（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學院 武漢 430050）

1 引言

隨著船舶電氣技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代大型船舶的電網(wǎng)規(guī)模及容量日益增大，電網(wǎng)的安全性與可靠性已成為影響船舶生命力的重要因素。電站是船舶電網(wǎng)的核心［1］。電站監(jiān)控系統(tǒng)用于對整個船舶電網(wǎng)實施監(jiān)視、控制和管理［2］，是確保電網(wǎng)供電連續(xù)性、可靠性及經(jīng)濟性的重要保障，同時還能夠保證電網(wǎng)的電能質(zhì)量［3～5］。由于船舶電網(wǎng)的規(guī)模越來越大，電站監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控變量也日益增加，如何保證監(jiān)控的實時性和可靠性，是船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計面臨的重要問題［6］。模塊化設(shè)計技術(shù)能夠提升監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性及擴展性，是當今工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的主流思路。大型船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)也往往采用模塊化設(shè)計，其功能模塊數(shù)量多，為保證監(jiān)控的實時性，因此需要重點考慮各功能模塊之間的實時同步數(shù)據(jù)交換以及通信能力等問題。本文介紹了一種實時數(shù)據(jù)同步交換技術(shù)在船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用方案，既實現(xiàn)了模塊化設(shè)計，使其具備較高的可靠性及良好的可擴展性，又能保證電網(wǎng)參數(shù)監(jiān)控的實時性，為大型船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計提供了可行的技術(shù)途徑。

2 通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

本文所述的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和模塊化設(shè)計思想，其通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。監(jiān)控系統(tǒng)中的各功能模塊均有獨立的CPU，每個模塊都可視為一個相對獨立的嵌入式系統(tǒng)，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)交換、控制輸出以及通信等任務(wù)均由各監(jiān)控功能模塊直接完成。上位機只作為顯示和操作終端，對最終的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時顯示和記錄分析。各監(jiān)控功能模塊的CPU 主要為高速DSP芯片，具有很強的實時數(shù)據(jù)處理能力和高速響應(yīng)性能。其中的監(jiān)測功能模塊以同步并行的方式進行工作，確保數(shù)據(jù)監(jiān)測的實時性。由于主要的監(jiān)控功能由相對獨立的嵌入式模塊相互協(xié)作共同完成，因此即使某個或少數(shù)幾個監(jiān)控功能模塊發(fā)生故障也不會導(dǎo)致整個監(jiān)控系統(tǒng)崩潰，從而大大提高了監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和生命力。

如圖1所示，通信控制模塊和各錄波子模塊構(gòu)成一級輻射型網(wǎng)絡(luò)；總線控制模塊、通信控制模塊以及各現(xiàn)場監(jiān)控模塊構(gòu)成二級網(wǎng)絡(luò)。二級網(wǎng)絡(luò)經(jīng)通信控制模塊接入一級網(wǎng)絡(luò)，因此，二級網(wǎng)絡(luò)相當于一級網(wǎng)絡(luò)某節(jié)點下的一個子網(wǎng)。一級網(wǎng)絡(luò)主要完成定時錄波功能，二級網(wǎng)絡(luò)主要完成實時監(jiān)控功能，一級網(wǎng)絡(luò)之間的通信與二級網(wǎng)絡(luò)相對獨立。

圖1 船舶電站綜合監(jiān)控平臺的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

一級通信網(wǎng)絡(luò)由RS-422總線組成，通信介質(zhì)為屏蔽雙絞線。RS-422總線抗干擾能力強，傳輸距離遠，傳輸速率高，并可以實現(xiàn)一點對多點通信，因而一級網(wǎng)絡(luò)可以方便地進行擴展。上位機通過RS232／RS422模塊接入一級網(wǎng)絡(luò)，作為一級網(wǎng)絡(luò)的主站節(jié)點。

二級通信網(wǎng)絡(luò)由ISA 總線組成，ISA 總線的數(shù)據(jù)寬度為16bit，工作頻率為8MHz［7］，并已成為標準的計算機主板接口，因此二級網(wǎng)絡(luò)中的所有模塊都可設(shè)計成具有ISA 接口的插件板，并通過工控機主板的ISA 插槽集成安裝。所以，二級網(wǎng)絡(luò)可以采用多臺工控機箱的方式實現(xiàn)硬件集成，特別適合監(jiān)控數(shù)據(jù)量大的應(yīng)用場合。需要說明的是，二級網(wǎng)絡(luò)的通信控制模塊配置了RS422接口，通過雙絞線與一級網(wǎng)絡(luò)相連。通信控制模塊的地位類似網(wǎng)關(guān)，是一級網(wǎng)絡(luò)與二級網(wǎng)絡(luò)溝通的橋梁。

