1 引言
隨著我國航運及造船業(yè)的的蓬勃發(fā)展,對船舶自動化、信息化水平的要求越來越高。但是,目前我國船舶配電網(wǎng)絡(luò)自動化監(jiān)控水平卻較低。一些重要單元如配電開關(guān)柜等均是通過控制電纜將系統(tǒng)電壓、支路電流、開關(guān)狀態(tài)量傳送到集中監(jiān)控臺,由集中監(jiān)控臺統(tǒng)一實現(xiàn)保護控制功能[1]。不僅需要消耗大量電纜,給施工和維護帶來極大不便,并且所有數(shù)據(jù)采集、處理、保護控制都集中由監(jiān)控臺完成。如果配電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要監(jiān)控的單元很多,僅完成采集功能就將占用集中監(jiān)控臺大量的硬件資源和軟件資源,如想有效地實施控制及保護將非常困難,控制任務(wù)較復(fù)雜時實時性較差。
網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展使得配電自動化技術(shù)得到了空前發(fā)展。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)采用了智能現(xiàn)場設(shè)備,使得監(jiān)控功能進一步下放,實現(xiàn)了徹底的分散控制。目前最常用的現(xiàn)場總線為CAN總線,CAN總線以可靠性高、成本低、應(yīng)用靈活等諸多優(yōu)點,已廣泛應(yīng)用于智能通信網(wǎng)絡(luò)中,但收發(fā)器驅(qū)動能力的限制不適合遠距離數(shù)據(jù)傳輸及遠程控制。而以太網(wǎng)技術(shù)成熟、通信速度快、軟硬件產(chǎn)品豐富和外圍技術(shù)支持全面,可以利用網(wǎng)絡(luò)進行遠距離通信,但在工業(yè)控制中仍然存在部分問題尚未解決[2]。結(jié)合CAN總線與以太網(wǎng)自身的優(yōu)缺點,本文研究了適用于船舶監(jiān)控系統(tǒng)基于雙CAN總線與以太網(wǎng)的現(xiàn)場監(jiān)控模塊,該模塊可安裝于配電開關(guān)柜內(nèi),能夠就近進行電流、電壓及開關(guān)狀態(tài)信息的采集,獨立進行數(shù)據(jù)處理,實現(xiàn)測量、保護、控制等功能。能夠通過冗余雙CAN總線與其他智能節(jié)點(包括監(jiān)控臺)進行通信,并且通過以太網(wǎng)上傳重要數(shù)據(jù)給監(jiān)控臺,協(xié)助監(jiān)控臺完成監(jiān)測和控制功能。作為配電網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)連接的紐帶,具有很好的開發(fā)應(yīng)用前景。
2 現(xiàn)場監(jiān)控模塊的功能分析與結(jié)構(gòu)方案
船舶是一個特殊的應(yīng)用環(huán)境,遠洋船舶經(jīng)常連續(xù)幾個月航行在海洋中,這就要求在船舶上使用的自動化系統(tǒng)要求具有極高的可靠性,保證系統(tǒng)能夠長期可靠地運行[3]。由于船舶自動化系統(tǒng)中的設(shè)備性質(zhì)、需要采集的數(shù)據(jù)類型和采集位置各有不同,通過對機艙設(shè)備的分析,歸納出船舶現(xiàn)場監(jiān)控模塊的共同點如下:
1) 實時性高、可靠性好、體積小。
2) 具有多路開關(guān)量、模擬量輸入輸出。
3) 具有CAN接口,通過CAN總線傳輸當(dāng)前各類信息給集中監(jiān)控臺。在環(huán)境條件苛刻的機艙環(huán)境下,總線故障是CAN總線面臨的一種極大的威脅,本設(shè)備有兩路CAN接口,使用兩套總線,既可以設(shè)置不同速率或分別發(fā)送不同數(shù)據(jù),減輕CAN總線負擔(dān),也可以互為備份,提高系統(tǒng)可靠性。
4) 可以擴展以太網(wǎng)接口,當(dāng)開關(guān)柜開關(guān)故障跳閘時能將電壓和電流實時波形傳送給集中監(jiān)控臺。
