基于CAN總線的船舶電站模擬器的實(shí)現(xiàn)

王愛軍 吳 煒

（南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機(jī)工程系，江蘇南通 22610）

船舶電站模擬器是輪機(jī)模擬器的一個(gè)重要組成部分，是培訓(xùn)船員必不可少的設(shè)備。船舶電站模擬器的實(shí)現(xiàn)有三種方式。一是實(shí)物模擬，所有的組件都與實(shí)際的船舶電站一致，只是運(yùn)行環(huán)境在實(shí)驗(yàn)室而不是在真實(shí)的船舶上。南通航運(yùn)學(xué)院已建成的，由中央財(cái)政資助的自動(dòng)化模擬機(jī)艙實(shí)訓(xùn)室里就包括這種模擬電站。它的優(yōu)點(diǎn)是操作和特性接近真實(shí)電站，能夠使學(xué)員有非常直觀的印象。缺點(diǎn)是訓(xùn)練成本太高，效率低，且故障設(shè)置這樣的項(xiàng)目不好訓(xùn)練。二是純軟件模擬，整個(gè)船舶電站都虛擬到計(jì)算機(jī)上，利用圖形界面進(jìn)行操作。這種模擬器的優(yōu)點(diǎn)是不受時(shí)間和地點(diǎn)限制，一次開發(fā)，無限次使用，沒有硬件損耗的問題。缺點(diǎn)是圖形界面操作與實(shí)際操作畢竟存在差異，訓(xùn)練效果要打折扣。三是半實(shí)物模擬，其操作界面基本與實(shí)物一致，但是發(fā)電機(jī)組、電網(wǎng)、主開關(guān)等都通過計(jì)算機(jī)軟件來仿真。這種方式兼有上面兩種模擬器的優(yōu)點(diǎn)，訓(xùn)練效果較好，大多數(shù)的航海院校和船員培訓(xùn)機(jī)構(gòu)都采用這種模擬器。本文設(shè)計(jì)的船舶電站模擬器就采用這種方式。

1 船舶電站模擬器的結(jié)構(gòu)

船舶電站模擬器使用的目的是為了訓(xùn)練船員的操作技能、分析和查找故障的能力，因此設(shè)計(jì)時(shí)使模擬器的操作界面與真實(shí)船舶電站基本一致。本模擬器以實(shí)船上的具有三臺發(fā)電機(jī)組的電站為仿真原型，針對教學(xué)和仿真訓(xùn)練的需要對界面做了一定的簡化設(shè)計(jì)。

該船舶電站的操作界面包括：發(fā)電機(jī)機(jī)旁控制箱三個(gè)、主配電板一塊、應(yīng)急配電板一塊、岸電箱一個(gè)。主配電板包括三個(gè)發(fā)電機(jī)控制屏、一個(gè)并車屏、一個(gè)380V負(fù)載屏、一個(gè)220V負(fù)載屏。應(yīng)急配電板包括一個(gè)應(yīng)急發(fā)電機(jī)控制屏和一個(gè)應(yīng)急負(fù)載屏。三臺發(fā)電機(jī)的運(yùn)行和負(fù)載操作由計(jì)算機(jī)圖形界面來模擬。其中主配電板是船舶電站最關(guān)鍵的部分，其界面如圖1所示。

圖1 船舶主配電板界面

船舶電站模擬器主要實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)，手動(dòng)合閘供電。（2）發(fā)電機(jī)調(diào)壓、調(diào)頻特性和負(fù)荷分配特性測試。（3）發(fā)電機(jī)的手動(dòng)并車、解列操作。（4）發(fā)電機(jī)保護(hù)功能。（5）電站自動(dòng)化功能。（6）應(yīng)急發(fā)電機(jī)手動(dòng)和自動(dòng)控制功能。（7）岸電接入操作。（8）能夠逼真地模擬故障工況。

模擬器設(shè)計(jì)中的一個(gè)技術(shù)難題是操作界面與仿真計(jì)算機(jī)的通信問題。以往類似系統(tǒng)經(jīng)常采用RS485總線，但是485總線通信只能以主從方式通信，靈活性較差，因此采用實(shí)時(shí)性、靈活性、可靠性更高的CAN現(xiàn)場總線。CAN總線是一種性能優(yōu)異的現(xiàn)場總線，具有以下特點(diǎn)：（1）采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)能夠得到實(shí)時(shí)傳輸。（2）采用差分傳輸，抗干擾能力強(qiáng)。（3）通信方式靈活，可以實(shí)現(xiàn)主從式通信，也可以實(shí)現(xiàn)多主通信。