3 數(shù)據(jù)交換工作流程

船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的主要任務(wù)包括：船舶電網(wǎng)主要節(jié)點的電壓、電流、相角測量以及功率計算，各配電板斷路器的開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測與控制，發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速和輸出電壓電流功率測量及調(diào)節(jié)控制，大功率電源裝置的輸出電壓電流功率測量及調(diào)節(jié)控制，用電設(shè)備功率、運行狀態(tài)測量及相關(guān)控制等，以及部分電氣參數(shù)的定時波形記錄。上述監(jiān)控任務(wù)主要分成兩類：一是周期性的任務(wù)，包括電氣參數(shù)采樣、實時功率計算、各監(jiān)控模塊之間數(shù)據(jù)交換以及上位機顯示數(shù)據(jù)刷新等；二是非周期性任務(wù)，主要有開關(guān)量輸出控制和定時錄波等。

如前文所述，監(jiān)控系統(tǒng)的每個功能模塊均具有獨立的CPU，主要是高速DSP 芯片TMS320F206，具有很強的實時數(shù)據(jù)處理能力，所以從模擬信號采樣到數(shù)字結(jié)果生成能在很短的時間內(nèi)（10-6s數(shù)量級）完成［8］，因此系統(tǒng)的整體速度就取決于它的數(shù)據(jù)交換和通信能力。由于需要監(jiān)測的電氣參數(shù)多，數(shù)據(jù)采集量大，數(shù)據(jù)交換頻繁，為了保證監(jiān)控的實時性，船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用了文獻［9］介紹的實時數(shù)據(jù)同步交換技術(shù)，給每個嵌入式模塊配置雙口RAM 作為共享的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，具體實現(xiàn)如下。

3.1 周期性數(shù)據(jù)監(jiān)測任務(wù)

在二級網(wǎng)絡(luò)各監(jiān)控功能模塊上設(shè)計了地址邏輯控制電路，賦予每個監(jiān)控功能模塊唯一的硬件地址。該地址邏輯控制電路為一通用電路，可以通過改變跳線方式來改變模塊的硬件地址。二級網(wǎng)絡(luò)各監(jiān)控功能模塊均配置雙口RAM 作為其內(nèi)存，實時數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理結(jié)果均存入雙口RAM 相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)。所以，對監(jiān)控功能模塊的尋址實際上是對模塊內(nèi)存的尋址，即可將各監(jiān)控功能模塊看成映射到ISA 總線上的內(nèi)存塊，內(nèi)存塊的地址由模塊的硬件地址和雙口RAM 內(nèi)的數(shù)據(jù)邏輯地址共同決定，顯然各個內(nèi)存塊的地址是不連續(xù)的。總線控制模塊負責ISA 總線上所有的數(shù)據(jù)交換任務(wù)，具有唯一的和絕對的ISA 總線控制權(quán)。在總線控制模塊看來，ISA 總線上的所有模塊構(gòu)成了地址不連續(xù)的內(nèi)存單元。ISA 總線上的同步控制模塊則發(fā)出同步工作脈沖，在同步工作脈沖的觸發(fā)下，由總線控制模塊對ISA 總線上的所有內(nèi)存單元進行尋址和讀寫操作，從而完成數(shù)據(jù)同步交換任務(wù)。

周期性數(shù)據(jù)監(jiān)測工作流程如下：

監(jiān)控系統(tǒng)啟動后，同步控制模塊開始采集電網(wǎng)頻率并發(fā)出同步脈沖（周期為10ms），作為二級網(wǎng)絡(luò)各模塊的觸發(fā)信號。模擬量輸入模塊、功率計算模塊和開關(guān)量輸入模塊在接收到同步脈沖后，開始采集的電壓、電流、相角、柴油機轉(zhuǎn)速及斷路器開關(guān)狀態(tài)量等，由功率計算模塊完成平均功率計算。采集和計算完成后，各監(jiān)測模塊把得到的結(jié)果寫入各自的雙口RAM 中，并設(shè)置握手標志字節(jié)，然后等待下一個觸發(fā)信號的到來。

