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上海交通大学硕士论文 c a n 阿络在船舶电站自动化中的应用研究 c a n 网络在船舶电站自动化中的应用研究 摘要 船舶电站是船舶的重要组成部分。怕站运行的可靠性、经济性对 保证船舶安全、经济航行有重要意义。随着船舶的大型化和自动化， 对船舶电站提出的要求也越来越高，因而船舶电站近二十年来有了很 大的发展。其发展的突出标志是交流化和自动化。 c a n 总线是现场总线的一种，它凭借卓越的特性、极高的可靠性 与独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，越来越受到工控 领域的青睐，是最有前途的现场总线之一。 把c a n 总线应用于船舶自动化已成为船舶控制领域的一种趋势。 本文的内容就是探讨如何把c a n 总线与船舶电站自动化更好地结合 、l ，一一- 、y 一一一 起来，构成较为先进的c a n 网络船舶电站全自动控制系统。) 作者完成 了以下几方面的工作： 介绍了c a n , 于墼垫旦麴垡的优势。 对筮酋皇盐自动化进行了简要介绍。 对当前较为典型的一种c a n 网络船舶电站自动化系统进行了 分析，指出其优劣所在，并在此基础上介绍一种较新的c a n 网络船舶电站全自动控制系统。 对上述全自动系统的发电机模块进行软硬件的开发设计。 在总结与展望部分，归纳了本次设计的得失所在，并介绍一种新 兴的技术趋势。 俺键词： c a n ，船舶，电站，自动化，网络 上海交通大学硕士论文a b s t 卧叶 ar e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t l 0 n0 f c a nn e t w o r klna u t o m a tlo ns y s t e m l np o w e rs t a t l 0 n a b s t r a c t t h e p o w e r s t a t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tu n i t si ns h i p s ，a n di t s r e l i a b i l i t y h a sag r e a ts i g n i f i c a n c et oas a f es a i l i nr e s e n ty e a r s ，t h e t o n n a g e o f s h i p s h a sb e c o m e b i g g e r a n d b i g g e r , a n d t h el e v e lo f a u t o m a t i o ns y s t e mh a sb e e ng r a d u a l l yi m p r o v e d a sar e s u l t ，t h e r ei sa g r e a td e v e l o p m e n t i nt w on c m r so f p o w e rs t a t i o n ，o n ei st h ea p p l i c a t i o n o f a l t e r n a t i n gc u r r e n t ，t h eo t h e r i st h ea u t o m a t i o ns y s t e m b y t h ed e m a n do ft h ed e v e l o p m e n to ft h en e t w o r ki np o w e rs t a t i o n ， c a n m o n i t o r i n ga n d c o n t r o ls y s t e mh a sb e e nb r o u g h tf o r w a r d w i t ht h e o u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c ei nt h r e ea s p e c t s ：r e l i a b i l i t y , m a i n t a i n a b i l i t ya n d r e a l - t i m e ，c a nn e t w o r kh a sp r o v e di t s e l ft h a ti t c a r lb ew e l la p p l i e di n m o n i t o r i n gs y s t e m i np o w e rs t a t i o n o u rw o r ki st om a k ea p e r f e c ta p p l i c a t i o no f c a nb u si ns h i p - c o n t r o l s y s t e m ，a n dp r e s e n ta na d v a n c e da u t o m a t i o ns y s t e mi np o