船舶发电机节点模块电路板设计探析

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摘要：CAN总线作为一种常用的新型现场总线，具有安全可靠、设计独特等特点，被广泛地应用于工业相关监控设备的网络互联领域中，并取得了良好的应用效果，为了进一步提高船舶发电机自动化控制水平，现利用CAN总线，针对船舶发电机使用情况，提出一种具有可行性的发电机节点模块电路板设计方法。首先，在完成电压电流测量电路设计的基础上，从频率信号测量、相位差测量两个方面入手，完成对率与相位差测量的电路设计，在此基础上，详细探讨了发电机组并车控制电路设计内容，其次，研究了发电机节点模块系统组成及优点。结果表明：本文所提出的发电机节点模块电路板设计方法具有非常高的可靠性和可行性，有效地提高了CAN总线电站的智能化控制水平。希望通过这次研究，为相关从业人员提供有效的借鉴和参考。

关键词：CAN总线；电站；自动化；网络

最近几年，随着船舶规模的不断增大，船舶电站功率呈现出不断增长的趋势，这就对船舶电站的智能化控制水平提出了更高的要求，以实现对高船舶电站的远程化、自动化监控和管理。而CAN总线标准协议受到了多个生成厂家的青睐和拥护，因此，该总线具有较高的适用性和通用性，通过将CAN总线科学应用于船舶电站的控制领域中，不仅可以提高网络通信的安全性和稳定性，还能促进船舶自动化系统能够稳定、可靠、安全地运行。因此，在CAN总线的应用背景下，如何科学地设计船舶发电机节点模块电路板是相关人员必须思考和解决的问题。

1电压电流测量电路设计

在测量电压电流期间，通常会涉及到以下两个任务：（1）测量电压、电流的大小；（2）测量电压、电流的频率与相位差。这两种测量方式在初始测量阶段中操作比较类似，均将所有的四芯插槽高效、安全地进入到整个电路内交流信号中，然后，借助变压器，将其引入到惠斯电通桥内，此时，不同惠斯电通桥所形成的电流电压会存在较大的差异。此外，通过将四芯插槽与发电机电压信号和母线电压信号进行有效连接，可以确保交流信号的稳定性。同时，通过借助三相交流电路，可以实现对相应电流的监控，在此基础上，将所有变压器替换为电压转换器，实现电流信号与电压信号两者之间的快速转换，然后，将惠斯通电桥引入到电流电路中。交流电压引入示意图如图1所示，从图1中可以看出，借助变压器引出以下两路不同类型的电压信号，其中一路是含有电容器的惠斯通电桥；另一路是不含有电容器的惠斯通电桥。前者主要用于对直流电的过滤处理，以达到精确测量和把控电压值变化趋势的目的。后者主要是获得最终直流电压正弦波，以达到提高电压频率测量结果的精确性和真实性的目的。最后，在测量电压有效值与电流有效值期间，为了保证所输入数字信号的稳定性，需要借助稳压措施，对滤波处理后的电压信号进行处理，使其安全、可靠地引入到稳压电路中，该稳压电路属于串联型电路，主要是有集成运算放大器组成。然后，借助稳压电路，实现对电压信号的有效连接，只有这样，才能确保交流值测量结果的准确性和真实性，为实现对电压电流测量电路的科学设计打下坚实的基础。

2频率与相位差测量的电路设计

通过对发电机和母线内部电压频率进行精确测量，可以全面了解发电机与母线之间的电压相位差，为后期优化和完善微处理器提供重要的依据和参考。

2.1频率信号测量

该电路在具体的设计中，需要将过滤处理好的数字信号转化为相应的方波信号，频率测量电路示意图如图2所示。从图2中可以看出，通过借助比较器，完成对电桥信号的传输，并借助节点模块电路板穿将其转化为时钟脉冲[1]，此时，钟控D触发器的内部输出端与输入端自动建立连接。频率测量波形示意图如图3所示。从图3中可以看出，波形1、波形2和波形3分别代表电桥整流处理后的波形、流经比较器的电压波形以及流经触发器的电压波形。根据惠斯通电桥所产生的信号特点，可以将该信号与零比较器的输入端进行有效连接，充分发挥和利用零比较器的作用。该比较器的作用是[2]：当负输入端电压远远超过所规定的比较电压时，零比较器会自动输出“0”数字信号；当负输入端电压低于所规定的比较电压时，零比较器会自动输出“1”数字信号，这样一来，有利于实现模拟信号与数字信号的自动化转化。同时，还要借助D触发器，等饭时钟脉冲变化情况，执行相应的变时操作命令，使得单片机能够在第一时间内快速处理频率信号[3]。最后，相关人员要严格按照测量相关标准和要求，将母线与发电机的输入端分别接入到微处理器中，便于获得更加真实、可靠的频率信号。

