1 引言
随着我国航运及造船业的的蓬勃发展,对船舶自动化、信息化水平的要求越来越高。但是,目前我国船舶配电网络自动化监控水平却较低。一些重要单元如配电开关柜等均是通过控制电缆将系统电压、支路电流、开关状态量传送到集中监控台,由集中监控台统一实现保护控制功能[1]。不仅需要消耗大量电缆,给施工和维护带来极大不便,并且所有数据采集、处理、保护控制都集中由监控台完成。如果配电网络的结构复杂,需要监控的单元很多,仅完成采集功能就将占用集中监控台大量的硬件资源和软件资源,如想有效地实施控制及保护将非常困难,控制任务较复杂时实时性较差。
网络通讯技术的发展使得配电自动化技术得到了空前发展。现场总线控制系统采用了智能现场设备,使得监控功能进一步下放,实现了彻底的分散控制。目前最常用的现场总线为CAN总线,CAN总线以可靠性高、成本低、应用灵活等诸多优点,已广泛应用于智能通信网络中,但收发器驱动能力的限制不适合远距离数据传输及远程控制。而以太网技术成熟、通信速度快、软硬件产品丰富和外围技术支持全面,可以利用网络进行远距离通信,但在工业控制中仍然存在部分问题尚未解决[2]。结合CAN总线与以太网自身的优缺点,本文研究了适用于船舶监控系统基于双CAN总线与以太网的现场监控模块,该模块可安装于配电开关柜内,能够就近进行电流、电压及开关状态信息的采集,独立进行数据处理,实现测量、保护、控制等功能。能够通过冗余双CAN总线与其他智能节点(包括监控台)进行通信,并且通过以太网上传重要数据给监控台,协助监控台完成监测和控制功能。作为配电网络与监控网络连接的纽带,具有很好的开发应用前景。
2 现场监控模块的功能分析与结构方案
船舶是一个特殊的应用环境,远洋船舶经常连续几个月航行在海洋中,这就要求在船舶上使用的自动化系统要求具有极高的可靠性,保证系统能够长期可靠地运行[3]。由于船舶自动化系统中的设备性质、需要采集的数据类型和采集位置各有不同,通过对机舱设备的分析,归纳出船舶现场监控模块的共同点如下:
1) 实时性高、可靠性好、体积小。
2) 具有多路开关量、模拟量输入输出。
3) 具有CAN接口,通过CAN总线传输当前各类信息给集中监控台。在环境条件苛刻的机舱环境下,总线故障是CAN总线面临的一种极大的威胁,本设备有两路CAN接口,使用两套总线,既可以设置不同速率或分别发送不同数据,减轻CAN总线负担,也可以互为备份,提高系统可靠性。
4) 可以扩展以太网接口,当开关柜开关故障跳闸时能将电压和电流实时波形传送给集中监控台。
现场监控模块无论应用于交流配电柜或直流配电柜还是个别重要设备中,均可设计为统一的标准功能模块结构,可以提高系统的通用化程度,提高系统的可维护性,设备维修只需要更换部分子模块即可实现。
现场监控模块采用标准机箱,前接线后母板,嵌入式安装的结构方式。采用相同的数字处理板和母板,但根据应用场合不同采用不同的信号采集板,如应用在交流配电柜的模块安装交流信号采集板及继电器板,应用在直流配电柜的模块安装直流信号采集板及继电器板等。
3 现场监控模块的硬件系统
在现场监控模块中,大量的现场实时数据需要采集和处理,并及时、迅速地向集中监控台传输,即向集中监控台提供整个控制过程的具体数据,同时还要完成判断处理并通过输出模块发送各种控制命令,考虑到其功能复杂程度,采用了DSP+FPGA双控制器的硬件方案,其硬件结构原理参见图1。
1) A/D芯片 该系统采用AD7865作为A/D芯片,该芯片为高速14位A/D转换器,同时采样4个输入通道,并具有4个采样、保持放大器。其优点在于能够真正实现多路信号的同步采样,并保持各通道信号的相位关系。具有片内时钟、读写允许逻辑、多种通道选择方式以及内部精确的2.5V参考电压,使得其与高速处理器的接口变得非常简单。本系统共配置了4片AD7865,能同步采样多达16路模拟量数据。
