基于CAN總線的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)及數(shù)據(jù)融合路徑

張家洪

（中港疏浚有限公司，上海 201900）

船舶電站能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)化，同時更好地監(jiān)控、分配、測量和保護(hù)船舶。目前船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)存在幾個問題：

（1）靈活性不足，尤其是控制儀表、通信等功能，使用復(fù)雜、效率較低；

（2）船舶電站各機(jī)組的綜合利用率相對較低，增加了能源消耗，安全系數(shù)不高；

（3）當(dāng)前的技術(shù)電流檢測儀靈敏度不高，造成檢測數(shù)據(jù)與實(shí)際情況存在較大誤差；

（4）無法將檢測到的電流、電壓、溫度、短路狀態(tài)等信息及時轉(zhuǎn)變?yōu)榱炕盘枺荒苓M(jìn)行無噪聲的收集，對儲存數(shù)據(jù)信息以及交換機(jī)處理存在消極影響；

（5）目前仍無法正常反映檢測信息，數(shù)據(jù)讀取無法快速、全面進(jìn)行，工作效率較低。

為了解決船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，本文采用基于CAN總線的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)融合數(shù)據(jù)，提升機(jī)組的綜合利用率和系統(tǒng)的安全運(yùn)行能力，節(jié)約船舶的運(yùn)行成本[1]。

1 基于CAN總線技術(shù)進(jìn)行船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

舶電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于CAN總線技術(shù)的舶電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

提前連接主控模塊、電壓檢測模塊以及電流檢測模塊，利用單片機(jī)對上述模塊進(jìn)行控制。

檢測模塊主要對有關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行檢測，包括船舶電站電壓、電流、短路狀況、溫度等；通信模塊在CAN的作用下使電站儀表實(shí)現(xiàn)通信；管理模塊使各機(jī)組設(shè)備能夠有效工作；數(shù)據(jù)存儲模塊對檢測模塊所檢測到的有關(guān)數(shù)據(jù)通過存儲器進(jìn)行存儲；顯示模塊將檢測到的各種數(shù)據(jù)信息及時在顯示器上進(jìn)行反映。

管理模塊共有4個部分，包括接口模塊、隊(duì)列管理模塊、在線千瓦時模塊、并車模塊。接口模塊用于與外部設(shè)備連接，如果電站監(jiān)控系統(tǒng)和外部連接，即為虛擬設(shè)備；隊(duì)列管理模塊用于提供功率信息，以隊(duì)列方式對各種程序進(jìn)行管理；在線千瓦時模塊對各隊(duì)列的權(quán)值、需求進(jìn)行計算，以便隊(duì)列模式能夠高效運(yùn)行；并車模塊可以進(jìn)行負(fù)荷分配、啟動機(jī)組順序以及自動并車。

2 通信模塊通信方法

船舶電站所有儀表的通信均利用優(yōu)化的CAN協(xié)議進(jìn)行，通過重新定義應(yīng)用層協(xié)議中的標(biāo)識符實(shí)現(xiàn)CAN協(xié)議的優(yōu)化。

CAN2.0B有兩種應(yīng)用層協(xié)議，一種是標(biāo)準(zhǔn)格式，另一種是擴(kuò)展格式兩種數(shù)據(jù)幀：

（1）標(biāo)準(zhǔn)格式。

標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)幀仲裁場共包括RTR以及11位標(biāo)識符，IDE、R0、DLC位組成了控制場；SRR、IDE、RTR和29位標(biāo)識符共同組成了擴(kuò)展格式數(shù)據(jù)幀仲裁場，控制場由R1、R0、DLC組成。

（2）擴(kuò)展格式。

擴(kuò)展格式數(shù)據(jù)幀仲裁場標(biāo)識符具有多種功能，4位功能碼對報文的優(yōu)先級進(jìn)行規(guī)定；在4位組號中有用于網(wǎng)絡(luò)全局廣播的1組中組號，共15組中組號；原地址碼和目的地址碼分別占8位，儀表的唯一地址由16位地址碼對應(yīng)；4位數(shù)據(jù)用于對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型進(jìn)行定義；1位多幀標(biāo)識，如果數(shù)據(jù)傳輸顯示大于8個字節(jié)，需要多幀進(jìn)行，此時多幀標(biāo)識位是1，如果小于8個字節(jié)，則顯示為0。

