包 斌

(南京市板橋汽渡管理處,江蘇 南京 210039)

0 引言

隨著船舶行業(yè)的發(fā)展，船體規(guī)?？傮w朝大型船舶方向靠攏。目前，我國大型民用船舶及軍船多采用環(huán)形供電，局部采用區(qū)域供電，區(qū)域配電呈現(xiàn)輻射形結(jié)構(gòu)。船舶規(guī)模的擴大伴隨著船舶設(shè)備的增多，對船舶設(shè)備的配電參數(shù)進行監(jiān)控已成為當下確保船舶電氣設(shè)備運行可靠的重要手段之一。船舶規(guī)模大、鋼板多、布線距離過長，勢必會影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。同時，船舶規(guī)模大也可能造成船舶需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)變多，數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯包、丟包數(shù)也會明顯增多。

近年來，研究配電監(jiān)控的文獻很多。文獻[1]提出了一種船舶環(huán)形區(qū)域配電系統(tǒng)，能夠顯著提高艦船電力系統(tǒng)的生命力及可靠性。文獻[2]論述了一種基于Modbus-TCP以太網(wǎng)協(xié)議和Modbus-RTU串口協(xié)議的船舶配電監(jiān)控系統(tǒng)，其系統(tǒng)安全性好、實時性高。文獻[3-4]針對船舶區(qū)域配電監(jiān)控系統(tǒng)，采用了CAN通信作為主要的數(shù)據(jù)傳輸方式，其數(shù)據(jù)傳輸距離長、可靠性高。文獻[5]提出了一種分布式采集數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)的方法，提高了數(shù)據(jù)利用率，同時避免了數(shù)據(jù)因共享困難而造成信息孤島的情況。但是,這些文獻研究的重點是單一通信方式。該方式可能存在通信速度局限、成本不合理問題。此外，從傳輸距離的角度考慮，在大型船舶上布線也存在一定的難度。

本文針對區(qū)域配電系統(tǒng)提出一種基于分布式采集技術(shù)的配電監(jiān)控方法。首先對船舶電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行闡述，其次進一步論述分布式采集技術(shù)的通信方式以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院秃侠硇浴?/p>

1 船舶電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

船舶電力系統(tǒng)包括發(fā)電機、負荷、變壓器、斷路器、主配電板、區(qū)域配電板、電纜等。就整船而言，現(xiàn)代大型船舶呈現(xiàn)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)；而區(qū)域配電板及以下設(shè)備，則呈現(xiàn)輻射狀結(jié)構(gòu)。這種混合式的船舶電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

S1～S16—開關(guān)；G1～G4—發(fā)電機

由圖1所示，1號、2號主配電板互為冗余供電。兩條電力母線從艦船艙室的兩舷穿過，其中一條位于吃水線上，另一條位于吃水線下方，這樣可以盡可能地拉開兩條母線的距離。即使一條母線受損，也可以通過另一條母線為船用設(shè)備供電，使得艦船在受到攻擊時有更強的抵抗力。

2 分布式數(shù)據(jù)采集

對于采用上述混合式船舶電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的艦船，其艙室眾多、船體規(guī)模大。若直接將位于負載處的傳感器所采集的數(shù)據(jù)上傳至電力監(jiān)控臺，勢必走線過長、耗費電纜；不僅走線困難，若數(shù)據(jù)傳輸有誤、排查故障也是一件難事。為此，可以采用如圖2所示的分布式采集數(shù)據(jù)的通信方式。

圖2 分布式采集數(shù)據(jù)的通信方式架構(gòu)圖

整個分布式采集控制系統(tǒng)大體由傳感器、分控制器、串口轉(zhuǎn)CAN卡、集中管理模塊、中繼、主控制器和電力監(jiān)控臺構(gòu)成。

分控制器安置于各區(qū)域配電板處，接入?yún)^(qū)域配電板的負載安置對應(yīng)傳感器。各傳感器采集數(shù)據(jù)后通過Modbus-RTU串口協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至對應(yīng)分控制器。

各分控制器接收數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)發(fā)送至串口轉(zhuǎn)CAN卡。串口轉(zhuǎn)CAN卡具有將串口協(xié)議數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)化為CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包的能力。在數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換過程中，有可能因為數(shù)據(jù)量過大或者時序問題，將數(shù)據(jù)包進行錯誤拼接而導(dǎo)致錯包、丟包等問題。為此，串口轉(zhuǎn)CAN卡需要進一步將數(shù)據(jù)包發(fā)送至集中管理模塊。集中管理模塊具備管理數(shù)據(jù)包發(fā)送時序的能力，這將在一定程度上減少數(shù)據(jù)包因為時序問題而導(dǎo)致的拼接錯誤。同時，集中管理模塊還可以調(diào)節(jié)CAN包數(shù)據(jù)發(fā)送頻率，進一步減緩因數(shù)據(jù)量過大而造成總線“擁堵”的問題。

各區(qū)域配電板分布于艦船不同位置，某些區(qū)域配電板距離主配電板距離較遠。CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸速率與傳輸距離的關(guān)系見表1。

表1 CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸速率與傳輸距離之間的關(guān)系

若數(shù)據(jù)直接由集中管理模塊上傳至CAN總線，由于數(shù)據(jù)傳輸距離較長，可能會由于信號微弱而導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失，也可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸緩慢，因此，需要增加中繼模塊來增強信號強度。

