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1、精选优质文档-倾情为你奉上2002年 第 17卷 第 2期 电 力 学 报 Vol. 17No. 22002 (总第 59期 J OURNAL OF EL ECTRIC POWER (Sum. 59 文章编号 : 1005-6548(2002 02-0138-04船舶电站自动控制系统的可靠性设计 吕金华 1(11武汉船舶职业技术学院 , 湖北 武汉 The R eliability Design of Ship Pow er StationAutomobile Control SystemL ULu Jin 2(11Wuhan Institute of Shipbuilding 摘 要 :、
2、隔离 输入 、 输出通道 。对提高船舶电站 自动控制系统中单片机的适应性和软件硬件可靠 性提出了方法 。关键词 : 船舶电站 ; 可靠性 ; 自动控制中图分类号 : U622. 12 文献标识码 : A Abstract : The paper talks some methods about ship station automobile control system reliability , Includ 2 ing power sources ,electric energy convey ,grand , in 2 sulation input , output channal an
3、d circuit design. The paper points out the methods concerned with improv 2 ing the adaptability of single chip -computer and the reliability of software and hardware of the system. K ey Words : ship power station ; reliability ; auto mobile control引 言船舶电站运行的可靠性 、 经济性对保证船舶安 全 、 经济运行具有重要意义 。随着船舶的大型化 ,
4、 船舶电站的发展趋于交流化 、 大型化和自动化 。集, 单片机作为控制系统 的控制站在现代船舶中已广泛应用 。船舶电站自动控制系统包括 : 船舶同步发电 机自动并车控制系统 ; 船舶电力系统继电保护系 统 ; 船舶同步发电机电压及无功功率调整自动控 制系统 ; 船舶电力系统频率及有功功率自动调整 控制系统 ; 船舶柴油机组自动控制及电站自动化 总体控制等几个部分 。单片机应用于船舶电站自动控制系统是实现 船舶控制自动化的发展趋势 , 其运用主要是在过程 控制 、 仪器仪表 、 船舶电器的智能控制中 , 整个控制 系统的应用环境差别很大 , 这就要求它必须具有较 强的抗干扰能力 , 能够在各种恶
5、劣的环境下可靠地 进行监测 、 控制 、 显示及数据通信 。提高单片机控 制系统可靠性已成为提高船舶电站自动控制系统 可靠性很重要的一个方面 。船舶电站控制系统的设计包括三个方面 :功能 设计 , 可靠性设计及产品化设计 。其中 , 可靠性设 计决定了系统的稳定 、 可靠 , 是系统设计的主要环 节 , 在一定程度上决定了系统的成败 , 必须在系统 设计伊始就综合考虑各种可能因素 , 采取各种措收稿日期 : 2002-05-28 作者简介 : 吕金华 (1973- , 男 , 湖北省武汉市人 , 武汉船舶职业技术学院助教 , 从事控制系统研究。 施 , 提高系统的可靠性 。计算机测控系统的不可
