李新領(lǐng)， 何 勰

(上海船舶運輸科學(xué)研究所 航運技術(shù)與安全國家重點實驗室, 上海 200135)

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一種船舶電站控制系統(tǒng)仿真測試平臺的設(shè)計

李新領(lǐng)， 何 勰

(上海船舶運輸科學(xué)研究所 航運技術(shù)與安全國家重點實驗室, 上海 200135)

針對新型船舶電站控制系統(tǒng)的特點和功能，設(shè)計一種高性能、高穩(wěn)定性的測試管理平臺。分析該測試平臺的設(shè)備組成和測試內(nèi)容。重點闡述數(shù)字仿真平臺、信號調(diào)理裝置和測試管理臺的功能及實現(xiàn)方法，并通過運行測試驗證了該平臺的有效性。

船舶、艦船工程； 船舶電站； 測試； 仿真

0 引 言

20世紀中后期，隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動測控技術(shù)和各種智能技術(shù)不斷發(fā)展，世界各國開始研究開發(fā)自動測試系統(tǒng)(Automatic Test System，ATS)[1]。ATS 發(fā)展至今共出現(xiàn)GPIB 總線、VXI 總線和PXI 總線等3代總線[2]，其中：PXI總線是 NI 公司于 1997 年提出的，以 Compact PCI 為基礎(chǔ)，具有開放性的 PCI 擴展總線；PXI 總線汲取了 PCI 規(guī)范的優(yōu)點，增加了多種觸發(fā)、同步信號，符合工業(yè)標(biāo)準，在機械、電氣和軟件特性方面優(yōu)于PCI 總線[3]。

上海船舶運輸科學(xué)研究所研制出一種新型船舶電站控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)憑借ARM Cortex-M4內(nèi)核及Cyclone II系列FPGA的高性能，選用ARM+FPGA作為核心架構(gòu)，可在單個模塊內(nèi)完成電站控制器的所有功能，實現(xiàn)發(fā)電機組控制、交流電量采集、直流模擬量測算和準同步并車控制等算法[4]。

這里基于PXI總線系統(tǒng)搭建仿真測試平臺，用于全面檢驗新型船舶電站控制系統(tǒng)的功能，具有高性能和高穩(wěn)定性等優(yōu)點。

1 船舶電站控制系統(tǒng)

新型船舶電站控制系統(tǒng)主要有以下幾個功能：

(1) 具有手動、半自動、全自動和越控等4種工作模式，可根據(jù)需要自由切換；

(2) 可自動調(diào)節(jié)機組電壓、頻率至設(shè)定值；

(3) 可根據(jù)負載需求實現(xiàn)自動增機和減機；

圖1 新型船舶電站控制系統(tǒng)的硬件框圖

(4) 可實現(xiàn)發(fā)電機機組與電網(wǎng)母線的自動準同步并車；

(5) 在并網(wǎng)運行時，在網(wǎng)機組可實現(xiàn)有功功率和無功功率的自動轉(zhuǎn)移；

(6) 有故障報警功能和故障增機功能；

(7) 有重載控制功能；

(8) 所有實現(xiàn)過程均滿足相應(yīng)的時間要求。

新型船舶電站控制系統(tǒng)的硬件是基于ARM+FPGA架構(gòu)的，框圖見圖1，其中，ARM Cortex-M4位于CPU核心板上，F(xiàn)PGA位于電站控制主板上。

2 仿真測試平臺的設(shè)備組成和測試內(nèi)容

2.1 仿真測試平臺的設(shè)備組成

為盡可能地模擬電站實際環(huán)境，驗證船舶電站控制系統(tǒng)的各項功能指標(biāo)，仿真測試平臺的設(shè)備組成需包含數(shù)字仿真平臺、信號調(diào)理裝置和測試管理臺(見圖2)。各平臺之間通過雙冗余的CAN網(wǎng)絡(luò)或以太網(wǎng)連通。

圖2 船舶電站控制系統(tǒng)仿真測試平臺的設(shè)備組成

1) 數(shù)字仿真平臺包括仿真服務(wù)器和輔助設(shè)備，負責(zé)同步發(fā)電機、原動機及其附屬設(shè)備、主電網(wǎng)和負載等的數(shù)字仿真。

2) 信號調(diào)理裝置安裝在試驗?zāi)M屏內(nèi)，用于實現(xiàn)不同設(shè)備接口的信號轉(zhuǎn)換與調(diào)理。信號調(diào)理裝置分為仿真信號模擬裝置、模擬表頭驅(qū)動裝置及晶體管-晶體管邏輯(Transistor-Transistor Logic,TTL)電平與無源觸點轉(zhuǎn)換裝置。

