基于分布式采集技術的船舶配電監控系統

包 斌

(南京市板橋汽渡管理處,江蘇 南京 210039)

0 引言

隨著船舶行業的發展，船體規模總體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形供電，局部采用區域供電，區域配電呈現輻射形結構。船舶規模的擴大伴隨著船舶設備的增多，對船舶設備的配電參數進行監控已成為當下確保船舶電氣設備運行可靠的重要手段之一。船舶規模大、鋼板多、布線距離過長，勢必會影響數據傳輸的可靠性。同時，船舶規模大也可能造成船舶需要監控的數據變多，數據傳輸過程中的錯包、丟包數也會明顯增多。

近年來，研究配電監控的文獻很多。文獻[1]提出了一種船舶環形區域配電系統，能夠顯著提高艦船電力系統的生命力及可靠性。文獻[2]論述了一種基于Modbus-TCP以太網協議和Modbus-RTU串口協議的船舶配電監控系統，其系統安全性好、實時性高。文獻[3-4]針對船舶區域配電監控系統，采用了CAN通信作為主要的數據傳輸方式，其數據傳輸距離長、可靠性高。文獻[5]提出了一種分布式采集數據和管理數據的方法，提高了數據利用率，同時避免了數據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。

本文針對區域配電系統提出一種基于分布式采集技術的配電監控方法。首先對船舶電網結構進行闡述，其次進一步論述分布式采集技術的通信方式以及數據傳輸的有效性和合理性。

1 船舶電網結構

船舶電力系統包括發電機、負荷、變壓器、斷路器、主配電板、區域配電板、電纜等。就整船而言，現代大型船舶呈現環網結構；而區域配電板及以下設備，則呈現輻射狀結構。這種混合式的船舶電網結構示意圖如圖1所示。

S1～S16—開關；G1～G4—發電機

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 分布式數據采集

對于采用上述混合式船舶電網結構的艦船，其艙室眾多、船體規模大。若直接將位于負載處的傳感器所采集的數據上傳至電力監控臺，勢必走線過長、耗費電纜；不僅走線困難，若數據傳輸有誤、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據的通信方式。

圖2 分布式采集數據的通信方式架構圖

整個分布式采集控制系統大體由傳感器、分控制器、串口轉CAN卡、集中管理模塊、中繼、主控制器和電力監控臺構成。

分控制器安置于各區域配電板處，接入區域配電板的負載安置對應傳感器。各傳感器采集數據后通過Modbus-RTU串口協議將數據傳輸至對應分控制器。

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

各區域配電板分布于艦船不同位置，某些區域配電板距離主配電板距離較遠。CAN網絡傳輸速率與傳輸距離的關系見表1。

表1 CAN網絡傳輸速率與傳輸距離之間的關系

若數據直接由集中管理模塊上傳至CAN總線，由于數據傳輸距離較長，可能會由于信號微弱而導致數據包丟失，也可能導致數據傳輸緩慢，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據傳輸采用雙冗余CAN網，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網切換，以提高CAN數據傳輸的可靠性。

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

3 分布式采集數據系統性能

3.1 基于分布式采集配電監控系統的相關問題

(1)主控制器接收數據包數據量大時，過快、過慢發送或接收數據都會導致主控制器全線崩潰。過快接收數據，主控制器無法及時處理數據而導致主控制器失靈。過慢接收數據，可能會出現主控制器處于“空置”狀況，即需要接收新數據，老數據卻還沒有傳輸完成；同時，還有可能造成電力監控臺的顯示界面相關斷路器動作顯示遲緩。所以，收發數據的時間間隔需要根據實際情況做出調整。

(2)大型艦船上的數據量大，易出現數據包無序發送、拼接錯亂的問題。為此，針對雙冗余CAN網和Modbus-RTU串口通信環節，可以采用問答式機制，即上一級設備若不向下發送詢問幀也就不會收到下一級設備的回復請求。這將大大減少并行的數據量，也給予了上一級設備處理回復請求的時間。

(3)對于某些船用斷路器的長延時、短延時報警可能會出現誤報警情況，控制器判斷斷路器的長、短延時報警機制應做出相應調整——合理設置觸發報警的延時時間。設定時間過長，報警監測不到而出現漏報警；設定時間過短，報警頻繁出現誤報警。

3.2 分布式采集配電系統的優點

(1)進行了分布式采集數據，提高了數據傳輸的可靠性，增長了數據的傳輸距離，同時降低了電纜損耗。

(2)數據排查故障容易，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，減緩并行數據量。

(5)以太網、CAN網通信均采用冗余機制，通信安全可靠。

(6)以太網采用UDP自定義協議通信，數據傳輸效率高。

4 結論

(1)該系統針對混合式的船舶配電網絡提出了一種分布式采集數據的配電監控方法。該方法采用多種通信方式，將CAN通信、Modbus-RTU串口通信、以太網通信集成于該系統，為大數據量的配電監控系統提供一種有效的數據傳輸方法。

(2)此方法具有冗余機制，極大地提高了數據傳輸的可靠性。同時，由于數據采用分布式采集，不但減小了數據傳輸糾錯的難度，也為布線節省了成本和空間。