現(xiàn)場總線CAN 在監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡中通信協(xié)議設計

1 前言

船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)主要用于監(jiān)控船舶發(fā)電機組的運行狀態(tài)，調(diào)節(jié)改善船舶供電的電力品質(zhì)。本系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的點對點連線的控制方法，采用CAN 現(xiàn)場總線技術(shù)，實現(xiàn)發(fā)電機組的遠程控制?；贑AN 總線具有結(jié)構(gòu)簡單、通信方式靈活的特點及其非破壞總線仲裁技術(shù)，為該監(jiān)控系統(tǒng)提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性、增強系統(tǒng)運行穩(wěn)定性提供了新的解決方案。

2 網(wǎng)絡通信平臺設計

船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)采用 CAN 現(xiàn)場總線連接各設備，通信網(wǎng)絡由監(jiān)測網(wǎng)絡與控制網(wǎng)絡組成，采用雙冗余總線結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 電站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)示意圖

監(jiān)測網(wǎng)絡由若干個數(shù)據(jù)采集模塊與1 個網(wǎng)關(guān)組成，主要負責采集傳輸現(xiàn)場用于測量柴油發(fā)電機組繞組溫度、燃油壓力等傳感器數(shù)據(jù);控制網(wǎng)絡由1 臺上位機、1 臺能量管理控制器與3 個輸入輸出模塊組成，完成對柴油發(fā)電機組起動、停車、合閘、解列以及能量管理的遙控控制。監(jiān)測網(wǎng)絡和控制網(wǎng)絡均采用雙絞線電纜作為通訊介質(zhì)，根據(jù)網(wǎng)絡規(guī)模與數(shù)據(jù)傳輸流量，設置網(wǎng)絡總線速率為100kpbs。

數(shù)據(jù)采集模塊：數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)不同的傳感器類型分別能夠采集、測量 Pt100 溫度信號、4～20mA 電流信號以及開關(guān)量等信號。

能量管理控制器：實現(xiàn)電站監(jiān)視與電能管理功能。

輸入輸出模塊：接收來自能量管理控制器的命令，控制發(fā)電機組運行，同時監(jiān)測發(fā)電機組相關(guān)的電參數(shù)。

網(wǎng)關(guān)：實現(xiàn)不同網(wǎng)絡間的數(shù)據(jù)交換。

監(jiān)測網(wǎng)絡部分：數(shù)據(jù)采集模塊從外部采集傳感器數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將所有傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機完成集中顯示與報警功能。

控制網(wǎng)絡部分：上位機將人工控制命令發(fā)送至能量管理控制器，該控制器將控制命令進行處理表決，將結(jié)果發(fā)送至輸入輸出模塊，由輸入輸出模塊輸出控制信號控制發(fā)電機組狀態(tài)。另外，輸入輸出模塊采集發(fā)電機組相關(guān)電參數(shù)(電壓，電流，有功、無功功率等)發(fā)送至能量管理控制器進行監(jiān)測與管理。

網(wǎng)絡系統(tǒng)由兩條總線構(gòu)成硬件雙冗余結(jié)構(gòu)，若其中一條總線電纜受損或出現(xiàn)故障后，另一條總線仍能維持系統(tǒng)正常工作，防止通信網(wǎng)絡癱瘓。此外，為了保證通信網(wǎng)絡的可靠性與實事性，各個網(wǎng)絡節(jié)點還具有在線故障診斷，傳感器故障診斷等功能。

3 網(wǎng)絡通信標識符設計

在該網(wǎng)絡通信系統(tǒng)中，底層智能模塊選用Intel16 位的MCU，CAN 網(wǎng)絡控制器選用Philips 公司的SJA1000，實現(xiàn)CAN 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)收發(fā)功能，系統(tǒng)中網(wǎng)絡總線使用CAN2.0B 協(xié)議格式，根據(jù)該系統(tǒng)監(jiān)測網(wǎng)絡與控制網(wǎng)絡的不同功能，分別設計兩種網(wǎng)絡的報文標識符。

3.1 監(jiān)測網(wǎng)絡協(xié)議

監(jiān)測網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)采集模塊采集現(xiàn)場傳感器的模擬信號，通過 A/D 轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號后發(fā)送至監(jiān)測網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)刷新頻率為每秒2 批次。對于監(jiān)測模塊而言，僅僅發(fā)送測量所得的現(xiàn)場傳感器數(shù)據(jù)，不需要接收其他網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，因此設置驗收屏蔽寄存器禁止其他網(wǎng)絡數(shù)據(jù)接收，網(wǎng)關(guān)接收到各個數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)之后將其發(fā)送至上位機。下表為監(jiān)測網(wǎng)絡的報文標識符定義：

