船舶發(fā)電機節(jié)點模塊電路板設計探析

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摘要：CAN總線作為一種常用的新型現(xiàn)場總線，具有安全可靠、設計獨特等特點，被廣泛地應用于工業(yè)相關監(jiān)控設備的網(wǎng)絡互聯(lián)領域中，并取得了良好的應用效果，為了進一步提高船舶發(fā)電機自動化控制水平，現(xiàn)利用CAN總線，針對船舶發(fā)電機使用情況，提出一種具有可行性的發(fā)電機節(jié)點模塊電路板設計方法。首先，在完成電壓電流測量電路設計的基礎上，從頻率信號測量、相位差測量兩個方面入手，完成對率與相位差測量的電路設計，在此基礎上，詳細探討了發(fā)電機組并車控制電路設計內(nèi)容，其次，研究了發(fā)電機節(jié)點模塊系統(tǒng)組成及優(yōu)點。結(jié)果表明：本文所提出的發(fā)電機節(jié)點模塊電路板設計方法具有非常高的可靠性和可行性，有效地提高了CAN總線電站的智能化控制水平。希望通過這次研究，為相關從業(yè)人員提供有效的借鑒和參考。

關鍵詞：CAN總線；電站；自動化；網(wǎng)絡

最近幾年，隨著船舶規(guī)模的不斷增大，船舶電站功率呈現(xiàn)出不斷增長的趨勢，這就對船舶電站的智能化控制水平提出了更高的要求，以實現(xiàn)對高船舶電站的遠程化、自動化監(jiān)控和管理。而CAN總線標準協(xié)議受到了多個生成廠家的青睞和擁護，因此，該總線具有較高的適用性和通用性，通過將CAN總線科學應用于船舶電站的控制領域中，不僅可以提高網(wǎng)絡通信的安全性和穩(wěn)定性，還能促進船舶自動化系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠、安全地運行。因此，在CAN總線的應用背景下，如何科學地設計船舶發(fā)電機節(jié)點模塊電路板是相關人員必須思考和解決的問題。

1電壓電流測量電路設計

在測量電壓電流期間，通常會涉及到以下兩個任務：（1）測量電壓、電流的大??；（2）測量電壓、電流的頻率與相位差。這兩種測量方式在初始測量階段中操作比較類似，均將所有的四芯插槽高效、安全地進入到整個電路內(nèi)交流信號中，然后，借助變壓器，將其引入到惠斯電通橋內(nèi)，此時，不同惠斯電通橋所形成的電流電壓會存在較大的差異。此外，通過將四芯插槽與發(fā)電機電壓信號和母線電壓信號進行有效連接，可以確保交流信號的穩(wěn)定性。同時，通過借助三相交流電路，可以實現(xiàn)對相應電流的監(jiān)控，在此基礎上，將所有變壓器替換為電壓轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)電流信號與電壓信號兩者之間的快速轉(zhuǎn)換，然后，將惠斯通電橋引入到電流電路中。交流電壓引入示意圖如圖1所示，從圖1中可以看出，借助變壓器引出以下兩路不同類型的電壓信號，其中一路是含有電容器的惠斯通電橋；另一路是不含有電容器的惠斯通電橋。前者主要用于對直流電的過濾處理，以達到精確測量和把控電壓值變化趨勢的目的。后者主要是獲得最終直流電壓正弦波，以達到提高電壓頻率測量結(jié)果的精確性和真實性的目的。最后，在測量電壓有效值與電流有效值期間，為了保證所輸入數(shù)字信號的穩(wěn)定性，需要借助穩(wěn)壓措施，對濾波處理后的電壓信號進行處理，使其安全、可靠地引入到穩(wěn)壓電路中，該穩(wěn)壓電路屬于串聯(lián)型電路，主要是有集成運算放大器組成。然后，借助穩(wěn)壓電路，實現(xiàn)對電壓信號的有效連接，只有這樣，才能確保交流值測量結(jié)果的準確性和真實性，為實現(xiàn)對電壓電流測量電路的科學設計打下堅實的基礎。

