基于ARM的嵌入式船舶电站控制装置的研究与设计

1嵌入式船舶电站控制装置的研究与设计时佳慧张敏（上海船舶运输科学研究所研究开发中心，上海200135）摘要：为了适应船舶的大型化、高速化和多用途的发展，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研究和初步设计，采用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&DesignofMarinePowerStationandItsControlDeviceSHIJia-huiZHANGMin(R&DCenter,ShanghaiShip&ShippingResearchInstitute,Shanghai200135,China)Abstract:Inordertorealizetheneedsoflarge-scale,highspeedandmulti-purposeoftheshippowerstation,liablecontrolandsafeoperationandmaintenanceofshippowerstationismoreandmoreimportant,therequireofthecontrolmonitorandmanagingoftheelectricpowerstationishigher.Inordertorealizethereliablerunning,controllingandmanagingoftheshippowerstation,advancetheautomatizationoftheengineroom,thethesishasdesignedacontrollingdevicebasedonarm,whichcanincreasethereliabilityandeconomiceffect,usingadvancedembeddedcontroltechnology,computertechnologyandnetworkprogrammingtechnology.Keywords:ShipPowerStation，ControlSystem，EmbeddedSystem，ARM，DieselGeneratorSets0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发展，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发展。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研究起步比较早，一些具有先进实验室的主要造船国家的研究机构和高校都在开展相应的研究工作，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、实验与设计等课题研究。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与一些重要课题的研究，从而推动了电站集中控制的研究和发展。我国研究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研究阶段，加上技术不先进，未能与国际接轨，达不到国际船舶规范要求，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研究工作跟不上，因此，我国更应该加强船舶电站监控技术的研究。21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，电站自动化也必然由局部的，就地的控制发展到综合的，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。避免事故的进一步扩大，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。3G发电机电压、电流机组信息机组控制指令开关状态及控制电网电压网关功率管理控制器与显示/操作板、各发电机组及上层网络交互信息重载及分级卸载管理1#机组岸电母排上层以太网显示操作板G发电机电压、电流机组信息机组控制指令开关状态及控制电网电压2#机组G发电机电压、电流机组信息机组控制指令开关状态及控制3#机组双CAN网络负载与显示/操作板、其它机组及上层网络交互信息电网电压电网电压机组控制器机组控制器机组控制器柴油机柴油机柴油机及显和作母排开关负荷信息示、编辑控制操与显示/操作板、其它机组及上层网络交互信息与显示/操作板、其它机组及上层网络交互信息岸电开关状态及控制图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，在一个模块中实现。前者在设计过程中更容易实现，而后者在实时性、响应速度等方面更具有优势。在控制/保护一体的设计模式下，电站控制装置的硬件构成可以同时完成控制和保护，其硬件组成主要有：机组控制器模块，机组信号采集模块，电量预处理模块、电量变送模块和操作显示面板。2.2ARM体系结构特点在嵌入式开发领域，ARM是一款非常受欢迎的微处理器，其市场覆盖率也很高，而DSP4和FPGA则是作为嵌入式开发的协处理器，协助微处理器更好的实现产品功能。ARM低功耗，面积小，具有比较强的事务管理功能，可以用来跑界面以及应用程序等，通用I/O，标准接口较多，其优势主要体现在控制方面；而DSP主要是用来计算的，比如进行加密解密、调制解调等，优势是强大的数据处理能力和较高的运行速度。FPGA可以用VHDL或verilogHDL来编程，灵活性强，由于能够进行编程、除错、再编程和重复操作，因此可以充分地进行设计开发和验证。2.3控制器的硬件设计2.3.1控制器与发电机组间的信号在设计中每台发电机组所测量的信号数据都相同，在此只列出一台机组的输入/输出信号和电网信号之间的联系，如图3所示。柴油机电网机组控制器发电机A/D电压电流并网脱网电压电流升速减速启动停车故障信号故障信号主机转速励磁图3机组控制器与柴油机组和电网之间的信号图(1)关于柴油机的信号主机转速和故障信号。(2)关于发电机的信号发电机端电压、电流和故障信号。(3)关于电网的信号电网电压和电网总电流。(4)测控单元的控制信号(模拟量和开关量)柴油机组起动、停机、发电机并网合闸、脱网、柴油机组升速信号、减速信号。2.3.2控制器的硬件设计机组控制器大体由：信号输入/输出模块、CPU控制模块、电量预处理模块组成。1、信号输入模块组成：A/D转换模块、光电隔离模块①A/D模块主要将4-20mA的电流模拟量转化为数据量传递给CPU；②光电隔离模块的作用是清除各种谐波的干扰,对输入和输出电路进行隔离，因而能有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰，并且响应速度较快。2、信号输出模块：继电器模块继电器模块可以将CPU的响应转化为开关量输出信号，传递给柴油机和发电机，继电器的输出是常开触点，即继电器断电时，静触点处于断开状态，同时每个继电器都有一个指示灯，当继电器线圈有电的时候，静触点处于接通状态，同时指示灯亮，当继电器线圈失电的时候，指示灯灭。3、电量预处理模块：对电网和发电机的电量信号经过处理后变成0～2V的电压信号输入，经过整形后输出相应的方波信号。同时对电网和发电机电压信号进行异或处理，输出相应的方波信号。4、电量变送模块：作为电压、电流、功率、频率、相位等信号的变送处理单元，输入信号主要有电网和发电机电压，发电机电流、功率以及电压调节信号；输出的信号主要有电网和发电机电压、电流通过整形处理后的方波和脉冲信号，另外，还有电压、电流、功率以及电压调节等信号的A/D转换值。在舰船系统中，变送器通常输出的是标准的4-20毫安的电流5信号，这种标准的信号可以用精密电阻转换为标准的电压信号(±5V)。5、操作显示面板：显示／半自动控制／参数设置。G柴油机电流互感器电量变送模块机组控制器配电板显示／操作单元CAN口CAN口CAN总线光电隔离CPU继电器光电隔离继电器发电机电压AC100V发电机电流AC5AA/D转换CAN口CAN口A/D转换电网电AC100V机组电压方波信号电网电压方波信号机组电流方波信号异或方波信号合闸控制信号电量预处理及相位判断模块开关量输入开关量输出电网电压（三相）4～20mA电网电压（三相）4～20mA电网电压（三相）4～20mA开关量输入开关量输出图4机组控制器接口示意图3船舶电站控制装置的软件设计3.1控制系统程序总体框架本系统的软件设计主要涉及下位机ARM控制系统和上下位机之间的通信模块两部分，采用功能模块子程序结构，设置好每个模块的出口和入口，分别与调用子程序的功能连接在一起，使整个程序层次分明、结构清晰。各主要功能模块有：机组起动模块、电压调节模块、频率调节模块、并车模块，调频调载模块、能量管理模块、综合保护功能模块、自动停机模块、自动解列模块等，其框架图如图5所示。系统主程序自动循环检测电站当时的工作状态，针对不同的状态做出综合计算和逻辑分析，判断当前需要完成什么样的工作，从而决定调用哪一个功能子程序来完成该工作：被调用的功能子程序一旦执行完毕，又返回主程序中继续循环检测，整个系统就如此反复地运行。通过自动/手动转换开关完成控制方式的切换。在自动方式下，增机、调频调载、解列等控制工作由下位机程序自动执行，在手动方式下，操作员在配电板的控制面板上完成电站的操作过程(如起动、并车