基于DSP的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盧易楓，鄭麗敏

(河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州450002)

0 引 言

隨著船舶相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)于船舶功能及自動(dòng)化程度提出了越來越高的要求，這就使得船舶在運(yùn)行過程中可能會(huì)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)系統(tǒng)，多個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)隨時(shí)有可能發(fā)生變化，所以需要對(duì)電站的電力系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。在計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展之下，船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)也有了巨大改進(jìn)，船舶電站逐步朝著系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、智能化、操作簡(jiǎn)單化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、高度自動(dòng)化等趨勢(shì)發(fā)展，使得操作更加人性化和簡(jiǎn)便化?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)使得控制系統(tǒng)更加有結(jié)構(gòu)性，管理方便，為后續(xù)維護(hù)等提供有利條件，需要對(duì)船舶電站的監(jiān)控技術(shù)做更深入的現(xiàn)場(chǎng)總線研究。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于船舶電站的監(jiān)控研究也比較深入，基于PLC 的船舶電站監(jiān)控也體現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。結(jié)合船舶電站的特點(diǎn)及目前船舶發(fā)展的復(fù)雜程度，總線控制已經(jīng)體現(xiàn)出自己的優(yōu)勢(shì)，但是還需要進(jìn)一步提高其可靠性及實(shí)時(shí)性。本系統(tǒng)在結(jié)合DSP 及相關(guān)組態(tài)軟件的基礎(chǔ)上，對(duì)船舶電子監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)船舶電站的監(jiān)控［1］。

1 船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的組成

船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由控制系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)3 部分構(gòu)成。這3 個(gè)系統(tǒng)之間既有一定的獨(dú)立性，又彼此互相關(guān)聯(lián)。船舶電站在運(yùn)行過程中，其電站的功率、電壓、電流在船舶各個(gè)功能模塊狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)也會(huì)發(fā)生改變，從而影響并入電網(wǎng)的頻率及電壓，引起電網(wǎng)頻率的不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致電網(wǎng)的斷電。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能是對(duì)船舶發(fā)電機(jī)、原動(dòng)機(jī)及配電系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備等各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)值與設(shè)定值的偏差超過允許范圍，便可進(jìn)行報(bào)警提示，并進(jìn)行記錄登記，然后通過控制系統(tǒng)對(duì)船舶電站的電壓、頻率進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以及對(duì)發(fā)電機(jī)組的并車、啟動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)控制，自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)方式是對(duì)備用的機(jī)組進(jìn)行啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)故障的排除。如果監(jiān)測(cè)的故障比較嚴(yán)重，超過一定安全系數(shù)，有可能引起安全隱患，控制系統(tǒng)應(yīng)該采取一定的防范措施，避免事故進(jìn)一步發(fā)展［2］。

船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。系統(tǒng)由多個(gè)部分組成，各個(gè)部分之間相互獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)，核心控制器作為系統(tǒng)的核心進(jìn)行調(diào)配。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1 電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Power station monitoring system structure

電站監(jiān)控運(yùn)行過程是個(gè)復(fù)雜的控制過程，會(huì)應(yīng)對(duì)各種臨發(fā)事件，從而保證船舶及人員的安全。要保證電站在運(yùn)行過程中的可靠性，就首先必須對(duì)系統(tǒng)硬件的選擇有所保證。船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)了對(duì)相關(guān)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)值與設(shè)定值的偏差超過允許范圍，便可進(jìn)行報(bào)警提示，使用基于DSP 的控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)船舶電站監(jiān)控的控制，是一種簡(jiǎn)單、可靠的選擇。本系統(tǒng)在權(quán)衡了各種因素的情況下，選用了美國(guó)TI 公司的TMS320F2812 DSP 作為核心控制器，配以MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)設(shè)備系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