2頻率與相位差測量的電路設計

通過對發(fā)電機和母線內(nèi)部電壓頻率進行精確測量，可以全面了解發(fā)電機與母線之間的電壓相位差，為后期優(yōu)化和完善微處理器提供重要的依據(jù)和參考。

2.1頻率信號測量

該電路在具體的設計中，需要將過濾處理好的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為相應的方波信號，頻率測量電路示意圖如圖2所示。從圖2中可以看出，通過借助比較器，完成對電橋信號的傳輸，并借助節(jié)點模塊電路板穿將其轉(zhuǎn)化為時鐘脈沖[1]，此時，鐘控D觸發(fā)器的內(nèi)部輸出端與輸入端自動建立連接。頻率測量波形示意圖如圖3所示。從圖3中可以看出，波形1、波形2和波形3分別代表電橋整流處理后的波形、流經(jīng)比較器的電壓波形以及流經(jīng)觸發(fā)器的電壓波形。根據(jù)惠斯通電橋所產(chǎn)生的信號特點，可以將該信號與零比較器的輸入端進行有效連接，充分發(fā)揮和利用零比較器的作用。該比較器的作用是[2]：當負輸入端電壓遠遠超過所規(guī)定的比較電壓時，零比較器會自動輸出“0”數(shù)字信號；當負輸入端電壓低于所規(guī)定的比較電壓時，零比較器會自動輸出“1”數(shù)字信號，這樣一來，有利于實現(xiàn)模擬信號與數(shù)字信號的自動化轉(zhuǎn)化。同時，還要借助D觸發(fā)器，等飯時鐘脈沖變化情況，執(zhí)行相應的變時操作命令，使得單片機能夠在第一時間內(nèi)快速處理頻率信號[3]。最后，相關人員要嚴格按照測量相關標準和要求，將母線與發(fā)電機的輸入端分別接入到微處理器中，便于獲得更加真實、可靠的頻率信號。

2.2相位差測量

相位差測量主要包含兩個環(huán)節(jié)，一個是發(fā)電機電壓相位測量，另一個是母線電壓相位測量。為了保證相位差測量結(jié)果的精確性和真實性，相關人員要借助本文所設計的頻率測量電路，然后，精確地測量出發(fā)電機與母的電壓相位差。在這一過程中，首先，相關人員要根據(jù)高電平端的相位差變化情況，借助微處理器，將相關信號與外部中斷接口之間建立起有效的連接。此時，微處理器可以自動記錄和統(tǒng)計高電平端實際相位差，最后，根據(jù)所獲得的相位差，推算出脈沖周期，然后，對其進行深入分析和處理后，即可獲得三角函數(shù)值，該函數(shù)值所對應的角度與所測量的相位差具有一一對應的關系。

3發(fā)電機組并車控制電路設計

并車操作主要是指通過對發(fā)電機組的頻率、電流、相位等參數(shù)的實時檢測和調(diào)整，使得未運行的并機組的電壓與正在運行的并機組電壓始終保持相同狀態(tài)[4]，只有這樣，才能為發(fā)電機組投入使用提供合適的參數(shù)條件，避免并車在合閘期間因遭遇沖擊電壓而嚴重影響發(fā)電機組的運行性能。在日常工況的實際開展中，經(jīng)常遇到并車相位不一致等問題，嚴重影響了發(fā)電機組的自動化控制水平，為了解決這一問題，相關人員要設計出一種功能強大；適用性強的并車裝置，同時，還要借助該裝置為發(fā)電機組提供源源不斷的合閘脈沖。在這一過程中，首先，相關人員要嚴格按照正相差電路設計相關標準和要求，科學調(diào)整發(fā)電機電壓頻率，同時，還要用“1”或者“0”表示電路數(shù)字信號輸出值[5]，當輸出的數(shù)字信號為“1”時，說明發(fā)電機電壓頻率過高，遠遠超過母線所規(guī)定的電壓頻率；當輸出的數(shù)字信號為“0”時，說明發(fā)電機的電壓頻率較低，低于母線所規(guī)定的電壓頻率。電機正相差電路示意圈如圖4所示。從圖4中可以看出，信號線1代表發(fā)電機所產(chǎn)生的實際電壓頻率信號，主要連接于零比較器的負輸入端[6]；信號線2代表母線所產(chǎn)生的實際電壓頻率信號，同樣連接于零比較器的負輸入端，然后，采用連接輸出端的方式，將以上兩個零比較器進行有效連接，然后，借助觸發(fā)器，對時鐘脈沖進行實時檢測和管理[7]。此外，還要將信號線1和信號線2分別連接于JK觸發(fā)器的輸入端I和輸入端K。由此可見，當發(fā)電機電壓頻率過高時，觸發(fā)器輸出數(shù)字信號“1”；當發(fā)電機電壓頻率過低時，觸發(fā)器輸出數(shù)字信號“0”，這種控制條件完全符合電路相關設計標準和要求。

