基于CAN總線(xiàn)技術(shù)實(shí)現的船舶電站自動(dòng)控制系統

1. CAN總線(xiàn)與船舶電站
隨著(zhù)航運事業(yè)的發(fā)展和船舶電站的要求提高，總線(xiàn)技術(shù)逐漸在船舶控制技術(shù)中使用，分布式系統在新設計系統中漸漸成為主角。其中控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）模塊是一個(gè)串行接口，可用于與其他外設或者單片機之間進(jìn)行通信，此接口/協(xié)議是針對允許在噪聲環(huán)境下通信而設計的。本文以CAN總線(xiàn)為基礎，結合單片微機(MCU)技術(shù)，
將船舶電站中的三臺發(fā)動(dòng)機、三臺發(fā)電機、三個(gè)主配電屏構成的供電電站系統實(shí)現無(wú)人自動(dòng)控制并可實(shí)現遠程監控。
CAN具有幾個(gè)重要的特點(diǎn)：一是總線(xiàn)協(xié)議完全開(kāi)放，從相關(guān) CAN芯片或 MCU中可以直接得到相關(guān)的控制字及寄存器，只要對相關(guān)的寄存器進(jìn)行有效的設置，CAN總線(xiàn)模塊能自動(dòng)地進(jìn)行通訊，MCU可以直接通過(guò)讀或寫(xiě)處理 CAN通訊的信息；二是 CAN為底層協(xié)議，用戶(hù)完全可以在此基礎上進(jìn)行用戶(hù)自定制的高層協(xié)議；三是該總線(xiàn)有成熟的市場(chǎng)使用，有可靠的抗干擾特性。所以在船舶控制系統中也越來(lái)越多地使用CAN 總線(xiàn)。
船舶電站按控制功能可以分成如下幾個(gè)部分：
1) 發(fā)動(dòng)機的起動(dòng)、停止控制
2) 發(fā)電機的電壓控制和無(wú)功分配控制
3) 發(fā)電機的信號檢測及保護控制
4) 發(fā)電機自動(dòng)并車(chē)控制
5) 發(fā)電機的電能管理控制

上述控制各有對應的傳感器，信號變送器和執行控制器與之相配，本系統將各環(huán)節或組成部分用帶 CAN總線(xiàn)的單片微機來(lái)實(shí)現，系統結構具體如圖 2所示，系統分為三層，昀高一層是一個(gè)電網(wǎng)的電能管理控制器（ PMU）, 檢測電網(wǎng)的用電情況，并根據情況向中間一層對應的控制器發(fā)送起動(dòng)或停止信號，或發(fā)出負荷增減信號，中間一層是每臺發(fā)電機所需要的控制器，根據需要調節控制各自的電量信號，如電壓或電流等，昀低一層是傳感器和執行器層，由一個(gè)或幾個(gè)傳感器或執行器構成一個(gè) CAN總線(xiàn)的單元，所有的組成均掛在一個(gè) CAN總線(xiàn)網(wǎng)上，為保證系統可靠，物理上每個(gè)單元帶雙 CAN接口，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )構成兩個(gè) CAN網(wǎng)絡(luò )，即 CAN 總線(xiàn)實(shí)現冗余控制，理論上，任意一個(gè)控制器均可控制任意一個(gè)傳感器或執行器，即可實(shí)現控制器的冗余控制，實(shí)際上是將三臺發(fā)電機對應功能的控制器做成相互冗余，不同性質(zhì)的控制器不做冗余，但是昀高一級的控制器（ PMU）內帶中間以及所有控制器的功能，可以實(shí)現向下冗余控制。