現(xiàn)場監(jiān)控模塊無論應(yīng)用于交流配電柜或直流配電柜還是個別重要設(shè)備中,均可設(shè)計為統(tǒng)一的標準功能模塊結(jié)構(gòu),可以提高系統(tǒng)的通用化程度,提高系統(tǒng)的可維護性,設(shè)備維修只需要更換部分子模塊即可實現(xiàn)。
現(xiàn)場監(jiān)控模塊采用標準機箱,前接線后母板,嵌入式安裝的結(jié)構(gòu)方式。采用相同的數(shù)字處理板和母板,但根據(jù)應(yīng)用場合不同采用不同的信號采集板,如應(yīng)用在交流配電柜的模塊安裝交流信號采集板及繼電器板,應(yīng)用在直流配電柜的模塊安裝直流信號采集板及繼電器板等。
3 現(xiàn)場監(jiān)控模塊的硬件系統(tǒng)
在現(xiàn)場監(jiān)控模塊中,大量的現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)需要采集和處理,并及時、迅速地向集中監(jiān)控臺傳輸,即向集中監(jiān)控臺提供整個控制過程的具體數(shù)據(jù),同時還要完成判斷處理并通過輸出模塊發(fā)送各種控制命令,考慮到其功能復(fù)雜程度,采用了DSP+FPGA雙控制器的硬件方案,其硬件結(jié)構(gòu)原理參見圖1。
1) A/D芯片 該系統(tǒng)采用AD7865作為A/D芯片,該芯片為高速14位A/D轉(zhuǎn)換器,同時采樣4個輸入通道,并具有4個采樣、保持放大器。其優(yōu)點在于能夠真正實現(xiàn)多路信號的同步采樣,并保持各通道信號的相位關(guān)系。具有片內(nèi)時鐘、讀寫允許邏輯、多種通道選擇方式以及內(nèi)部精確的2.5V參考電壓,使得其與高速處理器的接口變得非常簡單。本系統(tǒng)共配置了4片AD7865,能同步采樣多達16路模擬量數(shù)據(jù)。
2) 電磁隔離 所有開關(guān)量的輸入輸出均采用電磁隔離技術(shù),可有效提高抗干擾能力,本系統(tǒng)選擇了16片4路集成電磁隔離芯片ADUM1410,使得該模塊能同時完成多達32輸入,32路輸出的數(shù)據(jù)采集。
3) FPGA 該系統(tǒng)以EP1C6PQ240作為系統(tǒng)的輔控制芯片,該芯片有5980個邏輯單元,嵌入式存儲塊有一列M4K塊,每個M4K塊可以組成各種存儲器,包括雙端口、單端口RAM、ROM和FIFO等,I/O單元包含一個雙向I/O緩沖器和三個寄存器,具有2個鎖相環(huán)和8個獨立系統(tǒng)時鐘,芯片管腳數(shù)為240個,可用管腳數(shù)為185個。FPGA主要完成數(shù)據(jù)輸入輸出控制及數(shù)據(jù)預(yù)處理功能。所有的開關(guān)量信號送入FPGA,所有的模擬量信號經(jīng)A/D芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后也送入FPGA,FPGA需要向A/D芯片提供控制信號來控制A/D芯片的讀寫,所有的數(shù)據(jù)由FPGA預(yù)處理后供DSP讀取。
4) DSP 該系統(tǒng)以TMS320LF28335作為主控制芯片[4~5],該芯片為低功耗、高性能的32位芯片,其內(nèi)部集成了多種功能模塊,不但包括多種通信接口,且同一種通信接口的數(shù)量不止一個,如SCI串口有3個,CAN口有2個,只需增加簡單的外圍器件即可實現(xiàn)擴展功能。DSP主要完成數(shù)據(jù)處理、邏輯控制及通訊功能。由于FPGA已將大量數(shù)據(jù)做了預(yù)處理,且本系統(tǒng)中DSP與FPGA的16位地址線和16位數(shù)據(jù)線均相連,采用并行數(shù)據(jù)傳輸,DSP只要通過簡單的指令即可快速讀取所需要的開關(guān)量和模擬量值,為狀態(tài)監(jiān)控及故障診斷功能提供基礎(chǔ)。
5) CAN通信 大多數(shù)嵌有CAN控制器的控制芯片只有一個CAN控制器,如果希望系統(tǒng)具有雙CAN接口,則需要外接一個CAN控制芯片,增加了硬件成本,電路結(jié)構(gòu)更復(fù)雜[6~7]。
