基于分布式采集技术的船舶配电监控系统

包 斌

(南京市板桥汽渡管理处,江苏 南京 210039)

0 引言

随着船舶行业的发展，船体规模总体朝大型船舶方向靠拢。目前，我国大型民用船舶及军船多采用环形供电，局部采用区域供电，区域配电呈现辐射形结构。船舶规模的扩大伴随着船舶设备的增多，对船舶设备的配电参数进行监控已成为当下确保船舶电气设备运行可靠的重要手段之一。船舶规模大、钢板多、布线距离过长，势必会影响数据传输的可靠性。同时，船舶规模大也可能造成船舶需要监控的数据变多，数据传输过程中的错包、丢包数也会明显增多。

近年来，研究配电监控的文献很多。文献[1]提出了一种船舶环形区域配电系统，能够显著提高舰船电力系统的生命力及可靠性。文献[2]论述了一种基于Modbus-TCP以太网协议和Modbus-RTU串口协议的船舶配电监控系统，其系统安全性好、实时性高。文献[3-4]针对船舶区域配电监控系统，采用了CAN通信作为主要的数据传输方式，其数据传输距离长、可靠性高。文献[5]提出了一种分布式采集数据和管理数据的方法，提高了数据利用率，同时避免了数据因共享困难而造成信息孤岛的情况。但是,这些文献研究的重点是单一通信方式。该方式可能存在通信速度局限、成本不合理问题。此外，从传输距离的角度考虑，在大型船舶上布线也存在一定的难度。

本文针对区域配电系统提出一种基于分布式采集技术的配电监控方法。首先对船舶电网结构进行阐述，其次进一步论述分布式采集技术的通信方式以及数据传输的有效性和合理性。

1 船舶电网结构

船舶电力系统包括发电机、负荷、变压器、断路器、主配电板、区域配电板、电缆等。就整船而言，现代大型船舶呈现环网结构；而区域配电板及以下设备，则呈现辐射状结构。这种混合式的船舶电网结构示意图如图1所示。

S1～S16—开关；G1～G4—发电机

由图1所示，1号、2号主配电板互为冗余供电。两条电力母线从舰船舱室的两舷穿过，其中一条位于吃水线上，另一条位于吃水线下方，这样可以尽可能地拉开两条母线的距离。即使一条母线受损，也可以通过另一条母线为船用设备供电，使得舰船在受到攻击时有更强的抵抗力。

2 分布式数据采集

对于采用上述混合式船舶电网结构的舰船，其舱室众多、船体规模大。若直接将位于负载处的传感器所采集的数据上传至电力监控台，势必走线过长、耗费电缆；不仅走线困难，若数据传输有误、排查故障也是一件难事。为此，可以采用如图2所示的分布式采集数据的通信方式。

图2 分布式采集数据的通信方式架构图

整个分布式采集控制系统大体由传感器、分控制器、串口转CAN卡、集中管理模块、中继、主控制器和电力监控台构成。

分控制器安置于各区域配电板处，接入区域配电板的负载安置对应传感器。各传感器采集数据后通过Modbus-RTU串口协议将数据传输至对应分控制器。

各分控制器接收数据后，将数据发送至串口转CAN卡。串口转CAN卡具有将串口协议数据包转化为CAN协议数据包的能力。在数据包转换过程中，有可能因为数据量过大或者时序问题，将数据包进行错误拼接而导致错包、丢包等问题。为此，串口转CAN卡需要进一步将数据包发送至集中管理模块。集中管理模块具备管理数据包发送时序的能力，这将在一定程度上减少数据包因为时序问题而导致的拼接错误。同时，集中管理模块还可以调节CAN包数据发送频率，进一步减缓因数据量过大而造成总线“拥堵”的问题。