基于CAN總線的船舶電站模擬器結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)由兩部分組成，一是PC上位機(jī)，二是由ARM單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的CAN智能節(jié)點(diǎn)。上位機(jī)和各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過CAN總線進(jìn)行通信。

圖2 基于CAN總線的船舶電站模擬器結(jié)構(gòu)框圖

各個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)與船舶電站的操作界面連接，操作人員對開關(guān)、按鈕和電位器的操作以開關(guān)量或模擬量的方式由CAN節(jié)點(diǎn)讀入，經(jīng)過處理后通過CAN總線發(fā)給PC上位機(jī)。上位機(jī)仿真模塊根據(jù)操作信號，計(jì)算后得到新的輸出，又以開關(guān)量和模擬量的形式發(fā)給對應(yīng)的CAN節(jié)點(diǎn)。CAN節(jié)點(diǎn)根據(jù)這些信號改變指示燈狀態(tài)和儀表的讀數(shù)。訓(xùn)練人員對模擬器操作后所見到的過程和現(xiàn)象與實(shí)際電站的特性基本保持一致，這樣就能夠讓訓(xùn)練人員迅速地掌握船舶電站操作方法和工作特性。

2 CAN智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

基于ARM單片機(jī)的CAN總線智能節(jié)點(diǎn)遵從圖3所示的結(jié)構(gòu)。

圖3 CAN智能節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)

2.1 CAN智能節(jié)點(diǎn)的硬件實(shí)現(xiàn)

智能節(jié)點(diǎn)的主控制器選用意法半導(dǎo)體基于ARM Cortex－M3內(nèi)核的STM32F103ZE微處理器。該處理器具有128KB可編程可擦除的FLASH程序存儲器，20KB的內(nèi)部SRAM，多達(dá)112個(gè)可編程的IO口，3通道ADC和2通道DAC，同時(shí)含有CAN2.0B協(xié)議控制單元，最大程度滿足了智能節(jié)點(diǎn)的要求，使得外圍電路設(shè)計(jì)大為簡單。

由于ARM單片機(jī)含有CAN協(xié)議控制器，所以在設(shè)計(jì)CAN接口時(shí)，只需要選擇CAN總線驅(qū)動(dòng)器。這里選用Philips半導(dǎo)體公司的PCA82C250。

具體功能單元包括4種：DI（數(shù)字量輸入）、DO（數(shù)字量輸出）、AI（模擬量輸入）、AO（模擬量輸出）。DI、DO采用單片機(jī)的IO口實(shí)現(xiàn)。為了提高節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，可以采用光電耦合器將外部輸入輸出開關(guān)量與單片機(jī)的IO口隔離。AI使用單片機(jī)的ADC通道。AO使用單片機(jī)的DAC通道，有些節(jié)點(diǎn)含有較多的模擬量輸出通道時(shí)（比如發(fā)電機(jī)控制屏上有電壓表、電流表、頻率表和功率因素表，需要4個(gè)AO點(diǎn)），可以通過SPI通信口擴(kuò)展更多的DAC通道。主配電板上發(fā)電機(jī)機(jī)控制屏內(nèi)部CAN節(jié)點(diǎn)的硬件框圖如圖4所示。其它CAN節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)與此類似。

圖4 發(fā)電機(jī)控制屏CAN節(jié)點(diǎn)硬件框圖

2.2 CAN智能節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

智能節(jié)點(diǎn)軟件采用模塊化編程方法，主要由以下模塊組成：主控制器初始化模塊、CAN基本通信模塊、CAN應(yīng)用層協(xié)議模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。

主控制器初始化模塊完成單片機(jī)內(nèi)部和外圍相關(guān)部件的初始化工作，包括時(shí)鐘設(shè)置、中斷配置、IO口的配置、ADC和DAC通道的初始化、CAN控制器的配置。CAN基本通信模塊負(fù)責(zé)CAN報(bào)文的接收和發(fā)送。CAN應(yīng)用層協(xié)議模塊完成CAN報(bào)文的組裝和解析。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)檢測操作人員的動(dòng)作，數(shù)據(jù)處理模塊用于處理上位機(jī)發(fā)來的命令和相關(guān)數(shù)據(jù)。智能節(jié)點(diǎn)的程序流程圖如圖5所示。

