基于STM32的电力推进船舶电能质量无线监视系统设计

邓冉然，施伟锋

（上海海事大学 物流工程学院，上海 201306）

基于STM32的电力推进船舶电能质量无线监视系统设计

邓冉然，施伟锋

（上海海事大学 物流工程学院，上海 201306）

船舶电力系统容量大、结构复杂，利用简便的无线监视装置监视船舶电能质量，对提高船舶航行的安全性、可靠性和经济性具有重要意义。本文利用WIFI技术搭建了无线通讯网络，并按照modbus tcp/ip协议传输电能质量数据。然后设计了一种基于STM32的电力推进船舶电能质量无线监视装置。最后在船舶电力推进实验装置上测试所设计的无线监视系统。实验结果表明，本文所设计系统能够实时准确监视船舶电能质量的变化，并对可能出现的故障进行有效监视。

电能质量 监视系统 STM32 WIFI 故障

0 引言

电力推进船舶中电力系统的安全可靠运行直接关系到船舶航行安全[1]。电能质量监视在电力推进船舶电力系统中的意义变得极其重要。目前电力推进船舶电能质量监视系统主要采用以太网或串行通讯方式传输电能质量数据，二者都是有线传输，因此电能质量监视受到地点环境限制，在出现火灾等紧急情况时，监视系统往往难以维系正常监视功能。除此之外当传输线缆出现故障时，在故障排查和检修上也会更加复杂。

意法半导体推出的 STM32系列芯片具有很强的扩展能力，易于移植，其外设单元资源丰富，是一种 32位高性能、低成本和低功耗的控制器[2]。WIFI是一种允许电子设备连接到一个无线局域网（WLAN）的技术。同一局域网中的多台设备之间可以进行数据的传输。WIFI技术的特性主要体现在以下几个方面：一是具有较快的速度和较高的可靠性；二是在开放性的区域中，WIFI的通讯距离可以达到305 m；三是在封闭性的区域中，WIFI的通讯距离一般为76～122 m；四是与有线以太网的整合十分方便，组网过程需要投入的成本较低[3]。

本文首先结合 WIFI技术的优点搭建了本地采集数据的有线通讯网络和远程监视的无线通讯网络，然后设计了一种基于 STM32的电力推进船舶电能质量无线监视系统，最后通过船舶电力推进实验装置测试并分析了所设计电能质量监视系统的准确性和可靠性。

1 系统结构

如图1所示，电力推进船舶电能质量无线监视系统的结构分可为三层，现场数据采集层、无线通讯层和监视层。现场数据采集层由传感器、模数转换装置组成。传感器采集网侧和负载侧电能质量数据模拟量，经过模数转换装置转化为数字量。无线通讯层将现场数据采集层获得的数字量传输到监视层。无线通讯层由接收装置、发送装置、中继器组成。发送装置通过 WIFI模块发送数据，中继器转发 WIFI网络中的通讯数据，接收装置接收 WIFI网络中的数据并做出响应。监视层是集中在接收装置上的显示和报警装置。监视层处理接收到的数字信息得到电能质量参数的真实数据，显示电能质量数据并监视故障的发生。

图1 电能质量无线监视系统结构框图

2 无线电能质量监视系统的实现

2.1 数据采集层

现场数据采集层分为网侧和负载侧两个部分。网侧数据通过智能仪表PM800采集获得，负载侧数据通过智能仪表 ION7650采集获得[4]。PM800和 ION7650集数据采集与控制功能为一身，可以代替多种仪表、继电器、变送器和其它元件。PM800和ION7650作为网关EGX300下的两个节点，M340 PLC作为服务器，它们之间通过以太网连接。对 PLC编程以读取两个节点数据，需要通过地址转换功能块 ADDM 和数据读取功能块READ_VAR实现。ADDM功能块的作用是将从站设备的地址格式转换成6个单精度整数组成的数组，作为数据读取功能块READ_VAR的地址输入[5]。

2.2 无线通讯层

在交换机外部搭建 TP-Link路由器，并且设置为中继模式，拓展以太网络为 2.4G WIFI，适当配置无线监视装置后可以连接此无线网，形成整个系统的无线网搭建。

正点原子战舰 V3开发板是以STM32F103ZET6芯片为核心控制器的开源ARM开发板。其内核采用CortexTM-M3架构，最高工作频率72MHz，具有512KByte的程序存储空间、64KByte的SRAM、8个定时器/计数器、3个SPI、集成5个USART通信接口、3个12位ADC及1个DAC等，硬件资源丰富，非常适合功能扩展[1]。本文设计的无线通讯层的接收端是通过在该开发板上搭建无线接收模块组成。STM32控制器通过串口连接无线模块ESP8266，编程配置ESP8266的工作模式为 STA-client，配置开发板和服务器IP地址、访问端口502、无线中继器SSID及密码后，STM32监视装置即可通过无线网络访问PLC服务器。

STM32监视装置同 PLC之间的通讯协议是MODBUS TCP/IP协议。图 2所示是 MODBUS数据帧格式。MODBUS通讯协议定义了一个与基础通讯层无关的简单协议数据单元（PDU）。特定总线或网络上的 MODBUS协议映射能够在应用数据单元（ADU）上引入一些附加域[6]。

