CN101741141A

CN101741141A - 嵌入式船舶电站管理系统

Info

Publication number: CN101741141A
Application number: CN200910232566A
Authority: CN
Inventors: 朱志宇; 刘维亭; 刘汉宇; 张冰; 王敏; 黄巧亮; 邱赟
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2009-12-07
Filing date: 2009-12-07
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2029-12-07
Also published as: CN101741141B

Abstract

本发明公开了一种船舶电站运行中用于数据采集、准同步合闸、发电机组状态控制和报警保护的嵌入式船舶电站管理系统，信号经依次连接的信号输入模块、选择开关和信号调理模块输出，信号调理模块的输出接电能计量芯片，经过光耦输出到分别与准同步合闸ARM处理器、人机界面模块、CAN通信模块、RS232总线通信模块、外存储器及第一看门狗连接的综合管理控制ARM处理器，准同步合闸ARM处理器连接第二看门狗且控制与其连接的合闸信号输出；本发明可提高系统运行效率，实现对电流、电压、功率等参数的计算处理；实时性好、体积较小、外围电路简单，适应各种发电机组调速装置。

Description

嵌入式船舶电站管理系统

技术领域

本发明涉及一种嵌入式船舶电站管理系统，在船舶电站运行中用于数据采集、准同步合闸、发电机组状态控制和报警保护。

背景技术

随着现代船舶的发展，船舶电力系统设备越来越复杂，对船舶电网电能质量的要求也越来越高。当前，国内几乎全都采用国外电站管理模块，或者采用PLC自行研发船舶电站管理系统。国外产品的优势是安装调试方便，但调速较快，不适合国内大多数船舶使用的普通发电机机组，而且价格昂贵，维护费用也较高。PLC自行研发电站管理系统的缺点是构造比较复杂，需要较多的外围电路，接线端较多，这在空间相对狭小的船舱中调试维护不方便。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种嵌入式船舶电站管理系统，集船舶电站数据采集和分析处理、准同步合闸和电站控制、通信和报警、保护和网络监控于一体。

本发明采用的技术方案是：各机组的电压互感信号、电流互感信号和汇流排的电压互感信号、电流互感信号经依次连接的信号输入模块、选择开关和信号调理模块输出，信号调理模块的输出接电能计量芯片，电能计量芯片的数据经过光耦输入综合管理控制ARM处理器，综合管理控制ARM处理器分别与准同步合闸ARM处理器、人机界面模块、CAN通信模块、RS232总线通信模块、外存储器及第一看门狗连接并进行数据传输交换，准同步合闸ARM处理器连接第二看门狗且控制与其连接的合闸信号输出，电源模块为整个系统提供电能；信号输入模块将输入信号进行电压匹配；选择开关和信号调理模块进行信号通道选择和信号调理；电能计量芯片对采集的信号进行处理运算；综合管理控制ARM处理器根据运算的结果判断电站运行状态，发出各种控制指令和报警信息，协调各模块工作，并与各外围器件进行通信；准同步合闸ARM处理器在收到启动信号后完成对待并电机的准同步合闸；电源模块由汇流排和船用蓄电池供电，两者采用自动切换；人机界面模块显示各种实时运行参数，或输入修改各种参数设定值；CAN通信模块和RS232总线通信模块与上微机保持通信。

本发明的有益效果是：

1、使用专用电能芯片，既实现了A/D转换，又可实现对电流、电压、功率等参数的计算处理。针对船舶电站工作环境的特点，采用抗混叠低通滤波方式抑制共模和差模干扰，实时性好、体积较小、外围电路简单，适应各种发电机组调速装置。

2、采用两个嵌入式ARM微处理器分别完成电站控制与准同期合闸判断功能，提高系统运行效率。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是发明总体结构连接图；