2) 电磁隔离 所有开关量的输入输出均采用电磁隔离技术,可有效提高抗干扰能力,本系统选择了16片4路集成电磁隔离芯片ADUM1410,使得该模块能同时完成多达32输入,32路输出的数据采集。
3) FPGA 该系统以EP1C6PQ240作为系统的辅控制芯片,该芯片有5980个逻辑单元,嵌入式存储块有一列M4K块,每个M4K块可以组成各种存储器,包括双端口、单端口RAM、ROM和FIFO等,I/O单元包含一个双向I/O缓冲器和三个寄存器,具有2个锁相环和8个独立系统时钟,芯片管脚数为240个,可用管脚数为185个。FPGA主要完成数据输入输出控制及数据预处理功能。所有的开关量信号送入FPGA,所有的模拟量信号经A/D芯片转换为数字信号后也送入FPGA,FPGA需要向A/D芯片提供控制信号来控制A/D芯片的读写,所有的数据由FPGA预处理后供DSP读取。
4) DSP 该系统以TMS320LF28335作为主控制芯片[4~5],该芯片为低功耗、高性能的32位芯片,其内部集成了多种功能模块,不但包括多种通信接口,且同一种通信接口的数量不止一个,如SCI串口有3个,CAN口有2个,只需增加简单的外围器件即可实现扩展功能。DSP主要完成数据处理、逻辑控制及通讯功能。由于FPGA已将大量数据做了预处理,且本系统中DSP与FPGA的16位地址线和16位数据线均相连,采用并行数据传输,DSP只要通过简单的指令即可快速读取所需要的开关量和模拟量值,为状态监控及故障诊断功能提供基础。
5) CAN通信 大多数嵌有CAN控制器的控制芯片只有一个CAN控制器,如果希望系统具有双CAN接口,则需要外接一个CAN控制芯片,增加了硬件成本,电路结构更复杂[6~7]。
而本系统使用的DSP芯片中嵌有两个CAN控制器,因此只要将两个CAN控制器分别外接CAN驱动器就可以实现与两条独立的CAN总线连接。图2以CANA为例显示了TMS320LF28335的CAN通信接口电路,CANB的电路设计与此相同。CAN总线收发器82C250是驱动CAN控制器和物理总线间的接口,提供对总线的差动发送和接收功能。利用高速光耦6N137,实现收发信号的隔离和DSP与82C250之间的电平匹配。
6) 以太网通信 本系统选用了W5100作为以太网接入芯片[8]。W5100包含了TCP/IP、UDP等网络协议和DLC、MAC以太网协议。它提供多种总线,包括两种并行总线以及SPI串行总线等接口方式。内置16KB数据缓冲双口RAM,可快速进行数据交换。图3为以太网通信接口电路图。
W5100供电电压为3.3V和1.8V,其中1.8V可由芯片内部线性稳压电源产生,外接滤波电路后供回芯片。L1、L2均为1μH的电感,C3、C4均为0.1μF的电容。根据 W5100的工作频率要求,需在XTLP和XTLN引脚间接25MHz晶振及接地电容C1和C2,均为22pF。W5100的内部模拟电路需要在RSET_BG引脚与地之间外接精度为1%的电阻R4和R5,阻值分别为12k和300Ω。为了实现电气隔离,消除部分谐波(根据结构的不同可以消除不同次的谐波),有效降低零地电压,需要在W5100与外部接口之间接网络变压器。本系统网络变压器选11FB-05NL,网络变压器的RXPI与RXIN、TXOP与TXON各需要2个51Ω(精度为1%)的电阻和1个0.1μF的电容与特定端相连。DSP通过片选信号DSP_CS选中W5100芯片,通过直接总线模式读(/WR)、写(/RD)信号和数据(DATA)、地址(ADDR)总线可以简单的将W5100看做一个外部存储器来实施控制。
4 现场监控模块的软件设计
现场监控模块软件主要以DSP完成监控功能,因此本文仅就DSP的软件结构进行描述(FPGA部分略去)。其软件结构采取的是模块化设计,使用C++语言编写。程序流程如图4,主要完成的功能有信号检测、数据处理、数据传输以及逻辑控制。因此按照功能分为以下三个模块:数据处理模块、状态监控模块、通信模块。
