基于DSP的船舶電站監控系統設計

盧易楓，鄭麗敏

(河南工業貿易職業學院，河南 鄭州450002)

0 引 言

隨著船舶相關技術的迅速發展，對于船舶功能及自動化程度提出了越來越高的要求，這就使得船舶在運行過程中可能會同時運行多個系統，多個系統的運行狀態隨時有可能發生變化，所以需要對電站的電力系統進行監控。在計算機及網絡技術的快速發展之下，船舶電站監控系統也有了巨大改進，船舶電站逐步朝著系統網絡化、智能化、操作簡單化、結構復雜化、高度自動化等趨勢發展，使得操作更加人性化和簡便化。現場總線控制技術使得控制系統更加有結構性，管理方便，為后續維護等提供有利條件，需要對船舶電站的監控技術做更深入的現場總線研究。目前國內外對于船舶電站的監控研究也比較深入，基于PLC 的船舶電站監控也體現出一定的優勢。結合船舶電站的特點及目前船舶發展的復雜程度，總線控制已經體現出自己的優勢，但是還需要進一步提高其可靠性及實時性。本系統在結合DSP 及相關組態軟件的基礎上，對船舶電子監控系統進行設計，實現了對船舶電站的監控［1］。

1 船舶電站監控系統的組成

船舶電站監控系統的結構主要由控制系統、檢測系統和報警系統3 部分構成。這3 個系統之間既有一定的獨立性，又彼此互相關聯。船舶電站在運行過程中，其電站的功率、電壓、電流在船舶各個功能模塊狀態發生變化時也會發生改變，從而影響并入電網的頻率及電壓，引起電網頻率的不穩定，嚴重時可能導致電網的斷電。監測系統的主要功能是對船舶發電機、原動機及配電系統相關的設備等各個設備的運行狀態及參數進行實時監測，當發現監測值與設定值的偏差超過允許范圍，便可進行報警提示，并進行記錄登記，然后通過控制系統對船舶電站的電壓、頻率進行自動調節，以及對發電機組的并車、啟動進行自動控制，自動控制的實現方式是對備用的機組進行啟動，實現對系統故障的排除。如果監測的故障比較嚴重，超過一定安全系數，有可能引起安全隱患，控制系統應該采取一定的防范措施，避免事故進一步發展［2］。

船舶電站監控系統的整體系統結構圖如圖1 所示。系統由多個部分組成，各個部分之間相互獨立又相互關聯，核心控制器作為系統的核心進行調配。

2 系統硬件設計

圖1 電站監控系統結構Fig.1 Power station monitoring system structure

電站監控運行過程是個復雜的控制過程，會應對各種臨發事件，從而保證船舶及人員的安全。要保證電站在運行過程中的可靠性，就首先必須對系統硬件的選擇有所保證。船舶電站監控系統主要功能是實現了對相關各個設備的運行狀態及參數進行實時監測，當發現監測值與設定值的偏差超過允許范圍，便可進行報警提示，使用基于DSP 的控制系統來實現船舶電站監控的控制，是一種簡單、可靠的選擇。本系統在權衡了各種因素的情況下，選用了美國TI 公司的TMS320F2812 DSP 作為核心控制器，配以MCGS組態軟件進行監控，可以實時監測各個設備系統的工作狀態。

圖2 為監控系統硬件組成。該系統主要包括傳感器監測、設備控制和監測仿真3 個部分。傳感器監測包括各種傳感器、I/O 接口，主要監測各個設備的能量參數及運行情況，通過網絡將參數傳送至DSP 控制器。DSP 中包含各種控制模塊，經過程序設定，對傳輸過來的信號進行邏輯處理，對電站進行自動控制，并通過仿真接口將設備運行情況在計算機監測窗口進行實時監測，然后通過人機互動，對DSP 控制器進行相應控制，將指令傳輸給電站，使其進行一定的動作指令，達到對電站的控制。