4發(fā)電機節(jié)點模塊系統(tǒng)組成及優(yōu)點

4.1發(fā)電機節(jié)點模塊系統(tǒng)的組成

發(fā)電機節(jié)點模塊系統(tǒng)主要由五塊不同的單片機組成，其中，一塊單片機主要用于對CAN控制器與轉(zhuǎn)換器的有效集成處理；另外四塊單片機主要用于對51系統(tǒng)單片機的簡化。該系統(tǒng)在日常的運行中，主要借助微控制器[8]，與CAN局域網(wǎng)建立有效的互通關系，以完成對控制信號的安全傳輸和精確測量，為確保船舶發(fā)電機能夠正常、穩(wěn)定地工作打下堅實的基礎。

4.2發(fā)電機節(jié)點模塊系統(tǒng)應用優(yōu)勢

發(fā)電機節(jié)點模塊系統(tǒng)具有非常高應用優(yōu)勢，其應用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）通過利用該系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)對發(fā)電機組調(diào)載、調(diào)頻以及合閘的自動化控制，還能保證發(fā)電機組分級卸載功能、分級重載功能以及重要信息查詢功能等功能的實現(xiàn)效果，為提高船舶電站的自動化控制水平打下堅實的基礎。（2）該系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出CAN網(wǎng)絡狀，不僅可以幫助用戶更好地傳輸和共享各個節(jié)點之間的信息，還能提高CAN網(wǎng)絡設備的運行性能，為促進船舶電站管理向自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化方向不斷發(fā)展創(chuàng)造良好的條件。（3）該系統(tǒng)內(nèi)部含有發(fā)電機節(jié)點模塊，該模塊在具體的運用中，主要負責對數(shù)據(jù)采集功能和數(shù)據(jù)控制功能的有效集成，并將其統(tǒng)一集成到指定的電路板上，為保證系統(tǒng)集成的安全性和可靠性產(chǎn)生積極的影響。（4）對于發(fā)電機節(jié)點模塊系統(tǒng)而言，其發(fā)電機節(jié)點控制功能除了可以實現(xiàn)對發(fā)電機組并車的自動化控制外，還能借助各個單片機進行高效運行，這樣一來，不僅保證了模塊結(jié)構(gòu)的簡易性、穩(wěn)固性，還能降低了模塊的開發(fā)成本和維護成本，為進一步提高模塊的實用性和可靠性創(chuàng)造良好的條件。綜上所述，通過將CAN總線與船舶發(fā)電機節(jié)點模塊電路板設計進行充分結(jié)合，不僅可以充分發(fā)揮和利用CAN總線安全可靠、設計獨特等應用優(yōu)勢，還能促進網(wǎng)絡通信向安全化、規(guī)范化方向不斷發(fā)展，同時，還最大限度地提高船舶電站的自動化控制水平，有效滿足船舶電站的大功率使用需求，為促進船舶行業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展提供有力的保障。因此，將CAN總線應用于船舶發(fā)電機節(jié)點模塊電路板設計中具有重要意義，相關人員要對CAN總線的這一應用基于足夠的重視。

作者:凃瑞媛 單位:昆明船舶設備研究實驗中心