基于CAN總線的船舶電站監控系統及數據融合路徑

張家洪

（中港疏浚有限公司，上海 201900）

船舶電站能夠實現機械能與電能之間的轉化，同時更好地監控、分配、測量和保護船舶。目前船舶電站監控系統存在幾個問題：

（1）靈活性不足，尤其是控制儀表、通信等功能，使用復雜、效率較低；

（2）船舶電站各機組的綜合利用率相對較低，增加了能源消耗，安全系數不高；

（3）當前的技術電流檢測儀靈敏度不高，造成檢測數據與實際情況存在較大誤差；

（4）無法將檢測到的電流、電壓、溫度、短路狀態等信息及時轉變為量化信號，不能進行無噪聲的收集，對儲存數據信息以及交換機處理存在消極影響；

（5）目前仍無法正常反映檢測信息，數據讀取無法快速、全面進行，工作效率較低。

為了解決船舶電站監控系統存在的問題，本文采用基于CAN總線的船舶電站監控系統融合數據，提升機組的綜合利用率和系統的安全運行能力，節約船舶的運行成本[1]。

1 基于CAN總線技術進行船舶電站監控系統結構設計

舶電站監控系統結構如圖1所示。

圖1 基于CAN總線技術的舶電站監控系統結構

提前連接主控模塊、電壓檢測模塊以及電流檢測模塊，利用單片機對上述模塊進行控制。

檢測模塊主要對有關數據信息進行檢測，包括船舶電站電壓、電流、短路狀況、溫度等；通信模塊在CAN的作用下使電站儀表實現通信；管理模塊使各機組設備能夠有效工作；數據存儲模塊對檢測模塊所檢測到的有關數據通過存儲器進行存儲；顯示模塊將檢測到的各種數據信息及時在顯示器上進行反映。

管理模塊共有4個部分，包括接口模塊、隊列管理模塊、在線千瓦時模塊、并車模塊。接口模塊用于與外部設備連接，如果電站監控系統和外部連接，即為虛擬設備；隊列管理模塊用于提供功率信息，以隊列方式對各種程序進行管理；在線千瓦時模塊對各隊列的權值、需求進行計算，以便隊列模式能夠高效運行；并車模塊可以進行負荷分配、啟動機組順序以及自動并車。

2 通信模塊通信方法

船舶電站所有儀表的通信均利用優化的CAN協議進行，通過重新定義應用層協議中的標識符實現CAN協議的優化。

CAN2.0B有兩種應用層協議，一種是標準格式，另一種是擴展格式兩種數據幀：

（1）標準格式。

標準格式數據幀仲裁場共包括RTR以及11位標識符，IDE、R0、DLC位組成了控制場；SRR、IDE、RTR和29位標識符共同組成了擴展格式數據幀仲裁場，控制場由R1、R0、DLC組成。

（2）擴展格式。

擴展格式數據幀仲裁場標識符具有多種功能，4位功能碼對報文的優先級進行規定；在4位組號中有用于網絡全局廣播的1組中組號，共15組中組號；原地址碼和目的地址碼分別占8位，儀表的唯一地址由16位地址碼對應；4位數據用于對傳輸的數據類型進行定義；1位多幀標識，如果數據傳輸顯示大于8個字節，需要多幀進行，此時多幀標識位是1，如果小于8個字節，則顯示為0。

3 數據融合技術的基本原理

數據融合技術是一種可以實現多源信息融合處理的新型技術。該技術最早應用于20世紀70年代初的美國國防部聲吶信號處理系統，經過不斷發展，該技術已推廣至軍事、工業、金融及空中交通管制等多個重要領域。數據融合涉及不同層次、不同方面的數據處理，通過對多元數據進行檢測、讀取、判斷、組合，科學分析其狀態及身份，對獲取的數據進行全面、合理的態勢評估和威脅評估。

船舶電站控制系統中會不同限度存在部分諧波，會對電站的正常運行造成一定影響，因此在利用傳感器測量時，會摻雜部分測量噪聲，造成傳感器獲得的信息與實際數據存在誤差，同時也會降低電站系統的安全可靠性。

對此，數據融合技術采用多傳感器并行處理的方式，即根據傳感器冗余，最大限度降低測量噪聲對數據的影響。通常情況下，冗余數據融合的方法主要有加權平均法、卡爾曼濾波法、貝葉斯估計法等。

