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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&Design of Marine
2、Power Station and Its Control Device SHI Jia-hui ZHANG Min(R&D Center,Shanghai Ship&Shipping Research Institute,Shanghai 200135,China)Abstract: In order to realize the needs of large-scale, high speed and multi-purpose of the ship power station, liable control and safe operation and maintenance of s
3、hip power station is more and more important, the require of the control monitor and managing of the electric power station is higher. In order to realize the reliable running, controlling and managing of the ship power station, advance the automatization of the engine room, the thesis has designed
4、a controlling device based on arm, which can increase the reliability and economic effect, using advanced embedded control technology, computer technology and network programming technology.Key words: Ship Power Station，Control System，Embedded System，ARM，Diesel Generator Sets 0 引言船舶电站是船用电能的生产中心，也是船舶
5、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
6、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。1 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
7、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
8、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
9、。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
10、据传输的实时性。系统总体结构如图1所示。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
11、，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。2.2 ARM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DSP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
12、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。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
13、成：A/D转换模块、光电隔离模块A/D模块主要将4-20mA的电流模拟量转化为数据量传递给CPU；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02V的电压信号输入，经过整形
14、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。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
15、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
16、/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、解列、和停机等操作)。图5 机组控制器功能程序框架图3.2 各控制功能子程序设计3.2.1机组自动起动程序流程设计控制系统检测到电网无电或电网功率不够用时，即产生增机要求，同时检测相应机组起动逻辑条件。当条件满足时发出起动指令，否则转向下一台备用机，这些都是由机组的控制单元的程序来完成。图6 自动起动程序流程框图“自动起动功能”由一些逻辑判断组成。计算机根据外部电路输入信号和有关的内部标志变量的值进行逻辑分析，做出是否进行