表 1 監(jiān)測網(wǎng)絡CAN 標識符

每個數(shù)據(jù)采集模塊分配唯一的網(wǎng)絡節(jié)點號，每個網(wǎng)絡節(jié)點分配節(jié)點地址，此外，為了使網(wǎng)關(guān)設備快速判斷各數(shù)據(jù)采集模塊工作以及所發(fā)送的報文是否出現(xiàn)異常狀況，每個數(shù)據(jù)采集模塊在發(fā)送各自的報文時設置索引值，使用CAN 標識符的第13～22 位表示。當某個數(shù)據(jù)采集模塊起動新的一個批次數(shù)據(jù)發(fā)送時，索引值清零，每發(fā)送成功一幀報文后下一幀報文的索引值加1，當前批次數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后索引值計數(shù)器清零，從而可根據(jù)每個模塊在一個批次內(nèi)發(fā)送的報文個數(shù)確定該模塊的最大索引值。接收方在接收到某一節(jié)點發(fā)送的報文后先判斷標識符中的索引值信息，若接收到報文的索引值為不合理數(shù)值，則放棄對當前報文的接收處理。由此可以防止網(wǎng)關(guān)接收在傳輸時或者程序出錯時產(chǎn)生錯誤的報文，以提高網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的可靠性。此外，監(jiān)測網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集模塊設置定時向網(wǎng)關(guān)設備發(fā)送表示自身通信是否正常的協(xié)議幀，網(wǎng)關(guān)將其接收后轉(zhuǎn)發(fā)至上位機向用戶顯示系統(tǒng)網(wǎng)絡各個單元當前的工作狀態(tài)，即網(wǎng)絡通訊狀態(tài)。

3.2 控制網(wǎng)絡協(xié)議

控制網(wǎng)絡中產(chǎn)生的控制命令一般是猝發(fā)式的，對于控制系統(tǒng)而言必須確?？刂泼畋患皶r并且成功的發(fā)送，控制網(wǎng)絡報文標識符定義如下表所示：

表 2 控制網(wǎng)絡CAN 標識符

CAN 總線中非破壞性總線仲裁技術(shù)，是從協(xié)議幀標識符的最高位開始，即BIT.28 逐位比較下去，當出現(xiàn)參加仲裁的雙方在某一位第一次出現(xiàn)顯隱性不同時，為顯性位的那個協(xié)議幀贏得仲裁。根據(jù)CAN 總線的這一特性，即標識符值越小發(fā)送優(yōu)先級越高，根據(jù)系統(tǒng)中總線流程以及控制網(wǎng)絡中各網(wǎng)絡節(jié)點優(yōu)先級的高低從小到大設置各個模塊的網(wǎng)絡節(jié)點號，如表3 所示：

表3 控制網(wǎng)絡模塊網(wǎng)絡節(jié)點分配

當控制網(wǎng)絡數(shù)據(jù)發(fā)送頻繁時，可能導致部分控制命令幀由于標識符優(yōu)先級的原因而丟失SJA1000 控制器的仲裁，雖然SJA1000 具有丟失仲裁后的自動重新發(fā)送該報文的功能，但該控制命令幀仍然存在發(fā)送失敗的可能性，最終導致控制功能的失效。CAN 協(xié)議幀優(yōu)先晉升方案能夠大大降低上述情況發(fā)生的可能性，為實現(xiàn)控制命令幀發(fā)送時在丟失仲裁后重發(fā)的優(yōu)先級晉升，則必須禁止MAC 子層的自動重發(fā)功能，由應用層來實現(xiàn)報文的重發(fā)。該系統(tǒng)采用Philips 公司的SJA1000 作為CAN 網(wǎng)絡控制器，可以通過在報文發(fā)送時設置其命令寄存器的第0、1 位禁止其自動重發(fā)功能，改為單次發(fā)送。[!--empirenews.page--]

起動發(fā)送報文之后，MCU 須判斷該網(wǎng)絡節(jié)點是否已經(jīng)成功發(fā)送了一條報文或者報文發(fā)送失敗：首先，當SJA1000 中斷寄存器出現(xiàn)了仲裁丟失中斷或者發(fā)送中斷，表明該節(jié)點已經(jīng)處理完了一條報文，但是仍然不知道是否發(fā)送成功。如果成功，中斷寄存器就沒有仲裁丟失中斷，但是會產(chǎn)生發(fā)送中斷，因為發(fā)送成功后發(fā)送緩沖區(qū)會釋放。如果發(fā)送不成功，一定是與較高優(yōu)先級的協(xié)議幀競爭的結(jié)果，所以會有仲裁丟失中斷。但是改為單次發(fā)送后，發(fā)送失敗以后也會釋放緩沖區(qū)，因此將同時產(chǎn)生仲裁丟失中斷以及發(fā)送中斷。在得到節(jié)點已經(jīng)處理完一條報文后，只要用以上的規(guī)則進行判斷就能知道上一條報文是否發(fā)送成功，也就是用來判斷是否需要晉升節(jié)點所發(fā)送信息幀的優(yōu)先級并重發(fā)該幀。

