數(shù)據(jù)交換技術(shù)在船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究＊

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)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(duì)整個(gè)船舶電網(wǎng)實(shí)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(jì)性的重要保障，同時(shí)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(lái)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(shí)時(shí)性和可靠性，是船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨的重要問(wèn)題［6］。模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)能夠提升監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性及擴(kuò)展性，是當(dāng)今工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)，其功能模塊數(shù)量多，為保證監(jiān)控的實(shí)時(shí)性，因此需要重點(diǎn)考慮各功能模塊之間的實(shí)時(shí)同步數(shù)據(jù)交換以及通信能力等問(wèn)題。本文介紹了一種實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)，使其具備較高的可靠性及良好的可擴(kuò)展性，又能保證電網(wǎng)參數(shù)監(jiān)控的實(shí)時(shí)性，為大型船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)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(dú)立的CPU，每個(gè)模塊都可視為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的嵌入式系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)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(jī)只作為顯示和操作終端，對(duì)最終的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(qiáng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力和高速響應(yīng)性能。其中的監(jiān)測(cè)功能模塊以同步并行的方式進(jìn)行工作，確保數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性。由于主要的監(jiān)控功能由相對(duì)獨(dú)立的嵌入式模塊相互協(xié)作共同完成，因此即使某個(gè)或少數(shù)幾個(gè)監(jiān)控功能模塊發(fā)生故障也不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)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(jí)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(chǎng)監(jiān)控模塊構(gòu)成二級(jí)網(wǎng)絡(luò)。二級(jí)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)通信控制模塊接入一級(jí)網(wǎng)絡(luò)，因此，二級(jí)網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于一級(jí)網(wǎng)絡(luò)某節(jié)點(diǎn)下的一個(gè)子網(wǎng)。一級(jí)網(wǎng)絡(luò)主要完成定時(shí)錄波功能，二級(jí)網(wǎng)絡(luò)主要完成實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，一級(jí)網(wǎng)絡(luò)之間的通信與二級(jí)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)獨(dú)立。

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

一級(jí)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(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸速率高，并可以實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，因而一級(jí)網(wǎng)絡(luò)可以方便地進(jìn)行擴(kuò)展。上位機(jī)通過(guò)RS232／RS422模塊接入一級(jí)網(wǎng)絡(luò)，作為一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的主站節(jié)點(diǎn)。

二級(jí)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(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)主板接口，因此二級(jí)網(wǎng)絡(luò)中的所有模塊都可設(shè)計(jì)成具有ISA 接口的插件板，并通過(guò)工控機(jī)主板的ISA 插槽集成安裝。所以，二級(jí)網(wǎng)絡(luò)可以采用多臺(tái)工控機(jī)箱的方式實(shí)現(xiàn)硬件集成，特別適合監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)量大的應(yīng)用場(chǎng)合。需要說(shuō)明的是，二級(jí)網(wǎng)絡(luò)的通信控制模塊配置了RS422接口，通過(guò)雙絞線與一級(jí)網(wǎng)絡(luò)相連。通信控制模塊的地位類(lèi)似網(wǎng)關(guān)，是一級(jí)網(wǎng)絡(luò)與二級(jí)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(diǎn)的電壓、電流、相角測(cè)量以及功率計(jì)算，各配電板斷路器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制，發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和輸出電壓電流功率測(cè)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(cè)量及調(diào)節(jié)控制，用電設(shè)備功率、運(yùn)行狀態(tài)測(cè)量及相關(guān)控制等，以及部分電氣參數(shù)的定時(shí)波形記錄。上述監(jiān)控任務(wù)主要分成兩類(lèi)：一是周期性的任務(wù)，包括電氣參數(shù)采樣、實(shí)時(shí)功率計(jì)算、各監(jiān)控模塊之間數(shù)據(jù)交換以及上位機(jī)顯示數(shù)據(jù)刷新等；二是非周期性任務(wù)，主要有開(kāi)關(guān)量輸出控制和定時(shí)錄波等。