圖5 CAN節(jié)點(diǎn)程序流程圖

3 PC上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)硬件接口卡的設(shè)計(jì)

PC機(jī)通過CAN適配卡與CAN總線相連，為了簡化硬件設(shè)計(jì)，采用致遠(yuǎn)電子公司生產(chǎn)的USB－CAN II總線適配卡。它采用USB接口，實(shí)現(xiàn)了CAN2.0B協(xié)議，能夠讓計(jì)算機(jī)方便連接到CAN總線上。該接口卡提供強(qiáng)大的軟件支持，包括驅(qū)動(dòng)程序、測試工具、應(yīng)用例程，并且支持高層應(yīng)用層協(xié)議，可以大大簡化上位機(jī)的編程工作。

3.2 上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

電站模擬器的關(guān)鍵在于上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)，上位機(jī)軟件由電站監(jiān)控主程序、電站仿真模塊、CAN總線通信模塊組成。電站監(jiān)控主程序?qū)崿F(xiàn)電力系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測、故障設(shè)置、負(fù)載模擬等功能。參數(shù)監(jiān)測部分可以實(shí)時(shí)監(jiān)控各臺發(fā)電機(jī)組的工作參數(shù)，并對電網(wǎng)電壓、電流、功率、頻率等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。一旦有參數(shù)越限或發(fā)生異常，則出現(xiàn)警報(bào)，并同時(shí)顯示正常參數(shù)和當(dāng)前值。故障設(shè)置部分以系統(tǒng)流程圖的形式出現(xiàn)，如圖6所示，這樣可以直觀地進(jìn)行故障設(shè)置。例如設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組滑油低壓的故障時(shí)，可以調(diào)出柴油機(jī)系統(tǒng)圖，用關(guān)閉滑油管路的方法設(shè)置故障，這種方式非常直觀，事實(shí)證明教學(xué)效果也比較好。負(fù)載模擬部分除了模擬常規(guī)的照明負(fù)載、電力拖動(dòng)負(fù)載，還可以對發(fā)電機(jī)進(jìn)行突加、突卸負(fù)載的模擬，以測試發(fā)電機(jī)的工作特性。

圖6 發(fā)電用柴油機(jī)系統(tǒng)圖

電站仿真模塊是電站模擬器的核心，主要包括柴油發(fā)電機(jī)組模型、配電系統(tǒng)模型、發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行模型、電站自動(dòng)控制模型和負(fù)載模型，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 船舶電站仿真模塊框圖

柴油發(fā)電機(jī)組模型主要實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)起動(dòng)和停止邏輯條件的檢測、柴油機(jī)調(diào)速閉環(huán)系統(tǒng)以及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)和電壓控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)算。配電系統(tǒng)模型主要是對主開關(guān)的工作和保護(hù)特性進(jìn)行仿真。發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行模型用來檢測兩臺發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的條件，計(jì)算兩臺機(jī)組的相位差和頻率差，在并車成功后，用來進(jìn)行功率的一次分配運(yùn)算。電站自動(dòng)控制模型是在電站處于自動(dòng)模式時(shí)，根據(jù)電網(wǎng)的功率使用情況、各發(fā)電機(jī)的工況，進(jìn)行備用機(jī)組的自動(dòng)起停、自動(dòng)并車、自動(dòng)解列，并控制功率的自動(dòng)轉(zhuǎn)移和分配。負(fù)載模型主要是指電力拖動(dòng)系統(tǒng)模型，仿真各種類型的負(fù)載在起動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)等工況中功率變化的規(guī)律。

CAN總線通信模塊用來和所有的CAN智能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。利用CAN適配卡提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫，調(diào)用相關(guān)函數(shù)，即可以完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

4 結(jié) 語

開發(fā)和研制電站模擬器，總體方案的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。本模擬器采用CAN總線連接仿真計(jì)算機(jī)和船舶電站各操作節(jié)點(diǎn)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高。硬件上由于CAN總線技術(shù)有國際上統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，其接口板采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)，集成度高，有可靠的CAN應(yīng)用層協(xié)議，因此硬件的設(shè)計(jì)和調(diào)試比較容易。（2）研制周期短，成本低。ARM單片機(jī)作為CAN智能節(jié)點(diǎn)的主控制器，外圍接口非常豐富，使系統(tǒng)所需節(jié)點(diǎn)數(shù)大大減少。該設(shè)計(jì)方案對于同類型的仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有較好的借鑒意義。

1 鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999.

2 施偉鋒等.船舶自動(dòng)化電站系統(tǒng)仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2003，15（9）：1249－1252.

3 夏永明等.基于CAN總線和分布式結(jié)構(gòu)的船舶電站多種發(fā)電方式仿真［J］，上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，30（1）：10－15.