船舶發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)模塊電路板設(shè)計(jì)探析

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摘要：CAN總線作為一種常用的新型現(xiàn)場(chǎng)總線，具有安全可靠、設(shè)計(jì)獨(dú)特等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)相關(guān)監(jiān)控設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)領(lǐng)域中，并取得了良好的應(yīng)用效果，為了進(jìn)一步提高船舶發(fā)電機(jī)自動(dòng)化控制水平，現(xiàn)利用CAN總線，針對(duì)船舶發(fā)電機(jī)使用情況，提出一種具有可行性的發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)模塊電路板設(shè)計(jì)方法。首先，在完成電壓電流測(cè)量電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，從頻率信號(hào)測(cè)量、相位差測(cè)量兩個(gè)方面入手，完成對(duì)率與相位差測(cè)量的電路設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)探討了發(fā)電機(jī)組并車控制電路設(shè)計(jì)內(nèi)容，其次，研究了發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)模塊系統(tǒng)組成及優(yōu)點(diǎn)。結(jié)果表明：本文所提出的發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)模塊電路板設(shè)計(jì)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(guān)從業(yè)人員提供有效的借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：CAN總線；電站；自動(dòng)化；網(wǎng)絡(luò)

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(shì)，這就對(duì)船舶電站的智能化控制水平提出了更高的要求，以實(shí)現(xiàn)對(duì)高船舶電站的遠(yuǎn)程化、自動(dòng)化監(jiān)控和管理。而CAN總線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議受到了多個(gè)生成廠家的青睞和擁護(hù)，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(xué)應(yīng)用于船舶電站的控制領(lǐng)域中，不僅可以提高網(wǎng)絡(luò)通信的安全性和穩(wěn)定性，還能促進(jìn)船舶自動(dòng)化系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠、安全地運(yùn)行。因此，在CAN總線的應(yīng)用背景下，如何科學(xué)地設(shè)計(jì)船舶發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)模塊電路板是相關(guān)人員必須思考和解決的問題。

1電壓電流測(cè)量電路設(shè)計(jì)

在測(cè)量電壓電流期間，通常會(huì)涉及到以下兩個(gè)任務(wù)：（1）測(cè)量電壓、電流的大?。唬?）測(cè)量電壓、電流的頻率與相位差。這兩種測(cè)量方式在初始測(cè)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(jìn)入到整個(gè)電路內(nèi)交流信號(hào)中，然后，借助變壓器，將其引入到惠斯電通橋內(nèi)，此時(shí)，不同惠斯電通橋所形成的電流電壓會(huì)存在較大的差異。此外，通過將四芯插槽與發(fā)電機(jī)電壓信號(hào)和母線電壓信號(hào)進(jìn)行有效連接，可以確保交流信號(hào)的穩(wěn)定性。同時(shí)，通過借助三相交流電路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)電流的監(jiān)控，在此基礎(chǔ)上，將所有變壓器替換為電壓轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)與電壓信號(hào)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(hào)，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(duì)直流電的過濾處理，以達(dá)到精確測(cè)量和把控電壓值變化趨勢(shì)的目的。后者主要是獲得最終直流電壓正弦波，以達(dá)到提高電壓頻率測(cè)量結(jié)果的精確性和真實(shí)性的目的。最后，在測(cè)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(hào)的穩(wěn)定性，需要借助穩(wěn)壓措施，對(duì)濾波處理后的電壓信號(hào)進(jìn)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(yùn)算放大器組成。然后，借助穩(wěn)壓電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓信號(hào)的有效連接，只有這樣，才能確保交流值測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，為實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓電流測(cè)量電路的科學(xué)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2頻率與相位差測(cè)量的電路設(shè)計(jì)

通過對(duì)發(fā)電機(jī)和母線內(nèi)部電壓頻率進(jìn)行精確測(cè)量，可以全面了解發(fā)電機(jī)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(hào)測(cè)量

該電路在具體的設(shè)計(jì)中，需要將過濾處理好的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的方波信號(hào)，頻率測(cè)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(duì)電橋信號(hào)的傳輸，并借助節(jié)點(diǎn)模塊電路板穿將其轉(zhuǎn)化為時(shí)鐘脈沖[1]，此時(shí)，鐘控D觸發(fā)器的內(nèi)部輸出端與輸入端自動(dòng)建立連接。頻率測(cè)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(hào)特點(diǎn)，可以將該信號(hào)與零比較器的輸入端進(jìn)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(dāng)負(fù)輸入端電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過所規(guī)定的比較電壓時(shí)，零比較器會(huì)自動(dòng)輸出“0”數(shù)字信號(hào)；當(dāng)負(fù)輸入端電壓低于所規(guī)定的比較電壓時(shí)，零比較器會(huì)自動(dòng)輸出“1”數(shù)字信號(hào)，這樣一來，有利于實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的自動(dòng)化轉(zhuǎn)化。同時(shí)，還要借助D觸發(fā)器，等飯時(shí)鐘脈沖變化情況，執(zhí)行相應(yīng)的變時(shí)操作命令，使得單片機(jī)能夠在第一時(shí)間內(nèi)快速處理頻率信號(hào)[3]。最后，相關(guān)人員要嚴(yán)格按照測(cè)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，將母線與發(fā)電機(jī)的輸入端分別接入到微處理器中，便于獲得更加真實(shí)、可靠的頻率信號(hào)。

