。其中，信号调理系统的作用有两方面，一是实现实时硬件在环仿真系统与ME-GI双燃料发动机电控系统之间的电气特性匹配；二是保护实时仿真机和控制器；故障注入系统位于ME-GI双燃料发动机电控系统和虚拟的传感器、执行器之间，故障注入的目的在于，接受上位机的命令，按照命令要求，产生开关选通控制信号，然后经过驱动电路，从而控制开关的通断，实现故障注入；发动机转速模拟系统采用变频电机带动测速齿轮，齿轮上安装有测速传感器，通过控制变频电机转速来模拟发动机转速。
ME-GI双燃料发动机及辅机系统的所述实时仿真模型的主要功能是，获得硬件在环系统采集处理的发动机控制信号，通过仿真计算模拟发动机起动、运行和停车等过程，反馈输出发动机运行的性能参数及传感器、执行器信号到控制系统和人机交互系统，使培训系统具有可操作性；所述发动机实时模型需要模拟计算出发动机缸内燃烧压力曲线，用于PMI缸压监测系统的培训；所述发动机实时模型根据电控系统控制命令仿真计算不同工况下的转速，发送到电机控制系统控制电机转速。本发明采用GT-POWER建立一维性能仿真模型，然后利用GT-SUITE快速仿真计算模块简化此模型，使之满足硬件在环系统实时模型的计算速度(计算步长小于1ms)，同时对该模型进行船用推进特性主要工况点的仿真计算，并比较该简化模型与原详细模型的仿真结果，显示发动机比油耗、功率、扫排气压力、空气流量等主要性能参数的相对误差基本处于2％-5％范围内，满足所述硬件在环仿真系统的要求。
所述虚拟人机交互系统采用NI Veristand实时操作软件设计，NIVeriStand用于硬件在环(HIL)仿真系统等实时测试应用，能提供如主接口通信、数据记录、激励生成和I/O配置等必需的所有常用功能，能通过NILabVIEW、C/C++和其他环境定制并扩展开放式环境。Veristand提供对仿真过程的综合管理，能够访问设备上运行的实时仿真程序并在线监控、采集计算产生的数据，通过系统管理器创建的工程可独立管理。
所述培训系统通过运行真实的ME-GI双燃料发动机电控系统来进行操作培训，最大程度上还原现场操作环境。培训操作时，可进行常规式发动机起动、运行和停车操作，还可进行故障注入。在发动机起动时，模拟发出起动连锁信号，比如盘车机啮合信号、辅助风机停止信号、起动空气压力低信号、主起动阀关闭等，从而进行在有起动连锁信号时的起动操作培训；在发动机运行时，注入性能参数及传感器反馈信号故障，比如将排气阀位置反馈信号数值减小来模拟排气阀未完全打开，或者切断此信号来模拟排气阀未打开等故障，从而进行在发动机运行时故障处理操作培训；此外还可对发动机安保停车信号进行故障注入，比如推力快温度过高、曲柄箱油雾浓度高、主轴承滑油进口低压及飞车等，从而进行在发动机出现安保停车信号时的操作培训。除此之外，所述培训系统还具有缸内燃烧压力的模拟功能，可进行PMI缸压监测系统的操作培训。
上述仅为本发明的优选实施例，必须指出的是，所属领域的技术人员凡依本发明申请内容所作的各种等效修改、变化与修正，都应成为本发明要求保护的范围。