如前文所述，監(jiān)控系統(tǒng)的每個(gè)功能模塊均具有獨(dú)立的CPU，主要是高速DSP 芯片TMS320F206，具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力，所以從模擬信號(hào)采樣到數(shù)字結(jié)果生成能在很短的時(shí)間內(nèi)（10-6s數(shù)量級(jí)）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(cè)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(shí)時(shí)性，船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用了文獻(xiàn)［9］介紹的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步交換技術(shù)，給每個(gè)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(shí)現(xiàn)如下。

3.1 周期性數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)任務(wù)

在二級(jí)網(wǎng)絡(luò)各監(jiān)控功能模塊上設(shè)計(jì)了地址邏輯控制電路，賦予每個(gè)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(guò)改變跳線方式來(lái)改變模塊的硬件地址。二級(jí)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(shí)時(shí)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(duì)監(jiān)控功能模塊的尋址實(shí)際上是對(duì)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(gè)內(nèi)存塊的地址是不連續(xù)的。總線控制模塊負(fù)責(zé)ISA 總線上所有的數(shù)據(jù)交換任務(wù)，具有唯一的和絕對(duì)的ISA 總線控制權(quán)。在總線控制模塊看來(lái)，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(duì)ISA 總線上的所有內(nèi)存單元進(jìn)行尋址和讀寫(xiě)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(cè)工作流程如下：

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

接收到觸發(fā)信號(hào)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(hào)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(xiě)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(bào)文，則按命令要求尋址二級(jí)網(wǎng)絡(luò)上相應(yīng)的監(jiān)控模塊轉(zhuǎn)發(fā)命令報(bào)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(cè)數(shù)據(jù)接收緩存區(qū)，確保上位機(jī)隨時(shí)能讀取到最新的實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)。需要說(shuō)明的是，總線控制模塊對(duì)讀取的數(shù)據(jù)塊基本不做處理，僅是將其進(jìn)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(biāo)志字節(jié)，以保證不會(huì)把舊的數(shù)據(jù)塊誤認(rèn)為新的數(shù)據(jù)塊。當(dāng)二級(jí)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控模塊增加，需要增加新的工控機(jī)箱時(shí)，可以采用文獻(xiàn)［10］提出的內(nèi)存映射方法實(shí)現(xiàn)對(duì)新工控機(jī)箱內(nèi)各模塊的尋址。

上位機(jī)周期性地向通信控制模塊發(fā)送查詢(xún)命令，通信控制模塊接收到查詢(xún)命令后將其雙口RAM 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)緩存區(qū)的數(shù)據(jù)塊上傳給上位機(jī)，在上位機(jī)主界面上顯示。上位機(jī)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)之外，船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的另一個(gè)重要功能為定時(shí)錄波，可完成電網(wǎng)頻率、電壓、電流、相角、有功功率、無(wú)功功率、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速以及主要負(fù)載運(yùn)行參數(shù)等的波形記錄。這一功能由一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的錄波模塊完成，記錄波形時(shí)間為20s，采樣頻率為2kHz。每個(gè)錄波模塊可同時(shí)完成8路電氣參數(shù)的波形記錄，為實(shí)時(shí)存儲(chǔ)大量的錄波數(shù)據(jù)，錄波模塊采用大容量的高速讀寫(xiě)CF 卡作為外部存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)錄波數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。錄波完成后，由上位機(jī)向各錄波模塊發(fā)送錄波查詢(xún)命令，依次讀取波形數(shù)據(jù)，繪制波形曲線。錄波的起動(dòng)方式可設(shè)置為自動(dòng)或者手動(dòng)，記錄的波形將為船舶電網(wǎng)的動(dòng)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(jí)網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)關(guān)量輸出模塊完成。上位機(jī)通過(guò)一級(jí)網(wǎng)絡(luò)向通信控制模塊發(fā)出開(kāi)關(guān)控制命令報(bào)文，總線控制模塊從通信控制模塊獲取該命令后，尋址二級(jí)網(wǎng)絡(luò)上的開(kāi)關(guān)量輸出模塊，并將命令寫(xiě)入該插件的雙口RAM 的命令緩存區(qū)，開(kāi)關(guān)量輸出模塊讀取命令，按要求輸出開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（主要是斷路器）動(dòng)作。在上位機(jī)下達(dá)控制命令報(bào)文之前，先啟動(dòng)錄波，然后發(fā)出控制命令，錄波模塊可實(shí)時(shí)記錄斷路器動(dòng)作前后電網(wǎng)各參數(shù)的變化過(guò)程，最后由上位機(jī)讀取錄波數(shù)據(jù)、繪制波形曲線，對(duì)電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行分析。

