基于DSP的船舶电站监控系统设计

卢易枫，郑丽敏

(河南工业贸易职业学院，河南 郑州450002)

0 引 言

随着船舶相关技术的迅速发展，对于船舶功能及自动化程度提出了越来越高的要求，这就使得船舶在运行过程中可能会同时运行多个系统，多个系统的运行状态随时有可能发生变化，所以需要对电站的电力系统进行监控。在计算机及网络技术的快速发展之下，船舶电站监控系统也有了巨大改进，船舶电站逐步朝着系统网络化、智能化、操作简单化、结构复杂化、高度自动化等趋势发展，使得操作更加人性化和简便化。现场总线控制技术使得控制系统更加有结构性，管理方便，为后续维护等提供有利条件，需要对船舶电站的监控技术做更深入的现场总线研究。目前国内外对于船舶电站的监控研究也比较深入，基于PLC 的船舶电站监控也体现出一定的优势。结合船舶电站的特点及目前船舶发展的复杂程度，总线控制已经体现出自己的优势，但是还需要进一步提高其可靠性及实时性。本系统在结合DSP 及相关组态软件的基础上，对船舶电子监控系统进行设计，实现了对船舶电站的监控［1］。

1 船舶电站监控系统的组成

船舶电站监控系统的结构主要由控制系统、检测系统和报警系统3 部分构成。这3 个系统之间既有一定的独立性，又彼此互相关联。船舶电站在运行过程中，其电站的功率、电压、电流在船舶各个功能模块状态发生变化时也会发生改变，从而影响并入电网的频率及电压，引起电网频率的不稳定，严重时可能导致电网的断电。监测系统的主要功能是对船舶发电机、原动机及配电系统相关的设备等各个设备的运行状态及参数进行实时监测，当发现监测值与设定值的偏差超过允许范围，便可进行报警提示，并进行记录登记，然后通过控制系统对船舶电站的电压、频率进行自动调节，以及对发电机组的并车、启动进行自动控制，自动控制的实现方式是对备用的机组进行启动，实现对系统故障的排除。如果监测的故障比较严重，超过一定安全系数，有可能引起安全隐患，控制系统应该采取一定的防范措施，避免事故进一步发展［2］。

船舶电站监控系统的整体系统结构图如图1 所示。系统由多个部分组成，各个部分之间相互独立又相互关联，核心控制器作为系统的核心进行调配。

2 系统硬件设计

图1 电站监控系统结构Fig.1 Power station monitoring system structure

电站监控运行过程是个复杂的控制过程，会应对各种临发事件，从而保证船舶及人员的安全。要保证电站在运行过程中的可靠性，就首先必须对系统硬件的选择有所保证。船舶电站监控系统主要功能是实现了对相关各个设备的运行状态及参数进行实时监测，当发现监测值与设定值的偏差超过允许范围，便可进行报警提示，使用基于DSP 的控制系统来实现船舶电站监控的控制，是一种简单、可靠的选择。本系统在权衡了各种因素的情况下，选用了美国TI 公司的TMS320F2812 DSP 作为核心控制器，配以MCGS组态软件进行监控，可以实时监测各个设备系统的工作状态。

图2 为监控系统硬件组成。该系统主要包括传感器监测、设备控制和监测仿真3 个部分。传感器监测包括各种传感器、I/O 接口，主要监测各个设备的能量参数及运行情况，通过网络将参数传送至DSP 控制器。DSP 中包含各种控制模块，经过程序设定，对传输过来的信号进行逻辑处理，对电站进行自动控制，并通过仿真接口将设备运行情况在计算机监测窗口进行实时监测，然后通过人机互动，对DSP 控制器进行相应控制，将指令传输给电站，使其进行一定的动作指令，达到对电站的控制。

仿真接口主要将DSP 中所接收到的各个设备运行情况的参数进行可视化处理，使得工作人员可以直观地查看各个设备的运行情况。船舶上的运行设备比较复杂，所以包括很多传感器，例如用来监测冷却水温度的温度传感器，用来监测发动机转速的速度及位置传感器等。

图2 监控系统硬件框架Fig.2 The hardware framework of monitor and control system

TMS320F2812 DSP 的数据总线相互独立，其内核采用Harvard 结构体系，存储器包括片内程序存储器、数据存储器;配有运算单元、算数/逻辑单元、累加器、乘法器和位移位器。结构采用串行结构，可以加快程序的运算速度，在一个运算周期内可以对加法运算、乘法运算及移位进行处理，内核速度为20 MIPs，1 s 可以运算大量的指令。外设主要包括大容量存储器、定时器比较单元、高速异同步串行口、捕获单元、PWM 波形发生器和可复用的I/O 口等。其内部运算通过PWM 发生器及死区发声单元进行内部逻辑运算，使得DSP 的整个控制系统得到了大大的简化。此外DSP 通过中断、硬件寻址、指针逆序寻址等控制指令，使得TMS320F2812 DSP 可以在船舶电站的复杂监控中体现出自己的优势［3］。

3 系统软件设计

监控系统要实现对电站的监控，就需要采集信号并将采集到的信号进行加工。DSP 的目的是将连续的模拟信号进行处理，要实现控制，还需要对采集到的信号予以编程。一旦电站中出现有异常，就会立即报警，软件设计方面就需要点亮指示灯及蜂鸣器，并将信息传输给上位机，在电脑上进行可视化检测，对于有必要的人工操作，在通过直观的界面按钮，方便地实现人机操作。

