鄧冉然，施偉鋒

（上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，上海 201306）

基于STM32的電力推進船舶電能質(zhì)量無線監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計

鄧冉然，施偉鋒

（上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，上海 201306）

船舶電力系統(tǒng)容量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，利用簡便的無線監(jiān)視裝置監(jiān)視船舶電能質(zhì)量，對提高船舶航行的安全性、可靠性和經(jīng)濟性具有重要意義。本文利用WIFI技術(shù)搭建了無線通訊網(wǎng)絡(luò)，并按照modbus tcp/ip協(xié)議傳輸電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。然后設(shè)計了一種基于STM32的電力推進船舶電能質(zhì)量無線監(jiān)視裝置。最后在船舶電力推進實驗裝置上測試所設(shè)計的無線監(jiān)視系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，本文所設(shè)計系統(tǒng)能夠?qū)崟r準確監(jiān)視船舶電能質(zhì)量的變化，并對可能出現(xiàn)的故障進行有效監(jiān)視。

電能質(zhì)量 監(jiān)視系統(tǒng) STM32 WIFI 故障

0 引言

電力推進船舶中電力系統(tǒng)的安全可靠運行直接關(guān)系到船舶航行安全[1]。電能質(zhì)量監(jiān)視在電力推進船舶電力系統(tǒng)中的意義變得極其重要。目前電力推進船舶電能質(zhì)量監(jiān)視系統(tǒng)主要采用以太網(wǎng)或串行通訊方式傳輸電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，二者都是有線傳輸，因此電能質(zhì)量監(jiān)視受到地點環(huán)境限制，在出現(xiàn)火災(zāi)等緊急情況時，監(jiān)視系統(tǒng)往往難以維系正常監(jiān)視功能。除此之外當(dāng)傳輸線纜出現(xiàn)故障時，在故障排查和檢修上也會更加復(fù)雜。

意法半導(dǎo)體推出的 STM32系列芯片具有很強的擴展能力，易于移植，其外設(shè)單元資源豐富，是一種 32位高性能、低成本和低功耗的控制器[2]。WIFI是一種允許電子設(shè)備連接到一個無線局域網(wǎng)（WLAN）的技術(shù)。同一局域網(wǎng)中的多臺設(shè)備之間可以進行數(shù)據(jù)的傳輸。WIFI技術(shù)的特性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是具有較快的速度和較高的可靠性；二是在開放性的區(qū)域中，WIFI的通訊距離可以達到305 m；三是在封閉性的區(qū)域中，WIFI的通訊距離一般為76～122 m；四是與有線以太網(wǎng)的整合十分方便，組網(wǎng)過程需要投入的成本較低[3]。

本文首先結(jié)合 WIFI技術(shù)的優(yōu)點搭建了本地采集數(shù)據(jù)的有線通訊網(wǎng)絡(luò)和遠程監(jiān)視的無線通訊網(wǎng)絡(luò)，然后設(shè)計了一種基于 STM32的電力推進船舶電能質(zhì)量無線監(jiān)視系統(tǒng)，最后通過船舶電力推進實驗裝置測試并分析了所設(shè)計電能質(zhì)量監(jiān)視系統(tǒng)的準確性和可靠性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，電力推進船舶電能質(zhì)量無線監(jiān)視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分可為三層，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集層、無線通訊層和監(jiān)視層。現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集層由傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置組成。傳感器采集網(wǎng)側(cè)和負載側(cè)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)模擬量，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。無線通訊層將現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集層獲得的數(shù)字量傳輸?shù)奖O(jiān)視層。無線通訊層由接收裝置、發(fā)送裝置、中繼器組成。發(fā)送裝置通過 WIFI模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，中繼器轉(zhuǎn)發(fā) WIFI網(wǎng)絡(luò)中的通訊數(shù)據(jù)，接收裝置接收 WIFI網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)并做出響應(yīng)。監(jiān)視層是集中在接收裝置上的顯示和報警裝置。監(jiān)視層處理接收到的數(shù)字信息得到電能質(zhì)量參數(shù)的真實數(shù)據(jù)，顯示電能質(zhì)量數(shù)據(jù)并監(jiān)視故障的發(fā)生。

圖1 電能質(zhì)量無線監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 無線電能質(zhì)量監(jiān)視系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集層

