基于PROFIBUS總線通信的船舶配電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高驥超 吳旖 舒云

(上海船舶設(shè)備研究所，上海200031)

1 引言

船舶配電設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化和信息化是現(xiàn)代船舶設(shè)備發(fā)展的趨勢(shì)。對(duì)多個(gè)船舶配電設(shè)備的運(yùn)行電氣狀態(tài)進(jìn)行采集并集中顯示和控制，有利于各配電設(shè)備之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行管理，可以最大程度保證配電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性。

本文所提出的配電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心為目前已經(jīng)在船舶上得到廣泛應(yīng)用的西門子SIMATIC S7-300可編程邏輯控制器（PLC）。實(shí)踐證明，西門子S7-300 PLC在底層控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）高速的指令處理,并可進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算；

（2）模塊化的設(shè)計(jì)利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及維護(hù)；

（3）可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)便于功能的拓展；

（4）多種通信接口，滿足大多數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)通信要求；

（5）高電磁兼容性能和強(qiáng)抗振動(dòng)沖擊性能，使其具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。

配電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)以西門子 S7-300 PLC為控制核心，采用分布式I/O對(duì)多個(gè)配電設(shè)備運(yùn)行電氣參數(shù)信息進(jìn)行采集，并根據(jù)信息對(duì)多個(gè)配電設(shè)備進(jìn)行集中協(xié)調(diào)控制和管理，保證整個(gè)配電設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

2 船舶配電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

配電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)主要功能是采集配電裝置的運(yùn)行電氣參數(shù)信息，采用RS485總線協(xié)議方式通過PLC通信模塊將485總線數(shù)據(jù)傳輸至智能網(wǎng)橋，在智能網(wǎng)橋中將數(shù)據(jù)報(bào)文打包為 CAN總線報(bào)文傳輸給上級(jí)系統(tǒng)，并根據(jù)配電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，對(duì)各配電開關(guān)進(jìn)行控制。

配電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)由西門子可編程邏輯控制器（PLC）與智能型RS485-CAN網(wǎng)橋組成。

本系統(tǒng)中PLC具有數(shù)據(jù)采集、處理以及信息傳輸?shù)墓δ埽芍醒胩幚砥鳎–PU）、通信模塊、開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、電源模塊（向模塊以及智能型網(wǎng)橋提供24 V直流電源）和分布式I/O接口模塊組成。

智能型網(wǎng)橋用于實(shí)現(xiàn)RS485總線協(xié)議數(shù)據(jù)與CAN總線協(xié)議數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換，PLC通信模塊與智能網(wǎng)橋上的RS485總線協(xié)議接口通過通信電纜實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，并通過智能網(wǎng)橋上的 CAN總線接口完成與上層監(jiān)控系統(tǒng)的 CAN總線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示：

圖1 配電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖

采用SIMATIC S7-300控制器和ET200系列遠(yuǎn)程I/O所構(gòu)成的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式I/O數(shù)據(jù)采集傳輸方式，可將I/O模塊布置在不同的現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)數(shù)據(jù)分主站和從站進(jìn)行處理。

主站帶有CPU模塊和數(shù)據(jù)采集模塊，主站數(shù)據(jù)采集模塊采集主站所在配電裝置的運(yùn)行電氣參數(shù)信息（包括開關(guān)量和模擬量，模擬量為RS485總線數(shù)據(jù)）直接送CPU進(jìn)行處理；從站由ET200系列遠(yuǎn)程I/O組成，每個(gè)配電裝置均配置獨(dú)立的從站，采集所在配電裝置的運(yùn)行電氣參數(shù)信息，并通過PROFIBUS-DP總線傳輸?shù)街髡綜PU[1]。

數(shù)據(jù)采集模塊從各配電開關(guān)附件獲取各配電開關(guān)狀態(tài)信號(hào)及包含當(dāng)前電流值的通信信號(hào)（信號(hào)為RS485總線數(shù)據(jù)格式）。