6、靠是指由于某些随机 因素引起的数据错误 、 状态混乱以及性能不稳 。一 般来说引起系统性能不稳定的因素有 5种 :系统的 某种设计缺陷 ; 电源系统的干扰 ; 数据通道的干扰 ; 电磁辐射的干扰以及温度 、 湿度因素 。系统的设计 缺陷属于功能设计中的问题 , 其余的属于系统的可 靠性设计问题 。1 外部环境对可靠性的影响单片机控制系统对环境要求非常高 , 许多部件 在试验室中性能良好 , 但在现场连续工作一段时间 后 , 就会出现测量不准 、 控制错误 、 状态混乱 、 死机 等 , 其中一个主要原因就是外界环境的影响 。 :, 提高系统的抗 干扰性能 ; , 使系统在电源 、 温度 、 湿
7、度及抗振动等诸多方面具 有一个较好的工作条件与环境 。111 提供一个稳定 、 可靠的电源良好的电源是系统稳定工作的基础 , 对系统的 可靠性起着至关重要的作用 。在选用电源时应考 虑电源的容量 、 电压的输入范围及其纹波噪声 ; 绝 不应该使电源工作在满负荷状况下 , 否则会使电源 中的功率芯片发热 , 电压输出纹波增大 ; 一般来说 , 电源输出功率应大于实际功率的 50%100%。 大功率的机电设备在起 、 停瞬间会引起电源的 较大波动 。如果控制系统与大电机使用同一条电 源回路 , 则电机起停瞬间 , 会在电网上引起几十伏 的电压波动 ; 如果控制系统使用模拟电源 , 电源上 将出现几
8、百毫伏的电压干扰信号 , 足以使系统工作 瘫痪 。 采用开关电源可以有效地避免这种情况 。 由于数字电路的门槛电压较高 , 电源的纹波对 数字电路的影响不大 , 但对模拟信号的影响却较 大 , 如果系统中需要测量高精度的模拟信号 , 最好 用模拟电源为其供电 , 或用稳压模块为其供电 。 1. 2 正确 、 良好的接地船舶电器设备的接地可分为数字地 、 模拟地和 安全地 。 数字地是控制电路部分的公共地线 ; 模拟 地是指系统与外部输入 、 输出信号相连的模拟电路 部分的公共地线 ; 安全地是指为用电安全考虑或屏 蔽需要所设置的地线 。为减少外部环境通过电源 线对系统控制部分形成干扰 , 控制
9、电路部分采用浮 地方式 , 即将控制电路的地线与其它部件的地线完 全隔离 , 彻底切断外部干扰通过电源 、 地线串入控 制系统的通道 。电源及接地线的粗细和长短均对系统可靠性 有很大的影响 , 如果太细或过长 , 将不能为系统提 , , 35V , 这使外部的干 , 造成系统的不稳 , 故应尽量避免将控制信号线与强电电路线一起走 线 , 避免它们近距离 、 平行地一起走线 。多个低压用电设备如需用同一个电源供电时 , 应用不同的电源线分别给它们供电 , 这样可使各部 件之间的电位相等 , 避免串接时依次形成压降 , 而 增大系统各部件间的干扰 。1. 3 减少电磁辐射对系统的影响在船舶运行的控
10、制环境中 , 锚机 、 舵机 、 变压 器 、 继电器组等感性器件断开 、 吸合的瞬间 , 会产生 很大的电流变化 , 甚至产生电弧 , 这都会对周围产 生很大的电磁辐射 , 这种辐射会使模拟信号产生严 重的畸变 , 有时还会造成单片机控制系统程序跑飞 或者死机 。减少这种电磁干扰的有效方法是增加 距离 , 即将小信号和数字信号远离干扰源 , 将控制 器屏蔽起来 。可将控制器装在一个屏蔽金属盒子 里 , 将金属盒的外壳与船体相连 。此外 , 由于控制 系统中弱的信号更易产生电磁辐射干扰 , 故应尽量 避免远距离传输或先将此信号放大后再传输 。 1. 4 系统输入输出通道的抗干扰措施 控制信号的