3 數(shù)據(jù)融合技術(shù)的基本原理

數(shù)據(jù)融合技術(shù)是一種可以實(shí)現(xiàn)多源信息融合處理的新型技術(shù)。該技術(shù)最早應(yīng)用于20世紀(jì)70年代初的美國國防部聲吶信號處理系統(tǒng)，經(jīng)過不斷發(fā)展，該技術(shù)已推廣至軍事、工業(yè)、金融及空中交通管制等多個重要領(lǐng)域。數(shù)據(jù)融合涉及不同層次、不同方面的數(shù)據(jù)處理，通過對多元數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測、讀取、判斷、組合，科學(xué)分析其狀態(tài)及身份，對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面、合理的態(tài)勢評估和威脅評估。

船舶電站控制系統(tǒng)中會不同限度存在部分諧波，會對電站的正常運(yùn)行造成一定影響，因此在利用傳感器測量時，會摻雜部分測量噪聲，造成傳感器獲得的信息與實(shí)際數(shù)據(jù)存在誤差，同時也會降低電站系統(tǒng)的安全可靠性。

對此，數(shù)據(jù)融合技術(shù)采用多傳感器并行處理的方式，即根據(jù)傳感器冗余，最大限度降低測量噪聲對數(shù)據(jù)的影響。通常情況下，冗余數(shù)據(jù)融合的方法主要有加權(quán)平均法、卡爾曼濾波法、貝葉斯估計法等。

4 船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)融合技術(shù)的應(yīng)用

外部存在干擾源的情況下，如電磁諧波，通過檢測模塊對船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，得到的參數(shù)可能存在偏差，不利于進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)控。數(shù)據(jù)融合技術(shù)具有科學(xué)性和先進(jìn)性，傳感器能夠得到充分利用，可以將檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，減小數(shù)據(jù)誤差，使系統(tǒng)更準(zhǔn)確[2]。

4.1 船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀

為了實(shí)現(xiàn)船舶自動化，需要先實(shí)現(xiàn)船舶電站自動化，反映船舶的自動化程度。船舶電站的監(jiān)控技術(shù)與機(jī)艙的控制技術(shù)存在較多共同點(diǎn)，二者都是在充分利用通信技術(shù)、微處理技術(shù)、控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化完善。現(xiàn)階段，該技術(shù)仍存在兩個突出缺點(diǎn)：

（1）DCS利用的通信網(wǎng)絡(luò)是非標(biāo)準(zhǔn)的，網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行制定時，不同公司所采取的標(biāo)準(zhǔn)不同，導(dǎo)致該系統(tǒng)具有一定封閉性，不能進(jìn)行開放互連。

（2）主從式的DCS網(wǎng)絡(luò)包括操作站、控制站、現(xiàn)場儀表三層結(jié)構(gòu)模式；為了保證正常運(yùn)行需要花費(fèi)更多的資金，如果網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，會直接導(dǎo)致控制系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

基于DCS系統(tǒng)以上兩方面的顯著缺點(diǎn)，對CAN等現(xiàn)場總線技術(shù)不斷進(jìn)行完善，嘗試在傳統(tǒng)的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)中融入現(xiàn)場總線技術(shù)，構(gòu)建以現(xiàn)場總線技術(shù)為重心的現(xiàn)場總線船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)。

4.2 基于CAN的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS

（1）CAN現(xiàn)場總線協(xié)議的特點(diǎn)。

①應(yīng)用主結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，區(qū)別于常用的主從網(wǎng)絡(luò)形式；

②適宜用不同類型的微控制器連接；

③應(yīng)用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁，實(shí)現(xiàn)總線的優(yōu)先權(quán)訪問；

