基于STM32的電力推進船舶電能質量無線監視系統設計

鄧冉然，施偉鋒

（上海海事大學 物流工程學院，上海 201306）

基于STM32的電力推進船舶電能質量無線監視系統設計

鄧冉然，施偉鋒

（上海海事大學 物流工程學院，上海 201306）

船舶電力系統容量大、結構復雜，利用簡便的無線監視裝置監視船舶電能質量，對提高船舶航行的安全性、可靠性和經濟性具有重要意義。本文利用WIFI技術搭建了無線通訊網絡，并按照modbus tcp/ip協議傳輸電能質量數據。然后設計了一種基于STM32的電力推進船舶電能質量無線監視裝置。最后在船舶電力推進實驗裝置上測試所設計的無線監視系統。實驗結果表明，本文所設計系統能夠實時準確監視船舶電能質量的變化，并對可能出現的故障進行有效監視。

電能質量 監視系統 STM32 WIFI 故障

0 引言

電力推進船舶中電力系統的安全可靠運行直接關系到船舶航行安全[1]。電能質量監視在電力推進船舶電力系統中的意義變得極其重要。目前電力推進船舶電能質量監視系統主要采用以太網或串行通訊方式傳輸電能質量數據，二者都是有線傳輸，因此電能質量監視受到地點環境限制，在出現火災等緊急情況時，監視系統往往難以維系正常監視功能。除此之外當傳輸線纜出現故障時，在故障排查和檢修上也會更加復雜。

意法半導體推出的 STM32系列芯片具有很強的擴展能力，易于移植，其外設單元資源豐富，是一種 32位高性能、低成本和低功耗的控制器[2]。WIFI是一種允許電子設備連接到一個無線局域網（WLAN）的技術。同一局域網中的多臺設備之間可以進行數據的傳輸。WIFI技術的特性主要體現在以下幾個方面：一是具有較快的速度和較高的可靠性；二是在開放性的區域中，WIFI的通訊距離可以達到305 m；三是在封閉性的區域中，WIFI的通訊距離一般為76～122 m；四是與有線以太網的整合十分方便，組網過程需要投入的成本較低[3]。

本文首先結合 WIFI技術的優點搭建了本地采集數據的有線通訊網絡和遠程監視的無線通訊網絡，然后設計了一種基于 STM32的電力推進船舶電能質量無線監視系統，最后通過船舶電力推進實驗裝置測試并分析了所設計電能質量監視系統的準確性和可靠性。

1 系統結構

如圖1所示，電力推進船舶電能質量無線監視系統的結構分可為三層，現場數據采集層、無線通訊層和監視層。現場數據采集層由傳感器、模數轉換裝置組成。傳感器采集網側和負載側電能質量數據模擬量，經過模數轉換裝置轉化為數字量。無線通訊層將現場數據采集層獲得的數字量傳輸到監視層。無線通訊層由接收裝置、發送裝置、中繼器組成。發送裝置通過 WIFI模塊發送數據，中繼器轉發 WIFI網絡中的通訊數據，接收裝置接收 WIFI網絡中的數據并做出響應。監視層是集中在接收裝置上的顯示和報警裝置。監視層處理接收到的數字信息得到電能質量參數的真實數據，顯示電能質量數據并監視故障的發生。

圖1 電能質量無線監視系統結構框圖

2 無線電能質量監視系統的實現

2.1 數據采集層

現場數據采集層分為網側和負載側兩個部分。網側數據通過智能儀表PM800采集獲得，負載側數據通過智能儀表 ION7650采集獲得[4]。PM800和 ION7650集數據采集與控制功能為一身，可以代替多種儀表、繼電器、變送器和其它元件。PM800和ION7650作為網關EGX300下的兩個節點，M340 PLC作為服務器，它們之間通過以太網連接。對 PLC編程以讀取兩個節點數據，需要通過地址轉換功能塊 ADDM 和數據讀取功能塊READ_VAR實現。ADDM功能塊的作用是將從站設備的地址格式轉換成6個單精度整數組成的數組，作為數據讀取功能塊READ_VAR的地址輸入[5]。

2.2 無線通訊層

在交換機外部搭建 TP-Link路由器，并且設置為中繼模式，拓展以太網絡為 2.4G WIFI，適當配置無線監視裝置后可以連接此無線網，形成整個系統的無線網搭建。

正點原子戰艦 V3開發板是以STM32F103ZET6芯片為核心控制器的開源ARM開發板。其內核采用CortexTM-M3架構，最高工作頻率72MHz，具有512KByte的程序存儲空間、64KByte的SRAM、8個定時器/計數器、3個SPI、集成5個USART通信接口、3個12位ADC及1個DAC等，硬件資源豐富，非常適合功能擴展[1]。本文設計的無線通訊層的接收端是通過在該開發板上搭建無線接收模塊組成。STM32控制器通過串口連接無線模塊ESP8266，編程配置ESP8266的工作模式為 STA-client，配置開發板和服務器IP地址、訪問端口502、無線中繼器SSID及密碼后，STM32監視裝置即可通過無線網絡訪問PLC服務器。

STM32監視裝置同 PLC之間的通訊協議是MODBUS TCP/IP協議。圖 2所示是 MODBUS數據幀格式。MODBUS通訊協議定義了一個與基礎通訊層無關的簡單協議數據單元（PDU）。特定總線或網絡上的 MODBUS協議映射能夠在應用數據單元（ADU）上引入一些附加域[6]。