圖2 為監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成。該系統(tǒng)主要包括傳感器監(jiān)測(cè)、設(shè)備控制和監(jiān)測(cè)仿真3 個(gè)部分。傳感器監(jiān)測(cè)包括各種傳感器、I/O 接口，主要監(jiān)測(cè)各個(gè)設(shè)備的能量參數(shù)及運(yùn)行情況，通過網(wǎng)絡(luò)將參數(shù)傳送至DSP 控制器。DSP 中包含各種控制模塊，經(jīng)過程序設(shè)定，對(duì)傳輸過來的信號(hào)進(jìn)行邏輯處理，對(duì)電站進(jìn)行自動(dòng)控制，并通過仿真接口將設(shè)備運(yùn)行情況在計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)窗口進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，然后通過人機(jī)互動(dòng)，對(duì)DSP 控制器進(jìn)行相應(yīng)控制，將指令傳輸給電站，使其進(jìn)行一定的動(dòng)作指令，達(dá)到對(duì)電站的控制。

仿真接口主要將DSP 中所接收到的各個(gè)設(shè)備運(yùn)行情況的參數(shù)進(jìn)行可視化處理，使得工作人員可以直觀地查看各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行情況。船舶上的運(yùn)行設(shè)備比較復(fù)雜，所以包括很多傳感器，例如用來監(jiān)測(cè)冷卻水溫度的溫度傳感器，用來監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的速度及位置傳感器等。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件框架Fig.2 The hardware framework of monitor and control system

TMS320F2812 DSP 的數(shù)據(jù)總線相互獨(dú)立，其內(nèi)核采用Harvard 結(jié)構(gòu)體系，存儲(chǔ)器包括片內(nèi)程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器;配有運(yùn)算單元、算數(shù)/邏輯單元、累加器、乘法器和位移位器。結(jié)構(gòu)采用串行結(jié)構(gòu)，可以加快程序的運(yùn)算速度，在一個(gè)運(yùn)算周期內(nèi)可以對(duì)加法運(yùn)算、乘法運(yùn)算及移位進(jìn)行處理，內(nèi)核速度為20 MIPs，1 s 可以運(yùn)算大量的指令。外設(shè)主要包括大容量存儲(chǔ)器、定時(shí)器比較單元、高速異同步串行口、捕獲單元、PWM 波形發(fā)生器和可復(fù)用的I/O 口等。其內(nèi)部運(yùn)算通過PWM 發(fā)生器及死區(qū)發(fā)聲單元進(jìn)行內(nèi)部邏輯運(yùn)算，使得DSP 的整個(gè)控制系統(tǒng)得到了大大的簡(jiǎn)化。此外DSP 通過中斷、硬件尋址、指針逆序?qū)ぶ返瓤刂浦噶?，使得TMS320F2812 DSP 可以在船舶電站的復(fù)雜監(jiān)控中體現(xiàn)出自己的優(yōu)勢(shì)［3］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)電站的監(jiān)控，就需要采集信號(hào)并將采集到的信號(hào)進(jìn)行加工。DSP 的目的是將連續(xù)的模擬信號(hào)進(jìn)行處理，要實(shí)現(xiàn)控制，還需要對(duì)采集到的信號(hào)予以編程。一旦電站中出現(xiàn)有異常，就會(huì)立即報(bào)警，軟件設(shè)計(jì)方面就需要點(diǎn)亮指示燈及蜂鳴器，并將信息傳輸給上位機(jī)，在電腦上進(jìn)行可視化檢測(cè)，對(duì)于有必要的人工操作，在通過直觀的界面按鈕，方便地實(shí)現(xiàn)人機(jī)操作。

3.1 軟件功能設(shè)計(jì)

船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)需要在船舶航行過程中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備各參數(shù)的同步進(jìn)行，為保證監(jiān)控系統(tǒng)行使其正常功能，需要具備以下功能:

1)電站參數(shù)與運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與顯示。為了能夠及時(shí)確認(rèn)電站的工作狀態(tài)，船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)能夠顯示電站的基本參數(shù)。通過所顯示的參數(shù)，確認(rèn)電站的運(yùn)行狀態(tài)以及船舶的航行狀況。