④遇到故障時，自身的處理能力較強(qiáng)，如果出現(xiàn)故障，能夠自動脫離總線；

⑤短幀結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，針對網(wǎng)絡(luò)干擾的保護(hù)能力更強(qiáng)。

（2）基于CAN現(xiàn)場總線的FCS的特點(diǎn)。

①與傳統(tǒng)技術(shù)相比，該系統(tǒng)為“工作站現(xiàn)場總線-智能現(xiàn)場設(shè)備”模式，只需要兩層設(shè)備進(jìn)行功能轉(zhuǎn)換，而傳統(tǒng)系統(tǒng)中至少需要三層設(shè)備才能完成功能的發(fā)揮；

②開放式現(xiàn)場總線采用標(biāo)準(zhǔn)通信網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種廠商、多種網(wǎng)絡(luò)的匹配、融合及數(shù)據(jù)處理；

③與DCS網(wǎng)絡(luò)相比，F(xiàn)CS大幅度減少了專用I/O裝置的使用，同時控制站的多種功能都可以通過現(xiàn)場設(shè)備實(shí)現(xiàn)，控制功能的分散性明顯提升了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性，防止一種功能故障影響系統(tǒng)整體的運(yùn)行；

④能夠及時監(jiān)測并排除FCS現(xiàn)場設(shè)備的部分故障，提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的自檢能力；

⑤發(fā)生故障時，相關(guān)節(jié)點(diǎn)能夠自動脫離總線，避免某一節(jié)點(diǎn)故障導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。

4.3 組建基于CAN的現(xiàn)場總線船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信利用CAN現(xiàn)場總線，并采用雙絞線作為通信線。對船舶的運(yùn)行條件進(jìn)行估算后，通信速率確定為250 kbps（270 m）。通信網(wǎng)絡(luò)在此速率條件下，優(yōu)勢較為明顯。測量箱節(jié)點(diǎn)、電站控制管理以及微機(jī)控制節(jié)點(diǎn)共同組成系統(tǒng)。管理模塊的運(yùn)行通過電站控制微機(jī)完成管理，SJ1000控制器均被應(yīng)用在測控節(jié)點(diǎn)、測控節(jié)點(diǎn)通信CAN適配卡以及CAN通信適配卡中，控制器接口微處理器被應(yīng)用在芯片80C250CAN上[3]。

為了將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送到計算機(jī)應(yīng)用程序中，必須應(yīng)用CAN適配卡，改卡選取雙口RAM，主要作用是保護(hù)中央處理器和微處理器，進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫與存儲。為進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時性，CAN通信網(wǎng)絡(luò)選用優(yōu)先級最高的外部中斷。該系統(tǒng)在定時中斷發(fā)送的過程中，誘導(dǎo)幀進(jìn)行誘導(dǎo)，并開始計數(shù)，為了避免數(shù)據(jù)出現(xiàn)發(fā)送死循環(huán)，最終出現(xiàn)沒法正常退出的情況，需要在發(fā)送號數(shù)后及時中斷發(fā)送。

誘導(dǎo)幀動作也會占用總線時間，因此在系統(tǒng)中盡可能詳細(xì)輸入故障檢測信息，系統(tǒng)自檢時能夠及時檢測出相關(guān)故障，一方面可以節(jié)省數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間，另一方面便于技術(shù)人員及時進(jìn)行故障處理。

5 結(jié)語

文章引入基于CAN總線技術(shù)設(shè)計的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)，對該系統(tǒng)如何進(jìn)行數(shù)據(jù)融合進(jìn)行總結(jié)，通過監(jiān)控系統(tǒng)對收集的各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行量化，在數(shù)據(jù)完成儲存、轉(zhuǎn)換的同時，增強(qiáng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息自身的抗干擾和無噪聲積累能力。分析數(shù)據(jù)融合技術(shù)的基本原理后，結(jié)合數(shù)據(jù)顯示、故障自檢等功能，便于對檢測數(shù)據(jù)的合理掌握，明顯提高了船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的工作效率。