現(xiàn)場(chǎng)總線CAN 在監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中通信協(xié)議設(shè)計(jì)

1 前言

　　船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)主要用于監(jiān)控船舶發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)節(jié)改善船舶供電的電力品質(zhì)。本系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連線的控制方法，采用CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的遠(yuǎn)程控制。基于CAN 總線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通信方式靈活的特點(diǎn)及其非破壞總線仲裁技術(shù)，為該監(jiān)控系統(tǒng)提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性、增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性提供了新的解決方案。

　　2 網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)設(shè)計(jì)

　　船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)采用 CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線連接各設(shè)備，通信網(wǎng)絡(luò)由監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)組成，采用雙冗余總線結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

　　監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)由若干個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊與1 個(gè)網(wǎng)關(guān)組成，主要負(fù)責(zé)采集傳輸現(xiàn)場(chǎng)用于測(cè)量柴油發(fā)電機(jī)組繞組溫度、燃油壓力等傳感器數(shù)據(jù)；控制網(wǎng)絡(luò)由1 臺(tái)上位機(jī)、1 臺(tái)能量管理控制器與3 個(gè)輸入輸出模塊組成，完成對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組起動(dòng)、停車(chē)、合閘、解列以及能量管理的

　　遙控控制。監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)均采用雙絞線電纜作為通訊介質(zhì)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模與數(shù)據(jù)傳輸流量，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)總線速率為100kpbs。

　　數(shù)據(jù)采集模塊：數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)不同的傳感器類(lèi)型分別能夠采集、測(cè)量 Pt100 溫度信號(hào)、4～20mA 電流信號(hào)以及開(kāi)關(guān)量等信號(hào)。

　　能量管理控制器：實(shí)現(xiàn)電站監(jiān)視與電能管理功能。

　　輸入輸出模塊：接收來(lái)自能量管理控制器的命令，控制發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，同時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)組相關(guān)的電參數(shù)。

　　網(wǎng)關(guān)：實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)交換。

　　監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)部分：數(shù)據(jù)采集模塊從外部采集傳感器數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將所有傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)完成集中顯示與報(bào)警功能。

　　控制網(wǎng)絡(luò)部分：上位機(jī)將人工控制命令發(fā)送至能量管理控制器，該控制器將控制命令進(jìn)行處理表決，將結(jié)果發(fā)送至輸入輸出模塊，由輸入輸出模塊輸出控制信號(hào)控制發(fā)電機(jī)組狀態(tài)。另外，輸入輸出模塊采集發(fā)電機(jī)組相關(guān)電參數(shù)（電壓，電流，有功、無(wú)功功率等）發(fā)送至能量管理控制器進(jìn)行監(jiān)測(cè)與管理。

　　網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由兩條總線構(gòu)成硬件雙冗余結(jié)構(gòu)，若其中一條總線電纜受損或出現(xiàn)故障后，另一條總線仍能維持系統(tǒng)正常工作，防止通信網(wǎng)絡(luò)癱瘓。此外，為了保證通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性與實(shí)事性，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)還具有在線故障診斷，傳感器故障診斷等功能。

　　3 網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)識(shí)符設(shè)計(jì)

　　在該網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中，底層智能模塊選用Intel16 位的MCU，CAN 網(wǎng)絡(luò)控制器選用Philips 公司的SJA1000，實(shí)現(xiàn)CAN 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)功能，系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)總線使用CAN2.0B 協(xié)議格式，根據(jù)該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)的不同功能，分別設(shè)計(jì)兩種網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文標(biāo)識(shí)符。

　　3.1 監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：

　　監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)采集模塊采集現(xiàn)場(chǎng)傳感器的模擬信號(hào)，通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)后發(fā)送至監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)刷新頻率為每秒2 批次。對(duì)于監(jiān)測(cè)模塊而言，僅僅發(fā)送測(cè)量所得的現(xiàn)場(chǎng)傳感器數(shù)據(jù)，不需要接收其他網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，因此設(shè)置驗(yàn)收屏蔽寄存器禁止其他網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收，網(wǎng)關(guān)接收到各個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)之后將其發(fā)送至上位機(jī)。下表為監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文標(biāo)識(shí)符定義：

　　每個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊分配唯一的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)號(hào)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配節(jié)點(diǎn)地址，此外，為了使網(wǎng)關(guān)設(shè)備快速判斷各數(shù)據(jù)采集模塊工作以及所發(fā)送的報(bào)文是否出現(xiàn)異常狀況，每個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊在發(fā)送各自的報(bào)文時(shí)設(shè)置索引值，使用CAN 標(biāo)識(shí)符的第13～22 位表示。當(dāng)某個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊起動(dòng)新的一個(gè)批次數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，索引值清零，每發(fā)送成功一幀報(bào)文后下一幀報(bào)文的索引值加1，當(dāng)前批次數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后索引值計(jì)數(shù)器清零，從而可根據(jù)每個(gè)模塊在一個(gè)批次內(nèi)發(fā)送的報(bào)文個(gè)數(shù)確定該模塊的最大索引值。接收方在接收到某一節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文后先判斷標(biāo)識(shí)符中的索引值信息，若接收到報(bào)文的索引值為不合理數(shù)值，則放棄對(duì)當(dāng)前報(bào)文的接收處理。由此可以防止網(wǎng)關(guān)接收在傳輸時(shí)或者程序出錯(cuò)時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤的報(bào)文，以提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠性。此外，監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)置定時(shí)向網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)送表示自身通信是否正常的協(xié)議幀，網(wǎng)關(guān)將其接收后轉(zhuǎn)發(fā)至上位機(jī)向用戶顯示系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)各個(gè)單元當(dāng)前的工作狀態(tài)，即網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài)。