w e r s t a t i o n i t i n c l u d e s ： i n t r o d u c i n gt h ea d v a n t a g eo f t h ea p p l i c a t i o no fc a nn e t w o r ki n s h i p a u t o m a t i o ns y s t e m i l 1 i r 翻厂一一 jl|“1|j|iiii叫ii|i|】illl_t 上海交通大学硕士论文 a b s t 卧c t m a k i n g ab r i e fo na u t o m a t i o n s y s t e m i np o w e rs t a t i o ni nas h i p a n a l y z i n gat y p i c a l c a n m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m a n d i n t r o d u c i n g an e wo n e d e s i g n i n g t h eh a r d w a r eo ft h e g e n e r a t o r m o d u l ea n da l s o i nt h el a s tp a r to ft h ea r t i c l e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed e s i g ng i v e n a b o v ei sp u tf o r w a r d , a n dan e w t h i n k i n go f t h ea p p l i c a t i o no fe t h e r n e ti n s h i p i sp r e s e n t e d k e y w o r d s ：c a n ，s h i p ，p o w e r s t a t i o n ，a u t o m a t i o n ，n e t w o r k | - i i 上海交通大学硕士论文第一章c a n 总线在舰船自动化应用中的优势 第一章c a n 总线在舰船自动化应用中的优势 1 1 c a n 网络舰船应用的提出 控制器局域网( c a n - - c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 又称c a n 网络，最初是德 国b o s c h 公司为其汽车内监测控制系统而设计的，其主要目的是为了解决汽车内 众多电子控制单元( e c u - - e l e c t r o n i cc o n t r o l l e ru n i t ) 之间的数据共享和实 时通信问题。b o s c h 公司在设计过程中，发现通过传统的串行异步通信口 u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r ) 无法实现多e c u s 的数据 共享和通信问题，因为u a r t 仅适合于点对点的通信方式。因此提出了c a n 网络 的设计思想：以简化的网络通信方式实现高速率的信号传送，并着重考虑减少硬 件电路的接线、提高性能价格比和保证在恶劣电磁环境下的数据传输可靠性方面 的要求”。 国外从9 0 年代开始进行c a n 网络舰船应用的研究与开发工作。目前，国外 不少大公司已开发出比较成熟的c a n 网络舰船应用产品并装舰使用，国内如上海 三进公司、上海船研所等一些单位也在进行同类产品的开发。那么，c a n 网络系 统为什么会被国际船舶领域广泛看好昵? 这可以从以下两个方面来说明。 1 1 1c a n 阐络对传统监控系统中通信方式的改进 c a n 网络系统性能的改善主要来源于c a n 网络对目前监控系统中使用的通信 方式作了良好的改进，其特点主要表现在以下几个方面“3 ”： c a n 网络提供点对点、一点对多点( 成组) 及全局广播式三种通信方式， 因此很好地解决了多个微处理器之间的数据通信问题。 c a n 网络不再使用主从命令响应式通信方式，网络中任一节点均可在任 一时刻主动向其他节点发送信息。这一特点使数据传输效率大大提高， 同时也保证了在现场节点出现异常时，系统可及时响应，避免了主从通 信方式中，当主节点繁忙对，数据不能上传的缺陷。另外对于多机备份 系统及分布式监控系统的构造，也提供了方便、灵活的实现方法。 c a n 网络采用带优先级的非破坏性仲裁技术，使系统设计者可根据监控 系统对监测参数的不同要求设计信号传输的优先级( 例如对于主机转速 等重要参数可设置高优先级先传送，对于其他温度、液位等非实时性参 数可设置低优先级) ，从而保证了监控系统的实时性，同时也增强了监 控系统的可移植性。 上海交通太学硕士论文 第一章c a n 总线在舰船自动化应用中的优势 除此之外，c a n 网络在通信速率( 最高设计速率可达1 m b p s 4 0 m ) 、传输 可靠性及网络易实现性三个方面也进行了相应的改进和提高。 