4 船舶電站監控系統中數據融合技術的應用

外部存在干擾源的情況下，如電磁諧波，通過檢測模塊對船舶電站監控系統中的相關數據進行檢測，得到的參數可能存在偏差，不利于進行精準監控。數據融合技術具有科學性和先進性，傳感器能夠得到充分利用，可以將檢測到的數據進行融合處理，減小數據誤差，使系統更準確[2]。

4.1 船舶電站監控系統的現狀

為了實現船舶自動化，需要先實現船舶電站自動化，反映船舶的自動化程度。船舶電站的監控技術與機艙的控制技術存在較多共同點，二者都是在充分利用通信技術、微處理技術、控制技術的基礎上，進一步優化完善。現階段，該技術仍存在兩個突出缺點：

（1）DCS利用的通信網絡是非標準的，網絡在進行制定時，不同公司所采取的標準不同，導致該系統具有一定封閉性，不能進行開放互連。

（2）主從式的DCS網絡包括操作站、控制站、現場儀表三層結構模式；為了保證正常運行需要花費更多的資金，如果網絡系統出現故障，會直接導致控制系統停止運轉。

基于DCS系統以上兩方面的顯著缺點，對CAN等現場總線技術不斷進行完善，嘗試在傳統的船舶電站監控系統中融入現場總線技術，構建以現場總線技術為重心的現場總線船舶電站監控系統。

4.2 基于CAN的現場總線控制系統FCS

（1）CAN現場總線協議的特點。

①應用主結構網絡，區別于常用的主從網絡形式；

②適宜用不同類型的微控制器連接；

③應用無損結構的逐位仲裁，實現總線的優先權訪問；

④遇到故障時，自身的處理能力較強，如果出現故障，能夠自動脫離總線；

⑤短幀結構更穩定，針對網絡干擾的保護能力更強。

（2）基于CAN現場總線的FCS的特點。

①與傳統技術相比，該系統為“工作站現場總線-智能現場設備”模式，只需要兩層設備進行功能轉換，而傳統系統中至少需要三層設備才能完成功能的發揮；

②開放式現場總線采用標準通信網絡，能夠實現多種廠商、多種網絡的匹配、融合及數據處理；

③與DCS網絡相比，FCS大幅度減少了專用I/O裝置的使用，同時控制站的多種功能都可以通過現場設備實現，控制功能的分散性明顯提升了網絡系統的安全性，防止一種功能故障影響系統整體的運行；

④能夠及時監測并排除FCS現場設備的部分故障，提高網絡系統的自檢能力；

⑤發生故障時，相關節點能夠自動脫離總線，避免某一節點故障導致系統癱瘓。

4.3 組建基于CAN的現場總線船舶電站監控系統

該系統網絡通信利用CAN現場總線，并采用雙絞線作為通信線。對船舶的運行條件進行估算后，通信速率確定為250 kbps（270 m）。通信網絡在此速率條件下，優勢較為明顯。測量箱節點、電站控制管理以及微機控制節點共同組成系統。管理模塊的運行通過電站控制微機完成管理，SJ1000控制器均被應用在測控節點、測控節點通信CAN適配卡以及CAN通信適配卡中，控制器接口微處理器被應用在芯片80C250CAN上[3]。

為了將網絡數據傳送到計算機應用程序中，必須應用CAN適配卡，改卡選取雙口RAM，主要作用是保護中央處理器和微處理器，進行數據的讀寫與存儲。為進一步提高網絡通信的實時性，CAN通信網絡選用優先級最高的外部中斷。該系統在定時中斷發送的過程中，誘導幀進行誘導，并開始計數，為了避免數據出現發送死循環，最終出現沒法正常退出的情況，需要在發送號數后及時中斷發送。

誘導幀動作也會占用總線時間，因此在系統中盡可能詳細輸入故障檢測信息，系統自檢時能夠及時檢測出相關故障，一方面可以節省數據傳輸的時間，另一方面便于技術人員及時進行故障處理。

5 結語

文章引入基于CAN總線技術設計的船舶電站監控系統，對該系統如何進行數據融合進行總結，通過監控系統對收集的各種數據信息進行量化，在數據完成儲存、轉換的同時，增強系統數據信息自身的抗干擾和無噪聲積累能力。分析數據融合技術的基本原理后，結合數據顯示、故障自檢等功能，便于對檢測數據的合理掌握，明顯提高了船舶電站監控系統的工作效率。