控制網(wǎng)絡的標識符劃分為三個部分，其中標識符的第 21 至28 位用于協(xié)議幀優(yōu)先晉升，這部分標識僅表示協(xié)議幀的優(yōu)先級，它由調(diào)度機制分配給協(xié)議幀的優(yōu)先級的變化而變化，設Pi=(2n-1)-kt，Pi 項為當前控制命令協(xié)議幀的優(yōu)先級，(2n-1) 代表其優(yōu)先級隊列的初始值，即為隊尾;n 為優(yōu)先級隊列的二進制數(shù)，BIT28:21 共有8 位數(shù)，所以這一項數(shù)值為0FFH。kt表示優(yōu)先級晉升項，t 為首次發(fā)送以來協(xié)議幀丟失仲裁的次數(shù)，k 為晉升權(quán)重，k 取值越大協(xié)議幀優(yōu)先晉升速度就越快(該系統(tǒng)中取k=1)。由此可見，當某協(xié)議幀第一次發(fā)送時，Pi=0FFH，當它在發(fā)送時與其他協(xié)議幀碰撞并失去仲裁時，退出發(fā)送并且置Pi=0FEH 重新發(fā)送，因為此時其優(yōu)先級高于其他協(xié)議幀，在整個網(wǎng)絡中如果沒有其他和它具有相同優(yōu)先級的協(xié)議幀同時發(fā)送時，即使與其他第一次發(fā)送的協(xié)議幀碰撞，也會贏得仲裁，所以增大了該幀發(fā)送成功的概率。下圖為報文優(yōu)先級晉升控制流程：

圖 2 報文優(yōu)先級晉升控制流程

除此之外，系統(tǒng)具有控制參數(shù)在線修改的功能(如修改系統(tǒng)參數(shù))。參數(shù)修改命令由上位機發(fā)出修改幀，能量管理控制器接收后進行操作執(zhí)行。當進行在線控制參數(shù)修改時，能量管理控制器將發(fā)出廣播消息通知控制網(wǎng)絡所有節(jié)點禁止所有控制動作的輸出，以防止意外情況的發(fā)生。

在進行參數(shù)的下載修改過程中，為避免修改幀發(fā)送失敗或丟失，從而導致系統(tǒng)參數(shù)混亂，甚至導致系統(tǒng)癱瘓的情況發(fā)生，使用幀標識符的第11、12 位表征修改幀的結(jié)構(gòu)類型：單幀、非結(jié)束多幀和結(jié)束多幀。當待修改的參數(shù)數(shù)量較少，單個協(xié)議幀能夠包含所有修改信息時，能量管理控制器接收到來自上位機的修改幀，并判斷該修改幀為單幀標識后，則立即進行參數(shù)存儲空間的修改;若待修改的參數(shù)較多，單個協(xié)議幀無法包括所有待修改數(shù)據(jù)時，上位機首先發(fā)出部分修改幀使用非結(jié)束多幀標識，發(fā)送至最后一個修改幀時，標記為結(jié)束多幀。功率管理模塊只有在將全部待修改的參數(shù)接收完畢(即收到結(jié)束多幀標識)之后，才開始對相應參數(shù)存儲空間進行數(shù)據(jù)修改的操作。完成操作之后，能量管理控制器再將相應存儲空間修改完畢的數(shù)據(jù)發(fā)送反饋至上位機，進行握手確認。采用以上系統(tǒng)參數(shù)修改機制同時結(jié)合協(xié)議幀優(yōu)先晉升方案，大幅提升了電站重要參數(shù)修改的可靠性。

表 4 參數(shù)修改幀的標識

4 結(jié)束語

船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡通信的實現(xiàn)，節(jié)省了大量的現(xiàn)場線纜，整個系統(tǒng)便于調(diào)試。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸過程中使用的協(xié)議幀優(yōu)先級晉升算法機制等處理方案以及雙冗余的網(wǎng)絡硬件結(jié)構(gòu)，提高了現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的可靠性和穩(wěn)定性。同時，此網(wǎng)絡適應力及擴展力強，可根據(jù)不同船舶電站系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)差異靈活配置系統(tǒng)的設備，并且隨時能加入新的站點及第三方設備。