3.1 软件功能设计

船舶电站监控系统需要在船舶航行过程中对现场的控制和实时监测设备各参数的同步进行，为保证监控系统行使其正常功能，需要具备以下功能:

1)电站参数与运行状态的监测与显示。为了能够及时确认电站的工作状态，船舶电站监控系统能够显示电站的基本参数。通过所显示的参数，确认电站的运行状态以及船舶的航行状况。

2)对故障的处理。根据监控系统所显示的数据，能够判断船舶电站的运行状况，并能够及时的确定故障以及故障发生的原因。当确认故障，能够及时报警，并能确认故障类型［4］。

3)信息的显示和存储。当有故障报警时，通过触摸屏的监控界面，判断故障类型，并根据界面的显示，能够确认故障发生的时间、以及持续时间等。在控制系统内有储存卡，将信息储存起来。

3.2 软件功能设计

整个监控系统的软件可分为核心控制软件和触摸屏人机界面控制软件2 个部分。核心控制软件是系统的核心控制部分，通过软件语言能够实现数据的分析处理、逻辑判断和控制执行等多种功能;触摸屏人机界面控制程序的主要功能是显示界面，能够将系统的监测结果直观的显示给用户。通过网络直接访问，实现控制功能，数据、状态的输出，显示和存储等功能。软件结构如图3所示。

图3 软件结构框图Fig.3 The software structure diagram

在监控系统正常运行过程中，需要判断确定船舶电站的各种工作状态，针对出现的各种问题通过控制模块分析并解决，具体工作流程如下:

1)程序运行之后，首先要对程序进行初始化，这一操作为程序的运行提供准备条件，在程序初始化完成之后，接着进行下一步，状态监控循环。

2)当发电机首次运行之后，对电压频率状况进行确认核实，然后可以直接并入电网，在并入电网过程中，可以不考虑并车条件。

3)启动之后，存在正常工作的发电机便以合闸，然后给电网输电，在合闸之后程序是单机运行的。单机运行的过程中，需要监控多方面的状况，不仅需要实时监测运行机的重载、故障情况、发电机运行状况，还需要进行重载询问。在运行过程中，系统自动判断机组是否够用，若能完成任务则继续单机运行。

4)当单机运行不能完成任务时，启用备用机组，启动子程序与处理故障事件时的子程序一样。

5)完成第1 个电机成功启动之后，还需要进行监测并车，并根据检测状况，判断是否满足并车。条件符合后继续进行自动并车子程序。如果并车失败，则进行声光报警。

6)实时对整个机组的运行状态进行监测。根据监测所得出的故障原因作出不同的反馈。当出现轻载情况时，通过调用自动停机、解列模块等解决问题，保证安全、经济运行。当在监测过程中发现重载问题时，则需要变更程序，通过再次调用自启动模块、自动并车模块以及调频调载模块，如此循环往复。

当系统监控功能判断需要增机的时候，包括电网失电超过设定的延时时间、预测可用功率低于设定的启动限制值、运行机故障需要换机时，系统便会产生相应的自动增机的信号。此时系统会检测启动的必要条件，如果满足相应的启动条件，则启动增机。同时，系统还需要设置好发电机组启动的优先级。系统最多尝试进行3 次启动，当第1 次启动尝试失败后随即进行第2 次启动尝试，第2 次启动尝试失败后随即进行第3 次启动尝试，当第3 次启动尝试也失败的情况下，则宣告第1 台发电机启动失败。执行报警程序的同时，启动第2 台发电机组，若再失败，报警，转入启动下一台，若依然失败则进行机组用完故障声光报警。启动成功后，则继续执行下一步如:单机调频调压或自动并车。

3.3 显示界面设计

MCGS 是一种比较常用的监控软件，能够大大简化设计开发过程并能获取良好的监控界面，运用MCGS 软件能够有效的对控制系统进行监控，还能够根据监控内容完成报警显示。图5 为基于MCGS的系统主监控界面示意图，本界面采用2 台发电机进行设计。

图4 船舶电站自动监控主程序流程图Fig.4 Ship power station automatic monitoring main program flow chart

如图所示，2 个发电机各有2 个指示灯，根据指示灯的变化能够直观地显示当前的电机的运行状态。为了直观有效地控制机组的起动，在每个记住各设有3 个按钮，按钮主要负责控制停止以及主开关分闸动作。在界面的下方，能够读取当前电网的主要参数。当电压或电流出现故障时，界面会出现实时报警，及时通知船员进行相关的应急操作。保证船舶的安全行驶［5］。

图5 系统软件流程图Fig.5 The basic process of ship collision avoidance

4 结 语

随着船舶航行越来越多，船舶电站在航行中扮演的角色也越来越重要，船舶电站监控系统能保证船舶电能有效安全的使用。本文利用DSP 控制芯片作为主控芯片，配以组态软件实现监控功能，可以实时监测船舶上各个用电设备的工作状态。同时，系统可以实现电源整体工作状态的显示、故障信息的显示、存储和报警功能，系统所应用的MCGS 组态软件能够大大简化设计开发过程并能获取良好的监控界面。

［1］滕万庆．网络环境下的机舱监控系统研发平台设计［D］．哈尔滨:哈尔滨工程大学，2007．

［2］李文华，邱志强，孙瑜，等．基于现场总线的船舶电站实时监控系统研究［J］．舰船科学技术，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］郑伟胜．基于PLC 的船舶电站监控系统研究［J］．舰船科学技术，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］阳世荣．基于实时数据同步交换技术的船舶电站综合监控平台研究［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］卢宏基，张丹．基于CAN 总线的船舶发动机状态监测系统［J］．中国水运，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)．