圖2 MODBUS數據幀格式

2.3 監視層

監視層是集中在 STM32監視裝置上的顯示和故障報警模塊。通過TFTLCD屏幕集中顯示網側和負載側數據，如電壓、電流、不平衡電壓、不平衡電流等，也可將數據進行處理、保存并顯示成波形圖、柱形圖和相位圖。監視電能質量數據的同時也需要考慮系統運行過程中可能出現的一些故障，本文所設計系統考慮了負載側的幾類故障，并在故障發生時進行報警提示；故障報警通過LED燈和蜂鳴器實現，同時TFTLCD顯示故障類型。如表1所示，利用LED燈閃爍和蜂鳴器鳴叫頻率不同對故障進行分類，并將故障信息保存至SD卡的 Fault.CSV文件中，通過電腦可對故障記錄進行查閱和分析。

表1 故障類型及報警信息

2.4 軟硬件配置

如圖3所示，基于上海海事大學—施耐德電氣聯合實驗室平臺，搭建船舶電力推進實驗裝置[7]。圖4所示為電力推進船舶無線電能質量監視系統結構。

圖3 船舶電力推進實驗裝置

硬件配置為：智能儀表PM800和ION7650，施耐德M340 PLC，AI/AO（模擬輸入輸出）模塊，DI/DO（數字輸入輸出）模塊，EGX300網關，交換機，TP-Link路由器，正點原子戰艦V3開發板，ESP8266 WIFI模塊，SD卡，接觸式變壓器，ATV61變頻器，減速電機，模擬儀表。

軟件配置為：UnityPro_XL和keil uVision5。通過UnityPro_XL對M340 PLC進行編程集中全部電能質量參數，keil uVision5用于對正點原子戰艦V3開發板編程實現無線監視。

實驗裝置中，380 V三相交流電通過接觸式變壓器給系統供電。以減速電機模擬電力推進船舶主要負載。

圖4 無線電能質量監視系統結構

3 無線監視系統在實驗裝置上的測試結果

3.1 實時數據顯示

圖5所示為本文所設計無線電能質量監視裝置。在正點原子戰艦 V3開發板上，添加硬件TFTLCD屏幕和ESP8266WIFI模塊。SD卡用于保存信息。

圖5 無線電能質量監視裝置

無線監視裝置可實時數據顯示，可以實時準確監視網側和負載側電能質量數據。

3.2 圖形顯示

如圖6所示，負載側三相電壓波形，三相電壓在225 V上下波動。如圖7所示，為負載側相位圖，三相電壓幅值基本相同，三相電流幅值相差較大，這是由于負載不平衡導致的。圖8所示是負載側A相電壓諧波。

3.3 故障顯示

圖9所示為負載側三相電壓波形及欠壓故障顯示。調節接觸式變壓器降低電壓至負載側出現欠壓故障。實驗過程中兩次降壓調節中間有一次回復電壓操作，圖中負載側三相電壓有兩次下降，并低于欠壓閾值，因此出現兩次欠壓故障報警。

圖6 負載側三相電壓波形圖

圖7 負載側相位圖

圖8 負載側A相電壓諧波柱形圖

表2給出了SD卡中保存的故障信息。按照故障發生時間順序保存故障信息。I表示負載側三相電流，Vavg是負載側相電壓平均值。

4 結語

本文在船舶電力推進實驗裝置基礎上，搭建了基于 WIFI技術的無線數據傳輸網絡，并設計了基于 STM32的電能質量無線監視裝置，構建出了一種電力推進船舶無線電能質量監視系統，最后通過實驗驗證并分析了該系統的性能。實驗結果表明，本文所設計系統能夠實時準確監視船舶電能質量的變化，對出現的故障及時發出報警提示，具有良好穩定性和可靠性。

圖9 負載側三相電壓波形及欠壓故障顯示

表2 SD卡保存故障信息

[1]楊武, 江漢紅, 張朝亮, 等．面向船舶電力系統監測的混合網絡技術［J］．電網技術, 2010, 34(4):194- 198．

[2]趙科, 李常賢, 張彤. 基于STM32的無線溫濕度控制器[J]. 化工自動化及儀表, 2015, 42(06): 629-633.

[3]張天保. WIFI技術的應用與展望[J]. 產業與科技論壇, 2014, 13(03): 98-99.

[4]候云飛, 施偉鋒. 基于PLC和工控機的船舶電力系統故障診斷裝置設計[J]. 船電技術, 2016, 36(09):49-52.

[5]施耐德電氣公司．M340編程手冊［M］．北京: 施耐德電氣(中國)投資有限公司, 2008．

[6]華镕.從 Modbus到透明就緒[M].北京: 機械工業出版社, 2009.

[7]李偉翔, 施偉鋒, 張威, 徐培杰. 基于 PLC和觸摸屏的船舶電力推進監控裝置設計[J]. 船電技術,2014, 34(12): 23-26+30.

Design of Wireless Monitoring System for Power Quality of Electric Propulsion Ship Based on STM32

Deng Ranran, Weifeng Shi
（Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China）

The ship power system has large capacity and complex structure. It is very important to improve the safety, reliability and economy of ship navigation by using the simple wireless monitoring device to monitor the power quality of the ship. This paper uses WIFI technology to build wireless communication network, and transmits power quality data according to Modbus tcp/ip protocol. And then, it designs a wireless power monitoring device based on STM32 for electric propulsion ship power quality. Finally,it tests the design of the wireless monitoring system on the ship's electric propulsion experiment device. The experimental results show that the designed system can accurately monitor the change of the power quality of the ship in time and the occurrence of a possible fault.

power quality; monitoring system; STM32; WIFI; fault

TP273

A

1003-4862（2017）10-0049-04

2017-07-18

鄧冉然（1993-），男，碩士生。研究方向：船舶/港口系統的建模與控制。

Email：dengranran@stu.shmtu.edu.cn

施偉鋒（1963-），男，浙江寧波人，教授，博士，博導，主要從事電力系統及其自動化、控制理論與控制工程研究。Email: wfshi@shmtu.edu.cn。