数据处理模块的主要功能为实时接收来自FPGA的电流、电压量,通过计算转换成相应的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数及频率等工程信息,实时接收断路器、隔离开关的分合位置信号。
状态监控模块的主要功能为通过实时监控采集的模拟量、开关量的数值和状态,与模拟量所设上限、下限等限值比较,当测量值越限时向集中监控台发出报警,并作相应处理。当发生故障开关跳闸时记录设备动作的所有信息。
通信模块主要功能为实现与集中监控台建立联系,对所有采集的信息数据进行汇总和综合处理,并把各类信息上送给集中监控台。其按功能又分为CAN通信模块、以太网通信模块两个部分。
CAN通信模块分为三个层次,硬件抽象层文件、功能函数层文件、应用程序接口层。
1) 硬件抽象层文件
CANREG.H定义了各CAN控制器的寄存器数据格式及读写访问的方法。
2) 功能函数层文件
CANFUNC.C和CANFUNC.H包括CAN控制器各种控制功能的实现函数和CAN总线异常中断处理函数。
3) 应用程序接口层的文件
CANA.H和CANA.C、CANB.H和CANB.C分别对应两个不同CAN口,均包括如下3个函数。
① 初始化CAN控制器,包括使能CAN模块,CAN时钟设置、配置CAN管脚、初始化
CANMC寄存器、清除中断标志位、使CAN控制器工作在标准方式、设置总线波特率、验收过滤器等。
② 发送数据,使发送报文按协议打包或解析后在总线上传输,可通过本点把本设备检测参数和状态向CAN网络上上位机发送,实现远程网络监控和管理。
③ 接收数据,接收上位机发送的与本节点标识符相匹配的报文来对本节点检测和运行控制。
在此模块编程过程中需要特别注意两点:
eCAN的控制寄存器要求以32位方式访问。如果直接对控制寄存器的个别位进行操作,编译器会把这种访问变为16位的访问方式,而16位的访问方式可能会破坏控制寄存器的内容,尤其是对高16位中的位进行写操作的时候。因此可以使用一个32位的临时寄存器,先把欲操作的整个寄存器的内容读入到临时寄存器中,这个操作是32位的访问方式。在临时寄存器中对某些位进行操作,然后把值以32位写的方式赋给eCAN控制寄存器。
使用汇编语言对某个寄存器的位操作多是采用间接的方式,例如要置位为1是通过把整个寄存器和一个特定的“或操作”实现的。而利用高级语言的特性,在头文件中用结构体把寄存器的各个位封装起来,然后用成员运算符(.)直接对某个位进行置位或清零的操作。这样大大方便了位操作,还确保了其正确性,减少了人为失误。(例如ECANShadow.CANTA.bit.TA0=1)
以太网通信模块流程如图5:
又分为6个子模块:初始化模块(主要功能为对W5100内部寄存器初始化包括设置数据缓冲区大小、网关、物理地址、子网掩码、IP地址等)、创建socket模块、网络连接模块、数据发送模块、数据接收模块、关闭socket模块。其中socket是应用程序与网络协议的接口,在用户进程和网络协议之间起到桥梁作用。
5 结束语
本文设计的现场监控模块可应用于船舶配电网络中的开关柜或重要设备中,是配电网络与监控网络联系的重要枢纽,使配电网络单元真正实现智能化,网络化。配电单元内所有电压、电流、开关状态量等利用现场监控模块就地采集及处理,节省了大量电缆,减轻了集中监控台的控制负担。现场监控模块具有双冗余CAN及以太网等通信接口,使其与集中监控台的通信变得便利而可靠,为整个监控系统采取灵活而简便的网络拓扑结构提供基础,具有广泛的应用前景。
参考文献:
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作者简介:周樑(1980-),女,工程师,研究方向:电力系统监控与测量。