3) 測試管理臺的工控機上裝有智能組態(tài)軟件，能將測試平臺設(shè)置為不同的船舶電站形式，完成各項參數(shù)的設(shè)置;同時，通過網(wǎng)絡(luò)獲取機組仿真狀態(tài)，對仿真模型下達指令。

各設(shè)備間的連接和接口方法見表1。

2.2 仿真測試平臺的測試內(nèi)容

仿真測試平臺的信號流框圖見圖3。

仿真測試平臺的主要測試內(nèi)容包括以下幾個方面。

1) 精度測試：設(shè)置數(shù)字仿真平臺，向被測系統(tǒng)輸入標(biāo)準電量信號，檢驗被測系統(tǒng)上傳至網(wǎng)絡(luò)的電參數(shù)值；測試管理臺負責(zé)與標(biāo)準信號值比較，并計算誤差范圍。

表1 船舶電站控制系統(tǒng)仿真測試平臺的設(shè)備接口方法

圖3 船舶電站控制系統(tǒng)仿真測試平臺的信號流框圖

2) 輸出性能測試：根據(jù)配置幀設(shè)置動作時間，接入示波器檢驗被測系統(tǒng)輸出的動作脈寬是否符合設(shè)置要求。

3) 網(wǎng)絡(luò)性能測試：測試管理臺可設(shè)置所有配置幀，自動向被測系統(tǒng)發(fā)送和接收反饋幀，檢驗網(wǎng)絡(luò)幀配置的正確性及周期的正確性。

4) 動態(tài)功能測試：檢驗被測系統(tǒng)在負荷動態(tài)變動時的各電參數(shù)采集處理的精度及穩(wěn)定性；檢驗被測系統(tǒng)單機運行時調(diào)節(jié)頻率、電壓的穩(wěn)定性；檢驗被測系統(tǒng)多機組運行時負荷分配差是否滿足設(shè)計要求；檢驗被測系統(tǒng)在超前頻率、滯后頻率和超限電壓等條件下的調(diào)速、調(diào)壓及同步并車功能，并捕捉控制系統(tǒng)的輸出動作時間，檢驗超前時間是否滿足設(shè)計要求。

3 數(shù)字仿真平臺

數(shù)字仿真平臺是基于NI公司的PXI平臺搭建的硬件在環(huán)測試平臺。平臺硬件一般由機箱、系統(tǒng)控制器和外圍模塊等3部分組成。

1) 機箱選用的是NI 8槽PXIe/PXI 混合機箱 PXIe-1062Q。該機箱可為系統(tǒng)提供堅固的模塊化封裝，機箱中的高性能PXI背板包含有 PCI總線、定時總線及觸發(fā)總線。

2) 系統(tǒng)控制器是NI高性能控制器 PXIe-8135。無需使用外部 PC機，PXI機箱即可成為一個完整和獨立的系統(tǒng)。該控制器集成有CPU、硬盤驅(qū)動器、RAM、以太網(wǎng)口、視頻輸出、串口、USB和其他一些外圍設(shè)備。

3) 外圍模塊使用的是多功能RIO模塊PXI-7852R。其提供的可編程FPGA(Field-Prograrmable Gate Array)板卡擁有8路模擬輸入、8路模擬輸出和速率高達40 MHz的96條數(shù)字線，能應(yīng)對高速、高實時性的任務(wù)，滿足系統(tǒng)對于模擬量輸出和開關(guān)量I/O實時仿真的要求。

平臺仿真的數(shù)學(xué)模型包括同步發(fā)電機模型、原動機和調(diào)試器模型、勵磁控制模型及負載模型。在MATLAB/Simulink環(huán)境中，調(diào)用和配置Simulink自帶的六階狀態(tài)空間模型，動態(tài)、靜態(tài)負載模型，創(chuàng)建基于一階慣性環(huán)節(jié)的原動機和調(diào)速器模型，最后連接一種典型的可控硅勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的模型，即可滿足船舶電站對最小系統(tǒng)進行仿真的需要。

該平臺硬件在環(huán)仿真的實現(xiàn)框圖見圖4。

圖4 硬件在環(huán)仿真的實現(xiàn)框圖

4 信號調(diào)理裝置

4.1 仿真信號模擬裝置

數(shù)字仿真系統(tǒng)輸出幅值為0～10 V的電壓信號，用于模擬三相電壓和三相電流信號，而電站控制系統(tǒng)能采集的是有效值為0～30 mA的電流信號。仿真信號模擬裝置的作用就是實現(xiàn)電壓信號到電流信號的轉(zhuǎn)換。該設(shè)計選用超低噪、低輸入偏置電流、寬帶寬JFET精密運算放大器AD8513，實現(xiàn)正負電流的輸出。