各区域配电板分布于舰船不同位置，某些区域配电板距离主配电板距离较远。CAN网络传输速率与传输距离的关系见表1。

表1 CAN网络传输速率与传输距离之间的关系

若数据直接由集中管理模块上传至CAN总线，由于数据传输距离较长，可能会由于信号微弱而导致数据包丢失，也可能导致数据传输缓慢，因此，需要增加中继模块来增强信号强度。

主控制器分别安置于1号、2号主配电板处。分控制器所加装的中继模块与主控制器的数据传输采用双冗余CAN网，即两条互为冗余的CAN总线。若其中一条总线崩溃，则主控制器将进行CAN网切换，以提高CAN数据传输的可靠性。

主控制器接收到来自CAN总线上的数据后，通过双冗余以太网将数据上传至电力监控台，具体通信方式可以采用UDP自定义通信协议。这种区别于TCP/IP的以太网协议的自定义协议，不像TCP/IP协议那样建立连接服务——形成客户端向服务端发送请求包，再接收来自服务端的确认包以达到“握手”的效果。UDP协议不需确定数据是否安全到达，极大地加快了数据传输的效率，减缓了配电监控测点过多而导致数据量过大的问题，具体措施只需让主控制器定时向UDP组播段发送数据。基于上述分析，电力监控台1、电力监控台2、主控器1和主控制器2应当将IP地址设在同一组播段上。值得注意的是，这里采用的是双冗余以太网，和前述双冗余CAN网有相同作用。若一路以太网崩溃，则主控制器自动切换到另一路以太网工作。与CAN网不同的是：除了主控制器可以进行冗余切换，进行组网的交换机也可以进行冗余切换。网络的崩溃，不一定是通信线路的崩溃，也可能是网源——交换机的崩溃。所以，网络通路的冗余和网源的冗余都是十分必要的。

3 分布式采集数据系统性能

3.1 基于分布式采集配电监控系统的相关问题

(1)主控制器接收数据包数据量大时，过快、过慢发送或接收数据都会导致主控制器全线崩溃。过快接收数据，主控制器无法及时处理数据而导致主控制器失灵。过慢接收数据，可能会出现主控制器处于“空置”状况，即需要接收新数据，老数据却还没有传输完成；同时，还有可能造成电力监控台的显示界面相关断路器动作显示迟缓。所以，收发数据的时间间隔需要根据实际情况做出调整。

(2)大型舰船上的数据量大，易出现数据包无序发送、拼接错乱的问题。为此，针对双冗余CAN网和Modbus-RTU串口通信环节，可以采用问答式机制，即上一级设备若不向下发送询问帧也就不会收到下一级设备的回复请求。这将大大减少并行的数据量，也给予了上一级设备处理回复请求的时间。

(3)对于某些船用断路器的长延时、短延时报警可能会出现误报警情况，控制器判断断路器的长、短延时报警机制应做出相应调整——合理设置触发报警的延时时间。设定时间过长，报警监测不到而出现漏报警；设定时间过短，报警频繁出现误报警。

3.2 分布式采集配电系统的优点

(1)进行了分布式采集数据，提高了数据传输的可靠性，增长了数据的传输距离，同时降低了电缆损耗。

(2)数据排查故障容易，可以逐级排查。

(3)最下层采用串口通信方式，相较于采用CAN网通信，可以降低通信成本。

(4)通信方式采用问答式机制可以降低错包概率，减缓并行数据量。

(5)以太网、CAN网通信均采用冗余机制，通信安全可靠。

(6)以太网采用UDP自定义协议通信，数据传输效率高。

4 结论

(1)该系统针对混合式的船舶配电网络提出了一种分布式采集数据的配电监控方法。该方法采用多种通信方式，将CAN通信、Modbus-RTU串口通信、以太网通信集成于该系统，为大数据量的配电监控系统提供一种有效的数据传输方法。

(2)此方法具有冗余机制，极大地提高了数据传输的可靠性。同时，由于数据采用分布式采集，不但减小了数据传输纠错的难度，也为布线节省了成本和空间。