基于CAN总线的船舶电站模拟器的实现

王爱军 吴 炜

（南通航运职业技术学院轮机工程系，江苏南通 22610）

船舶电站模拟器是轮机模拟器的一个重要组成部分，是培训船员必不可少的设备。船舶电站模拟器的实现有三种方式。一是实物模拟，所有的组件都与实际的船舶电站一致，只是运行环境在实验室而不是在真实的船舶上。南通航运学院已建成的，由中央财政资助的自动化模拟机舱实训室里就包括这种模拟电站。它的优点是操作和特性接近真实电站，能够使学员有非常直观的印象。缺点是训练成本太高，效率低，且故障设置这样的项目不好训练。二是纯软件模拟，整个船舶电站都虚拟到计算机上，利用图形界面进行操作。这种模拟器的优点是不受时间和地点限制，一次开发，无限次使用，没有硬件损耗的问题。缺点是图形界面操作与实际操作毕竟存在差异，训练效果要打折扣。三是半实物模拟，其操作界面基本与实物一致，但是发电机组、电网、主开关等都通过计算机软件来仿真。这种方式兼有上面两种模拟器的优点，训练效果较好，大多数的航海院校和船员培训机构都采用这种模拟器。本文设计的船舶电站模拟器就采用这种方式。

1 船舶电站模拟器的结构

船舶电站模拟器使用的目的是为了训练船员的操作技能、分析和查找故障的能力，因此设计时使模拟器的操作界面与真实船舶电站基本一致。本模拟器以实船上的具有三台发电机组的电站为仿真原型，针对教学和仿真训练的需要对界面做了一定的简化设计。

该船舶电站的操作界面包括：发电机机旁控制箱三个、主配电板一块、应急配电板一块、岸电箱一个。主配电板包括三个发电机控制屏、一个并车屏、一个380V负载屏、一个220V负载屏。应急配电板包括一个应急发电机控制屏和一个应急负载屏。三台发电机的运行和负载操作由计算机图形界面来模拟。其中主配电板是船舶电站最关键的部分，其界面如图1所示。

图1 船舶主配电板界面

船舶电站模拟器主要实现以下功能：（1）发电机组的起动，手动合闸供电。（2）发电机调压、调频特性和负荷分配特性测试。（3）发电机的手动并车、解列操作。（4）发电机保护功能。（5）电站自动化功能。（6）应急发电机手动和自动控制功能。（7）岸电接入操作。（8）能够逼真地模拟故障工况。

模拟器设计中的一个技术难题是操作界面与仿真计算机的通信问题。以往类似系统经常采用RS485总线，但是485总线通信只能以主从方式通信，灵活性较差，因此采用实时性、灵活性、可靠性更高的CAN现场总线。CAN总线是一种性能优异的现场总线，具有以下特点：（1）采用非破坏性总线仲裁技术，高优先级的数据能够得到实时传输。（2）采用差分传输，抗干扰能力强。（3）通信方式灵活，可以实现主从式通信，也可以实现多主通信。

基于CAN总线的船舶电站模拟器结构如图2所示。该系统由两部分组成，一是PC上位机，二是由ARM单片机实现的CAN智能节点。上位机和各个节点通过CAN总线进行通信。

图2 基于CAN总线的船舶电站模拟器结构框图

各个CAN节点与船舶电站的操作界面连接，操作人员对开关、按钮和电位器的操作以开关量或模拟量的方式由CAN节点读入，经过处理后通过CAN总线发给PC上位机。上位机仿真模块根据操作信号，计算后得到新的输出，又以开关量和模拟量的形式发给对应的CAN节点。CAN节点根据这些信号改变指示灯状态和仪表的读数。训练人员对模拟器操作后所见到的过程和现象与实际电站的特性基本保持一致，这样就能够让训练人员迅速地掌握船舶电站操作方法和工作特性。

2 CAN智能节点的设计

基于ARM单片机的CAN总线智能节点遵从图3所示的结构。

图3 CAN智能节点的结构

2.1 CAN智能节点的硬件实现

智能节点的主控制器选用意法半导体基于ARM Cortex－M3内核的STM32F103ZE微处理器。该处理器具有128KB可编程可擦除的FLASH程序存储器，20KB的内部SRAM，多达112个可编程的IO口，3通道ADC和2通道DAC，同时含有CAN2.0B协议控制单元，最大程度满足了智能节点的要求，使得外围电路设计大为简单。

