劉艷平　王東陽　賈金偉

(91404部隊92分隊　秦皇島　066001)

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基于CAN總線的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的設計*

劉艷平王東陽賈金偉

(91404部隊92分隊秦皇島066001)

摘要采取CAN總線結(jié)構(gòu),基于某型船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)進行重新設計,進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)。由智能控制終端和電站機組控制器雙重控制,提高控制精度的冗余度。設計由PLC控制的PPU保護裝置,使得電站監(jiān)控變得更為容易。

關鍵詞電站監(jiān)控; CAN總線; PPU控制; 智能保護

Design of the Ship Power Station Monitoring System Based on CAN-bus

LIU YanpingWANG DongyangJIA Jinwei

(Unit 92, No. 91404 Troops of PLA, Qinhuangdao066001)

AbstractA new system is redesigned based on a certain type of ship power station monitoring system, which has been using CAN-bus. Controlling by intelligent control terminal and power plant unit controller, redundancy of control precision is improved. Power station monitoring can be easier because PPU protection device is controlled by PLC.

Key Wordspower station monitoring, CAN-bus, PPU-control, intelligent protection

Class NumberTP211

1引言

與其他總線相比,現(xiàn)場總線具有分散式、數(shù)字化、雙向、多站點等特點,且效率高、可靠性好、智能化高、連接方便[2]。鑒于其卓越的性能、極高的可靠性和實用性、獨特的設計,現(xiàn)場總線被廣泛應用于自動化領域。船舶電站自動化程度高、監(jiān)控相對分散,要求信息傳遞實時、雙向,因而現(xiàn)場總線在船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)中廣泛應用,并取得了良好效果。

本文采用CAN總線,以某型船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)為依據(jù),重新設計,優(yōu)化電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。同時,設計由智能控制終端和電站機組控制器雙重控制的電站監(jiān)控結(jié)構(gòu),通過集中控制和分散控制雙重控制,從而提高系統(tǒng)控制精度的冗余度。電站保護裝置監(jiān)控設計由PLC(Programmable Logic Controller)控制的PPU(Paralleling and Protection Unit)為控制系統(tǒng)核心的監(jiān)控結(jié)構(gòu),使得發(fā)電機自動并車、逆功率保護、過流保護等以及電網(wǎng)電壓、電流和電池組電壓、電流的監(jiān)測變得更為容易。

2船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)特點

隨著現(xiàn)代船舶(尤其是軍用船舶)電氣化、自動化、智能化程度的不斷提高以及現(xiàn)代網(wǎng)絡技術(shù)的普遍應用,智能化管理和集中監(jiān)控船舶系統(tǒng)的各項參數(shù)指標在整個系統(tǒng)中占據(jù)著極其重要的位置[3]。船舶電站是整個船舶以及電力系統(tǒng)的核心,自動化、智能化程度要求極高,尤其是無人值班的要求對船舶電站智能監(jiān)控提出了更高要求。良好的監(jiān)控系統(tǒng)可以大大降低工作人員勞動強度,提高工作效率,提高供電的穩(wěn)定性和可靠性[4],因而智能化程度極高的電站監(jiān)控系統(tǒng)有待深入研究。

船舶電站監(jiān)控自動化是船舶機艙自動化的一個重要構(gòu)成,也是船舶技術(shù)現(xiàn)代化的重要標志。船舶電站監(jiān)控技術(shù)同機艙控制技術(shù)一樣,是隨著通信技術(shù)、微處理器技術(shù)、控制技術(shù)的進步而不斷發(fā)展的[5]。分離器件控制方法應用于20世紀六十至七十年代船舶電站監(jiān)控系統(tǒng);分布式控制系統(tǒng)(DCS)的誕生,預示著船舶電站監(jiān)控技術(shù)迅猛發(fā)展和取得突破性進展。經(jīng)過四十多年的發(fā)展,DCS控制系統(tǒng)趨于已完善和成熟,但是,因其不具有開放互連性,且容易因系統(tǒng)總體網(wǎng)絡失效從而導致系統(tǒng)癱瘓。鑒于DCS缺限,推動了CAN等現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展,從而為船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展開辟了一個新的領域。

3船舶電站監(jiān)控平臺構(gòu)成

本監(jiān)控系統(tǒng)采用智能控制終端(計算機)、CAN總線、可編程控制PLC、自動控制等技術(shù),主要由智能控制終端的集中控制技術(shù)和由PLC控制的PPU為電站保護的自動控制技術(shù)為核心。