配電開關(guān)與數(shù)據(jù)采集模塊之間通過RS485總線協(xié)議傳輸配電開關(guān)的當(dāng)前電流值，根據(jù)協(xié)議為每個(gè)配電開關(guān)確定一個(gè)唯一通信地址，所有配電開關(guān)和數(shù)據(jù)采集模塊組成一個(gè)RS485總線網(wǎng)絡(luò)[2，3]。

在分布式I/O系統(tǒng)中，S7-300配電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)主站可通過集成在CPU上的PROFIBUS-DP接口連接到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)上，主站和從站之間采用 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議進(jìn)行通信，PROFIBUS-DP典型網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖2所示。

圖2 PROFIBUS-DP典型網(wǎng)絡(luò)示意圖

采用PROFIBUS通信協(xié)議優(yōu)點(diǎn)在于通信速度高，最高可以達(dá)到12 Mbit/s，如8個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總線最小循環(huán)時(shí)間可達(dá)0.2 ms；同時(shí)通信效率高，總線上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的單幀最大數(shù)據(jù)傳輸長(zhǎng)度可達(dá)244字節(jié)，從而保證分布式I/O主站和從站之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

3 監(jiān)控系統(tǒng)與配電設(shè)備之間的通信

監(jiān)控系統(tǒng)各數(shù)據(jù)采集模塊從配電裝置各配電開關(guān)附件獲取各配電開關(guān)狀態(tài)信號(hào)及包含當(dāng)前電流值的通信信號(hào)。

配電開關(guān)與數(shù)據(jù)采集模塊之間通過RS485總線協(xié)議傳輸配電開關(guān)的當(dāng)前電流值，根據(jù)協(xié)議為每個(gè)配電開關(guān)確定一個(gè)唯一通信地址，所有配電開關(guān)和數(shù)據(jù)采集模塊組成一個(gè)RS485總線網(wǎng)絡(luò)。

監(jiān)控系統(tǒng)每個(gè)運(yùn)算周期發(fā)送一個(gè)令牌環(huán)，該令牌環(huán)含有唯一的通信地址，總線上的電量附件接收與自己地址對(duì)應(yīng)的令牌環(huán)，并根據(jù)令牌環(huán)包含的指令回應(yīng)相應(yīng)的報(bào)文。

同時(shí)為避免總線通信過程中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，傳輸數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等問題，對(duì)每個(gè)周期中接收的電流信號(hào)報(bào)文進(jìn)行檢驗(yàn)，只有檢驗(yàn)合格后才會(huì)確認(rèn)該組電流值為有效的當(dāng)前電流值。

4 監(jiān)控系統(tǒng)與上級(jí)系統(tǒng)的通信設(shè)計(jì)

本監(jiān)控系統(tǒng)與上級(jí)系統(tǒng)之間采用 CAN總線方式進(jìn)行通信。

4.1 CAN總線報(bào)文

本監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)文是在 CAN2.0B報(bào)文的基礎(chǔ)上，增加了針對(duì)本系統(tǒng)的部分?jǐn)?shù)據(jù)定義。

在 CAN2.0B的版本協(xié)議中有兩種不同的幀格式，含有11位標(biāo)識(shí)符的幀為標(biāo)準(zhǔn)幀，含有29位標(biāo)識(shí)符的幀為擴(kuò)展幀。本系統(tǒng)采用含有29位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展幀，其格式如圖3所示。

圖3 CAN2.0B擴(kuò)展報(bào)文格式

本系統(tǒng)報(bào)文分心跳報(bào)文和數(shù)據(jù)報(bào)文兩類。

4.1.1 數(shù)據(jù)報(bào)文格式

數(shù)據(jù)報(bào)文一般由多個(gè)數(shù)據(jù)幀組成，本系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文的長(zhǎng)度進(jìn)行了限制，每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文的最多長(zhǎng)度為31個(gè)數(shù)據(jù)幀。

4.1.1.1 數(shù)據(jù)幀仲裁域

本系統(tǒng)利用CAN2.0B擴(kuò)展幀仲裁域的ID，對(duì)通信的數(shù)據(jù)報(bào)文的數(shù)據(jù)幀仲裁域重新進(jìn)行定義，數(shù)據(jù)幀仲裁域結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)幀仲裁域結(jié)構(gòu)圖