2)對(duì)故障的處理。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)所顯示的數(shù)據(jù)，能夠判斷船舶電站的運(yùn)行狀況，并能夠及時(shí)的確定故障以及故障發(fā)生的原因。當(dāng)確認(rèn)故障，能夠及時(shí)報(bào)警，并能確認(rèn)故障類型［4］。

3)信息的顯示和存儲(chǔ)。當(dāng)有故障報(bào)警時(shí)，通過觸摸屏的監(jiān)控界面，判斷故障類型，并根據(jù)界面的顯示，能夠確認(rèn)故障發(fā)生的時(shí)間、以及持續(xù)時(shí)間等。在控制系統(tǒng)內(nèi)有儲(chǔ)存卡，將信息儲(chǔ)存起來。

3.2 軟件功能設(shè)計(jì)

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件可分為核心控制軟件和觸摸屏人機(jī)界面控制軟件2 個(gè)部分。核心控制軟件是系統(tǒng)的核心控制部分，通過軟件語(yǔ)言能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的分析處理、邏輯判斷和控制執(zhí)行等多種功能;觸摸屏人機(jī)界面控制程序的主要功能是顯示界面，能夠?qū)⑾到y(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果直觀的顯示給用戶。通過網(wǎng)絡(luò)直接訪問，實(shí)現(xiàn)控制功能，數(shù)據(jù)、狀態(tài)的輸出，顯示和存儲(chǔ)等功能。軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 The software structure diagram

在監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，需要判斷確定船舶電站的各種工作狀態(tài)，針對(duì)出現(xiàn)的各種問題通過控制模塊分析并解決，具體工作流程如下:

1)程序運(yùn)行之后，首先要對(duì)程序進(jìn)行初始化，這一操作為程序的運(yùn)行提供準(zhǔn)備條件，在程序初始化完成之后，接著進(jìn)行下一步，狀態(tài)監(jiān)控循環(huán)。

2)當(dāng)發(fā)電機(jī)首次運(yùn)行之后，對(duì)電壓頻率狀況進(jìn)行確認(rèn)核實(shí)，然后可以直接并入電網(wǎng)，在并入電網(wǎng)過程中，可以不考慮并車條件。

3)啟動(dòng)之后，存在正常工作的發(fā)電機(jī)便以合閘，然后給電網(wǎng)輸電，在合閘之后程序是單機(jī)運(yùn)行的。單機(jī)運(yùn)行的過程中，需要監(jiān)控多方面的狀況，不僅需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行機(jī)的重載、故障情況、發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀況，還需要進(jìn)行重載詢問。在運(yùn)行過程中，系統(tǒng)自動(dòng)判斷機(jī)組是否夠用，若能完成任務(wù)則繼續(xù)單機(jī)運(yùn)行。

4)當(dāng)單機(jī)運(yùn)行不能完成任務(wù)時(shí)，啟用備用機(jī)組，啟動(dòng)子程序與處理故障事件時(shí)的子程序一樣。

5)完成第1 個(gè)電機(jī)成功啟動(dòng)之后，還需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)并車，并根據(jù)檢測(cè)狀況，判斷是否滿足并車。條件符合后繼續(xù)進(jìn)行自動(dòng)并車子程序。如果并車失敗，則進(jìn)行聲光報(bào)警。

6)實(shí)時(shí)對(duì)整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)所得出的故障原因作出不同的反饋。當(dāng)出現(xiàn)輕載情況時(shí)，通過調(diào)用自動(dòng)停機(jī)、解列模塊等解決問題，保證安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。當(dāng)在監(jiān)測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)重載問題時(shí)，則需要變更程序，通過再次調(diào)用自啟動(dòng)模塊、自動(dòng)并車模塊以及調(diào)頻調(diào)載模塊，如此循環(huán)往復(fù)。