為保證船舶電站的安全、可靠,本系統(tǒng)采用CAN網(wǎng)絡節(jié)點分散布置,從而使系統(tǒng)的監(jiān)控功能徹底分散。PLC控制的PPU控制可使發(fā)電機自動并車、逆功率保護、過流保護等容易實現(xiàn),同時可以通過PLC的編程功能實現(xiàn)電站的智能控制和自動保護。在智能保護裝置失效后,由智能控制終端的智能機提供冗余度保護,為電站監(jiān)控提供高安全度和高可靠性。報警燈板對超限值進行報警,提供聲光報警。三個跨接開關控制器根據(jù)系統(tǒng)系統(tǒng)運行狀態(tài)智能控制跨接開關。本實例中以某型船舶監(jiān)控系統(tǒng)為例,對四臺機組進行控制,如需擴充,可增加控制和測量節(jié)點。

4基于CAN總線的船舶監(jiān)控系統(tǒng)設計方案

本系統(tǒng)以某型船舶監(jiān)控系統(tǒng)為例,采用了CAN總線通信、集中控制與分散控制以及電站智能控制保護等技術(shù),并對系統(tǒng)重新設計,達到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。具體方案如圖1所示。

圖1　船舶監(jiān)控系統(tǒng)設計方案

4.1采用CAN總線通信

CAN總線是一種串行、雙向、對稱多主控站的數(shù)字數(shù)據(jù)通信鏈路,可溝通現(xiàn)場設備之間以及更高層次站級設備之間的聯(lián)系[6]。其優(yōu)點是安全性好、可靠性高、實時性強;同時,網(wǎng)絡構(gòu)成簡單,硬件成本低。CAN網(wǎng)絡設計采用了符合開放系統(tǒng)互聯(lián)模型(OSI)規(guī)范的三層結(jié)構(gòu)模型,即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層以及應用層。其傳輸介質(zhì)為雙絞線,通信速率最高為1Mb/s,傳輸距離最遠為10km,掛接設備數(shù)最多為110個。

4.2集中控制與分散控制結(jié)合

監(jiān)控系統(tǒng)采用了集中控制和分散控制結(jié)合的技術(shù)。PLC控制的PPU控制可使發(fā)電機自動并車、逆功率保護、過流保護等容易實現(xiàn),同時可以通過PLC的編程功能實現(xiàn)電站的智能控制和自動保護(分散控制)。在智能保護裝置失效后,由智能控制終端的智能機提供冗余度保護,為電站監(jiān)控提供高安全度和高可靠性(集中控制)。電站監(jiān)控雙重控制簡化結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　電站監(jiān)控簡化圖

4.3電站保護裝置監(jiān)控設計

圖3　電站保護裝置監(jiān)控原理

船舶電力系統(tǒng)容量雖小,但是對供電可靠性要求非常高。在無人值守的自動化電站,要求有完善的防范措施,當出現(xiàn)設備故障或?qū)е氯瑪嚯姷内厔輹r,采用備用機組替換故障機組,以保持供電的連續(xù)性。即使出現(xiàn)斷電現(xiàn)象,也要保證斷電時間最短,盡快恢復供電[7]。

本系統(tǒng)中電站保護采用PLC控制的PPU控制。PLC發(fā)出并車指令給PPU,PPU接到并車指令,自動檢測待并發(fā)電機與電網(wǎng)的電壓、頻率和相位差,并根據(jù)系統(tǒng)設定值做相應調(diào)整,直至符合并車條件,控制主開關閉合,將待并發(fā)電機投入電網(wǎng)。同時,檢測傳感器感受電壓、頻率以及相位差變化,將信息傳送報警燈板,通過聲光信息進行報警。具體原理如圖3所示。

5結(jié)語

本系統(tǒng)設計主要從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)通信、保護控制、實時監(jiān)測等方面進行了考量,對監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、性能提高所突破,為新型號船舶監(jiān)控系統(tǒng)設計起到了可借鑒作用。

參 考 文 獻

[1] 陶杰.基于CAN總線的多品牌小型PLC監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].蘇州:蘇州大學,2009:1-12.

[2] 來清民,曲賀梅.基于CAN總線的分布式三維步進電機控制系統(tǒng)[J].微計算機信息,2005(10):40-42.

[3] 劉立坤.智能型船舶電站控制器的研究[D].大連:大連海事大學,2010:1-2.

[4] 宋超,李功宣,余向東.PLC及其通信技術(shù)在艦船監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J].測控技術(shù),2004,23(4):41-42.

[5] 江忠明,杜軍,丁穎華,等.基于CAN現(xiàn)場總線的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)[J].機電設備,2002,1(19):19-22.

[6] 李文華,邱志強,孫瑜,等.基于現(xiàn)場總線的船舶電站實時監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].艦船科學技術(shù),2005,27(2):39-41.

[7] 姜錦范.船舶電站及自動化[M].大連:大連海事大學出版社,2005.

中圖分類號TP211

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.025

作者簡介:劉艷平,男,碩士,助理工程師,研究方向:電力電子與電力傳動。

*收稿日期:2015年7月1日,修回日期:2015年8月29日