图2是图1中信号输入模块1电气原理图；

图3是图1中信号调理模块3和选择开关2电气原理图；

图4是图1中数据处理模块4和光耦5电气原理图；

图5是图1中综合管理模块芯片6电气原理图；

图6是图1中外存储器11和第一看门狗12电气原理图；

图7是图1中准同步合闸模块7和第二外部看门狗13电气原理图；

图8是图1中人机界面模块8的电气原理图；

图9是图1中CAN通信模块10电气原理图；

图10是图1中RS232总线通信模块9电气原理图；

图11是图1中柴油机组控制信号输出部分14电气原理图；

图12是图1中合闸信号输出15电气原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的输入信号为各机组的电压互感信号、电流互感信号和汇流排的电压互感信号、电流互感信号；有1～3号机组八路输入信号经依次连接的信号输入模块1、选择开关2和信号调理模块3后，接至电能计量芯片4。数据经过光耦5送至综合管理控制ARM处理器6，综合管理控制ARM处理器6与准同步合闸ARM处理器7、人机界面模块8、CAN通信模块10、RS232总线通信模块9、外存储器11及第一看门狗12连接并进行数据传输交换。综合管理控制ARM处理器6控制与其连接的柴油机组控制信号输出14，准同步合闸ARM处理器7连接第二看门狗13，并控制与其连接的合闸信号输出15。电源模块16连接上述各部分，为整个系统提供电能。

如图2所示，本发明的1号机电压信号接到电阻R1，R1输出端经电容C1接地，输出端与芯片U5的13脚连接。1号机电流信号经电阻R3与芯片U1的1脚连接，芯片U1的输出端4脚与芯片U5的14脚连接，经电容C3与地连接，同时4脚经二极管D1和电阻R2与1脚相连。2、3脚相连后经电阻R5接地。2、3号电机和汇流排的输入信号连接方式与此相同，在这里就不再重复。它们的输出信号依次与芯片U5的15、12、1、5、2、4脚相连。

如图3所示，本发明的芯片U5的6、7、8脚直接接地，9、10、11脚与芯片U9的9、10、11脚连接。芯片U1的输出端3脚与芯片U6的8脚连接，芯片U6的1脚经C0接地，6脚直接接地，7、2脚分别接正负5伏的电源5脚作为输出端与芯片U7的5脚相连。

如图4所示，本发明的芯片U7的6脚经电阻R21和电容C13的并联结构后与地连接，7、8脚连接方式与此相同，分别经电阻R22、电容C14和电阻R23、电容C15后接地。10脚经电容C16接地，另一端与VDD连接。20脚经电阻R24与13脚相连，17脚和18脚经电容C18、C17并联晶振XT3。22脚连接光耦芯片U8的3脚相连，其5脚接地，芯片U8的2、6、7、8脚连接与VCC，6脚作为芯片U8输出端与芯片U9的83脚相连。

如图5、6所示，本发明的RAM芯片U10的地址线1～5脚、18～27脚、43、44脚分别与U9的88、87、81、80、74～71、66～62、26、55、53、48、47脚连接；芯片U10数据线7～10、13～16、29～32、35～38脚分别与U9的98、105、106、108、109、114～118、124、125、127、129、130脚连线，芯片U10的11、33脚接+3.3V电源，12、34脚接地。外看门狗芯片U11的1、5、6、7分别于芯片U9的69、68、59、135脚相连。芯片U11的2脚经电阻R28与芯片U9的61脚连接，4脚经电容C21与3脚连于VCC。芯片U9的42、49脚与芯片U21的11、12脚连接；芯片U9的131～134、136、137、1、10脚分别与芯片U17的23～28、1、2脚连接；芯片U17的控制引脚4、5、6、16、17脚分别于芯片U9的40、85、5、33、121脚相连；芯片U9的I2C口引脚50、58脚与芯片U15的12、11脚接连；芯片U9的SPI通信口101、122脚与U12的47、53脚连接。芯片U9的141、142脚经电容C19、C20与晶振XT1两端连接；芯片U9的144脚经发光二极管LED5、电阻R25接与电源；芯片U9的21脚经R27接于三极管Q1的基极上，三极管Q1的发射极接蜂鸣器，集电极经LED7和电阻R26接于VCC；芯片U9的6、25、32、33脚与三八译码器U24、U25的3、2、1脚相连，芯片U9的6脚与U24的触发端6脚相连，芯片U9的8脚与芯片U25的触发端6脚相连。