開(kāi)關(guān)量輸入變送器 1是檢測燃油發(fā)動(dòng)機的一些基本信號并將其轉換成CAN 總線(xiàn)接口信號，這些基本信號包括：冷卻水壓力，滑油溫度，油底殼油位，發(fā)動(dòng)機備用狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機自動(dòng)控制位置，燃油壓力，起動(dòng)空氣壓力等；CAN總線(xiàn) 2是整個(gè)系統通訊的網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)，圖示為一條總線(xiàn)，實(shí)際為保證系統可靠，使用兩條總線(xiàn)方式，每個(gè)單元均帶 2個(gè)總線(xiàn)接口，實(shí)現雙總線(xiàn)冗余；起停輸出執行器 3是帶 CAN接口的繼電器輸出，去控制發(fā)動(dòng)機的起動(dòng)、停止和緊急停止電磁閥；發(fā)動(dòng)機起動(dòng)停止及保護控制器 4是控制發(fā)動(dòng)機運行或停止的控制核心，一方面接受控制按鈕等信號，一方面接受 CAN總線(xiàn)的信號，并根據這些命令信號去控制發(fā)動(dòng)機；加減輸出執行器 5是帶CAN總線(xiàn)的繼電器輸出控制器，并帶本地手動(dòng)輸出，其作用是控制發(fā)動(dòng)機內調速器的輸入，起到調節速度或負載的目的；燃油發(fā)動(dòng)機 6根據起動(dòng)或停止電磁閥控制運行，根據調速器來(lái)調節運行速度或輸出功率；轉速等模擬輸入變送器 7是檢測發(fā)動(dòng)機的速度，冷卻水溫度，滑油壓力，排氣溫度等一些重要參數的傳感器并將信號轉換為 CAN總線(xiàn)接口的信號；電站電能管理控制器 8是整個(gè)控制系統的調度控制單元，檢測電網(wǎng)和每臺發(fā)動(dòng)機的狀態(tài)，實(shí)現調頻調載的自動(dòng)控制，或實(shí)現自動(dòng)起動(dòng)，或控制自動(dòng)卸載解列；調壓執行器9是帶CAN總線(xiàn)控制的相復勵自動(dòng)調壓控制器，根據 CAN總線(xiàn)來(lái)的命令或自帶的調節旋鈕信號調節其旁路可控硅的觸發(fā)角，從而實(shí)現發(fā)動(dòng)機的調壓控制；發(fā)電機 10接受 9的勵磁調節，由原動(dòng)機 6帶動(dòng)輸出電能給配電裝置；自動(dòng)調壓及無(wú)功控制器 11根據發(fā)電機的電壓，電流信號，同時(shí)需要判斷其無(wú)功功率和功率因素值，來(lái)調節其輸出給單元9，實(shí)現電壓恒定及無(wú)功分配均衡；電壓電流信號輸入變送器 12是檢測本發(fā)電機輸出的電壓和電流信號以及兩者之間的相位差，計算出需要使用的功率值，無(wú)功功率值，功率因素值等電量，并轉換為數字信號通過(guò) CAN接口提供給需要的其他環(huán)節；主開(kāi)關(guān)保護控制器 13主要實(shí)現發(fā)電機的過(guò)電流、欠電壓、逆功率的保護，其輸入信號由環(huán)節 12提供，主開(kāi)關(guān)及配電屏狀態(tài)信號作為輔助信號輸入，其控制的是主開(kāi)關(guān)的分斷控制；屏上按鈕等輸入變送器 14是將配電屏上的按鈕等所有操作信號轉換為標準的CAN 接口信號并提供給 CAN網(wǎng)絡(luò )上的有關(guān)環(huán)節使用；主配電屏15是含主開(kāi)關(guān)，有關(guān)繼電回路，有關(guān)設備安裝其內部的配電裝置；主開(kāi)關(guān)并車(chē)控制器 16將檢測本發(fā)電機和電網(wǎng)之間的電量差別，通過(guò)調節本發(fā)電機實(shí)現兩者的同步并自動(dòng)并車(chē)；主開(kāi)關(guān)合閘/分閘執行器 17是帶 CAN接口的繼電器輸出環(huán)節，其與主開(kāi)關(guān)配套，實(shí)現主開(kāi)關(guān)的儲能，合閘或分閘的控制；供電母線(xiàn) 18是船舶電站三臺發(fā)電機供電的電網(wǎng)，所有外部用電設備均經(jīng)過(guò)本電網(wǎng)供電。