图2 MODBUS数据帧格式

2.3 监视层

监视层是集中在 STM32监视装置上的显示和故障报警模块。通过TFTLCD屏幕集中显示网侧和负载侧数据，如电压、电流、不平衡电压、不平衡电流等，也可将数据进行处理、保存并显示成波形图、柱形图和相位图。监视电能质量数据的同时也需要考虑系统运行过程中可能出现的一些故障，本文所设计系统考虑了负载侧的几类故障，并在故障发生时进行报警提示；故障报警通过LED灯和蜂鸣器实现，同时TFTLCD显示故障类型。如表1所示，利用LED灯闪烁和蜂鸣器鸣叫频率不同对故障进行分类，并将故障信息保存至SD卡的 Fault.CSV文件中，通过电脑可对故障记录进行查阅和分析。

表1 故障类型及报警信息

2.4 软硬件配置

如图3所示，基于上海海事大学—施耐德电气联合实验室平台，搭建船舶电力推进实验装置[7]。图4所示为电力推进船舶无线电能质量监视系统结构。

图3 船舶电力推进实验装置

硬件配置为：智能仪表PM800和ION7650，施耐德M340 PLC，AI/AO（模拟输入输出）模块，DI/DO（数字输入输出）模块，EGX300网关，交换机，TP-Link路由器，正点原子战舰V3开发板，ESP8266 WIFI模块，SD卡，接触式变压器，ATV61变频器，减速电机，模拟仪表。

软件配置为：UnityPro_XL和keil uVision5。通过UnityPro_XL对M340 PLC进行编程集中全部电能质量参数，keil uVision5用于对正点原子战舰V3开发板编程实现无线监视。

实验装置中，380 V三相交流电通过接触式变压器给系统供电。以减速电机模拟电力推进船舶主要负载。

图4 无线电能质量监视系统结构

3 无线监视系统在实验装置上的测试结果

3.1 实时数据显示

图5所示为本文所设计无线电能质量监视装置。在正点原子战舰 V3开发板上，添加硬件TFTLCD屏幕和ESP8266WIFI模块。SD卡用于保存信息。

图5 无线电能质量监视装置

无线监视装置可实时数据显示，可以实时准确监视网侧和负载侧电能质量数据。

3.2 图形显示

如图6所示，负载侧三相电压波形，三相电压在225 V上下波动。如图7所示，为负载侧相位图，三相电压幅值基本相同，三相电流幅值相差较大，这是由于负载不平衡导致的。图8所示是负载侧A相电压谐波。

3.3 故障显示

图9所示为负载侧三相电压波形及欠压故障显示。调节接触式变压器降低电压至负载侧出现欠压故障。实验过程中两次降压调节中间有一次回复电压操作，图中负载侧三相电压有两次下降，并低于欠压阈值，因此出现两次欠压故障报警。

图6 负载侧三相电压波形图

图7 负载侧相位图

图8 负载侧A相电压谐波柱形图

表2给出了SD卡中保存的故障信息。按照故障发生时间顺序保存故障信息。I表示负载侧三相电流，Vavg是负载侧相电压平均值。

4 结语

本文在船舶电力推进实验装置基础上，搭建了基于 WIFI技术的无线数据传输网络，并设计了基于 STM32的电能质量无线监视装置，构建出了一种电力推进船舶无线电能质量监视系统，最后通过实验验证并分析了该系统的性能。实验结果表明，本文所设计系统能够实时准确监视船舶电能质量的变化，对出现的故障及时发出报警提示，具有良好稳定性和可靠性。

图9 负载侧三相电压波形及欠压故障显示

表2 SD卡保存故障信息

[1]杨武, 江汉红, 张朝亮, 等．面向船舶电力系统监测的混合网络技术［J］．电网技术, 2010, 34(4):194- 198．

[2]赵科, 李常贤, 张彤. 基于STM32的无线温湿度控制器[J]. 化工自动化及仪表, 2015, 42(06): 629-633.

[3]张天保. WIFI技术的应用与展望[J]. 产业与科技论坛, 2014, 13(03): 98-99.

[4]候云飞, 施伟锋. 基于PLC和工控机的船舶电力系统故障诊断装置设计[J]. 船电技术, 2016, 36(09):49-52.

[5]施耐德电气公司．M340编程手册［M］．北京: 施耐德电气(中国)投资有限公司, 2008．

[6]华镕.从 Modbus到透明就绪[M].北京: 机械工业出版社, 2009.

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Design of Wireless Monitoring System for Power Quality of Electric Propulsion Ship Based on STM32

Deng Ranran, Weifeng Shi
（Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China）

The ship power system has large capacity and complex structure. It is very important to improve the safety, reliability and economy of ship navigation by using the simple wireless monitoring device to monitor the power quality of the ship. This paper uses WIFI technology to build wireless communication network, and transmits power quality data according to Modbus tcp/ip protocol. And then, it designs a wireless power monitoring device based on STM32 for electric propulsion ship power quality. Finally,it tests the design of the wireless monitoring system on the ship's electric propulsion experiment device. The experimental results show that the designed system can accurately monitor the change of the power quality of the ship in time and the occurrence of a possible fault.

power quality; monitoring system; STM32; WIFI; fault

TP273

A

1003-4862（2017）10-0049-04

2017-07-18

邓冉然（1993-），男，硕士生。研究方向：船舶/港口系统的建模与控制。

Email：dengranran@stu.shmtu.edu.cn

施伟锋（1963-），男，浙江宁波人，教授，博士，博导，主要从事电力系统及其自动化、控制理论与控制工程研究。Email: wfshi@shmtu.edu.cn。