2.2相位差测量

相位差测量主要包含两个环节，一个是发电机电压相位测量，另一个是母线电压相位测量。为了保证相位差测量结果的精确性和真实性，相关人员要借助本文所设计的频率测量电路，然后，精确地测量出发电机与母的电压相位差。在这一过程中，首先，相关人员要根据高电平端的相位差变化情况，借助微处理器，将相关信号与外部中断接口之间建立起有效的连接。此时，微处理器可以自动记录和统计高电平端实际相位差，最后，根据所获得的相位差，推算出脉冲周期，然后，对其进行深入分析和处理后，即可获得三角函数值，该函数值所对应的角度与所测量的相位差具有一一对应的关系。

3发电机组并车控制电路设计

并车操作主要是指通过对发电机组的频率、电流、相位等参数的实时检测和调整，使得未运行的并机组的电压与正在运行的并机组电压始终保持相同状态[4]，只有这样，才能为发电机组投入使用提供合适的参数条件，避免并车在合闸期间因遭遇冲击电压而严重影响发电机组的运行性能。在日常工况的实际开展中，经常遇到并车相位不一致等问题，严重影响了发电机组的自动化控制水平，为了解决这一问题，相关人员要设计出一种功能强大；适用性强的并车装置，同时，还要借助该装置为发电机组提供源源不断的合闸脉冲。在这一过程中，首先，相关人员要严格按照正相差电路设计相关标准和要求，科学调整发电机电压频率，同时，还要用“1”或者“0”表示电路数字信号输出值[5]，当输出的数字信号为“1”时，说明发电机电压频率过高，远远超过母线所规定的电压频率；当输出的数字信号为“0”时，说明发电机的电压频率较低，低于母线所规定的电压频率。电机正相差电路示意圈如图4所示。从图4中可以看出，信号线1代表发电机所产生的实际电压频率信号，主要连接于零比较器的负输入端[6]；信号线2代表母线所产生的实际电压频率信号，同样连接于零比较器的负输入端，然后，采用连接输出端的方式，将以上两个零比较器进行有效连接，然后，借助触发器，对时钟脉冲进行实时检测和管理[7]。此外，还要将信号线1和信号线2分别连接于JK触发器的输入端I和输入端K。由此可见，当发电机电压频率过高时，触发器输出数字信号“1”；当发电机电压频率过低时，触发器输出数字信号“0”，这种控制条件完全符合电路相关设计标准和要求。

4发电机节点模块系统组成及优点

4.1发电机节点模块系统的组成

发电机节点模块系统主要由五块不同的单片机组成，其中，一块单片机主要用于对CAN控制器与转换器的有效集成处理；另外四块单片机主要用于对51系统单片机的简化。该系统在日常的运行中，主要借助微控制器[8]，与CAN局域网建立有效的互通关系，以完成对控制信号的安全传输和精确测量，为确保船舶发电机能够正常、稳定地工作打下坚实的基础。

4.2发电机节点模块系统应用优势

发电机节点模块系统具有非常高应用优势，其应用优势主要体现在以下几个方面：（1）通过利用该系统，不仅可以实现对发电机组调载、调频以及合闸的自动化控制，还能保证发电机组分级卸载功能、分级重载功能以及重要信息查询功能等功能的实现效果，为提高船舶电站的自动化控制水平打下坚实的基础。（2）该系统内部结构呈现出CAN网络状，不仅可以帮助用户更好地传输和共享各个节点之间的信息，还能提高CAN网络设备的运行性能，为促进船舶电站管理向自动化、数字化、网络化方向不断发展创造良好的条件。（3）该系统内部含有发电机节点模块，该模块在具体的运用中，主要负责对数据采集功能和数据控制功能的有效集成，并将其统一集成到指定的电路板上，为保证系统集成的安全性和可靠性产生积极的影响。（4）对于发电机节点模块系统而言，其发电机节点控制功能除了可以实现对发电机组并车的自动化控制外，还能借助各个单片机进行高效运行，这样一来，不仅保证了模块结构的简易性、稳固性，还能降低了模块的开发成本和维护成本，为进一步提高模块的实用性和可靠性创造良好的条件。综上所述，通过将CAN总线与船舶发电机节点模块电路板设计进行充分结合，不仅可以充分发挥和利用CAN总线安全可靠、设计独特等应用优势，还能促进网络通信向安全化、规范化方向不断发展，同时，还最大限度地提高船舶电站的自动化控制水平，有效满足船舶电站的大功率使用需求，为促进船舶行业的健康、可持续发展提供有力的保障。因此，将CAN总线应用于船舶发电机节点模块电路板设计中具有重要意义，相关人员要对CAN总线的这一应用基于足够的重视。

作者:凃瑞媛 单位:昆明船舶设备研究实验中心