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

1. CAN總線與船舶電站
隨著航運(yùn)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(jì)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(gè)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(duì)允許在噪聲環(huán)境下通信而設(shè)計(jì)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(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)、三臺(tái)發(fā)電機(jī)、三個(gè)主配電屏構(gòu)成的供電電站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)控制并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
CAN具有幾個(gè)重要的特點(diǎn)：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(duì)相關(guān)的寄存器進(jìn)行有效的設(shè)置，CAN總線模塊能自動(dòng)地進(jìn)行通訊，MCU可以直接通過(guò)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(chǎng)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(lái)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(gè)部分：
1) 發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、停止控制
2) 發(fā)電機(jī)的電壓控制和無(wú)功分配控制
3) 發(fā)電機(jī)的信號(hào)檢測(cè)及保護(hù)控制
4) 發(fā)電機(jī)自動(dòng)并車控制
5) 發(fā)電機(jī)的電能管理控制

上述控制各有對(duì)應(yīng)的傳感器，信號(hào)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(lái)實(shí)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(gè)電網(wǎng)的電能管理控制器（ PMU）, 檢測(cè)電網(wǎng)的用電情況，并根據(jù)情況向中間一層對(duì)應(yīng)的控制器發(fā)送起動(dòng)或停止信號(hào)，或發(fā)出負(fù)荷增減信號(hào)，中間一層是每臺(tái)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(hào)，如電壓或電流等，昀低一層是傳感器和執(zhí)行器層，由一個(gè)或幾個(gè)傳感器或執(zhí)行器構(gòu)成一個(gè) CAN總線的單元，所有的組成均掛在一個(gè) CAN總線網(wǎng)上，為保證系統(tǒng)可靠，物理上每個(gè)單元帶雙 CAN接口，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成兩個(gè) CAN網(wǎng)絡(luò)，即 CAN 總線實(shí)現(xiàn)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(zhí)行器，即可實(shí)現(xiàn)控制器的冗余控制，實(shí)際上是將三臺(tái)發(fā)電機(jī)對(duì)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(jí)的控制器（ PMU）內(nèi)帶中間以及所有控制器的功能，可以實(shí)現(xiàn)向下冗余控制。

開關(guān)量輸入變送器 1是檢測(cè)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的一些基本信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成CAN 總線接口信號(hào)，這些基本信號(hào)包括：冷卻水壓力，滑油溫度，油底殼油位，發(fā)動(dòng)機(jī)備用狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制位置，燃油壓力，起動(dòng)空氣壓力等；CAN總線 2是整個(gè)系統(tǒng)通訊的網(wǎng)絡(luò)總線，圖示為一條總線，實(shí)際為保證系統(tǒng)可靠，使用兩條總線方式，每個(gè)單元均帶 2個(gè)總線接口，實(shí)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(dòng)機(jī)的起動(dòng)、停止和緊急停止電磁閥；發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)停止及保護(hù)控制器 4是控制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行或停止的控制核心，一方面接受控制按鈕等信號(hào)，一方面接受 CAN總線的信號(hào)，并根據(jù)這些命令信號(hào)去控制發(fā)動(dòng)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(dòng)輸出，其作用是控制發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī) 6根據(jù)起動(dòng)或停止電磁閥控制運(yùn)行，根據(jù)調(diào)速器來(lái)調(diào)節(jié)運(yùn)行速度或輸出功率；轉(zhuǎn)速等模擬輸入變送器 7是檢測(cè)發(fā)動(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)換為 CAN總線接口的信號(hào)；電站電能管理控制器 8是整個(gè)控制系統(tǒng)的調(diào)度控制單元，檢測(cè)電網(wǎng)和每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)載的自動(dòng)控制，或?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)起動(dòng)，或控制自動(dòng)卸載解列；調(diào)壓執(zhí)行器9是帶CAN總線控制的相復(fù)勵(lì)自動(dòng)調(diào)壓控制器，根據(jù) CAN總線來(lái)的命令或自帶的調(diào)節(jié)旋鈕信號(hào)調(diào)節(jié)其旁路可控硅的觸發(fā)角，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)壓控制；發(fā)電機(jī) 10接受 9的勵(lì)磁調(diào)節(jié)，由原動(dòng)機(jī) 6帶動(dòng)輸出電能給配電裝置；自動(dòng)調(diào)壓及無(wú)功控制器 11根據(jù)發(fā)電機(jī)的電壓，電流信號(hào)，同時(shí)需要判斷其無(wú)功功率和功率因素值，來(lái)調(diào)節(jié)其輸出給單元9，實(shí)現(xiàn)電壓恒定及無(wú)功分配均衡；電壓電流信號(hào)輸入變送器 12是檢測(cè)本發(fā)電機(jī)輸出的電壓和電流信號(hào)以及兩者之間的相位差，計(jì)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(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)通過(guò) 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(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的過(guò)電流、欠電壓、逆功率的保護(hù)，其輸入信號(hào)由環(huán)節(jié) 12提供，主開關(guān)及配電屏狀態(tài)信號(hào)作為輔助信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的CAN 接口信號(hào)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(cè)本發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間的電量差別，通過(guò)調(diào)節(jié)本發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)兩者的同步并自動(dòng)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(shí)現(xiàn)主開關(guān)的儲(chǔ)能，合閘或分閘的控制；供電母線 18是船舶電站三臺(tái)發(fā)電機(jī)供電的電網(wǎng)，所有外部用電設(shè)備均經(jīng)過(guò)本電網(wǎng)供電。