基于CAN总线的船舶电站监控系统及数据融合路径

张家洪

（中港疏浚有限公司，上海 201900）

船舶电站能够实现机械能与电能之间的转化，同时更好地监控、分配、测量和保护船舶。目前船舶电站监控系统存在几个问题：

（1）灵活性不足，尤其是控制仪表、通信等功能，使用复杂、效率较低；

（2）船舶电站各机组的综合利用率相对较低，增加了能源消耗，安全系数不高；

（3）当前的技术电流检测仪灵敏度不高，造成检测数据与实际情况存在较大误差；

（4）无法将检测到的电流、电压、温度、短路状态等信息及时转变为量化信号，不能进行无噪声的收集，对储存数据信息以及交换机处理存在消极影响；

（5）目前仍无法正常反映检测信息，数据读取无法快速、全面进行，工作效率较低。

为了解决船舶电站监控系统存在的问题，本文采用基于CAN总线的船舶电站监控系统融合数据，提升机组的综合利用率和系统的安全运行能力，节约船舶的运行成本[1]。

1 基于CAN总线技术进行船舶电站监控系统结构设计

舶电站监控系统结构如图1所示。

图1 基于CAN总线技术的舶电站监控系统结构

提前连接主控模块、电压检测模块以及电流检测模块，利用单片机对上述模块进行控制。

检测模块主要对有关数据信息进行检测，包括船舶电站电压、电流、短路状况、温度等；通信模块在CAN的作用下使电站仪表实现通信；管理模块使各机组设备能够有效工作；数据存储模块对检测模块所检测到的有关数据通过存储器进行存储；显示模块将检测到的各种数据信息及时在显示器上进行反映。

管理模块共有4个部分，包括接口模块、队列管理模块、在线千瓦时模块、并车模块。接口模块用于与外部设备连接，如果电站监控系统和外部连接，即为虚拟设备；队列管理模块用于提供功率信息，以队列方式对各种程序进行管理；在线千瓦时模块对各队列的权值、需求进行计算，以便队列模式能够高效运行；并车模块可以进行负荷分配、启动机组顺序以及自动并车。

2 通信模块通信方法

船舶电站所有仪表的通信均利用优化的CAN协议进行，通过重新定义应用层协议中的标识符实现CAN协议的优化。

CAN2.0B有两种应用层协议，一种是标准格式，另一种是扩展格式两种数据帧：

（1）标准格式。

标准格式数据帧仲裁场共包括RTR以及11位标识符，IDE、R0、DLC位组成了控制场；SRR、IDE、RTR和29位标识符共同组成了扩展格式数据帧仲裁场，控制场由R1、R0、DLC组成。

（2）扩展格式。

扩展格式数据帧仲裁场标识符具有多种功能，4位功能码对报文的优先级进行规定；在4位组号中有用于网络全局广播的1组中组号，共15组中组号；原地址码和目的地址码分别占8位，仪表的唯一地址由16位地址码对应；4位数据用于对传输的数据类型进行定义；1位多帧标识，如果数据传输显示大于8个字节，需要多帧进行，此时多帧标识位是1，如果小于8个字节，则显示为0。

3 数据融合技术的基本原理

数据融合技术是一种可以实现多源信息融合处理的新型技术。该技术最早应用于20世纪70年代初的美国国防部声呐信号处理系统，经过不断发展，该技术已推广至军事、工业、金融及空中交通管制等多个重要领域。数据融合涉及不同层次、不同方面的数据处理，通过对多元数据进行检测、读取、判断、组合，科学分析其状态及身份，对获取的数据进行全面、合理的态势评估和威胁评估。

船舶电站控制系统中会不同限度存在部分谐波，会对电站的正常运行造成一定影响，因此在利用传感器测量时，会掺杂部分测量噪声，造成传感器获得的信息与实际数据存在误差，同时也会降低电站系统的安全可靠性。

对此，数据融合技术采用多传感器并行处理的方式，即根据传感器冗余，最大限度降低测量噪声对数据的影响。通常情况下，冗余数据融合的方法主要有加权平均法、卡尔曼滤波法、贝叶斯估计法等。