由于ARM单片机含有CAN协议控制器，所以在设计CAN接口时，只需要选择CAN总线驱动器。这里选用Philips半导体公司的PCA82C250。

具体功能单元包括4种：DI（数字量输入）、DO（数字量输出）、AI（模拟量输入）、AO（模拟量输出）。DI、DO采用单片机的IO口实现。为了提高节点的稳定性和抗干扰能力，可以采用光电耦合器将外部输入输出开关量与单片机的IO口隔离。AI使用单片机的ADC通道。AO使用单片机的DAC通道，有些节点含有较多的模拟量输出通道时（比如发电机控制屏上有电压表、电流表、频率表和功率因素表，需要4个AO点），可以通过SPI通信口扩展更多的DAC通道。主配电板上发电机机控制屏内部CAN节点的硬件框图如图4所示。其它CAN节点硬件设计与此类似。

图4 发电机控制屏CAN节点硬件框图

2.2 CAN智能节点的软件设计

智能节点软件采用模块化编程方法，主要由以下模块组成：主控制器初始化模块、CAN基本通信模块、CAN应用层协议模块、数据采集模块和数据处理模块。

主控制器初始化模块完成单片机内部和外围相关部件的初始化工作，包括时钟设置、中断配置、IO口的配置、ADC和DAC通道的初始化、CAN控制器的配置。CAN基本通信模块负责CAN报文的接收和发送。CAN应用层协议模块完成CAN报文的组装和解析。数据采集模块负责检测操作人员的动作，数据处理模块用于处理上位机发来的命令和相关数据。智能节点的程序流程图如图5所示。

图5 CAN节点程序流程图

3 PC上位机系统的设计

3.1 上位机硬件接口卡的设计

PC机通过CAN适配卡与CAN总线相连，为了简化硬件设计，采用致远电子公司生产的USB－CAN II总线适配卡。它采用USB接口，实现了CAN2.0B协议，能够让计算机方便连接到CAN总线上。该接口卡提供强大的软件支持，包括驱动程序、测试工具、应用例程，并且支持高层应用层协议，可以大大简化上位机的编程工作。

3.2 上位机软件的设计

电站模拟器的关键在于上位机软件的设计，上位机软件由电站监控主程序、电站仿真模块、CAN总线通信模块组成。电站监控主程序实现电力系统参数监测、故障设置、负载模拟等功能。参数监测部分可以实时监控各台发电机组的工作参数，并对电网电压、电流、功率、频率等参数进行实时监控。一旦有参数越限或发生异常，则出现警报，并同时显示正常参数和当前值。故障设置部分以系统流程图的形式出现，如图6所示，这样可以直观地进行故障设置。例如设置柴油发电机组滑油低压的故障时，可以调出柴油机系统图，用关闭滑油管路的方法设置故障，这种方式非常直观，事实证明教学效果也比较好。负载模拟部分除了模拟常规的照明负载、电力拖动负载，还可以对发电机进行突加、突卸负载的模拟，以测试发电机的工作特性。

图6 发电用柴油机系统图

电站仿真模块是电站模拟器的核心，主要包括柴油发电机组模型、配电系统模型、发电机组并联运行模型、电站自动控制模型和负载模型，其结构如图7所示。

图7 船舶电站仿真模块框图

柴油发电机组模型主要实现柴油机起动和停止逻辑条件的检测、柴油机调速闭环系统以及发电机励磁调节和电压控制系统的实时运算。配电系统模型主要是对主开关的工作和保护特性进行仿真。发电机组并联运行模型用来检测两台发电机组并联运行的条件，计算两台机组的相位差和频率差，在并车成功后，用来进行功率的一次分配运算。电站自动控制模型是在电站处于自动模式时，根据电网的功率使用情况、各发电机的工况，进行备用机组的自动起停、自动并车、自动解列，并控制功率的自动转移和分配。负载模型主要是指电力拖动系统模型，仿真各种类型的负载在起动、调速、制动等工况中功率变化的规律。

CAN总线通信模块用来和所有的CAN智能节点进行数据通信。利用CAN适配卡提供的动态链接库，调用相关函数，即可以完成数据的发送和接收。

4 结 语

开发和研制电站模拟器，总体方案的设计是关键。本模拟器采用CAN总线连接仿真计算机和船舶电站各操作节点，具有以下优点：（1）系统结构简单、可靠性高。硬件上由于CAN总线技术有国际上统一的标准，其接口板采用标准化、模块化设计，集成度高，有可靠的CAN应用层协议，因此硬件的设计和调试比较容易。（2）研制周期短，成本低。ARM单片机作为CAN智能节点的主控制器，外围接口非常丰富，使系统所需节点数大大减少。该设计方案对于同类型的仿真系统设计具有较好的借鉴意义。

1 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1999.

2 施伟锋等.船舶自动化电站系统仿真［J］.系统仿真学报，2003，15（9）：1249－1252.

3 夏永明等.基于CAN总线和分布式结构的船舶电站多种发电方式仿真［J］，上海海事大学学报，2009，30（1）：10－15.