接收到觸發(fā)信號后，總線控制模塊首先依次尋址ISA總線上各監(jiān)控模塊的雙口RAM，讀取新的數(shù)據(jù)塊，并編號存入自己的雙口RAM；然后尋址通信控制模塊，將新的數(shù)據(jù)塊依次寫入通信控制模塊的雙口RAM；接著讀取通信控制模塊的命令接收緩存區(qū)，如有控制命令報文，則按命令要求尋址二級網(wǎng)絡(luò)上相應(yīng)的監(jiān)控模塊轉(zhuǎn)發(fā)命令報文。這樣，總線控制模塊每隔10ms刷新一次通信控制模塊的監(jiān)測數(shù)據(jù)接收緩存區(qū)，確保上位機隨時能讀取到最新的實時采樣數(shù)據(jù)。需要說明的是，總線控制模塊對讀取的數(shù)據(jù)塊基本不做處理，僅是將其進行轉(zhuǎn)移；而且，總線控制模塊在讀取數(shù)據(jù)塊后必須擦除相應(yīng)的握手標志字節(jié)，以保證不會把舊的數(shù)據(jù)塊誤認為新的數(shù)據(jù)塊。當二級網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控模塊增加，需要增加新的工控機箱時，可以采用文獻［10］提出的內(nèi)存映射方法實現(xiàn)對新工控機箱內(nèi)各模塊的尋址。

上位機周期性地向通信控制模塊發(fā)送查詢命令，通信控制模塊接收到查詢命令后將其雙口RAM 監(jiān)測數(shù)據(jù)緩存區(qū)的數(shù)據(jù)塊上傳給上位機，在上位機主界面上顯示。上位機界面的數(shù)據(jù)刷新間隔為300ms。

除了完成電網(wǎng)狀態(tài)量實時監(jiān)測之外，船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的另一個重要功能為定時錄波，可完成電網(wǎng)頻率、電壓、電流、相角、有功功率、無功功率、柴油機轉(zhuǎn)速以及主要負載運行參數(shù)等的波形記錄。這一功能由一級網(wǎng)絡(luò)的錄波模塊完成，記錄波形時間為20s，采樣頻率為2kHz。每個錄波模塊可同時完成8路電氣參數(shù)的波形記錄，為實時存儲大量的錄波數(shù)據(jù)，錄波模塊采用大容量的高速讀寫CF 卡作為外部存儲器，實現(xiàn)錄波數(shù)據(jù)的實時存儲。錄波完成后，由上位機向各錄波模塊發(fā)送錄波查詢命令，依次讀取波形數(shù)據(jù)，繪制波形曲線。錄波的起動方式可設(shè)置為自動或者手動，記錄的波形將為船舶電網(wǎng)的動態(tài)分析提供重要的數(shù)據(jù)依據(jù)。

3.2 非周期性控制輸出任務(wù)

船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的控制功能由二級網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)量輸出模塊完成。上位機通過一級網(wǎng)絡(luò)向通信控制模塊發(fā)出開關(guān)控制命令報文，總線控制模塊從通信控制模塊獲取該命令后，尋址二級網(wǎng)絡(luò)上的開關(guān)量輸出模塊，并將命令寫入該插件的雙口RAM 的命令緩存區(qū)，開關(guān)量輸出模塊讀取命令，按要求輸出開關(guān)控制信號，驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)（主要是斷路器）動作。在上位機下達控制命令報文之前，先啟動錄波，然后發(fā)出控制命令，錄波模塊可實時記錄斷路器動作前后電網(wǎng)各參數(shù)的變化過程，最后由上位機讀取錄波數(shù)據(jù)、繪制波形曲線，對電網(wǎng)的動態(tài)過程進行分析。

4 實時通信設(shè)計

船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的一級網(wǎng)絡(luò)采用主從式多機通信，上位機為主機，一級網(wǎng)絡(luò)各模塊為從機。通信方式為問答式，主機向所有從機發(fā)送命令報文，各從機收到命令后進行命令校驗，如果是發(fā)給自己的命令則向主機回送響應(yīng)報文，如果不是則不作響應(yīng)。各從機的獨立CPU 均為TI的TMS320F206芯片，它自帶全雙工異步串口，可以應(yīng)用于多處理器系統(tǒng)中的雙機通信，通信接口芯片則采用MAX1490。

