基于ARM的嵌入式船舶电站控制装置的研究与设计

下载后可任意编辑 嵌入式船舶电站控制装置的讨论与设计 时佳慧 张敏 （上海船舶运输科学讨论所讨论开发中心，上海200135） 摘要：为了适应船舶的大型化、高速化和多用途的进展，船舶电力系统规模、容量更大、结构更复杂，电力系统工作的稳定性、安全性及可靠性的要求越来越重要，船舶电力设备的控制、监视和管理也要求更高。为了实现船舶电站可靠的运行、控制和管理，提高船舶机舱的自动化程度，本论文对基于ARM的嵌入式船舶电站控制装置进行讨论和初步设计，采纳先进的嵌入式计算机控制技术，提高了系统的集成程度、技术水平和可靠性。 关键词：船舶电站，控制系统，嵌入式系统，ARM，柴油发电机组 Research&Design of Marine Power Station and Its Control Device SHI Jia-hui ZHANG Min (R&D Center,Shanghai Ship&Shipping Research Institute,Shanghai 200135,China) Abstract: In order to realize the needs of large-scale, high speed and multi-purpose of the ship power station, liable control and safe operation and maintenance of ship power station is more and more important, the require of the control monitor and managing of the electric power station is higher. In order to realize the reliable running, controlling and managing of the ship power station, advance the automatization of the engine room, the thesis has designed a controlling device based on arm, which can increase the reliability and economic effect, using advanced embedded control technology, computer technology and network programming technology. Key words: Ship Power Station，Control System，Embedded System，ARM，Diesel Generator Sets 0 引言 船舶电站是船用电能的生产中心，也是船舶重要的动力来源之一，它的工作质量直接影响全船的整体性能。随着科学技术的飞速进展，海上运输和现代装备需求的不断变化，对民用船舶和军用舰船的要求也在不断的更新和变化，船舶正在向着大型化、高速化和自动化的方向进展。对舰船电站监控技术提出了更高的要求。 国外对船舶电站监控技术的讨论起步比较早，一些具有先进实验室的主要造船国家的讨论机构和高校都在开展相应的讨论工作，比如代表国际水平的美国加州大学、俄罗斯的圣彼得堡海洋技术学院、日本的长崎综合科技大学、德国的洪堡大学、乌克兰的尼古拉耶夫造船学院等。这些实验装置可进行电站集中控制的分析、实验与设计等课题讨论。实验室具有一流的设备和充足的科研经费支持，并有很多高级科技人员参加一些重要课题的讨论，从而推动了电站集中控制的讨论和进展。 我国讨论船舶电站监控系统的机构也比较多，但由于船舶电站系统的复杂性和高额的研发成本，国内的产品和世界主要造船国家相比，还存在着较大的差距。我国的船舶电站监控系统总体上还处于讨论阶段，加上技术不先进，未能与国际接轨，达不到国际船舶法律规范要求，因此尚不具备全面投入使用的能力。造成我国在该领域落后的主要原因是技术支持不够和讨论工作跟不上，因此，我国更应该加强船舶电站监控技术的讨论。 1 船舶电站控制装置的组成和功能 随着船舶自动化程度的不断提高，电站自动化也必定由局部的，就地的控制进展到综合的，集中的控制，并成为机舱自动化以至船舶自动化的重要组成部分。 电站的综合控制系统实现的主要功能一般有：电站自动控制，自动监测报警和安全保护三个部分。 (1)控制功能：能够自动处理电站出现的一般故障、严重故障，电站功率的自动管理以及电压、频率的恒定和柴油发电机组的自动起动、并车，解列等各项控制功能。所谓自动处理是指，当系统发生故障时，控制系统可自动地使处于备用状态的发电机组立即起动，自动准同步投入电网运行；并网成功后，发生故障的机组将负荷降低至不大于额定功率的20%时，自动脱离电网。 (2)监测报警功能：自动监测报警系统的任务首先是自动地实时监测电站各设备运行参数和运行状态，这些设备包括机组原动机、发电机、配电系统的机械参数、电气参数和运行状态，监测量可以是模拟量，也可以是开关量。其次，自动监测报警系统将监测量的监测结果时时与事先设定的限定值进行比较，当被测量越限时，将会发出相应的声光报警信号，并设有相应的报警应答装置。最后，监测报警系统的另一个任务是对监测结果打印、记录、并对被测参数的越限情况进行登记。 (3)安全功能：对自动化电站应设置安全系统。当电站控制系统和监测系统在运行过程中发生危及电站系统内各主要设备安全的严重故障时，安全系统应能自动产生保护性动作。避开事故的进一步扩大，甚至危及船员的人身安全。 针对电站控制装置各项功能的特点，本文设计中，将电站的综合控制系统分为发电机组控制/保护单元、负荷控制单元和显示/操作单元三个部分。 一、发电机组控制/保护单元，完成功能主要包括： 1.柴油机和发电机的控制与保护 2.多机协调控制包括功率分配、机组起/停顺序设定、控制方式切换和越控等 3.通过CAN网与其它机组控制单元通信 二、显示/操作单元，完成功能主要包括： 1.实现对机组控制单元的操作 2.相关变量/参数/状态的显示和报警 3.应急停机、控制部位选择 4.与机组控制单元交互信息。 三、负荷控制单元，完成功能主要包括： 1.对母排开关进行状态监测及控制，实现不同的供电方式 2.重载询问、分级卸载和加载 3.与各机组控制单元通过CAN网通信 系统网络结构为分布式控制系统，上层为以太网通信结构，保证数据传输量，下层为CAN现场总线通信结构，保证数据传输的实时性。系统总体结构如图1所示。 图1 系统总体结构图 其中，每台发电机组配备一套发电机组控制/保护单元和一套显示/操作单元完成所有常规控制和显示，如图2 图2 机组监控结构图 2 船舶电站控制装置的硬件介绍和设计 2.1 船舶电站控制装置硬件原理介绍 根据船舶电站控制装置需要实现的控制、安全保护、检测报警和电能管理等功能，硬件设计中一般有两种方式。一种是控制和保护分开成两个模块，另一种是控制/保护一体