17、“自动起动”的决策。若某机组执行“自动起动”程序后，程序检测是否起动成功，若不成功，再次发出起动指令，三次起动失败以后，本机将联络另一台下位机使其起动另一备用机，同时报告上位机，发出“起动失败”报警指示，若备用机组用完，系统将发出“备用机用完”报警指示。机组起动成功，则自动转入“单机调压、单机调频”程序或系统调用“自动并车”程序。自动起动程序流程框图如图6所示。3.2.2 自动准同步并车程序3.2.2.1 准同步并车条件的判定准同步并车模块由电压调节模块、频率调节模块、相位同步合闸模块组成，这是代替电气人员从事并车的各项操作程序，使待并机组能够迅速准确地投入并联运行。为此，该模块在理论上须满足
18、以下并车条件：同压、同频、同相位。但在实际操作过程中必然存在一定的误差，只要在误差范围之内，就能并车。同时考虑系统的振荡，为此，发电机频率fG与电网频率fX的差值不能太大也不能太小。这是因为频差很小时脉动周期长，甚至呆滞不动要捕捉相角重合时刻就很困难，不利于发电机快速并联运行，所以当频差小于一定值时要发出扰动信号使频差增加，这就是呆滞扰动，因此频率预调时应避免频差过大或过小。相位条件的检测与实现是自动并车模块的难点和关键环节。为尽可能的实现待并机组与电网在同相点准确合闸，须考虑各种主空气开关的固有合闸时间以及软件计算延迟时间，并以此来计算合闸提前量。本系统采用恒定越前时间法获取合闸提前量。先把
19、待并机组和电网正弦电压通过波形变换为同频方波，然后对待并机组和电网的电压方波Uf和Uw进行检测计算，以获得提前发出合闸指令的时间。原理下图所示。tz t t TfTWUfUW 图7 恒定越前时间的获取原理示意图设电网电压周期为TW，待并机电网电压周期为Tf，待并机电压滞后于电网电压的时间为tz，主开关固有动作时间和软件计算延迟时间和为tk。若二者能在同相点合闸，此时的tz值必是可以确定的，它由提前待并机的频率周期数与电网电压与待并机一个周期相差的时间的乘积来确定，即： tz = * (TW-Tf) (3-1) 在式(3-1)中代入主开关固有动作时间tk、电网电压周期TW和待并机电压周期Tf即可
20、计算出tz的理想值。在该部分程序中，不断把实时检测到的tz值与理想值相比较，直至二者非常接近时发出合闸脉冲，以实现准确合闸。时间差tz由的高速计数器进行测量，当UW上升沿到来时，中断服务器清零并开始计数，Uf上升沿到达时读出计数值，利用此时的计数值即可算出tz。考虑到测量tz所需的时间，因此在实际算法中tz的理论值计算往往采用下列算法： tz = * (Tw+tk)（3-2）并当捕捉到tz时，再延迟（Tw-tz）后发出合闸指令，确保在同相点合闸并车。3.2.2.2 ARM接口通道的实现(1)待并机和在网机相电压Uf和UW信号取至电压互感器，经变压器降压、波形变换电路变为方波信号，加至电压比较器
21、进行信号比较，比较结果送到ARM输入端进行电压差判断与控制。 (2)用光电编码器与发电机同轴安装、光电编码器随发电机轴的转动输出个数正比于转速的脉冲信号，将脉冲信号接至ARM输入端口即高速计数器端口，进行频差方向、大小的鉴别与控制。 (3)利用高速环形计数器测量、计算合闸提前量，从而进行合闸时刻的判别与实现。 (4)ARM输出接口分别接电压、调速控制继电器，实现机组的升/降压、加/减速控制。 (5)ARM合闸信号送到控制屏主开关的合闸线圈实现合闸控制。(6)设置机组运行指示、故障显示、并车失败报警及故障复位按钮。3.2.2.3 程序设计的实现在程序设计中采用功能模块子程序结构设置好每个模块的出
22、口。软件设计主要包含电压条件、频率条件、相位条件这三个子程序。设计思想如下： (1)进入并车程序模块，先检测电压差条件，电压差满足要求后则进入下一个子程序，否则延时后报警； (2)检测待并机和电网电压的频差是否在允许范围内，倘若不在限定值内则进行频率预调。为避免出现逆功率，提高并联运行的稳定性，设定频差范围为+0.1 Hz+0.3Hz； (3)最后检测相位差条件，按前述方法获取合闸提前量，并在适当时机发出合闸指令。程序流程图如图8所示。图8 自动准同步并车控制程序流程图3.2.2.4 程序设计可行性仿真论证针对自动准同步并车软件实现相位差捕捉并发出并车指令的可行性，用MATLAB进行了简单的仿
23、真。仿真过程中，为了缩短并车运行条件捕捉时间、便于结果观察，假设电网频率为50Hz、待并机频率为51Hz、合闸延迟及程序计算延迟时间总和为100ms。图9 自动准同步并车仿真图图中，第一组方波中黄色为电网电压波形、红色为待并机组电压波形，第二组信号为捕捉到的满足发指令条件的时刻，第三组为指令发出时刻，第四组为机组实际并车时刻。从图上可以看出，合闸时刻刚好是相位差为零的时刻，表明该软件并车算法在理论上是可以较容易实现同相点合闸并车，能够达到电站自动控制要求。3.2.3 自动调频调载程序自动调频调整模块对在网机组进行自动调节，使整个电网频率稳定在规定的范围，同时，调节各机组之间的功率分配，使各机组
24、间的负荷按照额定功率比例分配。一模块输入：(1) 电网频率信号（用于判断频率是否稳定）(2) 在网的各机组的输出功率（用于计算平均功率）(3) 输出模式信号（用于判断调速信号的输出模式）(4) 系数及参数设定信号（用于计算调整量和设定参数，稳态频率、频差范围、功差范围、调整步长、调整延时、P、I、D系数、脉冲宽度系数k1，k2）二输入信号信息：(1) 双精度数字量(2) 双精度数字量（个数等于在网机组数）(3) 1位二进制量，0-继电器输出；1-模拟量输出（420mA）(4) 10个双精度数字量三输入信号来源：(1) 电网频率寄存器（由高速计数器给出）(2) 各机组的输出功率寄存器（本机的由主