各部分的定義以及作用：

數(shù)據(jù)仲裁域包含11位基本標(biāo)識(shí)符以及18位擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符。

(1) 11位基本標(biāo)識(shí)符

設(shè)備編號(hào)：11位基本標(biāo)識(shí)符的0-5位，按照系統(tǒng)定義對(duì)本系統(tǒng)中各配電設(shè)備進(jìn)行定義，如Ox01對(duì)應(yīng)1＃配電裝置、Ox02對(duì)應(yīng)2＃配電裝置；

(2) 18位擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符

報(bào)文類型：18位擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符的17～16位。本檢測(cè)單元發(fā)送的報(bào)文為數(shù)據(jù)報(bào)文，對(duì)應(yīng)的報(bào)文編號(hào)為Ox01；

幀類型：18位擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符的15～13位，其對(duì)應(yīng)編碼方法見表2；

表2 幀類型定義

索引號(hào)：18位擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符的12～7位，對(duì)應(yīng)多幀數(shù)據(jù)的幀號(hào)。

4.1.1.2 數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)域

由于CAN總線對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)幀有8Byte的長(zhǎng)度限制，因此一條數(shù)據(jù)報(bào)文要?jiǎng)澐譃槎鄠€(gè)數(shù)據(jù)幀傳遞，并可通過各仲裁域的各字段還原為數(shù)據(jù)報(bào)文。為了保證報(bào)文的分解與還原不存在二義性，在數(shù)據(jù)仲裁域中已定義了每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文的索引號(hào)。

4.2 RS485總線與CAN總線之間的互聯(lián)

PLC采用RS485總線協(xié)議，而監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的是基于 CAN2.0B擴(kuò)展的總線通信協(xié)議，因此需要在RS485總線網(wǎng)絡(luò)與CAN總線網(wǎng)絡(luò)之間增加可以將RS485協(xié)議與CAN總線協(xié)議相互轉(zhuǎn)換的網(wǎng)橋。

由于監(jiān)控系統(tǒng)總線報(bào)文為CAN 2.0B報(bào)文基礎(chǔ)上擴(kuò)展的通信協(xié)議，因此標(biāo)準(zhǔn)的RS485轉(zhuǎn)CAN的網(wǎng)橋并不適用于本系統(tǒng)。本監(jiān)測(cè)單元中采用智能式RS485轉(zhuǎn)CAN網(wǎng)橋。

智能型網(wǎng)橋一般分為設(shè)置模式及工作模式，在設(shè)置模式時(shí)，可對(duì)網(wǎng)橋的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而在工作模式下，網(wǎng)橋可完成RS485總線報(bào)文與CAN總線報(bào)文的相互轉(zhuǎn)換。

PLC的通信模塊與智能型網(wǎng)橋的RS485總線接口通過電纜實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，在智能網(wǎng)橋中完成RS485總線協(xié)議與CAN總線協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換，并通過智能網(wǎng)橋的 CAN總線接口與上級(jí)系統(tǒng)的CAN總線實(shí)現(xiàn)互聯(lián)[4]。

4.3 監(jiān)控系統(tǒng)與上級(jí)系統(tǒng)之間的通信

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由RS485總線數(shù)據(jù)接口送到網(wǎng)橋中準(zhǔn)備發(fā)到 CAN 總線上的數(shù)據(jù)可在兩種傳輸格式中選擇：數(shù)據(jù)格式與幀格式。在數(shù)據(jù)格式下，將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)送到RS485口上，網(wǎng)橋把RS485送進(jìn)的數(shù)據(jù)裝到CAN幀的數(shù)據(jù)域中，CAN幀的幀信息和標(biāo)識(shí)碼采用預(yù)設(shè)在網(wǎng)橋中的內(nèi)容，在這種模式下用戶只能發(fā)送固定標(biāo)識(shí)碼的 CAN 幀；在幀格式下，用戶將幀信息、幀標(biāo)識(shí)碼、需發(fā)送的數(shù)據(jù)一起通過RS485口送入，每一個(gè)CAN 幀的幀信息和標(biāo)識(shí)碼都重新指定，在這種模式下可發(fā)送不同仲裁域的CAN幀。