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集層分為網(wǎng)側(cè)和負載側(cè)兩個部分。網(wǎng)側(cè)數(shù)據(jù)通過智能儀表PM800采集獲得，負載側(cè)數(shù)據(jù)通過智能儀表 ION7650采集獲得[4]。PM800和 ION7650集數(shù)據(jù)采集與控制功能為一身，可以代替多種儀表、繼電器、變送器和其它元件。PM800和ION7650作為網(wǎng)關(guān)EGX300下的兩個節(jié)點，M340 PLC作為服務(wù)器，它們之間通過以太網(wǎng)連接。對 PLC編程以讀取兩個節(jié)點數(shù)據(jù)，需要通過地址轉(zhuǎn)換功能塊 ADDM 和數(shù)據(jù)讀取功能塊READ_VAR實現(xiàn)。ADDM功能塊的作用是將從站設(shè)備的地址格式轉(zhuǎn)換成6個單精度整數(shù)組成的數(shù)組，作為數(shù)據(jù)讀取功能塊READ_VAR的地址輸入[5]。

2.2 無線通訊層

在交換機外部搭建 TP-Link路由器，并且設(shè)置為中繼模式，拓展以太網(wǎng)絡(luò)為 2.4G WIFI，適當(dāng)配置無線監(jiān)視裝置后可以連接此無線網(wǎng)，形成整個系統(tǒng)的無線網(wǎng)搭建。

正點原子戰(zhàn)艦 V3開發(fā)板是以STM32F103ZET6芯片為核心控制器的開源ARM開發(fā)板。其內(nèi)核采用CortexTM-M3架構(gòu)，最高工作頻率72MHz，具有512KByte的程序存儲空間、64KByte的SRAM、8個定時器/計數(shù)器、3個SPI、集成5個USART通信接口、3個12位ADC及1個DAC等，硬件資源豐富，非常適合功能擴展[1]。本文設(shè)計的無線通訊層的接收端是通過在該開發(fā)板上搭建無線接收模塊組成。STM32控制器通過串口連接無線模塊ESP8266，編程配置ESP8266的工作模式為 STA-client，配置開發(fā)板和服務(wù)器IP地址、訪問端口502、無線中繼器SSID及密碼后，STM32監(jiān)視裝置即可通過無線網(wǎng)絡(luò)訪問PLC服務(wù)器。

STM32監(jiān)視裝置同 PLC之間的通訊協(xié)議是MODBUS TCP/IP協(xié)議。圖 2所示是 MODBUS數(shù)據(jù)幀格式。MODBUS通訊協(xié)議定義了一個與基礎(chǔ)通訊層無關(guān)的簡單協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）。特定總線或網(wǎng)絡(luò)上的 MODBUS協(xié)議映射能夠在應(yīng)用數(shù)據(jù)單元（ADU）上引入一些附加域[6]。

圖2 MODBUS數(shù)據(jù)幀格式

2.3 監(jiān)視層

監(jiān)視層是集中在 STM32監(jiān)視裝置上的顯示和故障報警模塊。通過TFTLCD屏幕集中顯示網(wǎng)側(cè)和負載側(cè)數(shù)據(jù)，如電壓、電流、不平衡電壓、不平衡電流等，也可將數(shù)據(jù)進行處理、保存并顯示成波形圖、柱形圖和相位圖。監(jiān)視電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的同時也需要考慮系統(tǒng)運行過程中可能出現(xiàn)的一些故障，本文所設(shè)計系統(tǒng)考慮了負載側(cè)的幾類故障，并在故障發(fā)生時進行報警提示；故障報警通過LED燈和蜂鳴器實現(xiàn)，同時TFTLCD顯示故障類型。如表1所示，利用LED燈閃爍和蜂鳴器鳴叫頻率不同對故障進行分類，并將故障信息保存至SD卡的 Fault.CSV文件中，通過電腦可對故障記錄進行查閱和分析。

表1 故障類型及報警信息

2.4 軟硬件配置

如圖3所示，基于上海海事大學(xué)—施耐德電氣聯(lián)合實驗室平臺，搭建船舶電力推進實驗裝置[7]。圖4所示為電力推進船舶無線電能質(zhì)量監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖3 船舶電力推進實驗裝置

硬件配置為：智能儀表PM800和ION7650，施耐德M340 PLC，AI/AO（模擬輸入輸出）模塊，DI/DO（數(shù)字輸入輸出）模塊，EGX300網(wǎng)關(guān)，交換機，TP-Link路由器，正點原子戰(zhàn)艦V3開發(fā)板，ESP8266 WIFI模塊，SD卡，接觸式變壓器，ATV61變頻器，減速電機，模擬儀表。

軟件配置為：UnityPro_XL和keil uVision5。通過UnityPro_XL對M340 PLC進行編程集中全部電能質(zhì)量參數(shù)，keil uVision5用于對正點原子戰(zhàn)艦V3開發(fā)板編程實現(xiàn)無線監(jiān)視。

實驗裝置中，380 V三相交流電通過接觸式變壓器給系統(tǒng)供電。以減速電機模擬電力推進船舶主要負載。

圖4 無線電能質(zhì)量監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 無線監(jiān)視系統(tǒng)在實驗裝置上的測試結(jié)果