应该说，这些改进弥补了目前舰船所存在的不少问题，使c a n 网络倍受 海事界青睐。 1 1 2 c a n 网络标准化协议的优势。 2 1 世纪舰船自动化的发展趋势是网络化、标准化和模块化，因此，目前已颁 布的c a n 国际标准i s 0 1 1 8 9 8 及国际i n t e l 、p h i l i p s 、m o t o r o l a 和s i e m e n s 等生 产商对该协议标准的支持，为c a n 网络标准化、规范化提供了很好的保证，同时 也给予了c a n 网络舰船用户高度的系统集成自主权，用户可以根据系统需要选择 不同厂商所提供的标准化互换设备来集成系统，并且不会出现因某一设备故障而 找不到合适备件更换的情况，这些特点对于舰船自动化系统的设计、使用和维护 都是十分有利的。 正是由于c a n 总线在以上两个方面的优势，使其被广泛应用于船舶控制系统。 1 2 c a n 网络性能评估 决定通信网络特性的主要技术包括有以下三个方面的内容“”“： 用以传输数据的传输介质 用以连接各设备的拓扑结构 用以控制传输的通信协议 从c a n 网络的构造上看，在传输介质和拓扑结构方面与以往舰船设各级曾经 使用过的局域网基本相同，其最大的性能变化在于其通信协议。因此，先对其进 行介绍。 1 2 1 c a n 简化协议层次的选择 作为一种开放型的协议标准，c a n 协议规范的制定以国际标准化组织公布的 o s i 为基础。只是在协议形式( 七层完全型还是简化型) 的选择上考虑了监控系 统应用场合的特殊需要，采用了一种简化型协议结构，即三层结构物理层、 数据链路层和应用层。 简化的结构选择主要基于以下几方面的考虑： 对于面向控制的信息通常十分有限，当要求这种信息必须快速而可靠地 到达目的站时，七层模式使数据转换远远慢于实时操作要求。 2 一一 _ l - - _ _ - _ _ 1 盯一 上海交通大学硕士论文 第一章c a n 总线在舰船自动化应用中的优势 在现场设各低层采用与0 s i 系统有关的网络接口，其造价对现场设备系 统来说显得过高；包括0 s i 系统所有层次的总开销，对现场设备层网络 的应用来说同样显得太高。 0 s i 的七层功能对现场设备级网络来说，有些可以省略。例如，在设备 低层采用相同的数据格式和波特率，则表示层和会话层就可不再需要。 同样，如果流量控制和差错控制可在数据链路层执行，传送层就可省略。 在网络互联上，现场设备级网络可通过低成本的桥接器、路由选择器和 网间连接器等来实现与其他开放式系统管理网络的连接。 表1 1 给出了简化后c a n 总线网络与其他通信网络的总体性能比较1 。 分布式系统的形式 主要特征 c a n 总线较高级通信网络 监视与控制能力强弱 可靠性与故障容限高高 实时响应性好 由 报文长度小中、大 实现成本极低中、高 体系结构与协议的复杂性简单中、复杂 与其它网络的互联能力 由 强 通信功能的完备程度 由 可扩展 通信速率 由 高 对环境的要求低高 表i - ic a n 总线与其它分布式系统的总体性能比较 t a b l el - 1t h ec h a r a c t e r sc o m p a r i s o no f t h ec a na n do t h e rd i s t r i b u t e ds y s t e m 从表中的比较结果看，采用简化网络结构后形成的c a n 总线网络的性能还是 良好的。 1 2 2c h 可靠性和可维护性研究 在军用舰船网络控制系统中，对通信协议的选择主要考虑如下三个指标“1 ： 可靠性：这是军用系统的首要要求，系统必须在恶劣的环境下仍然保持 一定的品质，能牺牲其他性能而完成最基本的任务。 实时性：因为通信网络用于实时控制系统，因此对所传输的数据有实时 性的要求，即：网络因能使被控系统性能最忧数据的传输延迟越小越好。 可维护性：战争情况下损坏的概率远大于民用系统，因此必须具有可快 上海交通大学硕士论文 第一章c a n 总线在舰船自动化应用中的优势 速修复的能力，使系统能在很短的时间内重新投入工作。 下面将研究c a n 在其可靠性和可维护性方面的性能。 1 2 2 1 可靠性 c a n 协议从以下几个方面考虑了对其网络通信可靠性的保证： 1 总线故障管理机制 为抗恶劣电磁环境及其他干扰，i s 0 1 1 8 9 8 定义了二线平衡差分信号传输 机制，并在外部信号与总线网络接口电路的连接处提供了标准的物理层光电 隔离电路。同时，协议还利用其总线故障管理功能，保证在出现表1 2 “1 所示的情况时，网络通信仍可继续进行。 