11、输入输出通道是外部干扰窜入控 制系统的另一途径 , 通道中传输的主要是模拟量 、 开关量 、 数字量 。 对开关量和数字量可采用光电隔 931第 2期 吕金华 :船舶电站自动控制系统的可靠性设计 离的方法 , 使输入输出通道与控制部件在电气连接 上相互隔离 , 阻断外部干扰信号通过数据总线进人 控制系统 。对模拟信号 , 可先将信号进行 A/D 转 换 , 再采用光电耦合的方法进行传输 , 对精度要求 较高的应用场合也可用隔离变压器实现信号隔离 。 1. 5 温湿度及腐蚀性介质对可靠性的影响 在无限航区航行的船舶 , 空气温度约为 50 时 , 相对湿度约为 70%, 长期在这种环境下工作 ,
12、 极易造成设备表面放电 , 使系统的绝缘老化 。海水 的飞溅 , 船舶机舱中的油雾 、 霉菌 , 会造成控制电机 的控制失效 , 会使印制电路板腐蚀 , 造成断路 , 使接 插件 、 IC 插座氧化 、 锈蚀 , 造成接触不良 , 影响系统 可靠性 。 因此应尽量保持环境干燥 , 加强机舱的通 风 , 并尽量少用接插件及 IC 插座 ,的方法互连 ,工作温度范围 , 。 2 系统硬件的可靠性设计方法对船舶电站自动控制系统来说在遇到强烈的 环境干扰情况下 , 出现一些暂时的性能不稳是不可 避免的 。这里做的可靠性设计是指 : 如何抑制这 些干扰 , 使其不致于给后面的电路带来更大的影 响 ; 若
13、受到某种干扰 , 不应引起严重的后果 , 带来 重大经济损失 ; 使系统在干扰信号引起状态混乱 后 , 能得到正确地引导 , 使其重新开始正常工作 。 系统的可靠性设计应该贯穿于系统设计的始 末 , 在系统设计开始的逻辑设计阶段 , 就应考虑系 统的可靠性 , 根据系统在实际中将面临的各种可能 的干扰信号 , 采取各种有效的措施 。一些常规的硬 件抗干扰设计方法 , 对可靠性设计就非常有用 。 211 看门狗电路看门狗电路的功能是当系统出现死机或程序 非正常地进人某个死循环后 , 由该电路发出复位信 号 , 使系统重新开始运行 。在系统正常运行时 , 每 隔一定的时间 , 由控制器向看门狗发出
14、一个复位信 号 , 使看门狗的复位端保持无效 。图 1为用 MAX 813实现的 MCS -51系列单 片机系统的看门狗电路 。 正常情况下 ,CPU 必须在 每 1. 6s 的间隔内发出一正脉冲清除看门狗的复位 输出端 , 如无此脉冲 , 即系统死机或进人死循环 , 则 由 MAX 813的 7脚发出复位信号 , 启动单片机重 新开始工作 。 MAX813同时具有上电复位功能和 手动复位功能 。图 1 看门狗电路212, 。数字电路有 , 不同类型的电路驱动能力也 不同 , 故电路中一个输出端所带的输入端的个数 , 不能大于它的扇出能力 。当数据线出 、 进线路板时 也必须通过总线驱动器驱动
15、 , 这样可以提高驱动能 力 , 降低总线上的干扰 , 提高可靠性 。213 合理布线船舶电网中对不同设备的供电方式可采用不 同的接线方法 , 注意放射式 、 环式及树干式等几种 方式的综合利用 。在绘制印刷电路板时 , 合理布局 走线将有助于降低干扰 。在每个控制芯片的电源 上加一个 0. 010. 1F 的电容 , 可滤除其上的高 频尖峰脉冲 。 应使高频信号线尽可能地短 , 如单片 机的晶振电路应放在振动器的边上 , 避免形成串 扰 。在布置元器件时应考虑将单片机控制电路尽 可能放在一块板上 , 将受控驱动电路放在另一块板 上 , 尤其是那些驱动电流比较大易产生电磁干扰的 控制电路 ,