而本系統(tǒng)使用的DSP芯片中嵌有兩個CAN控制器,因此只要將兩個CAN控制器分別外接CAN驅(qū)動器就可以實現(xiàn)與兩條獨立的CAN總線連接。圖2以CANA為例顯示了TMS320LF28335的CAN通信接口電路,CANB的電路設(shè)計與此相同。CAN總線收發(fā)器82C250是驅(qū)動CAN控制器和物理總線間的接口,提供對總線的差動發(fā)送和接收功能。利用高速光耦6N137,實現(xiàn)收發(fā)信號的隔離和DSP與82C250之間的電平匹配。
6) 以太網(wǎng)通信 本系統(tǒng)選用了W5100作為以太網(wǎng)接入芯片[8]。W5100包含了TCP/IP、UDP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和DLC、MAC以太網(wǎng)協(xié)議。它提供多種總線,包括兩種并行總線以及SPI串行總線等接口方式。內(nèi)置16KB數(shù)據(jù)緩沖雙口RAM,可快速進行數(shù)據(jù)交換。圖3為以太網(wǎng)通信接口電路圖。
W5100供電電壓為3.3V和1.8V,其中1.8V可由芯片內(nèi)部線性穩(wěn)壓電源產(chǎn)生,外接濾波電路后供回芯片。L1、L2均為1μH的電感,C3、C4均為0.1μF的電容。根據(jù) W5100的工作頻率要求,需在XTLP和XTLN引腳間接25MHz晶振及接地電容C1和C2,均為22pF。W5100的內(nèi)部模擬電路需要在RSET_BG引腳與地之間外接精度為1%的電阻R4和R5,阻值分別為12k和300Ω。為了實現(xiàn)電氣隔離,消除部分諧波(根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可以消除不同次的諧波),有效降低零地電壓,需要在W5100與外部接口之間接網(wǎng)絡(luò)變壓器。本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)變壓器選11FB-05NL,網(wǎng)絡(luò)變壓器的RXPI與RXIN、TXOP與TXON各需要2個51Ω(精度為1%)的電阻和1個0.1μF的電容與特定端相連。DSP通過片選信號DSP_CS選中W5100芯片,通過直接總線模式讀(/WR)、寫(/RD)信號和數(shù)據(jù)(DATA)、地址(ADDR)總線可以簡單的將W5100看做一個外部存儲器來實施控制。
4 現(xiàn)場監(jiān)控模塊的軟件設(shè)計
現(xiàn)場監(jiān)控模塊軟件主要以DSP完成監(jiān)控功能,因此本文僅就DSP的軟件結(jié)構(gòu)進行描述(FPGA部分略去)。其軟件結(jié)構(gòu)采取的是模塊化設(shè)計,使用C++語言編寫。程序流程如圖4,主要完成的功能有信號檢測、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸以及邏輯控制。因此按照功能分為以下三個模塊:數(shù)據(jù)處理模塊、狀態(tài)監(jiān)控模塊、通信模塊。
數(shù)據(jù)處理模塊的主要功能為實時接收來自FPGA的電流、電壓量,通過計算轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)及頻率等工程信息,實時接收斷路器、隔離開關(guān)的分合位置信號。
狀態(tài)監(jiān)控模塊的主要功能為通過實時監(jiān)控采集的模擬量、開關(guān)量的數(shù)值和狀態(tài),與模擬量所設(shè)上限、下限等限值比較,當(dāng)測量值越限時向集中監(jiān)控臺發(fā)出報警,并作相應(yīng)處理。當(dāng)發(fā)生故障開關(guān)跳閘時記錄設(shè)備動作的所有信息。
通信模塊主要功能為實現(xiàn)與集中監(jiān)控臺建立聯(lián)系,對所有采集的信息數(shù)據(jù)進行匯總和綜合處理,并把各類信息上送給集中監(jiān)控臺。其按功能又分為CAN通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊兩個部分。
CAN通信模塊分為三個層次,硬件抽象層文件、功能函數(shù)層文件、應(yīng)用程序接口層。
1) 硬件抽象層文件
CANREG.H定義了各CAN控制器的寄存器數(shù)據(jù)格式及讀寫訪問的方法。
2) 功能函數(shù)層文件