3.1 實時數(shù)據(jù)顯示

圖5所示為本文所設(shè)計無線電能質(zhì)量監(jiān)視裝置。在正點原子戰(zhàn)艦 V3開發(fā)板上，添加硬件TFTLCD屏幕和ESP8266WIFI模塊。SD卡用于保存信息。

圖5 無線電能質(zhì)量監(jiān)視裝置

無線監(jiān)視裝置可實時數(shù)據(jù)顯示，可以實時準確監(jiān)視網(wǎng)側(cè)和負載側(cè)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。

3.2 圖形顯示

如圖6所示，負載側(cè)三相電壓波形，三相電壓在225 V上下波動。如圖7所示，為負載側(cè)相位圖，三相電壓幅值基本相同，三相電流幅值相差較大，這是由于負載不平衡導(dǎo)致的。圖8所示是負載側(cè)A相電壓諧波。

3.3 故障顯示

圖9所示為負載側(cè)三相電壓波形及欠壓故障顯示。調(diào)節(jié)接觸式變壓器降低電壓至負載側(cè)出現(xiàn)欠壓故障。實驗過程中兩次降壓調(diào)節(jié)中間有一次回復(fù)電壓操作，圖中負載側(cè)三相電壓有兩次下降，并低于欠壓閾值，因此出現(xiàn)兩次欠壓故障報警。

圖6 負載側(cè)三相電壓波形圖

圖7 負載側(cè)相位圖

圖8 負載側(cè)A相電壓諧波柱形圖

表2給出了SD卡中保存的故障信息。按照故障發(fā)生時間順序保存故障信息。I表示負載側(cè)三相電流，Vavg是負載側(cè)相電壓平均值。

4 結(jié)語

本文在船舶電力推進實驗裝置基礎(chǔ)上，搭建了基于 WIFI技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)計了基于 STM32的電能質(zhì)量無線監(jiān)視裝置，構(gòu)建出了一種電力推進船舶無線電能質(zhì)量監(jiān)視系統(tǒng)，最后通過實驗驗證并分析了該系統(tǒng)的性能。實驗結(jié)果表明，本文所設(shè)計系統(tǒng)能夠?qū)崟r準確監(jiān)視船舶電能質(zhì)量的變化，對出現(xiàn)的故障及時發(fā)出報警提示，具有良好穩(wěn)定性和可靠性。

圖9 負載側(cè)三相電壓波形及欠壓故障顯示

表2 SD卡保存故障信息

[1]楊武, 江漢紅, 張朝亮, 等．面向船舶電力系統(tǒng)監(jiān)測的混合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［J］．電網(wǎng)技術(shù), 2010, 34(4):194- 198．

[2]趙科, 李常賢, 張彤. 基于STM32的無線溫濕度控制器[J]. 化工自動化及儀表, 2015, 42(06): 629-633.

[3]張?zhí)毂? WIFI技術(shù)的應(yīng)用與展望[J]. 產(chǎn)業(yè)與科技論壇, 2014, 13(03): 98-99.

[4]候云飛, 施偉鋒. 基于PLC和工控機的船舶電力系統(tǒng)故障診斷裝置設(shè)計[J]. 船電技術(shù), 2016, 36(09):49-52.

[5]施耐德電氣公司．M340編程手冊［M］．北京: 施耐德電氣(中國)投資有限公司, 2008．

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Design of Wireless Monitoring System for Power Quality of Electric Propulsion Ship Based on STM32

Deng Ranran, Weifeng Shi
（Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China）

The ship power system has large capacity and complex structure. It is very important to improve the safety, reliability and economy of ship navigation by using the simple wireless monitoring device to monitor the power quality of the ship. This paper uses WIFI technology to build wireless communication network, and transmits power quality data according to Modbus tcp/ip protocol. And then, it designs a wireless power monitoring device based on STM32 for electric propulsion ship power quality. Finally,it tests the design of the wireless monitoring system on the ship's electric propulsion experiment device. The experimental results show that the designed system can accurately monitor the change of the power quality of the ship in time and the occurrence of a possible fault.

power quality; monitoring system; STM32; WIFI; fault

TP273

A

1003-4862（2017）10-0049-04

2017-07-18

鄧冉然（1993-），男，碩士生。研究方向：船舶/港口系統(tǒng)的建模與控制。

Email：dengranran@stu.shmtu.edu.cn

施偉鋒（1963-），男，浙江寧波人，教授，博士，博導(dǎo)，主要從事電力系統(tǒng)及其自動化、控制理論與控制工程研究。Email: wfshi@shmtu.edu.cn。