仿真信號模擬裝置實現(xiàn)原理圖見圖5，前一級為運算放大器有源濾波電路，也是一個電壓跟隨器，作用是保證反饋信號的變化不會影響到輸入電壓；后一級電路為Howland電流源電路，電流流過高精度電阻R6，形成電壓信號反饋給正輸入端電阻R5。

Howland電流源電路的輸出電流可通過式(1)計算得出。

(1)

此外，需匹配R7=R5,R8=R6。

4.2 模擬表頭驅(qū)動裝置

模擬表頭驅(qū)動裝置的功能是通過雙冗余CAN(Controller Area Network)通信網(wǎng)絡(luò)，從測試管理臺接受指定CAN通信包，解析后輸出4～20 mA電流，用于驅(qū)動電壓表、電流表、頻率表、功率表和功率因數(shù)表。裝置選用16位精密數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)AD5422，內(nèi)置的可編程電流源可配置輸出4～20 mA電流，其內(nèi)部電壓-電流轉(zhuǎn)換原理見圖6。

圖5 仿真信號模擬裝置實現(xiàn)原理圖

圖6 AD522內(nèi)部電壓-電流轉(zhuǎn)換原理圖

針對0～20 mA、0～24 mA和4～20 mA電流輸出范圍，AD5422的輸出電流分別表示為

(2)

(3)

(4)

式(2)～式(4)中：D為載入DAC代碼的十進制等效值；N為DAC的位分辨率；AD5422為16位DAC。因此，N=16，2N=65 536。

4.3 TTL電平與無源觸點轉(zhuǎn)換裝置

TTL電平與無源觸點轉(zhuǎn)換裝置用于兼容仿真服務(wù)器接口與按鈕、旋鈕和LED顯示燈。數(shù)字仿真系統(tǒng)的開關(guān)量I/O口都是基于TTL電平的，而常規(guī)配電屏開關(guān)量I/O口為無源開關(guān)量觸點。

TTL電平與無源觸點轉(zhuǎn)換原理圖見圖7，芯片SN74LVC4245PW可將3.3 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V，MC1413用于驅(qū)動繼電器實現(xiàn)無源觸點的斷開和閉合；四路光電耦合器PS2502-4實現(xiàn)無源觸點到TTL電平的轉(zhuǎn)換。

圖7 TTL電平與無源觸點轉(zhuǎn)換原理圖

5 測試管理臺

測試管理臺中安裝有智能組態(tài)軟件，該軟件具有人性化的人機界面，點擊選擇后可切換為不同船型的電力監(jiān)控系統(tǒng)，形象直觀地展示當(dāng)前實船裝備狀態(tài)、電站系統(tǒng)單線原理、機組運行狀態(tài)、模擬報警顯示和模擬功率趨勢等，反映系統(tǒng)整體的狀態(tài)及各設(shè)備的運行情況；同時，還可實現(xiàn)電站系統(tǒng)的各項操作功能。

圖8為組態(tài)軟件在某工況下正常運行時的用戶界面。電站系統(tǒng)包含2臺三相交流發(fā)電機組G1和G2，機組模擬啟動成功，額定電壓為390 V，轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。G1合閘成功，帶有有功功率為500 kW、功率因數(shù)為0.8的負載，電流為925 A；G2未合閘，空載運行。圖8中還有模擬功率趨勢曲線、系統(tǒng)單線圖和雙冗余CAN通信的工作狀態(tài)指示燈。

圖8 測試管理臺的用戶界面

6 結(jié) 語

針對新型船舶電站控制系統(tǒng)的實際測試需求，設(shè)計了一種針對該系統(tǒng)的仿真測試平臺。數(shù)字仿真系統(tǒng)實現(xiàn)了同步發(fā)電機、原動機及其附屬設(shè)備、主電網(wǎng)和負載等數(shù)學(xué)模型的數(shù)字仿真。信號調(diào)理裝置解決了不同裝置之間的接口不兼容問題。最后，給出了測試管理臺運行的試驗結(jié)果示例。試驗結(jié)果表明，該設(shè)計滿足對新型船舶電站控制系統(tǒng)進行仿真測試的要求。

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A Simulation and Test Platform for Ship Power Station Control System

LI Xinling, HE Xie

(StateKeyLaboratoryofNavigationandSafetyTechnology,ShanghaiShip&ShippingResearchInstitute,Shanghai200135,China)

A test management platform for the new ship power station control system is developed. The platform features high performance and high stability. The structure and the functions of the platform are introduced. The digital real-time simulator, signal conditioning devices, and the test management system are expounded in detail. The effectiveness of the platform is verified through trial operation.

ship; navel engineering; ship power; test; simulation

2016-06-21

李新領(lǐng)(1987—)，男，河南周口人，助理工程師，主要從事輪機自動化的研究。

1674-5949(2016)03-0012-06

U665.12

A