基于arm的嵌入式船舶電站控制裝置的研究與設(shè)計(jì)-文庫吧
2025-06-08 15:32 本頁面
【正文】 動(dòng)起動(dòng)、并車，解列等各項(xiàng)控制功能。所謂自動(dòng)處理是指，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，控制系統(tǒng)可自動(dòng)地使處于備用狀態(tài)的發(fā)電機(jī)組立即起動(dòng)，自動(dòng)準(zhǔn)同步投入電網(wǎng)運(yùn)行；并網(wǎng)成功后，發(fā)生故障的機(jī)組將負(fù)荷降低至不大于額定功率的20%時(shí)，自動(dòng)脫離電網(wǎng)。(2)監(jiān)測(cè)報(bào)警功能：自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的任務(wù)首先是自動(dòng)地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電站各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，這些設(shè)備包括機(jī)組原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、配電系統(tǒng)的機(jī)械參數(shù)、電氣參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)測(cè)量可以是模擬量，也可以是開關(guān)量。其次，自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)量的監(jiān)測(cè)結(jié)果時(shí)時(shí)與事先設(shè)定的限定值進(jìn)行比較，當(dāng)被測(cè)量越限時(shí)，將會(huì)發(fā)出相應(yīng)的聲光報(bào)警信號(hào)，并設(shè)有相應(yīng)的報(bào)警應(yīng)答裝置。最后，監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的另一個(gè)任務(wù)是對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果打印、記錄、并對(duì)被測(cè)參數(shù)的越限情況進(jìn)行登記。(3)安全功能：對(duì)自動(dòng)化電站應(yīng)設(shè)置安全系統(tǒng)。當(dāng)電站控制系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中發(fā)生危及電站系統(tǒng)內(nèi)各主要設(shè)備安全的嚴(yán)重故障時(shí)，安全系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)產(chǎn)生保護(hù)性動(dòng)作。避免事故的進(jìn)一步擴(kuò)大，甚至危及船員的人身安全。針對(duì)電站控制裝置各項(xiàng)功能的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)中，將電站的綜合控制系統(tǒng)分為發(fā)電機(jī)組控制/保護(hù)單元、負(fù)荷控制單元和顯示/操作單元三個(gè)部分。一、發(fā)電機(jī)組控制/保護(hù)單元，完成功能主要包括：、機(jī)組起/停順序設(shè)定、控制方式切換和越控等二、顯示/操作單元，完成功能主要包括：、控制部位選擇。三、負(fù)荷控制單元，完成功能主要包括：，實(shí)現(xiàn)不同的供電方式、分級(jí)卸載和加載 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為分布式控制系統(tǒng)，上層為以太網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)，保證數(shù)據(jù)傳輸量，下層為CAN現(xiàn)場(chǎng)總線通信結(jié)構(gòu)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖其中，每臺(tái)發(fā)電機(jī)組配備一套發(fā)電機(jī)組控制/保護(hù)單元和一套顯示/操作單元完成所有常規(guī)控制和顯示，如圖2圖2 機(jī)組監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖2 船舶電站控制裝置的硬件介紹和設(shè)計(jì) 船舶電站控制裝置硬件原理介紹根據(jù)船舶電站控制裝置需要實(shí)現(xiàn)的控制、安全保護(hù)、檢測(cè)報(bào)警和電能管理等功能，硬件設(shè)計(jì)中一般有兩種方式。一種是控制和保護(hù)分開成兩個(gè)模塊，另一種是控制/保護(hù)一體，在一個(gè)模塊中實(shí)現(xiàn)。前者在設(shè)計(jì)過程中更容易實(shí)現(xiàn)，而后者在實(shí)時(shí)性、響應(yīng)速度等方面更具有優(yōu)勢(shì)。在控制/保護(hù)一體的設(shè)計(jì)模式下，電站控制裝置的硬件構(gòu)成可以同時(shí)完成控制和保護(hù)，其硬件組成主要有：機(jī)組控制器模塊，機(jī)組信號(hào)采集模塊，電量預(yù)處理模塊、電量變送模塊和操作顯示面板。 ARM體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 在嵌入式開發(fā)領(lǐng)域，ARM是一款非常受歡迎的微處理器，其市場(chǎng)覆蓋率也很高，而DSP和FPGA則是作為嵌入式開發(fā)的協(xié)處理器，協(xié)助微處理器更好的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能。ARM低功耗，面積小，具有比較強(qiáng)的事務(wù)管理功能，可以用來跑界面以及應(yīng)用程序等，通用I/O，標(biāo)準(zhǔn)接口較多，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在控制方面；而DSP主要是用來計(jì)算的，比如進(jìn)行加密解密、調(diào)制解調(diào)等，優(yōu)勢(shì)是強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和較高的運(yùn)行速度。FPGA可以用VHDL或verilogHDL來編程，靈活性強(qiáng)，由于能夠進(jìn)行編程、除錯(cuò)、再編程和重復(fù)操作，因此可以充分地進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)和驗(yàn)證。 控制器的硬件設(shè)計(jì) 控制器與發(fā)電機(jī)組間的信號(hào)在設(shè)計(jì)中每臺(tái)發(fā)電機(jī)組所測(cè)量的信號(hào)數(shù)據(jù)都相同，在此只列出一臺(tái)機(jī)組的輸入/輸出信號(hào)和電網(wǎng)信號(hào)之間的聯(lián)系，如圖3所示。圖3 機(jī)組控制器與柴油機(jī)組和電網(wǎng)之間的信號(hào)圖 (1)關(guān)于柴油機(jī)的信號(hào)主機(jī)轉(zhuǎn)速和故障信號(hào)。 (2)關(guān)于發(fā)電機(jī)的信號(hào)發(fā)電機(jī)端電壓、電流和故障信號(hào)。 (3)關(guān)于電網(wǎng)的信號(hào)電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)總電流。 (4)測(cè)控單元的控制信號(hào)(模擬量和開關(guān)量)柴油機(jī)組起動(dòng)、停機(jī)、發(fā)電機(jī)并網(wǎng)合閘、脫網(wǎng)、柴油機(jī)組升速信號(hào)、減速信號(hào)。 控制器的硬件設(shè)計(jì)機(jī)組控制器大體由：信號(hào)輸入/輸出模塊、CPU控制模塊、電量預(yù)處理模塊組成。信號(hào)輸入模塊組成：A/D轉(zhuǎn)換模塊、光電隔離模塊①A/D模塊主要將420mA的電流模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)量傳遞給CPU；②光電隔離模塊的作用是清除各種諧波的干擾,對(duì)輸入和輸出電路進(jìn)行隔離，因而能有效地抑制系統(tǒng)噪聲，消除接地回路的干擾，并且響應(yīng)速度較快。信號(hào)輸出模塊：繼電器模塊繼電器模塊可以將CPU的響應(yīng)轉(zhuǎn)化為開關(guān)量輸出信號(hào)，傳遞給柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)，繼電器的輸出是常開觸點(diǎn)，即繼電器斷電時(shí)，靜觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)，同時(shí)每個(gè)繼電器都有一個(gè)指示燈，當(dāng)繼電器線圈有電的時(shí)候，靜觸點(diǎn)處于接通狀態(tài)，同時(shí)指示燈亮，當(dāng)繼電器線圈失電的時(shí)候，指示燈滅。 電量預(yù)處理模塊：對(duì)電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的電量信號(hào)經(jīng)過處理后變成0～2V的電壓信號(hào)輸入，經(jīng)過整形后輸出相應(yīng)的方波信
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