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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 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 field 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 adaptation 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 described 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，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-1ETH-2ETH-3ETH-4数据总线数据总线16bit地址总线地址总线13bitETH-DEG控制信号控制信号控制信号控制信号FPGA调试接口调试接口EPA协议栈板卡光电转换芯片直流模拟量报文直流模拟量报文采集信号输入采集信号输入 图 3 合并单元硬件结构图 CPU板件的总体架构采用FPGA+ARM的硬件结构：1）现场可编程的门阵列（Field Program Gate Way，FPGA），作为设备的控制核心，综合调配各外部接口，包括AC采样控制、光纤收发控制和实时以太网协议栈控制等。2）高级精简指令集处理器（Advanced RISC Machines，ARM），用于设备配置和调试，配备一调试用以太网接口可对外发送设备状态信息，并接收上位机的配置信息。3）AC板件，用于模拟量信号的调理，其上布置电磁式互感器，可将外部输入的二次电压、电流信号转换为模拟量小信号，经BUSS板转接后输入至CPU板件处理。4）POWER板件，用于电源的隔离和变换，将输入的24 V直流电源经电源变换模块转换为3.3 V、5.0 V、12.0 V和12.0 V等电源信号为其他板件提供稳定电源。2.2 软件方案软件方案 合并单元装置采用无操作系统平台：基于FPGA实现对各源端数据的解析、插值和组包发送，CPU完成合并单元装置的相关配置。FPGA的开发环境采用Quarturs 开发平台，编程语言为Verilog HDL语言。ARM的开发环境为Eclipse，编程语言为C语言。基于FPGA的软件编制采用模块化编程思路，主要包括底层功能模块和顶层模块。底层功能模块包括AD芯片控制、数字信号解码、对时信号解码、数据同步处理和数据传输等功能；软件顶层模块实现各底层模块的调用、管理。主要功能模块设计如下：1）AD芯片控制，完成对AD7656芯片的逻辑控制。2）数字信号解码，接收电子互感器传输的FT3数据报文，解析出报文中的电压、电流信息。3）时钟解析模块，主要完成对时钟同步信号IRIG-B码的解析，调整内部时钟，并同步采样脉 60 cademic Research 技术交流 A 冲等功能。4）数据同步处理模块。接收并处理来自各采集通道的数据，将来自不同采集器不同通道的数据、本地采样的数据进行时间相关的组合、插值重采样、延时补偿等处理后，最终获得同一时间断面下的采集信息。5）CPU配置模块，包括数据地址总线控制功能，并解析来自CPU下发的配置信息，包括采样率、通道映射、变比系数、相位校正系数和零漂校正参数等。6）数据输出模块，将整合的数据按约定的实时以太网通信格式进行打包，并打上时间标志，进行发送。软件内部模块关系图见图4。AD采集控制数字输入解码时钟解析数据存储数据同步处理CPU配置模块数据输出PT CT本地采样电子互感器B码顶层模块顶层模块 图 4 软件内部模块关系图 2.3 接口方案接口方案 合并单元装置对外接口信号包括电源信号、模拟量信号、光电信号通信信号，接口方案如下。1）电源接口 电源电压及容量：直流DC 24 V，25%30%，容量35 W。2）开关量接口（1）1路为装置失电状态输出（30 V DC 2 A，常闭接点）。（2）1路为装置报警状态输出（30 V DC 2 A，常开接点）。（3）1路为装置信号触点输出（30 V DC 2 A，常开、常闭接点）。3）模拟量接口 3路电压：0100 V AC；6路电流：05 A（150 A AC）。4）光电接口 8路光口，4路发送/TX光电接口，4路接收/RX光电接口。光电接口为62.5 m/125.0 m多模光纤传输。