25、程序计算得到，其它机组的由各机组CAN上传）(3) 输出模式寄存器（机组显示操作模块给出）(4) 参数寄存器（机组显示操作模块给出）图10为自动调频调载程序框图。图10 自动调频调载功能控制程序流程图3.2.4 自动解列和停车控制装置中“自动解列”及“自动停机”功能可简单地表述如下：满足下列条件时，向相应机组发出“自动解列”指令：(1)机组在网运行；(2)负荷过低或者机组故障；(3)机组确认要解列时，先进行负荷转移，当待解列机所承担的负荷降至5%左右时，主开关分闸脱网，同时报告上位机；(4)机组解列后，系统延时判断电站当前工况，若整个电站负荷没有变化则执行停机操作；若在延时时间内负荷又增至重载
26、限值，则重新投入“自动并车”程序。自动解列和自动并车两者是紧密联系的，程序也是把它们设计在一起，该程序中，当并联运行时各机组的负荷低于25%Pe时，对其中一台机组运行解列操作；当解列操作负荷转移至10% Pe时，对解列机组进行分闸，分闸后的解列机延时10s，当在1Os内负荷增至重载限值，则系统调用并车程序，将己解列机组重新并入电网，反之将解列、停机。程序如图11。图11 自动解列及停机控制程序流程图3.2.5 分级卸载该模块功能就是当电网负荷达到电站额定总功率的一定比例（过载）时，各种负荷按照重要程度依次自动卸载，从而确保发电机正常工作，并保证重要负载不间断连续供电。该模块具有：一级定时限卸载
27、环节、二级定时限卸载环节、三级定时限卸载环节。这里，一/二/三级卸载所对应的负载情况分别为非重要负载、次重要负载和重要负载。其重要性随级别的升高而升高。模块输入：(1) 各机组状态标志信号（用于判断本机功率是否运行以及是否应计入总功率）(2) 在网各机组的输出功率和额定功率信号（用于读取机组功率，判断是否过载）(3) 各级卸载闭锁标志信号（用于判断对应级别的卸载指令是否已发出，需否闭锁本级卸载，进入下一级卸载）(4) 电网电压信号（用于在电网失电情况下的卸载负荷）（以上3为负荷控制器内部信号，其它均为CAN上传入信号）模块输入信息：(1) 8位二进制量(2) 各台在网机组的输出功率和额定功率，
28、双字节数字量，共16字节(3) 3位二进制量（每级各1位；0-无闭锁，1-有闭锁；初始均为1）(4) 双字节数字量信号来源：(1) 机组状态标志寄存器（CAN上传）(2) 各机组输出功率寄存器（CAN上传）(3) 本模块各级卸载闭锁标志寄存器（由前次分级卸载或分级起动操作得到结果）(4) 电网电压寄存器（CAN上传）模块输出：(1) 各级卸载指令信号（用于切除各级负荷）（接口信号）模块输出信息：(2) 总共3位二进制量，每级卸载指令各1位信号去向：(3) 各级负载对应的断路器（继电器）控制程序流程图如图12所示。图12 分级卸载控制程序流程图3.2.6 重载询问重载询问功能模块是应对大功率负载
29、的处理模块。用以实现在起动大负载之前的功率询问，并以运行机组的剩余功率为判据，决定是允许起动负载还是先起动后备机组。模块输入：(1) 重载询问信号（用于判断是否需要进行重载处理）（接口信号）(2) 合闸反馈信号（用于判断是否合闸成功）（接口信号）(3) 各机组状态标志信号（用于判断本机功率是否运行以及是否应计入总功率）(4) 在网各机组的输出功率和额定功率信号（用于计算剩余功率，判断是否允许起动负载）（以上3和4均为CAN上传入信号）模块输入信息：(1) 2位二进制量（每路重载询问各1位；1-无重载询问信号，0-有重载询问信号）(2) 2位二进制量（每路合闸反馈各1位；1-未合闸，0-已合闸）
30、(3) 8位二进制量(4) 各台机组的输出功率和额定功率，双字节实数，16字节信号来源：(1) 外部重载询问按钮输入(2) 外部合闸反馈信号(3) 各机组状态标志寄存器（CAN上传）(4) 各机组输出功率寄存器（CAN上传）模块输出：(1) 重载允许起动信号（用于合闸投入重载）（接口信号）(2) 重载增机信号（用于起动后备机组，增加剩余功率）（CAN上传出信号）(3) 重载合闸失败报警信号（CAN上传出信号）模块输出信息：(1) 2位二进制量（每路重载允许各1位；1-允许响应信号，0-无允许响应信号）(2) 1位二进制量（1-增机信号，0-无增机信号）(3) 2位二进制量（每路重载各1位；1-
31、合闸失败）具体软件流程如图13所示。图13 重载询问控制程序流程图4 结语在本设计过程中，完成了各控制模块的软、硬件设计。主要实现的功能是对待并发电机和电网的电力参数的采集，电站发电机组自动准同步并车、调频调载、自动解列及自动停机等功能的控制，给出了最佳并车相位差提前时间的计算方法，同时用MATLAB对自动准同步并车方法可行性进行了模拟仿真。该软件并车方法，从理论上和软硬件实现上都是可行的。其新颖点在于根据电网电压和待并机电压的频差，主开关等等延迟时间，计算出合闸信号发出提前时间的理论值，并通过电网电压与待并机组电压相位差的实时测量，准确发出合闸指令，实现同相点合闸。该方法通过Matlab进行了仿真，达到预期结果，可以作为船舶电站自动控制系统自动整同步并车的方法。参考文献：1王焕文舰船电力系统及自动装置北京：科学出版社,2004,8.2李麟、沈兵编著，舰船电力系统及其自动化。武汉：海军工程大学出版社，200113