16、如继电器 、 可控硅 、 交流接触器等 。 214 采用冗余 (余度 设计法采用冗余设计法设计的系统能确保系统在部 分出现故障时 , 仍能正常工作 , 从而减少系统或设 备的故障率 。但冗余 (余度 设计是用增加系统多 余资源换取可靠性的一种方法 , 增加了系统的负荷041 电 力 学 报 2002年 程度 、 重量 、 体积 、 研制周期和成本 。只有在采用更 好的元器件 、 简单设计和降额设计等方法还无法满 足系统可靠性要求时 , 才采用冗余设计 。3 软件的可靠性设计方法如前所述 , 船舶电站自动控制系统要实现的功 能较多 , 而且要保证在系统遇到各种异常情况后 , 自动采取各种保护措施
17、 , 引导程序重新开始正常工 作 。 通常软件所要做的工作可分为两类 :一类为需 要立即处理的事件 , 用中断的方式处理 ; 另一类为 可依次处理的事件 , 用查询的方法逐一处理 。 a 1在程序设计中 , 要采用结构化程序设计方 法 , 将整个系统所要实现的功能分解为几个独立的 标准模块 , 使一个模块只有一个入口 、 一个出口 , 定 义各模块的输入 、 输出参数 ,模块 ,路清晰 , ;b 1, 采取自上而下 、 逐步细化的 设计方法 。先只需明确各模块所要实现的功能及 其与各模块间的相互关系 , 再逐步层层细化分析 。 c 1选择合适的控制算法及数据采样方法 , 在软 件上保证数据可靠
18、 。对那些随机出现的干扰 , 可采 用水平均值法 , 或采用去掉若干个极大值 、 极小值 后的水平均值法 , 以降低随机干扰带来的误差 。 d 1为防止 RAM 中的关键数据遭到破坏 , 影响 程序的正确运行 , 可在 RAM 相距较远的不同区域 内存放若干个数据备份 , 并在该数据区的特定单元 内存入标志字 , 当发现某些标志遭到破坏时 , 可在 其余的备份数据区调用备份数据恢复它 , 以使部分 数据出现差错时不影响系统的正常工作 。e 1可增加软复位功能 , 当机器出现一些不可恢 复的情况时 , 可先执行软复位操作 , 引导机器重新 工作 。 软复位与硬复位的主要区别在于硬复位要 初始化所
19、有部件 , 初始化所有数据 、 状态 ; 而软复位 则只做一些基本的初始化工作 , 侧重于如何使程序 重新运行起来 , 而对系统的改变越小越好 。f 1在程序结尾处的空闲存储器里填入一些没 用的单字节指令 , 而在程序存储器的结尾放入一条 无条件件转移指令 , 使程序转到程序的开始处 , 这 样 , 当 PC 受到干扰 , 程序跑飞时 , 仍能跳到程序的 开头 , 。4, 相对陆上系统设计来说可靠 性设计要考虑的问题更多 , 在船舶的实际设计中必 须认真分析各种不稳定因素的来源采取各种有效 措施 , 提高系统的可靠性 。参考文献 :1 徐平 , 李全灿 1电控及自动化设备可靠性工程设计 M .
20、北京 :机械工业出版社 2 张毅刚 , 修林成 1MCS -51单片机应用设计 M .哈尔 滨 :哈尔滨工业大学出版社 ,199013 黄伦德 , 朱正鹏 , 刘宗德 . 船舶电站及其自动装置 M .北京 :人民交通出版社 ,199614 赵依军 1单片微机接口技术 M 1北京 :人民邮电出 版社 ,19981责任编辑 :王 琨 (上接第 137页 的钢筋混凝土构筑物 , 采用水压爆破法拆除的可行 性 。d 1在一定的地形 、 环境条件下 , 对原有建 、 构筑 物进行定向爆破是一种多快好省的拆除方法 。此项 技术用于电厂的技术改造工程中 , 不仅可以节省劳 力和投资 , 而且还可以在规定的大修停机时间内更 快 、 更好地完成项目建设 。参考文献 :1 江正荣 , 朱国梁 1简明施工计算手册 M 1北京 :中国 建筑工业出版社 ,199312 江正荣 , 朱国梁 1简明施工手册 M 1北京 :中国建筑 工业出版社 责任编辑 :王 琨 141第 2期 吕金华 :船舶电站自动控制系统的可靠性设计 专心-专注-专业