5）通信接口 4路实时以太网接口，速率100 Mibit/s。1路普通以太网接口，速率100 Mibit/s（调试用）。3 实时以太网接口适配方案实时以太网接口适配方案 EPA协议栈以从设备的形式挂载在CPU板的IO总线中，与主控制器之间通过并行总线进行数据通信，硬件接口信号包括：1）地址总线13根（A12A0）。2）数据总线16根（D15D0）。3）控 制 信 号 线。MCU 给 EPA 的 片 选（SELECT）、读使能（rd_en）、写使能（wr_en）；EPA给MCU的中断信号。合并单元的CPU板件通过对EPA协议栈指定寄存器的读写，完成对协议栈的配置、数据的发送和接收。控制方案如下：1）协议栈初始化流程（1）读取模块描述寄存器SRB_Desc，若为0 x5A5A，则接口状态正常；否则接口异常，无法驱动。（2）根据当前设备的属性写入物理地址配置寄存器MAC_Conf，以表示设备身份和用途。（3）读取模块状态寄存器SRB_Status，判断初始化完成标志是否为1，若最低位为高，表示初 61 始化已完成，可以开始数据收发。（4）若模块状态寄存器中的初始化完成标志始终为低，则首先判断PHY状态，检测是否以太网收发芯片问题；若PHY状态正常，则判断端口使能状况，是否两端口均被禁用；若端口已开启，则检测端口连接状态，是否未连接到交换机；若端口有活动连接，则检查同步与调度状态，是否无法同步。2）数据发送流程（1）有数据需要发送时，首先读取发送状态寄存器SEND_Stat，观测发送使能位是否为高：若是，则下一步；若不是，则等待该位变高再执行发送操作。（2）向发送缓冲区依次写入发送长度、目的IP以及代发数据。（3）在收发控制寄存器RTX_Ctrl的最低位写入1。（4）发送完成。3）数据接收流程（1）MCU接收到EPA协议栈中断信号时，读取中断描述寄存器，若接收中断位为高，则进入下一步。（2）从0 x0500地址读取16 bit数据，获取待接收的数据长度。（3）从0 x0501和0 x0502分别读取该条报文的目的IP以及源IP。（4）从0 x0503起，按获取到的数据长度值读出接收到的数据.（5）向RTX_Ctrl接收完成位写入1。（6）读取中断描述寄存器：若接收中断位为高，继续步骤（2）（5）；若为低，则接收完成。4 数据同步处理方案数据同步处理方案 同步采集依赖于采样脉冲的同步性，船用综合保护装置对数据同步性要求一般为误差在10 s以内。单台船用合并单元输出的各路同步采样脉冲由协处理器控制，软件上并行触发，误差不大于1 s。多台船用合并单元的同步方案如下：根据EPA实时以太网协议栈输入的Pulse Per Second PPS秒脉冲对时信号调整协处理器发送同步采样脉冲的时间间隔。以协处理器主时钟为计时基准，相邻2个PPS秒脉冲之间主时钟的计数值称为秒宽度，相邻2个同步采样脉冲之间的主时钟计数值称为同步采样脉冲宽度。设前一秒秒宽度为Second_t1，当前秒宽度为Second_t2，当前相邻PPS秒脉冲之间主时钟计数值为PPS_cnt，同步采样脉冲宽度为Sample_t，同步采样频率为F。在每次接收到PPS秒脉冲上升沿时刻调整同步采样脉冲宽度，将时间误差均匀分布调整到下一秒的所有同步采样脉冲中，Sample_t的计算如下：1）Second_t2=PPS_cnt。2）Sample_t=(2Second_t2Second_t1)F。3）Second_t1=Second_t2。5 结论结论 通过对船用合并单元装置的功能原理进行详细分析，从硬件设计、软件设计、接口设计等3个方面对基于实时以太网通信技术的合并单元技术方案进行介绍，从硬件接口和软件控制流程方面说明了实时以太网的适配性，并提出应用方案。通过增加实时以太网接口，能够提高合并单元的传输速率以及组网灵活性，保证传输延时可控。参考文献：参考文献：1 崔忞慜.船舶电网数字化保护系统可靠性建模与分析J.机电设备,2021,38(6):107-108.2 马伟明.舰船动力发展的方向:综合电力系统J.海军工程大学学报,2002,14(6):1-5.3 甄洪斌.舰船电力系统继电保护现状与发展趋势J.船舶工程,2010,32(4):1-4.4 姜念.无源光网络和工业以太网在配电网通信建设中的技术比较研究J.通信电源技术,2021,38(4):17-21.5 顾阳.工业以太网的技术特性及关键技术研究J.机械制造,2010,48(3):1-4.6 史春华.EPA 实时工业以太网通信协议的研究J.自动化仪表,2009,30(12):1-4.