2.2相位差測(cè)量

相位差測(cè)量主要包含兩個(gè)環(huán)節(jié)，一個(gè)是發(fā)電機(jī)電壓相位測(cè)量，另一個(gè)是母線電壓相位測(cè)量。為了保證相位差測(cè)量結(jié)果的精確性和真實(shí)性，相關(guān)人員要借助本文所設(shè)計(jì)的頻率測(cè)量電路，然后，精確地測(cè)量出發(fā)電機(jī)與母的電壓相位差。在這一過程中，首先，相關(guān)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(guān)信號(hào)與外部中斷接口之間建立起有效的連接。此時(shí)，微處理器可以自動(dòng)記錄和統(tǒng)計(jì)高電平端實(shí)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(duì)其進(jìn)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(duì)應(yīng)的角度與所測(cè)量的相位差具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

3發(fā)電機(jī)組并車控制電路設(shè)計(jì)

并車操作主要是指通過對(duì)發(fā)電機(jī)組的頻率、電流、相位等參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和調(diào)整，使得未運(yùn)行的并機(jī)組的電壓與正在運(yùn)行的并機(jī)組電壓始終保持相同狀態(tài)[4]，只有這樣，才能為發(fā)電機(jī)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(yán)重影響發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行性能。在日常工況的實(shí)際開展中，經(jīng)常遇到并車相位不一致等問題，嚴(yán)重影響了發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)化控制水平，為了解決這一問題，相關(guān)人員要設(shè)計(jì)出一種功能強(qiáng)大；適用性強(qiáng)的并車裝置，同時(shí)，還要借助該裝置為發(fā)電機(jī)組提供源源不斷的合閘脈沖。在這一過程中，首先，相關(guān)人員要嚴(yán)格按照正相差電路設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，科學(xué)調(diào)整發(fā)電機(jī)電壓頻率，同時(shí)，還要用“1”或者“0”表示電路數(shù)字信號(hào)輸出值[5]，當(dāng)輸出的數(shù)字信號(hào)為“1”時(shí)，說明發(fā)電機(jī)電壓頻率過高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過母線所規(guī)定的電壓頻率；當(dāng)輸出的數(shù)字信號(hào)為“0”時(shí)，說明發(fā)電機(jī)的電壓頻率較低，低于母線所規(guī)定的電壓頻率。電機(jī)正相差電路示意圈如圖4所示。從圖4中可以看出，信號(hào)線1代表發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的實(shí)際電壓頻率信號(hào)，主要連接于零比較器的負(fù)輸入端[6]；信號(hào)線2代表母線所產(chǎn)生的實(shí)際電壓頻率信號(hào)，同樣連接于零比較器的負(fù)輸入端，然后，采用連接輸出端的方式，將以上兩個(gè)零比較器進(jìn)行有效連接，然后，借助觸發(fā)器，對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和管理[7]。此外，還要將信號(hào)線1和信號(hào)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(dāng)發(fā)電機(jī)電壓頻率過高時(shí)，觸發(fā)器輸出數(shù)字信號(hào)“1”；當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓頻率過低時(shí)，觸發(fā)器輸出數(shù)字信號(hào)“0”，這種控制條件完全符合電路相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

4發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)模塊系統(tǒng)組成及優(yōu)點(diǎn)

4.1發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)模塊系統(tǒng)的組成

發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)模塊系統(tǒng)主要由五塊不同的單片機(jī)組成，其中，一塊單片機(jī)主要用于對(duì)CAN控制器與轉(zhuǎn)換器的有效集成處理；另外四塊單片機(jī)主要用于對(duì)51系統(tǒng)單片機(jī)的簡化。該系統(tǒng)在日常的運(yùn)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(guān)系，以完成對(duì)控制信號(hào)的安全傳輸和精確測(cè)量，為確保船舶發(fā)電機(jī)能夠正常、穩(wěn)定地工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4.2發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)模塊系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)模塊系統(tǒng)具有非常高應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）通過利用該系統(tǒng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)組調(diào)載、調(diào)頻以及合閘的自動(dòng)化控制，還能保證發(fā)電機(jī)組分級(jí)卸載功能、分級(jí)重載功能以及重要信息查詢功能等功能的實(shí)現(xiàn)效果，為提高船舶電站的自動(dòng)化控制水平打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。（2）該系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出CAN網(wǎng)絡(luò)狀，不僅可以幫助用戶更好地傳輸和共享各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的信息，還能提高CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運(yùn)行性能，為促進(jìn)船舶電站管理向自動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)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(jī)節(jié)點(diǎn)模塊，該模塊在具體的運(yùn)用中，主要負(fù)責(zé)對(duì)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(duì)于發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)模塊系統(tǒng)而言，其發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)控制功能除了可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)組并車的自動(dòng)化控制外，還能借助各個(gè)單片機(jī)進(jìn)行高效運(yùn)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(hù)成本，為進(jìn)一步提高模塊的實(shí)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(jī)節(jié)點(diǎn)模塊電路板設(shè)計(jì)進(jìn)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(shè)計(jì)獨(dú)特等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，還能促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)通信向安全化、規(guī)范化方向不斷發(fā)展，同時(shí)，還最大限度地提高船舶電站的自動(dòng)化控制水平，有效滿足船舶電站的大功率使用需求，為促進(jìn)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(yīng)用于船舶發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)模塊電路板設(shè)計(jì)中具有重要意義，相關(guān)人員要對(duì)CAN總線的這一應(yīng)用基于足夠的重視。

作者:凃瑞媛 單位:昆明船舶設(shè)備研究實(shí)驗(yàn)中心