仿真接口主要將DSP 中所接收到的各個設備運行情況的參數進行可視化處理，使得工作人員可以直觀地查看各個設備的運行情況。船舶上的運行設備比較復雜，所以包括很多傳感器，例如用來監測冷卻水溫度的溫度傳感器，用來監測發動機轉速的速度及位置傳感器等。

圖2 監控系統硬件框架Fig.2 The hardware framework of monitor and control system

TMS320F2812 DSP 的數據總線相互獨立，其內核采用Harvard 結構體系，存儲器包括片內程序存儲器、數據存儲器;配有運算單元、算數/邏輯單元、累加器、乘法器和位移位器。結構采用串行結構，可以加快程序的運算速度，在一個運算周期內可以對加法運算、乘法運算及移位進行處理，內核速度為20 MIPs，1 s 可以運算大量的指令。外設主要包括大容量存儲器、定時器比較單元、高速異同步串行口、捕獲單元、PWM 波形發生器和可復用的I/O 口等。其內部運算通過PWM 發生器及死區發聲單元進行內部邏輯運算，使得DSP 的整個控制系統得到了大大的簡化。此外DSP 通過中斷、硬件尋址、指針逆序尋址等控制指令，使得TMS320F2812 DSP 可以在船舶電站的復雜監控中體現出自己的優勢［3］。

3 系統軟件設計

監控系統要實現對電站的監控，就需要采集信號并將采集到的信號進行加工。DSP 的目的是將連續的模擬信號進行處理，要實現控制，還需要對采集到的信號予以編程。一旦電站中出現有異常，就會立即報警，軟件設計方面就需要點亮指示燈及蜂鳴器，并將信息傳輸給上位機，在電腦上進行可視化檢測，對于有必要的人工操作，在通過直觀的界面按鈕，方便地實現人機操作。

3.1 軟件功能設計

船舶電站監控系統需要在船舶航行過程中對現場的控制和實時監測設備各參數的同步進行，為保證監控系統行使其正常功能，需要具備以下功能:

1)電站參數與運行狀態的監測與顯示。為了能夠及時確認電站的工作狀態，船舶電站監控系統能夠顯示電站的基本參數。通過所顯示的參數，確認電站的運行狀態以及船舶的航行狀況。

2)對故障的處理。根據監控系統所顯示的數據，能夠判斷船舶電站的運行狀況，并能夠及時的確定故障以及故障發生的原因。當確認故障，能夠及時報警，并能確認故障類型［4］。

3)信息的顯示和存儲。當有故障報警時，通過觸摸屏的監控界面，判斷故障類型，并根據界面的顯示，能夠確認故障發生的時間、以及持續時間等。在控制系統內有儲存卡，將信息儲存起來。

3.2 軟件功能設計

整個監控系統的軟件可分為核心控制軟件和觸摸屏人機界面控制軟件2 個部分。核心控制軟件是系統的核心控制部分，通過軟件語言能夠實現數據的分析處理、邏輯判斷和控制執行等多種功能;觸摸屏人機界面控制程序的主要功能是顯示界面，能夠將系統的監測結果直觀的顯示給用戶。通過網絡直接訪問，實現控制功能，數據、狀態的輸出，顯示和存儲等功能。軟件結構如圖3所示。

圖3 軟件結構框圖Fig.3 The software structure diagram

在監控系統正常運行過程中，需要判斷確定船舶電站的各種工作狀態，針對出現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)程序運行之后，首先要對程序進行初始化，這一操作為程序的運行提供準備條件，在程序初始化完成之后，接著進行下一步，狀態監控循環。

2)當發電機首次運行之后，對電壓頻率狀況進行確認核實，然后可以直接并入電網，在并入電網過程中，可以不考慮并車條件。

3)啟動之后，存在正常工作的發電機便以合閘，然后給電網輸電，在合閘之后程序是單機運行的。單機運行的過程中，需要監控多方面的狀況，不僅需要實時監測運行機的重載、故障情況、發電機運行狀況，還需要進行重載詢問。在運行過程中，系統自動判斷機組是否夠用，若能完成任務則繼續單機運行。