4 船舶电站监控系统中数据融合技术的应用

外部存在干扰源的情况下，如电磁谐波，通过检测模块对船舶电站监控系统中的相关数据进行检测，得到的参数可能存在偏差，不利于进行精准监控。数据融合技术具有科学性和先进性，传感器能够得到充分利用，可以将检测到的数据进行融合处理，减小数据误差，使系统更准确[2]。

4.1 船舶电站监控系统的现状

为了实现船舶自动化，需要先实现船舶电站自动化，反映船舶的自动化程度。船舶电站的监控技术与机舱的控制技术存在较多共同点，二者都是在充分利用通信技术、微处理技术、控制技术的基础上，进一步优化完善。现阶段，该技术仍存在两个突出缺点：

（1）DCS利用的通信网络是非标准的，网络在进行制定时，不同公司所采取的标准不同，导致该系统具有一定封闭性，不能进行开放互连。

（2）主从式的DCS网络包括操作站、控制站、现场仪表三层结构模式；为了保证正常运行需要花费更多的资金，如果网络系统出现故障，会直接导致控制系统停止运转。

基于DCS系统以上两方面的显著缺点，对CAN等现场总线技术不断进行完善，尝试在传统的船舶电站监控系统中融入现场总线技术，构建以现场总线技术为重心的现场总线船舶电站监控系统。

4.2 基于CAN的现场总线控制系统FCS

（1）CAN现场总线协议的特点。

①应用主结构网络，区别于常用的主从网络形式；

②适宜用不同类型的微控制器连接；

③应用无损结构的逐位仲裁，实现总线的优先权访问；

④遇到故障时，自身的处理能力较强，如果出现故障，能够自动脱离总线；

⑤短帧结构更稳定，针对网络干扰的保护能力更强。

（2）基于CAN现场总线的FCS的特点。

①与传统技术相比，该系统为“工作站现场总线-智能现场设备”模式，只需要两层设备进行功能转换，而传统系统中至少需要三层设备才能完成功能的发挥；

②开放式现场总线采用标准通信网络，能够实现多种厂商、多种网络的匹配、融合及数据处理；

③与DCS网络相比，FCS大幅度减少了专用I/O装置的使用，同时控制站的多种功能都可以通过现场设备实现，控制功能的分散性明显提升了网络系统的安全性，防止一种功能故障影响系统整体的运行；

④能够及时监测并排除FCS现场设备的部分故障，提高网络系统的自检能力；

⑤发生故障时，相关节点能够自动脱离总线，避免某一节点故障导致系统瘫痪。

4.3 组建基于CAN的现场总线船舶电站监控系统

该系统网络通信利用CAN现场总线，并采用双绞线作为通信线。对船舶的运行条件进行估算后，通信速率确定为250 kbps（270 m）。通信网络在此速率条件下，优势较为明显。测量箱节点、电站控制管理以及微机控制节点共同组成系统。管理模块的运行通过电站控制微机完成管理，SJ1000控制器均被应用在测控节点、测控节点通信CAN适配卡以及CAN通信适配卡中，控制器接口微处理器被应用在芯片80C250CAN上[3]。

为了将网络数据传送到计算机应用程序中，必须应用CAN适配卡，改卡选取双口RAM，主要作用是保护中央处理器和微处理器，进行数据的读写与存储。为进一步提高网络通信的实时性，CAN通信网络选用优先级最高的外部中断。该系统在定时中断发送的过程中，诱导帧进行诱导，并开始计数，为了避免数据出现发送死循环，最终出现没法正常退出的情况，需要在发送号数后及时中断发送。

诱导帧动作也会占用总线时间，因此在系统中尽可能详细输入故障检测信息，系统自检时能够及时检测出相关故障，一方面可以节省数据传输的时间，另一方面便于技术人员及时进行故障处理。

5 结语

文章引入基于CAN总线技术设计的船舶电站监控系统，对该系统如何进行数据融合进行总结，通过监控系统对收集的各种数据信息进行量化，在数据完成储存、转换的同时，增强系统数据信息自身的抗干扰和无噪声积累能力。分析数据融合技术的基本原理后，结合数据显示、故障自检等功能，便于对检测数据的合理掌握，明显提高了船舶电站监控系统的工作效率。