总线故障描述网络状态 一个节点从总线断开其余节点继续通信 一个节点丢失电源其余节点以降低的信噪比继续通信 一个节点丢失接地点其余节点以降低的信噪比继续通信 开路和短路故障 1 c a n h ( l ) 断开 2 c a n h ( l ) 与电源电压短接所有节点以降低的信噪比继续通信 3 c a n h ( l ) 与地短接 表1 2总线故障及网络状态 t 曲l el - 2t h ef a u l to f t h eb u sa n dt h es t a t u so f n e t w o r ki nt h e s ec o n d i t i o n 2 介质访问控制机制 为解决监控网络中网络资源的争用问题( 即在网络信息传递过程中，由 于两个或多个站同时向网络发送信息或请求服务而引起总线阻塞或错误帧 发送等情况) ，c a n 协议在其媒体访问控制( m a c - - m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 子层中使用了独特的载波侦听技术，它在传统的载波侦听多路访问冲突检 测技术协议的基础上加入了优先级控制机制，并通过c a n 物理层的线与和帧 发送时标识符域的位比较最终解决总线访问冲突问题。在c a n 网络中当多个 节点同时访问总线时，经总线仲裁过程后最终只有优先级最高的节点可以向 总线无损地发送数据。载波侦听技术的主要特点可概括为以下两点： 节省总线冲突裁决时间，保证网络的实时性。 使网络在负载很重的情况下，不出现网络瘫痪情况( 以太网中会出 现) ，保证数据的可靠传输。 4 一_-r-_一 上海交通大学硕士论文 第一章c a n 总线在舰船自动化应用中的优势 3 错误处理机制 c a n 协议除在) l a c 子层中采用载波侦听技术避免因数据冲突而产生的错 误外，还在帧信息传送过程中提供了帧校验机制和错误界定机制，以保i e n 络通信的可靠性“”。 ( 1 ) 校验机制 i l a c 子层提供五种帧校验机制：位错误检测校验、填充规则校验、帧格 式校验、1 5 位循环冗余码校验和应答校验。 位错误检测校验。由每一个正在发送的节点完成。正在向总线发送 帧信息的节点每发送一位的同时在线监铡总线状态，当检测到的位 数值与原来发送出的数值不同时，则判断为检测到位错误。 填充错误校验。在使用位填充方法进行编码的帧域中，出现第六个 连续相同电平位的位时，则判断为检测到填充错误。 循环冗余码错误校验。循环冗余码序列包含在帧格式中，由发送器 的循环冗余码计算结果构成，随帧发送给接收节点。同时，接收节 点的接收器以与发送器相同的方法计算循环冗余码序列并与接收到 的序列比较，当二者不等时，则判断为检测到循环冗余码错误校验。 帧格式错误校验。当固定格式位域含有一个或更多非法位时，则判 断为检测到帧格式错误。 应答错误校验。当发送节点在发送器应答间隙期间末端监测到“显 性”位时，则判断为检测到一个应答错误。 ( 2 ) 错误界定 c a n 协议提供错误界定机制用以区分暂时性错误与永久性故障，以及关 闭发生严重错误的节点。错误界定机制以每个节点中的两个错误计数器( 发 送错误计数器和接收错误计数器) 为基础，并采用不成比例的计数更新方法， 即每一个错误所产生的累加计数值将大于帧成功发送所产生的计数器减小 值，当节点的发送错误计数器或接收错误计数器超过1 2 7 ，则i c 【a c 子层置相 应节点为“错误认可”状态；当计数器大于2 5 5 时，则物理层置节点为“脱 离总线”状态。详细的发送一接收一错误计数方法由c a n 协议规范定义。 由上可见，c a n 总线提供了良好的侦错和纠错机制，因此在c a n 网络中数据 通信的可靠性是非常好的。 l i2 2 2 可维护性 c a n 网络在可维护性方面的优越性主要表现在以下几个方面： jl|1叫|j|1jj一|i|l|ilillli；|iiiiilli_ 上海交通大学硕士论文 第一章c a n 总线在舰船自动化应用中的优势 在c a n 网络结构中，现场低层一般都采用智能测控单元，其一端接现场 设备，另一端挂接于总线上与上位机直接通信，中间无其它的变换过程 与设备，因此一旦发生故障，检修十分方便。 由于现场设备对上位机来说是透明的，因此在监控室中就可获知设备现 场中哪个智能单元或设备出现故障并及时更换，节约了故障搜索时间。 由于c a n 物理层提供的可靠性机制，保证了在维修过程中智能单元可从 总线上取下而不影响网络其他部分的正常通信，提高了系统的可维护性。 1 2 2 3实时性研究 1 总线速率n 1 由于c a n 网络协议中末设会话层，因此在同一网络中的各节点均以相同 的通信速率实现网络通信。网络通信速率可通过c a n 通信控制器中的总线定 时器来设定。c a n 网络的最高通信速率可为i m b p s ，但由于受传输过程中信号 衰减的影响，通信速度都有其对应的最大可传输长度( 如表l 一3 所示“1 ) 。 总线定时 位速率最大总线长度 总线定时寄存器0总线定时寄存器i 1 m b p s 4 0 m0 0 h1 4 h 5 0 0 k b p s 1 3 0 m0 0 hi c h 2 5 0 k b p s 2 7 0 m0 l hl c h 1 2 5 k b p s 5 3 0 m0 3 hl c h 1 0 0 k b p s 6 2 0 m4 3 h2 f h 5 0 k b p s 1 3 k m4 7 h2 f h 2 0 k b p s 3 3 k m5 3 h2 f h 1 0 k b p s 6 7 k m6 7 h2 f h 5 k b p s l o k m7 f h7 f h 表1 - 3总线速率与长度的关系 t a b l e1 - 3t h es p e e da n di t sm a x i m a il e n g t ho f t h eb u s 由表卜3 所示，与目前监控系统中较常使用的r s 2 3 2 ( 最太1 9 2 k b p s 1 5 m ) 相比，c a n 网络在通信速率上有显著提高。 