基于CAN總線技術(shù)實現(xiàn)的船舶電站自動控制系統(tǒng)

1. CAN總線與船舶電站
隨著航運事業(yè)的發(fā)展和船舶電站的要求提高，總線技術(shù)逐漸在船舶控制技術(shù)中使用，分布式系統(tǒng)在新設(shè)計系統(tǒng)中漸漸成為主角。其中控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）模塊是一個串行接口，可用于與其他外設(shè)或者單片機(jī)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(shè)計的。本文以CAN總線為基礎(chǔ)，結(jié)合單片微機(jī)(MCU)技術(shù)，
將船舶電站中的三臺發(fā)動機(jī)、三臺發(fā)電機(jī)、三個主配電屏構(gòu)成的供電電站系統(tǒng)實現(xiàn)無人自動控制并可實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
CAN具有幾個重要的特點：一是總線協(xié)議完全開放，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(shè)置，CAN總線模塊能自動地進(jìn)行通訊，MCU可以直接通過讀或?qū)懱幚?CAN通訊的信息；二是 CAN為底層協(xié)議，用戶完全可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行用戶自定制的高層協(xié)議；三是該總線有成熟的市場使用，有可靠的抗干擾特性。所以在船舶控制系統(tǒng)中也越來越多地使用CAN 總線。
船舶電站按控制功能可以分成如下幾個部分：
1) 發(fā)動機(jī)的起動、停止控制
2) 發(fā)電機(jī)的電壓控制和無功分配控制
3) 發(fā)電機(jī)的信號檢測及保護(hù)控制
4) 發(fā)電機(jī)自動并車控制
5) 發(fā)電機(jī)的電能管理控制

上述控制各有對應(yīng)的傳感器，信號變送器和執(zhí)行控制器與之相配，本系統(tǒng)將各環(huán)節(jié)或組成部分用帶 CAN總線的單片微機(jī)來實現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具體如圖 2所示，系統(tǒng)分為三層，昀高一層是一個電網(wǎng)的電能管理控制器（ PMU）, 檢測電網(wǎng)的用電情況，并根據(jù)情況向中間一層對應(yīng)的控制器發(fā)送起動或停止信號，或發(fā)出負(fù)荷增減信號，中間一層是每臺發(fā)電機(jī)所需要的控制器，根據(jù)需要調(diào)節(jié)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(zhí)行器層，由一個或幾個傳感器或執(zhí)行器構(gòu)成一個 CAN總線的單元，所有的組成均掛在一個 CAN總線網(wǎng)上，為保證系統(tǒng)可靠，物理上每個單元帶雙 CAN接口，整個網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成兩個 CAN網(wǎng)絡(luò)，即 CAN 總線實現(xiàn)冗余控制，理論上，任意一個控制器均可控制任意一個傳感器或執(zhí)行器，即可實現(xiàn)控制器的冗余控制，實際上是將三臺發(fā)電機(jī)對應(yīng)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(nèi)帶中間以及所有控制器的功能，可以實現(xiàn)向下冗余控制。

開關(guān)量輸入變送器 1是檢測燃油發(fā)動機(jī)的一些基本信號并將其轉(zhuǎn)換成CAN 總線接口信號，這些基本信號包括：冷卻水壓力，滑油溫度，油底殼油位，發(fā)動機(jī)備用狀態(tài)，發(fā)動機(jī)自動控制位置，燃油壓力，起動空氣壓力等；CAN總線 2是整個系統(tǒng)通訊的網(wǎng)絡(luò)總線，圖示為一條總線，實際為保證系統(tǒng)可靠，使用兩條總線方式，每個單元均帶 2個總線接口，實現(xiàn)雙總線冗余；起停輸出執(zhí)行器 3是帶 CAN接口的繼電器輸出，去控制發(fā)動機(jī)的起動、停止和緊急停止電磁閥；發(fā)動機(jī)起動停止及保護(hù)控制器 4是控制發(fā)動機(jī)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總線的信號，并根據(jù)這些命令信號去控制發(fā)動機(jī)；加減輸出執(zhí)行器 5是帶CAN總線的繼電器輸出控制器，并帶本地手動輸出，其作用是控制發(fā)動機(jī)內(nèi)調(diào)速器的輸入，起到調(diào)節(jié)速度或負(fù)載的目的；燃油發(fā)動機(jī) 6根據(jù)起動或停止電磁閥控制運行，根據(jù)調(diào)速器來調(diào)節(jié)運行速度或輸出功率；轉(zhuǎn)速等模擬輸入變送器 7是檢測發(fā)動機(jī)的速度，冷卻水溫度，滑油壓力，排氣溫度等一些重要參數(shù)的傳感器并將信號轉(zhuǎn)換為 CAN總線接口的信號；電站電能管理控制器 8是整個控制系統(tǒng)的調(diào)度控制單元，檢測電網(wǎng)和每臺發(fā)動機(jī)的狀態(tài)，實現(xiàn)調(diào)頻調(diào)載的自動控制，或?qū)崿F(xiàn)自動起動，或控制自動卸載解列；調(diào)壓執(zhí)行器9是帶CAN總線控制的相復(fù)勵自動調(diào)壓控制器，根據(jù) CAN總線來的命令或自帶的調(diào)節(jié)旋鈕信號調(diào)節(jié)其旁路可控硅的觸發(fā)角，從而實現(xiàn)發(fā)動機(jī)的調(diào)壓控制；發(fā)電機(jī) 10接受 9的勵磁調(diào)節(jié)，由原動機(jī) 6帶動輸出電能給配電裝置；自動調(diào)壓及無功控制器 11根據(jù)發(fā)電機(jī)的電壓，電流信號，同時需要判斷其無功功率和功率因素值，來調(diào)節(jié)其輸出給單元9，實現(xiàn)電壓恒定及無功分配均衡；電壓電流信號輸入變送器 12是檢測本發(fā)電機(jī)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，無功功率值，功率因素值等電量，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號通過 CAN接口提供給需要的其他環(huán)節(jié)；主開關(guān)保護(hù)控制器 13主要實現(xiàn)發(fā)電機(jī)的過電流、欠電壓、逆功率的保護(hù)，其輸入信號由環(huán)節(jié) 12提供，主開關(guān)及配電屏狀態(tài)信號作為輔助信號輸入，其控制的是主開關(guān)的分?jǐn)嗫刂?；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(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的CAN 接口信號并提供給 CAN網(wǎng)絡(luò)上的有關(guān)環(huán)節(jié)使用；主配電屏15是含主開關(guān)，有關(guān)繼電回路，有關(guān)設(shè)備安裝其內(nèi)部的配電裝置；主開關(guān)并車控制器 16將檢測本發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間的電量差別，通過調(diào)節(jié)本發(fā)電機(jī)實現(xiàn)兩者的同步并自動并車；主開關(guān)合閘/分閘執(zhí)行器 17是帶 CAN接口的繼電器輸出環(huán)節(jié)，其與主開關(guān)配套，實現(xiàn)主開關(guān)的儲能，合閘或分閘的控制；供電母線 18是船舶電站三臺發(fā)電機(jī)供電的電網(wǎng)，所有外部用電設(shè)備均經(jīng)過本電網(wǎng)供電。