4)當單機運行不能完成任務時，啟用備用機組，啟動子程序與處理故障事件時的子程序一樣。

5)完成第1 個電機成功啟動之后，還需要進行監測并車，并根據檢測狀況，判斷是否滿足并車。條件符合后繼續進行自動并車子程序。如果并車失敗，則進行聲光報警。

6)實時對整個機組的運行狀態進行監測。根據監測所得出的故障原因作出不同的反饋。當出現輕載情況時，通過調用自動停機、解列模塊等解決問題，保證安全、經濟運行。當在監測過程中發現重載問題時，則需要變更程序，通過再次調用自啟動模塊、自動并車模塊以及調頻調載模塊，如此循環往復。

當系統監控功能判斷需要增機的時候，包括電網失電超過設定的延時時間、預測可用功率低于設定的啟動限制值、運行機故障需要換機時，系統便會產生相應的自動增機的信號。此時系統會檢測啟動的必要條件，如果滿足相應的啟動條件，則啟動增機。同時，系統還需要設置好發電機組啟動的優先級。系統最多嘗試進行3 次啟動，當第1 次啟動嘗試失敗后隨即進行第2 次啟動嘗試，第2 次啟動嘗試失敗后隨即進行第3 次啟動嘗試，當第3 次啟動嘗試也失敗的情況下，則宣告第1 臺發電機啟動失敗。執行報警程序的同時，啟動第2 臺發電機組，若再失敗，報警，轉入啟動下一臺，若依然失敗則進行機組用完故障聲光報警。啟動成功后，則繼續執行下一步如:單機調頻調壓或自動并車。

3.3 顯示界面設計

MCGS 是一種比較常用的監控軟件，能夠大大簡化設計開發過程并能獲取良好的監控界面，運用MCGS 軟件能夠有效的對控制系統進行監控，還能夠根據監控內容完成報警顯示。圖5 為基于MCGS的系統主監控界面示意圖，本界面采用2 臺發電機進行設計。

圖4 船舶電站自動監控主程序流程圖Fig.4 Ship power station automatic monitoring main program flow chart

如圖所示，2 個發電機各有2 個指示燈，根據指示燈的變化能夠直觀地顯示當前的電機的運行狀態。為了直觀有效地控制機組的起動，在每個記住各設有3 個按鈕，按鈕主要負責控制停止以及主開關分閘動作。在界面的下方，能夠讀取當前電網的主要參數。當電壓或電流出現故障時，界面會出現實時報警，及時通知船員進行相關的應急操作。保證船舶的安全行駛［5］。

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

4 結 語

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，船舶電站監控系統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，配以組態軟件實現監控功能，可以實時監測船舶上各個用電設備的工作狀態。同時，系統可以實現電源整體工作狀態的顯示、故障信息的顯示、存儲和報警功能，系統所應用的MCGS 組態軟件能夠大大簡化設計開發過程并能獲取良好的監控界面。

［1］滕萬慶．網絡環境下的機艙監控系統研發平臺設計［D］．哈爾濱:哈爾濱工程大學，2007．

［2］李文華，邱志強，孫瑜，等．基于現場總線的船舶電站實時監控系統研究［J］．艦船科學技術，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．

［3］鄭偉勝．基于PLC 的船舶電站監控系統研究［J］．艦船科學技術，2015，27(2):148 －151．ZHENG Wei-sheng．Research of ship power station monitoring system based on PLC［J］．Ship Science and Technology，2015，27(2):148 －151．

［4］陽世榮．基于實時數據同步交換技術的船舶電站綜合監控平臺研究［J］．船舶工程，2008，30(z1)．YANG Shi-rong．Study on integrated supervisory control platform of ship power station based on synchronous exchange of real － time data［J］．Ship Engineering，2008，30(z1)．

［5］盧宏基，張丹．基于CAN 總線的船舶發動機狀態監測系統［J］．中國水運，2008，30(z1)．LU Hong-ji，ZHANG Dan．Based on CAN main line ships engine condition monitor system ［J］．China Water Transport，2008，30(21)．