根據(jù)系統(tǒng)對(duì) CAN 2.0B報(bào)文的定義，每個(gè)CAN幀的仲裁域內(nèi)容都是相異的。在PLC程序中定義的每個(gè) CAN幀的幀信息均需滿足系統(tǒng)定義要求并且是唯一的。PLC按照數(shù)據(jù)智能網(wǎng)橋所規(guī)定的格式將標(biāo)識(shí)碼、幀信息、數(shù)據(jù)域儲(chǔ)存在共享數(shù)據(jù)塊中，通過通信塊將數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)送。PLC的輸出信號(hào)通過智能網(wǎng)橋上的RS485口輸入，在網(wǎng)橋中將收到的數(shù)據(jù)封裝為滿足CAN 2.0B協(xié)議的報(bào)文，通過智能網(wǎng)橋的CAN總線接口與上級(jí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。上級(jí)系統(tǒng)通過 CAN總線接收到符合系統(tǒng)規(guī)定的CAN總線報(bào)文的CAN總線報(bào)文進(jìn)行解包還原，根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)所規(guī)定的設(shè)備定義，可以明確所接收的數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的配電裝置以及具體所對(duì)應(yīng)的配電開關(guān)。

5 結(jié)論

利用分布式信息采集方法，可以利用一個(gè)CPU模塊采集兩個(gè)甚至更多的配電設(shè)備運(yùn)行電氣信息，并根據(jù)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀況，采取相應(yīng)的控制措施如切除配電開關(guān)等，最大程度保證配電設(shè)備運(yùn)行的安全性；并根據(jù)上級(jí)系統(tǒng)的需要，將多個(gè)配電設(shè)備的運(yùn)行電氣狀態(tài)信息采集后通過CAN總線上傳，實(shí)時(shí)顯示設(shè)備運(yùn)行狀況。

值得注意的是，由于本監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控對(duì)象均為強(qiáng)電流設(shè)備，因此需對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)采取相應(yīng)的抗干擾措施。

（1）將控制器放置在獨(dú)立的箱體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)PLC控制器與高頻信號(hào)的隔離；

（2）單個(gè)配電設(shè)備的模擬量輸入信號(hào)集中以單根屏蔽電纜的方式輸入數(shù)據(jù)采集模塊，并將電纜屏蔽層與控制器箱體良好連接，以抑制干擾；

（3）模擬量信號(hào)與電源線分開走線予以隔離；

（4）將智能性網(wǎng)橋與帶CPU的PLC控制器安裝在一個(gè)控制箱內(nèi)，防止外界信號(hào)對(duì)網(wǎng)橋工作的干擾。

作者利用本文所介紹的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì) 12臺(tái)配電裝置共68路配電開關(guān)進(jìn)行了監(jiān)控，系統(tǒng)運(yùn)行良好、開關(guān)狀態(tài)信息與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)一致，開關(guān)動(dòng)作正確可靠，可實(shí)時(shí)反映設(shè)備的運(yùn)行狀況。

[1] 陳偉冰. 現(xiàn)場(chǎng)總線及其實(shí)際應(yīng)用探討[J]. 電氣傳動(dòng)及其自動(dòng)化, 2009, (03): 45-49.

[2] 萬筱劍, 李鐵才. 基于 PROFIBUS總線的銅箔后處理生產(chǎn)線傳動(dòng)系統(tǒng)[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用, 2009,(03): 132-134.

[3] 張家斌. 西門子3WL斷路器PROFIBUS通信技術(shù)[J].電工技術(shù), 2009, (01): 79-80.

[4] 李軍, 謝暉, 王紀(jì)森. 基于PLC和工業(yè)Ethernet的飛機(jī)液壓綜合試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2009, 17(12): 2391-2393.