當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)控功能判斷需要增機(jī)的時(shí)候，包括電網(wǎng)失電超過設(shè)定的延時(shí)時(shí)間、預(yù)測(cè)可用功率低于設(shè)定的啟動(dòng)限制值、運(yùn)行機(jī)故障需要換機(jī)時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的自動(dòng)增機(jī)的信號(hào)。此時(shí)系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)啟動(dòng)的必要條件，如果滿足相應(yīng)的啟動(dòng)條件，則啟動(dòng)增機(jī)。同時(shí)，系統(tǒng)還需要設(shè)置好發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)的優(yōu)先級(jí)。系統(tǒng)最多嘗試進(jìn)行3 次啟動(dòng)，當(dāng)?shù)? 次啟動(dòng)嘗試失敗后隨即進(jìn)行第2 次啟動(dòng)嘗試，第2 次啟動(dòng)嘗試失敗后隨即進(jìn)行第3 次啟動(dòng)嘗試，當(dāng)?shù)? 次啟動(dòng)嘗試也失敗的情況下，則宣告第1 臺(tái)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)失敗。執(zhí)行報(bào)警程序的同時(shí)，啟動(dòng)第2 臺(tái)發(fā)電機(jī)組，若再失敗，報(bào)警，轉(zhuǎn)入啟動(dòng)下一臺(tái)，若依然失敗則進(jìn)行機(jī)組用完故障聲光報(bào)警。啟動(dòng)成功后，則繼續(xù)執(zhí)行下一步如:單機(jī)調(diào)頻調(diào)壓或自動(dòng)并車。

3.3 顯示界面設(shè)計(jì)

MCGS 是一種比較常用的監(jiān)控軟件，能夠大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)開發(fā)過程并能獲取良好的監(jiān)控界面，運(yùn)用MCGS 軟件能夠有效的對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，還能夠根據(jù)監(jiān)控內(nèi)容完成報(bào)警顯示。圖5 為基于MCGS的系統(tǒng)主監(jiān)控界面示意圖，本界面采用2 臺(tái)發(fā)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖4 船舶電站自動(dòng)監(jiān)控主程序流程圖Fig.4 Ship power station automatic monitoring main program flow chart

如圖所示，2 個(gè)發(fā)電機(jī)各有2 個(gè)指示燈，根據(jù)指示燈的變化能夠直觀地顯示當(dāng)前的電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。為了直觀有效地控制機(jī)組的起動(dòng)，在每個(gè)記住各設(shè)有3 個(gè)按鈕，按鈕主要負(fù)責(zé)控制停止以及主開關(guān)分閘動(dòng)作。在界面的下方，能夠讀取當(dāng)前電網(wǎng)的主要參數(shù)。當(dāng)電壓或電流出現(xiàn)故障時(shí)，界面會(huì)出現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警，及時(shí)通知船員進(jìn)行相關(guān)的應(yīng)急操作。保證船舶的安全行駛［5］。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.5 The basic process of ship collision avoidance

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著船舶航行越來越多，船舶電站在航行中扮演的角色也越來越重要，船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)能保證船舶電能有效安全的使用。本文利用DSP 控制芯片作為主控芯片，配以組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船舶上各個(gè)用電設(shè)備的工作狀態(tài)。同時(shí)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電源整體工作狀態(tài)的顯示、故障信息的顯示、存儲(chǔ)和報(bào)警功能，系統(tǒng)所應(yīng)用的MCGS 組態(tài)軟件能夠大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)開發(fā)過程并能獲取良好的監(jiān)控界面。

［1］滕萬慶．網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)［D］．哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2007．

［2］李文華，邱志強(qiáng)，孫瑜，等．基于現(xiàn)場(chǎng)總線的船舶電站實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)研究［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2005，27(2):39 －41，59．LI Wen-hua，QIU Zhi-qiang，SUN Yu，et al．Study of the real－time monitor system of shipping power plant based of CAN fieldbus［J］．Ship Science and Technology，2005，27(2):39 －41，59．

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