4 實(shí)時(shí)通信設(shè)計(jì)

船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的一級(jí)網(wǎng)絡(luò)采用主從式多機(jī)通信，上位機(jī)為主機(jī)，一級(jí)網(wǎng)絡(luò)各模塊為從機(jī)。通信方式為問(wèn)答式，主機(jī)向所有從機(jī)發(fā)送命令報(bào)文，各從機(jī)收到命令后進(jìn)行命令校驗(yàn)，如果是發(fā)給自己的命令則向主機(jī)回送響應(yīng)報(bào)文，如果不是則不作響應(yīng)。各從機(jī)的獨(dú)立CPU 均為T(mén)I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(jī)通信，通信接口芯片則采用MAX1490。

二級(jí)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)通信控制模塊接入一級(jí)網(wǎng)絡(luò)，與上位機(jī)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。由于二級(jí)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(dá)16Mbit／s，所以監(jiān)控系統(tǒng)的整體通信速率主要由一級(jí)網(wǎng)絡(luò)決定。一級(jí)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(dá)到10Mbit／s，可以滿(mǎn)足系統(tǒng)通信的實(shí)時(shí)性要求。一級(jí)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(gè)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(shuō)明了數(shù)據(jù)幀的來(lái)源與去向，報(bào)文類(lèi)型字節(jié)作為判斷不同命令類(lèi)型的依據(jù)，考慮到通信的實(shí)時(shí)性與通信軟件設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)便性，數(shù)據(jù)校驗(yàn)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(jī)的命令報(bào)文主要分為狀態(tài)查詢(xún)命令、控制命令、啟動(dòng)錄波命令和波形查詢(xún)命令四類(lèi)。

5 監(jiān)控可靠性設(shè)計(jì)

如前文所述，二級(jí)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(cè)的主要對(duì)象是各模塊的雙口RAM。檢測(cè)由總線控制模塊完成，采用模式校驗(yàn)法。在每一個(gè)工作節(jié)拍下，總線控制模塊將一個(gè)固定數(shù)據(jù)塊寫(xiě)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(gè)雙口RAM 的狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果作為一個(gè)獨(dú)立的子數(shù)據(jù)塊保存在總線控制模塊中，供上位機(jī)查詢(xún)。二級(jí)網(wǎng)絡(luò)的同步觸發(fā)脈沖也受到檢測(cè)，一旦無(wú)同步觸發(fā)脈沖，則由開(kāi)關(guān)量輸出模塊動(dòng)作，點(diǎn)亮失步告警指示燈。一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的各錄波模塊均配備工作狀態(tài)指示燈，當(dāng)錄波模塊出現(xiàn)故障時(shí)，告警指示燈閃爍，此時(shí)可更換備用的錄波模塊。

圖3 通信流程

6 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)用三相調(diào)壓器和可調(diào)電阻器組成測(cè)試電路，對(duì)船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的五組數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(duì)誤差在0.05%以?xún)?nèi)），有功功率真值為直接運(yùn)算所得，頻率真值由數(shù)字示波器測(cè)得。監(jiān)控平臺(tái)的采樣結(jié)果為測(cè)量值，其中電壓電流測(cè)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(cè)量誤差小于0.6%，電流有效值的最大測(cè)量誤差小于0.4%，有功功率的最大測(cè)量誤差小于0.8%，頻率測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)99.94%，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步交換技術(shù)船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)大型船舶電網(wǎng)電氣參數(shù)的實(shí)時(shí)同步監(jiān)測(cè)。監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，具備較高的可靠性和良好的可擴(kuò)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(xiě)觸發(fā)機(jī)制和統(tǒng)一的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步交換，保證了監(jiān)控的實(shí)時(shí)性。本技術(shù)方案通用性較好，可適用于船舶機(jī)艙監(jiān)控以及其它工業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控場(chǎng)合，具有一定的應(yīng)用前景。

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