如图7所示，本发明的综合管理控制ARM处理器6的芯片U12的27～30、57脚连接于第一看门狗12的芯U13的6、1、2、5脚，U12的3、5脚经电容C30和C31与晶振XT2相连接。U12的10、11、21、33、、34脚作为合闸状态指示输出端，分别与LED5、LED1、LED2、LED3、LED4这5个发光二极管连接，5个发光二极管经电阻R30～R34与电源端相连。U12的13～16脚控制合闸信号输出，分别直接与芯片U38的3、2、1、6脚相连接。

如图8所示，本发明的液晶控制器U16的数据线DB0～DB7与单片机U15的1、2、、13、14、15、16、27、28脚连接，控制信号RES、RS、WR、RD分别与U15的5、4、9、8脚相连；U15的3、25、26脚与U14的9、7、6脚连接，U14的1～4、10～13脚与按键SW1～SW9相连，按键SW1～SW9分别经电阻R38～R46与电源连接。

如图9所示，本发明的CAN通信芯片U17的14脚经R47与U18的3脚相连，U17的19、20脚与U19的6、7脚相连；U17其它引脚与U9相连，前面已描述，这里就不再重复。U19的6，7脚接CANH和CANL信号，分别经C23、稳压二极管VS1和C24、稳压二极管VS2接地。

如图10所示，本发明的RS232总线通信芯片U21负责单片机与上微机的电平转换，将TTL电平转换成RS232电平。U21的1脚经C26与3脚连接，4脚经C28与5脚连接，2和16脚分别经电容C25、C26与VCC连接，6脚经电容C29连接于地，11和12脚与U9的42、49脚相连，13脚经过电阻R58与U23芯片的3脚连接，U23的6脚作为输出端连接于DB9的3号口；同理U21的14脚送出的信号经过光耦U22，与DB9的2脚连接。

如图11所示，本发明的1号机增速信号发出电路的光耦U26的3脚经R60接于译码器U24的14脚，U26的输出端6脚经R61连接于三极管Q2的基极，Q2的发射极接地，集电极经电阻R62接于电源，集电极经电容C32接外部负载。1号机组的减速、升压、降压信号输出的结构与原理完全与1号机组增速相同，其余两台机组的情况也类似。

如图11所示，本发明的1号机组合闸信号由U12发出后，由U38的14脚经R109传给光耦U39的3脚，U39的6脚经R110送到Q14的基极，Q14的发射极接地，集电极一面经R111接电源，另一面经电容C44与负载连接。其余两台机组合闸信号的原理和相关电路完全相同。

本发明采用嵌入式设计方案，信号输入模块1将输入信号进行电压匹配、选择开关2和信号调理模块3进行信号通道选择和信号调理，电能计量芯片4对采集的信号进行处理运算；综合管理控制ARM处理器6根据运算的结果判断电站运行状态，发出各种控制指令和报警信息，协调各模块工作，并与各外围器件进行通信；准同步合闸ARM处理器7在收到启动信号后完成对待并电机的准同步合闸；电源模块16由汇流排和船用蓄电池供电，两者自动切换为无间隙切换；人机界面模块8显示各种实时运行参数，或输入修改各种参数设定值。系统通过CAN通信模块10和RS232总线通信模块9与上微机保持通信。

Claims

1.一种嵌入式船舶电站管理系统，其特征是：各机组的电压互感信号、电流互感信号和汇流排的电压互感信号、电流互感信号经依次连接的信号输入模块(1)、选择开关(2)和信号调理模块(3)输出，信号调理模块(3)的输出接电能计量芯片(4)，电能计量芯片(4)的数据经过光耦(5)输入综合管理控制ARM处理器(6)，综合管理控制ARM处理器(6)分别与准同步合闸ARM处理器(7)、人机界面模块(8)、CAN通信模块(10)、RS232总线通信模块(9)、外存储器(11)及第一看门狗(12)连接并进行数据传输交换，准同步合闸ARM处理器(7)连接第二看门狗(13)且控制与其连接的合闸信号输出(15)，电源模块(16)为整个系统提供电能；