2 延时时间和总线不可访问时间 文献【5 】1 6 【7 】【8 】【9 】对c a n 网络的传输延时时间及出现暂时故障 时的不可访问时间进行了深入的研究，并提出了多项实验测量数据。文献提 供的数据表明，c a n 网络在不可访问时间方面的性能优于l a n 和p r o f i b u s 6 。- _ _ - l l l _ 。r r 。一一 上海交通大学硕士论文第一章c a n 总线在舰船自动化应用中的优势 等；在网络传输延时时间方面也只有毫秒级，相当于监控系统现场参量( 温 度、压力及流量) 的动态变化延时时间常数( 一般几百毫秒到几秒之间，有 的甚至长达几分钟) ，完全可以忽略其对控制品质的影响。 通过以上对可靠性、可维护性及实时性三个方面的研究表明，c a n 网络协议 比其他协议更适用于舰船设备级网络通信系统中。目前德国、美国、挪威等多国 船级商对c a n 网络系统的应用开发以及国际标准化组织对c a n 舰船应用标准的研 究，充分证实了c a n 网络的良好性能“。 7 上海交通大学硕士论文 g _ - 葺t 船舶电站的c a n 网络自动化系统简介 第二章船舶电站的c a n 网络自动化系统简介 2 1 船舶电站自动化系统概略 2 1 1 船舶电力系统的发展概况 2 0 世纪初，电开始应用于商船上，最初只是由一台几千瓦的直流发电机供电 给照明负载，直到4 0 年代，因船舶甲板机械太部分由蒸汽作动力，负载功率不 大，船舶电站的功率大多在5 0 0 千瓦以下，电制大多采用直流。随着船舶电力负 载的增多以及电力工业的发展，到5 0 年代，世界各国商船陆续普及交流电制， 将陆上交流技术所获得的经验成功地应用到船上，船舶电站的功率已达数千千 瓦，个别船舶超过一万千瓦，于是中压电也开始得到应用。 随着船舶向大型化、高速化和自动化方向发展，船舶电站的功率不断增加， 为了提高供电可靠性，自6 0 年代以来，对船舶电站提出了自动化要求。船舶电 站自动化的好处有：维持电站供电连续性并提高可靠性，增强船舶运行的生命力； 提高船舶电站供电质量，使所有用电设各处于良好的工作状态；便于及时发现和 排除故障改善船员劳动条件，减轻值班强度，使船员能有更多的时间和精力从 事设备维修工作；减少船员，提高劳动生产率，提高船舶运行的经济指标“”。 船舶电站自动化是机舱自动化的重要组成部分，是实现机舱自动化，进而实 现全船自动化的必要条件之一。 船舶电站自动化通常包括以下功能“”： 发电机组在接到起动指令后，实现自动起动； 起动成功后，自动投入电网： 电网电压的自动调节和频率的自动调节； 同步发电机的自动准同步并车及并联运行发电机组间有功功率和无功功 率的自动分配； 按电站负荷情况实现对部分负载的自动切除或自动投入； 重载询问； 负载转移和过剩机组( 或故障机组) 自动解列，自动停机： 运行参数的控制、显示以及故障的监视处理。 上述全部和部分功能按一定逻辑关系组合起来，称为船舶电站综合自动化装 置。实现这些功能及组合手段可咀是由继电器、接触器组成的有触点控制系统； 也可以是由晶体管分立元件和集成元件组成的逻辑控制系统；还可以是微机控制 上海交通大学硕士论文 第二章船舶电站的c a n 网络自动化系统倚介 系统。6 0 年代初生产的自动电压调节器大部分采用有触点控制系统。6 0 年代中 后期生产的一些单元自动装置采用分立元件构成的有触点和无触点的混合系统。 7 0 年代至今，船舶电站自动化装置主要由集成电路构成的逻辑控制系统组成， 如德国西门子公司生产的e e a 一2 2 自动电站控制装置。8 0 年代以来，由微机控制 的船舶电站也大量出现。 2 1 2船舶电站自动化撮述 现代船舶具有多台发电机组，其原动机形式多种多样，如可能有轴带发电机、 或废气汽轮发电机与( 多台) 柴油发电机的组合，它们均各有自己的自动控制单 元，整个电站也还有其他的控制单元，如自动并车、自动调频调载等。不同工况 运行时，有时可能是单机供电，有时需要多机组并联供电。在这种情况下，要满 足无人机舱的要求就必须对电站的运行自动化有一个总体的规划，实现总体的逻 辑控制，也就是说，在多机组构成的电站中，按一定的逻辑，将各个自动控制单 元有机地组合起来，使船舶电站能成为一个对外界环境( 如机、电的随机故障、 供电能力及负荷的随机变化等) 具有最佳应变能力的自动电站。尽可能保证安全 可靠、经济优质地持续供电。 对一个全自动船舶电站而言，一般应包括以下控制功能“”： 发电机组的并车控制。现代船舶大多采用交流电站，随着船舶吨位、电 气化、自动化程度的提高，电站容量也日益增加。为了满足船舶供电的 可靠性和经济性，一般的船舶电站均装设有两台以上的同步发电机组作 为主电源，并且这两台以上的发电机可以通过公用母线向全船负荷供电， 这就是通常所说的并联运行。之所以采用并联运行方式是出于对发电机 的运行效率的考虑。