二級網(wǎng)絡(luò)通過通信控制模塊接入一級網(wǎng)絡(luò)，與上位機之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。由于二級通信網(wǎng)絡(luò)為ISA 總線組成，其最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達16Mbit／s，所以監(jiān)控系統(tǒng)的整體通信速率主要由一級網(wǎng)絡(luò)決定。一級網(wǎng)絡(luò)由RS-422 總線構(gòu)成，通信速率在短距離內(nèi)可以達到10Mbit／s，可以滿足系統(tǒng)通信的實時性要求。一級網(wǎng)絡(luò)采用10位異步串行通信方式，波特率設(shè)置為115.2kbit／s。

圖2 數(shù)據(jù)幀格式

為了保證通信的可靠性以及避免發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，監(jiān)控系統(tǒng)采用自定義的統(tǒng)一通信協(xié)議，采用的數(shù)據(jù)幀格式如圖2所示。三個包頭字節(jié)為幀同步字節(jié)，發(fā)送與接收端地址字節(jié)則說明了數(shù)據(jù)幀的來源與去向，報文類型字節(jié)作為判斷不同命令類型的依據(jù)，考慮到通信的實時性與通信軟件設(shè)計的簡便性，數(shù)據(jù)校驗只采用異或和累加兩種方式。

監(jiān)控系統(tǒng)的通信流程如圖3所示。上位機的命令報文主要分為狀態(tài)查詢命令、控制命令、啟動錄波命令和波形查詢命令四類。

5 監(jiān)控可靠性設(shè)計

如前文所述，二級網(wǎng)絡(luò)各功能模塊的雙口RAM 為共享的數(shù)據(jù)緩存區(qū)，因此檢測的主要對象是各模塊的雙口RAM。檢測由總線控制模塊完成，采用模式校驗法。在每一個工作節(jié)拍下，總線控制模塊將一個固定數(shù)據(jù)塊寫入各雙口RAM，然后讀出，觀察數(shù)據(jù)是否一致，從而判斷雙口RAM 是否正常。各個雙口RAM 的狀態(tài)檢測結(jié)果作為一個獨立的子數(shù)據(jù)塊保存在總線控制模塊中，供上位機查詢。二級網(wǎng)絡(luò)的同步觸發(fā)脈沖也受到檢測，一旦無同步觸發(fā)脈沖，則由開關(guān)量輸出模塊動作，點亮失步告警指示燈。一級網(wǎng)絡(luò)的各錄波模塊均配備工作狀態(tài)指示燈，當錄波模塊出現(xiàn)故障時，告警指示燈閃爍，此時可更換備用的錄波模塊。

圖3 通信流程

6 現(xiàn)場測試結(jié)果

現(xiàn)場用三相調(diào)壓器和可調(diào)電阻器組成測試電路，對船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測功能進行測試，測試的五組數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 現(xiàn)場測試結(jié)果

其中電壓、電流真值從高精度電壓電流表讀出（相對誤差在0.05%以內(nèi)），有功功率真值為直接運算所得，頻率真值由數(shù)字示波器測得。監(jiān)控平臺的采樣結(jié)果為測量值，其中電壓電流測量值均為有效值且同相位。從表1可得，電壓有效值的最大測量誤差小于0.6%，電流有效值的最大測量誤差小于0.4%，有功功率的最大測量誤差小于0.8%，頻率測量準確度可達99.94%，達到了設(shè)計要求。

7 結(jié)語

本文介紹的基于實時數(shù)據(jù)同步交換技術(shù)船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)大型船舶電網(wǎng)電氣參數(shù)的實時同步監(jiān)測。監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，具備較高的可靠性和良好的可擴展性，各監(jiān)控功能模塊之間采用雙口RAM 作為共享的數(shù)據(jù)緩存區(qū)，并采用了同步讀寫觸發(fā)機制和統(tǒng)一的通信協(xié)議，實現(xiàn)了監(jiān)控數(shù)據(jù)的實時同步交換，保證了監(jiān)控的實時性。本技術(shù)方案通用性較好，可適用于船舶機艙監(jiān)控以及其它工業(yè)實時監(jiān)控場合，具有一定的應(yīng)用前景。

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