信号输入模块(1)将输入信号进行电压匹配；

选择开关(2)和信号调理模块(3)进行信号通道选择和信号调理；

电能计量芯片(4)对采集的信号进行处理运算；

综合管理控制ARM处理器(6)根据运算的结果判断电站运行状态，发出各种控制指令和报警信息，协调各模块工作，并与各外围器件进行通信；

准同步合闸ARM处理器(7)在收到启动信号后完成对待并电机的准同步合闸；

电源模块(16)由汇流排和船用蓄电池供电，两者采用自动切换；

人机界面模块(8)显示各种实时运行参数，或输入修改各种参数设定值；

CAN通信模块(10)和RS232总线通信模块(9)与上微机保持通信。

2.根据权利要求1所述的嵌入式船舶电站管理系统，其特征是：信号输入模块(1)包括电压信号输入接到电阻(R1)，电阻(R1)输出端经电容(C1)接地，输出端与芯片(U5)的13脚连接；电流信号输入经电阻(R3)与芯片(U1)的1脚连接，芯片(U1)的输出端4脚与芯片(U5)的14脚连接，经电容(C3)与地连接，同时4脚经二极管(D1)和电阻(R2)与1脚相连，2、3脚相连后经电阻(R5)接地；输出信号依次与芯片(U5)的15、12、1、5、2、4脚相连。

3.根据权利要求1所述的嵌入式船舶电站管理系统，其特征是：选择开关(2)和信号调理模块(3)的芯片(U5)的6、7、8脚接地，9、10、11脚与芯片(U9)的9、10、11脚连接，芯片(U1)的输出端3脚与芯片U6的8脚连接，芯片(U6)的1脚经C0接地，6脚接地，7、2脚分别接正负5伏的电源5脚作为输出端与芯片(U7)的5脚相连。

4.根据权利要求1所述的嵌入式船舶电站管理系统，其特征是：数据处理模块(4)和光耦(5)的芯片(U7)的6脚经电阻(R21)和电容(C13)的并联结构后与地连接，7、8脚连接方式与此相同，分别经电阻(R22)、电容(C14)和电阻(R23)、电容(C15)后接地，10脚经电容(C16)接地，另一端与VDD连接，20脚经电阻(R24)与13脚相连，17脚和18脚经电容(C18、C17)并联晶振XT3，22脚连接光耦芯片(U8)的3脚相连，其5脚接地，芯片(U8)的2、6、7、8脚连接与VCC，6脚作为芯片(U8)输出端与芯片(U9)的83脚相连。

5.根据权利要求1所述的嵌入式船舶电站管理系统，其特征是：综合管理模块芯片(6)、外存储器(11)和第一看门狗(12)包括RAM芯片(U10)的地址线1～5脚、18～27脚、43、44脚分别与芯片(U9)的88、87、81、80、74～71、66～62、26、55、53、48、47脚连接；芯片(U10)数据线7～10、13～16、29～32、35～38脚分别与芯片(U9)的98、105、106、108、109、114～118、124、125、127、129、130脚连线，芯片(U10)的11、33脚接+3.3V电源，12、34脚接地，第一外看门狗(12)芯片(U11)的1、5、6、7分别于芯片(U9)的69、68、59、135脚相连；芯片(U11)的2脚经电阻(R28)与芯片(U9)的61脚连接，4脚经电容(C21)与3脚连于VCC；芯片(U9)的42、49脚与芯片(U21)的11、12脚连接；芯片(U9)的131～134、136、137、1、10脚分别与芯片(U17)的23～28、1、2脚连接；芯片(U17)的控制引脚4、5、6、16、17脚分别于芯片(U9)的40、85、5、33、121脚相连；芯片(U9)的I2C口引脚50、58脚与芯片(U15)的12、11脚接连；芯片(U9)的SPI通信口101、122脚与芯片(U12)的47、53脚连接，芯片(U9)的141、142脚经电容(C19、C20)与晶振XT1两端连接；芯片(U9)的144脚经发光二极管(LED5)、电阻(R25)接与电源；芯片(U9)的21脚经电阻(R27)接于三极管(Q1)的基极上，三极管(Q1)的发射极接蜂鸣器，集电极经发光二极管(LED7)和电阻(R26)接于VCC；芯片(U9)的6、25、32、33脚与三八译码器(U24、U25)的3、2、1脚相连，芯片(U9)的6脚与芯片(U24)的触发端6脚相连，芯片(U9)的8脚与芯片(U25)的触发端6脚相连。