发电机在额定负载下具有最高的工作效率，而船舶 工况变化较多，因而用电量变化也很大( 例如船舶在停泊和装卸货两种 不同工况工作时，用电量可能相差3 倍甚至更多) 采用两台以上较小容 量的发电机可以根据负荷的太小改变运行方式，使发电机经常处于最佳 运行状态。若电站只采用一台大容量发电机以满足最大负荷的需要，那 么在小负荷时，发电机将处于轻载而使效率大为降低，并且选择各用机 组容量时也必须考虑和这台大容量发电机容量相同从而使投资费用和运 行费用都会增加。此外，为了维修的方便，也需要采用并联运行的方式， 要检修某运行中的发电机组而不允许电站停电时，就必须先将备用机组 投入并联运行，然后再从电网上切除检修的机组。可见，自动并车是船 舶电站自动化的重要内容之一。 负荷分配和电力系统电压与频率的调节。在并车完成后，与备用机组主 开关合闸的同时，给出信号使该机组接入自动调频调载系统，实现有功 9 l_叫】lll j j1 jl1l|j1 j1 j|ii|j|i|ii|j|i|1|illlll斗 望望璺坠苎兰! 型苎 苎三童塑塑皇些竺! 型苎竺宴垫些墨竺堡立 负荷的分配和调频，而参与并联运行各机组的励磁系统则进行无功分配 和调压。 解列控制。对两台( 以上) 机组并联运行的工况，若因电网负荷降低到 可咀停掉一台机组时应自动发出“解列”指令。或者，运行中的某机 组因发生运行不正常( 例如冷却水出口温度偏高) 。自动系统可以先起动 备用机组，并车，然后解列，转移负荷。解列指令发出后，通过负荷自 动分配器，将待停机组的负荷转移给其他的运行机组，这就是解列操作。 重载询问。现代大型船舶上，单机功率达数百千瓦的动力负荷已屡见不 鲜，例如：电动首侧推进器、大型铰缆机、大型消防泵、大型提升机以 及工程船舶上的其他某些动力负荷，其容量往往可与发电机的单机容量 相比拟。在需要使用任一个这样的大负荷时，都应事先“询问”一下电 站中已供电的发电机组，现有的功率储备是否能满足他们的用电和起动 的要求。若不够时，应先起动备用机组，并车，并经确认贮备足够时， 才能允许该负荷接入电网用电，这就是“重载询问”。 次要负荷自动分级卸载。这是尽可能保证供电连续性的一种措施。例如， 当运行机组突然出现过载时，发出要求增机指令的同时，过载保护可能 已经起动。在一定的延时时间内，等待备用机投入，分担系统的负荷。 如果设置了次要负荷自动分级卸载，则可能在一定程度上暂时解除过载， 使运行机组不致于过载跳闸，从而得以坚持到备用机组投入工作，保证 供电的连续性。当然，卸去的有效负荷必需足以使运行机组能退出过载 工况，并使过载保护虽然起动，但还处于延时的时限之内得以复位，才 能保证电网不断电。因此，必要时可以设置两级以上的分级卸载在与 过载保护的延时时限的相互关系上作精心的安排，才能获得满意的效果。 重要负荷分级自动起动。当电网处在某些故障状态( 例如突然短路) 时， 可能导致发电机跳闸，电网断电在自动电站使电网恢复供电以后，为 了迅速地恢复电力系统的正常运行，可以装设一套“重要负荷自动分级 起动”控制器。之所以要“分级起动”，是为了限制每级起动的电流值， 以防起动时，电网的瞬时压降过大，或恢复时间过长，甚至使自起动成 为不可能。考虑“分级”的问题，就必须对船舶电站的负荷进行分析 按照在紧急状况下各电能用户的重要性排好先后次序，并按其起动电流 值分成组然后按程序逐级起动。依负荷的重要性排列顺序大致是：照 明、通信、导航、为主机运行服务的辅机、舵机、其他泵、冷冻等。每 级起动之间的时间间隔约3 6 s 。 l o 上海交通大学硕士论文 第二章船舶电站的c a n 罔络自动化系统简介 2 2 c a n 总线在船舶电站自动化中的应用 22 1 船舶自动化c a n 网络控制平台简介 船舶自动化集成系统是将全船的自动化作为一个系统来配套，实现标准化、 系列化、模块化。这不但可以使设备简单化高可靠，标准化易维护，提高自动化 性能，而且降低了成本价格，有很高的性价比，是2 l 世纪的先进技术。 i 1 1 上海交通大学硕士论文 第二章船舶电站的c a n 网络自动化系统简介 一口、 一一口卅 i 网桥控制子网 图2 - i控制平台单环形网络示意图 f i g u r e2 - l o n e c i r c l ec o n t r o l l e rn e t w o r k 图2 - 2控制平台双环形网络示意图 f i g u r e2 - 2 t w o - c i r c l ec o n t r o l l e rn e t w o r k 在图2 1 中，小方格即代表网桥，实线圆弧表示某个具有独立测控功能的局 部控制子网( 控制节点未画出) ，虚线圆弧表示平台中未面出的控制网。图2 2 所示的双环形网络结构相当于把两个单环形网络通过c a n 总线连在一起。 由图2 1 、2 2 可以看出整个网络平台是各控制子网的集合体，本次毕业设 计的对象就是这些控制子网中的电站自动控制网。 2 2 2船舶电站c a n 网络自动化系统简介 2 2 2 i船舶电站c a n 网络半自动控制系统简介 在当前的国内海事界把c a n 总线应用于船舶自动化已成为一种趋势，近 一段时期的船舶电站自动化系统基本上都以c a n 网络为依托，可分为全自动与 半自动两种系统。