主控制器分別安置于1號、2號主配電板處。分控制器所加裝的中繼模塊與主控制器的數(shù)據(jù)傳輸采用雙冗余CAN網(wǎng)，即兩條互為冗余的CAN總線。若其中一條總線崩潰，則主控制器將進行CAN網(wǎng)切換，以提高CAN數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

主控制器接收到來自CAN總線上的數(shù)據(jù)后，通過雙冗余以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至電力監(jiān)控臺，具體通信方式可以采用UDP自定義通信協(xié)議。這種區(qū)別于TCP/IP的以太網(wǎng)協(xié)議的自定義協(xié)議，不像TCP/IP協(xié)議那樣建立連接服務(wù)——形成客戶端向服務(wù)端發(fā)送請求包，再接收來自服務(wù)端的確認包以達到“握手”的效果。UDP協(xié)議不需確定數(shù)據(jù)是否安全到達，極大地加快了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，減緩了配電監(jiān)控測點過多而導(dǎo)致數(shù)據(jù)量過大的問題，具體措施只需讓主控制器定時向UDP組播段發(fā)送數(shù)據(jù)。基于上述分析，電力監(jiān)控臺1、電力監(jiān)控臺2、主控器1和主控制器2應(yīng)當將IP地址設(shè)在同一組播段上。值得注意的是，這里采用的是雙冗余以太網(wǎng)，和前述雙冗余CAN網(wǎng)有相同作用。若一路以太網(wǎng)崩潰，則主控制器自動切換到另一路以太網(wǎng)工作。與CAN網(wǎng)不同的是：除了主控制器可以進行冗余切換，進行組網(wǎng)的交換機也可以進行冗余切換。網(wǎng)絡(luò)的崩潰，不一定是通信線路的崩潰，也可能是網(wǎng)源——交換機的崩潰。所以，網(wǎng)絡(luò)通路的冗余和網(wǎng)源的冗余都是十分必要的。

3 分布式采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)性能

3.1 基于分布式采集配電監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)問題

(1)主控制器接收數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)量大時，過快、過慢發(fā)送或接收數(shù)據(jù)都會導(dǎo)致主控制器全線崩潰。過快接收數(shù)據(jù)，主控制器無法及時處理數(shù)據(jù)而導(dǎo)致主控制器失靈。過慢接收數(shù)據(jù)，可能會出現(xiàn)主控制器處于“空置”狀況，即需要接收新數(shù)據(jù)，老數(shù)據(jù)卻還沒有傳輸完成；同時，還有可能造成電力監(jiān)控臺的顯示界面相關(guān)斷路器動作顯示遲緩。所以，收發(fā)數(shù)據(jù)的時間間隔需要根據(jù)實際情況做出調(diào)整。

(2)大型艦船上的數(shù)據(jù)量大，易出現(xiàn)數(shù)據(jù)包無序發(fā)送、拼接錯亂的問題。為此，針對雙冗余CAN網(wǎng)和Modbus-RTU串口通信環(huán)節(jié)，可以采用問答式機制，即上一級設(shè)備若不向下發(fā)送詢問幀也就不會收到下一級設(shè)備的回復(fù)請求。這將大大減少并行的數(shù)據(jù)量，也給予了上一級設(shè)備處理回復(fù)請求的時間。

(3)對于某些船用斷路器的長延時、短延時報警可能會出現(xiàn)誤報警情況，控制器判斷斷路器的長、短延時報警機制應(yīng)做出相應(yīng)調(diào)整——合理設(shè)置觸發(fā)報警的延時時間。設(shè)定時間過長，報警監(jiān)測不到而出現(xiàn)漏報警；設(shè)定時間過短，報警頻繁出現(xiàn)誤報警。

3.2 分布式采集配電系統(tǒng)的優(yōu)點

(1)進行了分布式采集數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，增長了數(shù)據(jù)的傳輸距離，同時降低了電纜損耗。

(2)數(shù)據(jù)排查故障容易，可以逐級排查。

(3)最下層采用串口通信方式，相較于采用CAN網(wǎng)通信，可以降低通信成本。

(4)通信方式采用問答式機制可以降低錯包概率，減緩并行數(shù)據(jù)量。

(5)以太網(wǎng)、CAN網(wǎng)通信均采用冗余機制，通信安全可靠。

(6)以太網(wǎng)采用UDP自定義協(xié)議通信，數(shù)據(jù)傳輸效率高。

4 結(jié)論

(1)該系統(tǒng)針對混合式的船舶配電網(wǎng)絡(luò)提出了一種分布式采集數(shù)據(jù)的配電監(jiān)控方法。該方法采用多種通信方式，將CAN通信、Modbus-RTU串口通信、以太網(wǎng)通信集成于該系統(tǒng)，為大數(shù)據(jù)量的配電監(jiān)控系統(tǒng)提供一種有效的數(shù)據(jù)傳輸方法。

(2)此方法具有冗余機制，極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。同時，由于數(shù)據(jù)采用分布式采集，不但減小了數(shù)據(jù)傳輸糾錯的難度，也為布線節(jié)省了成本和空間。