基于实时以太网技术的船用合并单元装置.pdf
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1、 57 基于实时以太网技术的船用合并单元装置基于实时以太网技术的船用合并单元装置 赵白鸽,高琴斌,方 程(上海船舶设备研究所,上海 200031)摘摘 要:要:船用合并单元装置是船舶电力保护系统现场层重要的采集装置,其现有通信接口对船舶电力系统新的保护策略具有一定的制约。针对实时以太网(EPA)技术的特点,开展实时以太网与船用合并单元的适配技术研究,从硬件设计、软件设计和接口设计等方面介绍设计方案,并详细说明实时以太网接口的适配方案以及数据同步传输的解决方案。为船舶电力系统现场层数据传输引入一种新的网络技术。关键词:关键词:实时以太网;EPA;采集装置 中图分类号:中图分类号:U671.99
2、文献文献标志标志码:码:A DOI:10.16443/ki.31-1420.2023.03.014 Marine Merging Unit Device Based on Real-Time Ethernet Technology ZHAO Baige,GAO Qinbin,FANG Cheng(Shanghai Marine Equipment Research Institute,Shanghai 200031,China)Abstract:The marine merging unit device is an important acquisition device at the fi
3、eld level of the marine power protection system,and its existing communication interface has certain constraints on the new protection strategy of the marine power system.According to the characteristics of Ethernet for Plant Automation(EPA)real-time Ethernet technology,the research on the adaptatio
4、n technology of real-time Ethernet and marine merging unit is carried out.The design scheme are introduced from hardware design,software design,interface design and other aspects,and the adaptation scheme of the real-time Ethernet interface and the solution of data synchronous transmission are descr
5、ibed in detail.A new network technology is introduced for the field level transmission of marine power system.Key words:real-time Ethernet;Ethernet for Plant Automation(EPA);acquisition device 0 引言引言 船用合并单元装置作为船舶电力系统的现场层同步采集装置,能够同步采集多个电流互感器,将多路信号合并后发送至船用综合保护装置以执行保护功能1。现阶段,合并单元与综合保护装置之间采用光纤点对点的通信方案,该
6、方案能够保证信息传输延时的一致性,但存在传输速率低、接口可扩展性差的问题。随着船舶电站规模和容量的增大以及电网结构的日益复杂2,新型船舶电力系统保护策略 如自适应保护、站域保护被逐步提出3,现有船用合并单元的技术方案在数据传输带宽、可靠性、实时性和组网灵活性方面难以满足新应用的需求。传统的工业以太网虽然能够满足组网灵活性 作者简介:赵白鸽(1992),女,硕士、工程师。研究方向:船舶电站。58 cademic Research 技术交流 A 的需求,但其传输时延具有不确定性,无法应用于电力保护系统中4。实时以太网(Ethernet for Plant Automation,EPA)是我国新一代
7、控制系统高性能实时通信总线标准,也是第一个由中国制定的工业自动化国际标准5。EPA实时以太网采用分时方式向网络上发送报文,从而避免报文冲突,并确保通信的同步性和实时性,扫除以太网技术代替现场总线技术应用于工业现场设备间通信的障碍6。为适应未来大型船舶电力系统的发展方向,解决传统合并单元的问题与局限,将新型实时以太网通信技术应用于传统的船用合并单元中成为重要的突破口。为此,本文介绍基于实时以太网技术的船用合并单元装置的设计方案,从硬件、软件和接口适配等方面介绍实时以太网的应用方案。1 装置概述装置概述 1.1 原理分析原理分析 合并单元是测量环节(电流互感器)和保护单元(综合保护装置)的连接纽带
8、,其能够同步采集多路电流互感器输出的信号,将其转换为数字量信息,组合成约定的数据报文,并通过实时以太网接口对外传输。对于交流电力系统和直流电力系统2种应用,功能流程见图1和图2。模拟量信号模拟量信号模数转换 数据解码及同步数据组包实时网控制时间同步数据传输EPA网络网络DTU-RTE-I-AC同步采样 图 1 合并单元功能原理图(交流系统)光信号光信号光电转换 数据解码及同步数据组包实时网控制时间同步数据传输EPA网络网络DTU-RTE-I-DC 图 2 合并单元功能原理图(直流系统)合并单元装置的输入包括模拟量信号和光信号,针对输入分别采用模数转换模块和光电转换模块将其转换为控制器芯片能够处
9、理的数字量信号。采用同步脉冲采样的方式进行采样电流信息的同步,将各通道采样值按照约定格式组包后,通过实时网控制模块发送至EPA网络的对应节点,并完成信息传输。同时,接收EPA网络的对时信号,进行时间同步。1.2 装置组成装置组成 合并单元采用模块化设计方案,装置由主控板件、互感器板、底板和电源板和箱体组成,如表1所示。表 1 合并单元装置组成 名称 代号 主要功能 主控板件 CPU 控制核心组件,含模数转换、实时以太网协议栈控制、装置运行控制、光纤信号的接收和发送处理 互感器板 AC 交流模拟信号的采集和调理 底板 BUSS 内部板件连接 电源板 POWER 将输入电源转换为特定电平,为各芯片
10、和模块供电 59 合并单元兼容交流、直流2种系统的应用,前者额外增加互感器板件进行交流信号的采集和调理合并单元具备2种硬件配置:1)交流系统:主控板底板电源板互感器板。2)直流系统:主控板底板电源板。2 设计方案设计方案 2.1 硬件方案硬件方案 合并单元在硬件上由CPU板件、AC板件、POWER板件和BUSS板件组成。硬件架构设计总体如图3所示。AC板件BUSS板件POWER板件CPU板件交流模拟交流模拟量输入量输入 5V 模拟量模拟量供电电源供电电源24 V直流直流电源电源3.3 V5 V 12 V24 V供电电源供电电源 5 V模拟量模拟量模/数转换芯片ARM光纤接口光纤接口ETH-1E
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