目前不少系统还处于半自动阶段，本文在这里选择较为典型的 一种进行介绍。 微机监控微机监控 jlll l 童器曰蓁繁日蓁墨e 习蓁墨l ilij 1 蠢拳ii 蠢墨ll 蠢墨i 1f 蠢墨l 图2 - 3船舶电站c a n 网络半自动系统示意图 f i g u r e2 - 3 t h ec a nh a l f - a u t o m a t i o ns y s t e mf o rt h ep o w e rs t a t i o no f s h p 1 2 可l 广一一 上海交通大学硕士论文第二章船舶电站的c a n 网络自动化系统简介 图2 3 即为所介绍的船舶电站c a n 网络自动系统结构简图。图中有两台监 控微机，每台发电机组都安装有测量箱与控制器，它们都作为c a n 网络的节点， 信息传送依靠c a n 网络。但是，发电机控制器间的信息传送不通过c a n 网络， 而是依靠多芯电缆进行并行通信。 该系统模块内部的智能控制采用i n t e l 公司的1 6 位微控制器8 0 9 6 。这种1 6 位系统的微控制器运算速度快，但没有输入输出口，需要扩展。因此，这种模块 的内部电路板是由三块电路板插接而成：一块是c p u 8 0 9 6 的电路板：一块是扩 展的输入输出口电路板，还有一块是指示灯电路板。 该模块的内部逻辑依靠硬件电路完成。 这套系统运行比较可靠但也有不足之处。 首先，它不是一套全自动系统。它可以实现发电机组的自动合闸、自动调频 调载等功能，却不能实现发电机组的分级卸载、重载询问等自动功能。 其次，它的发电机节点控制器之间的通信采用多芯电缆的并行通信，这种方 案既有其优越性，也有较大的缺陷。并行通信的速度比c a n 网络的串行通信速 度要快，但结构复杂，通信距离较短。当节点间的距离较大时，在安装上会很麻 烦。此外多芯电缆的采用使系统未能实现全部网络化。 第三，它的结构比较复杂。从外部来看，它把控制功能与测量功能分开来， 各自做成测量箱与控制箱，这是复杂处之一：从内部来看，模块内部的电路板由 c p u 、输入输出口与指示灯三块电路板组成，这是复杂处之二。此外，它的内部 控制逻辑大多由硬件完成，相应的所占体积就相对较大。 相对于此，本次设计的船舶电站c a n 网络全自动控制系统在这些方面有很 大的改进，技术水平在国内处于领先地位。 2 2 2 2船舶电站c a n 网络全自动控制系统简介 图2 - 4 就是本次设计的船舶电站c a n 网络全自动系统简图。 图2 4船舶电站“n 网络仝自动系统示意图 f i g u r e 2 - 4t h ec a na u t o m a t i o ns y s t e mf o rt h ep o w e rs t a t i o no fs h i p 1 3 1 n l r 上海交通大学硕士论文 第二章船舶电站的c a n 网络自动化系统简介 图中，每个发电机节点就是一台发电机设备，它与控制台和监测微机一起作 为网络节点挂在c a n 总线上，形成一个电站自动控制网络，并通过网桥与船上 其它部分的控制网络连在一起，构成整个舰船控制网络平台。 在这套系统电站控制系统中，共有三类功能不同的c a n 网络节点：发电机 节点、控制台节点与监测微机节点。其中发电机节点模块集成了测量功能与控制 功能：它一方面负责测量各类参数，并把测量结果通过c a n 网络送往其它节点； 另一方面，它接收控制台下达的控制指令，并按指令执行自动操作。控制台接收 各发电机节点传送过来的测量结果，并根据这些结果与控制要求对各节点下达相 应的控制指令。监测微机对各节点进行监视，一旦发现特殊情况，就进行异常处 理。一般而言，监测微机可以全船共用；但对于军船而言，电站监控应专用一台 监测微机。 相对于前面的船舶电站半自动系统，本系统有如下优势： 首先，它是一套全自动系统。通过控制平台，它既可以实现发电机组的自动 合闸、自动调频调载等功能，也能够实现发电机组的分级卸载、重载询问等全部 电站自动化功能。 其次，各节点之间的通信全部依靠c a n 网络，实现了控制系统全部网络化。 第三，它把测量功能与控制功能集成到一块电路板上，成为统一的发电机节 点模块，太大简化了结构。 第四，发电机节点的控制功能基本上由软件完成，只有机组并车控制依靠一 部分硬件电路，这在很大程度上简化了节点模块结构。 2 2 2 3 本次的设计任务 如前所述，本套系统共有三种不同的c a n 网络节点：发电机节点、控制台 节点与监测微机节点。这三种节点的功能不同，其电路设计与软件开发也不相同， 本次的设计内容即为完成发电机节点模块的电路设计与测量功能的软件开发，在 后面的章节中将分别从硬件与软件两个角度加以论述。 1 4 _ _ - _ _ _ l _ _ _ _ _ i l - - - - - l - _ _ _ - - l _ - _ _ p 一 二兰堂奎望堑堡主堕奎 苎三兰茎皇垫羔皇塑垫些堡壁墨生 第三章发电机节点模块的硬件设计 本章主要说明发电机节点模块电路板的设计。