CANFUNC.C和CANFUNC.H包括CAN控制器各種控制功能的實現(xiàn)函數(shù)和CAN總線異常中斷處理函數(shù)。
3) 應(yīng)用程序接口層的文件
CANA.H和CANA.C、CANB.H和CANB.C分別對應(yīng)兩個不同CAN口,均包括如下3個函數(shù)。
① 初始化CAN控制器,包括使能CAN模塊,CAN時鐘設(shè)置、配置CAN管腳、初始化
CANMC寄存器、清除中斷標志位、使CAN控制器工作在標準方式、設(shè)置總線波特率、驗收過濾器等。
② 發(fā)送數(shù)據(jù),使發(fā)送報文按協(xié)議打包或解析后在總線上傳輸,可通過本點把本設(shè)備檢測參數(shù)和狀態(tài)向CAN網(wǎng)絡(luò)上上位機發(fā)送,實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和管理。
③ 接收數(shù)據(jù),接收上位機發(fā)送的與本節(jié)點標識符相匹配的報文來對本節(jié)點檢測和運行控制。
在此模塊編程過程中需要特別注意兩點:
eCAN的控制寄存器要求以32位方式訪問。如果直接對控制寄存器的個別位進行操作,編譯器會把這種訪問變?yōu)?6位的訪問方式,而16位的訪問方式可能會破壞控制寄存器的內(nèi)容,尤其是對高16位中的位進行寫操作的時候。因此可以使用一個32位的臨時寄存器,先把欲操作的整個寄存器的內(nèi)容讀入到臨時寄存器中,這個操作是32位的訪問方式。在臨時寄存器中對某些位進行操作,然后把值以32位寫的方式賦給eCAN控制寄存器。
使用匯編語言對某個寄存器的位操作多是采用間接的方式,例如要置位為1是通過把整個寄存器和一個特定的“或操作”實現(xiàn)的。而利用高級語言的特性,在頭文件中用結(jié)構(gòu)體把寄存器的各個位封裝起來,然后用成員運算符(.)直接對某個位進行置位或清零的操作。這樣大大方便了位操作,還確保了其正確性,減少了人為失誤。(例如ECANShadow.CANTA.bit.TA0=1)
以太網(wǎng)通信模塊流程如圖5:
又分為6個子模塊:初始化模塊(主要功能為對W5100內(nèi)部寄存器初始化包括設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小、網(wǎng)關(guān)、物理地址、子網(wǎng)掩碼、IP地址等)、創(chuàng)建socket模塊、網(wǎng)絡(luò)連接模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、關(guān)閉socket模塊。其中socket是應(yīng)用程序與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的接口,在用戶進程和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間起到橋梁作用。
5 結(jié)束語
本文設(shè)計的現(xiàn)場監(jiān)控模塊可應(yīng)用于船舶配電網(wǎng)絡(luò)中的開關(guān)柜或重要設(shè)備中,是配電網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系的重要樞紐,使配電網(wǎng)絡(luò)單元真正實現(xiàn)智能化,網(wǎng)絡(luò)化。配電單元內(nèi)所有電壓、電流、開關(guān)狀態(tài)量等利用現(xiàn)場監(jiān)控模塊就地采集及處理,節(jié)省了大量電纜,減輕了集中監(jiān)控臺的控制負擔(dān)。現(xiàn)場監(jiān)控模塊具有雙冗余CAN及以太網(wǎng)等通信接口,使其與集中監(jiān)控臺的通信變得便利而可靠,為整個監(jiān)控系統(tǒng)采取靈活而簡便的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)提供基礎(chǔ),具有廣泛的應(yīng)用前景。
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作者簡介:周樑(1980-),女,工程師,研究方向:電力系統(tǒng)監(jiān)控與測量。