这块电路板的主要任务是测量 与控制，其中控制部分只有发电机组的并车控制电路，其余的控制功能由软件实 现；测量功能包括对下列参数的测量：发电机电压、母线电压、发电机的两相电 流( i a 、i c ) 、发电机电压频率、母线电压频率、发电机电压与母线电压的相位差、 发电机电压与电流的相位差、发电机的有功功率( 软件实现) 、六个开关量。本 章将分节对硬件设计加以叙述。 3 1 芯片说明 这块电路板用到的芯片主要有：一块在片c a n 控制器p 8 0 c 5 9 2 ，四块微处 理器1 2 0 5 1 ( u 9 、u 7 、u 5 、u 4 ) ，两块总线隔离器7 4 h c 2 4 5 ，两块- - ) k 译码器 7 4 h c l 3 8 ；此外还有几块光电隔离器t l p 4 。其中，微处理器1 2 0 5 1 就是普通 的m c s - 5 1 系列单片机，而- - k 译码器7 4 h c l 3 8 和光电隔离器t l p 4 也为大家 所熟悉，所以此处不再说明。下面将扼要说明芯片p 8 0 c 5 9 2 与7 4 h c 2 4 5 。 3 1 1在片c a n 控制器p 8 0 0 5 9 2 简介” 3 1 1 1 主要特性 p 8 0 c 5 9 2 是菲利普公司生产的c a n 通信控制器，其硬件主要特性为： 8 0 c 5 1 中央处理单元( c p u ) 1 6 k b 在片r o m ，外部可扩展至6 4 k b 2 x 2 5 6 字节在片r a 6 c i ，外部可扩展至6 4 k b 两个标准的1 6 位定时计数器 一个新增的包括四个捕获和三个比较寄存器的1 6 位定时计数器 具有8 路模拟量输入的1 0 位a d c 变换器 两路分辨率为8 位的脉冲宽度调制输出 具有两个优先权的1 5 个中断源( 可以有2 6 个外部中断源) 五组8 位i o 端口和一组与a d c 模拟量输入共用的8 位输入口 与内部r a m 进行d m a 数据传送的c a n 控制器 具有总线故障管理供能的1 m b p s c a n 控制器 v 叩2 基准电压 与标准8 0 c 5 1 兼容的全双工u a r t 在片监视跟踪定时器w d t ( w a t c hd o gt i m i n g ) 时钟频率为1 2 m t t z 1 6 删z 这种在片c a n 控制器可以完全实现c a n 协议，对于自动的或一般的工业环境， 均可借助p 8 0 c 5 9 2 构成强功能的c a n 局域网，这可以极大的减少连线、增加诊断 功能和监控能力。其具备的c a n 特性为： 上海交通大学硕士论文 第三章发电机节点模块的硬件设计 多主机结构 有报文标识符决定总线访问优先权 2 0 3 2 个报文标识符 对于高优先权报文确保执行时间 强有力的错误处理能力 数据长度可由0 至8 个字节 成组和广播报文能力 非破坏性位法则仲裁 带有位填充的非归零( n r z ) 编码解码 可编程的传输速率( 可高达1 m b p s ) 可编程输出驱动器配置 适用于广泛的网络范围，包括a ，b 和c 类s h e 网络 d 姒可提供高速在片数据交换 总线故障管理功能 a v 。2 基准电压 下面分别介绍c a n 控制器硬件结构及其与c p u 的接口、控制段和报文缓存器。 3 1 1 2硬件结构及其与c p u 接口 1 c a n 控制器的结构与功能 p 8 0 c 5 9 2 的硬件结构中，在8 0 c 5 1 基础上新增加了c a n 控制器。p 8 0 c 5 9 2 的c a n 控制器包括实现高性能串行网络通信所必须的所有硬件。它控制通信 流经过c a n 协议的局域网。c a n 控制器适应下列自动化要求： 短报文长度。 确保紧急报文的等待时间。等待时间是指从初始化( 发送要求) 至开 始发送到总线之间的时间，它主要取决于与总线相关条件的明显变化。 在向总线发送报文并产生失真的情况下，等待时间可高达1 4 9 位时间( 最 差情况) 。 总线访问优先权取决于报文标识符。 强有力的错误处理能力。 配置灵活以允许局域网进行扩展。 c a n 控制器功能如图3 一l 所示。 由图可见，其主要由下述几部分构成。 接口管理逻辑 它接收来自c p u 的命令，控制信息缓存器( 发送缓存器、接受缓存器o 和接收缓存器1 ) 的分配，并为c p u 提供中断的状态信息。 发送缓存器 它是c p u 与位流处理器之间的接口，并且可以存储一个完整的报文。该 上海交通大学硕士论文 第三章发电机节点模块的硬件设计 存储器由c p u 写入，而由位流处理器读出。它由1 0 个字节组成，以构成报 文的2 字节的描述符和8 字节的数据场。 地址总线 数据总线 图3 - 1c a n 控制器方框图 f i g u r e3 1c a n c o n t r o l l e r c r x 0 c r x l c v s s c t x 0 c t x l 接收缓存器0 和l ( r b f o ，r b f l ) 它是c p u 与位流处理器的时间接口，并且存储由总线接收到的报文，一 旦被位流处理器填满并被接口处理逻辑分配给c p u ，则缓存器不能用于存