船舶电站监控网络的建模与仿真
陈丹丹，李霞，王海峰
电气与信息工程学院，
海军工程大学，武汉，湖北，4300332，
装备质量控制部门，青岛海军第96363号海军部，山东，266011
摘要：为了提高船舶的整体设计水平根据和减少不必要的费用，根据船舶动力系统的实际情况，在原型基础上研究船舶电站监控网络的传输性能。首先，根据实际电站，监控给出了网络框架。数据传入规则在电站内进行彻底分析不同类型数据流的数学模型。其次，设计一组CAN总线模型并对MAC层过程模型详细分析。最后，传输延迟通过以太网，交换式以太网和CAN通过模拟获得。结果显示这些网络在船舶电站的实时性能。切换以太网是最好的。关键信息的延迟CAN总线足够小，可以满足实时要求船舶电站监控系统的设计。传统的以太网延迟太长，以至于无法满足实时请求。
1.简介
随着控制，沟通和网络，数据交换领域覆盖设备级别，控制水平和管理水平的发展。现场总线和工业以太网近年来发展迅速。对于这些通信网络的性能很多专家们做了大量的研究，取得了很大的收获[1-2]。在船舶电站的监控网络中，有很多种消息，信息量大另外还有严格的实时要求。但是，现场总线的带宽是有限的，以太网的延迟不确定，这成为一个问题，现场总线或以太网是否可以支持这些数据流量并满足实时请求。如果我们可以在原型之前监测船舶电站研究基于实际情况的各种消息的传输性能，它不仅会提高整体设计水平，还会降低不必要的开支。最近以太网网络甚至引入了在现场一级。 CAN总线是唯一进入现场符合ISO标准的总线，在船上广泛使用。因此在本文主要就由传统以太网构建的监控网络和由船舶电站的交换式以太网及CAN总线进行模拟和比较。该论文主要内容如下：在第2部分中，基于实际的电站给出监控网络框架和数据详细分析了电站内的输入规则和不同种类的开发数据流数学模型。第3部分设计模型。一组CAN总线模型，包括CAN建立MAC层模型，节点模型。最后，第4部分比较了传统以太网网络与交换式以太网和船舶电站的CAN总线监视器的实时性能。
2.监控网络框架和数据流
船舶电站的监控网络主要是由区域控制器，模拟测量模块，操纵板，模拟电源屏幕和网关组成。操纵板和模拟屏幕电源位于主配电板室，中央控制室和后备控制室。该监控网络的拓扑结构通常是传统以太网和现场总线或星形交换机以太网总线。基于以上条件，网络框架如图1所示。构建网络模型后，应该对数据流入网络分析。准确而恰当数据流建模对于获得接近真实的模拟结果是必要的。基于电站的功能，数据流可分类如下：
图1船舶电站监控网络框架
2.1定期实时数据刷新
这种数据包括模拟采样信号，比如电压，电流，频率和功率，二进制信号如设备状态，操作部分和控制方式。这些数据比较稳定，通常都是相对固定的端到端通信。它们在计划的时间内被传送。数据的长度是恒定的占用固定带宽。它们是影响监控网络的稳定性能的主要因素。这种数据可以由具有固定间隔时间和长度的周期性消息数据类型来模拟。在本文中，间隔时间是0.5秒。以电站为例，区域控制器将一段时间内发送114个二进制信号和205个模拟信号。二进制信号用1bit表示模拟信号用2字节表示。在以太网里面，这条消息的长度是425字节其他是46Bytes。在CAN总线中，数据将被发送多帧。设备状态消息的数据长度是5Bytes，其他是8Bytes。
2.2随机命令，数据请求和响应
这种数据包括操作命令操纵板和网关发送的启动，停止，合并等，区域控制器收到命令和请求数据后响应的执行状态。这种数据的特点是发送时间不固定，数据量很少，但是及时性高于周期性数据。因为泊松分布总是用来模拟随机过程在概率论中，本文采用这种方法数据被建模为泊松分布1 /lambda;= 100ms。在以太网中，消息长度是46字节。在CAN总线中，数据长度为8Bytes，优先级高于周期性数据。
2.3突发数据[3]
这种数据主要是保护信息，由区域控制器发送，开关位置改变信息和SOE（事件序列）信息。字符长度短，传入集中时间，及时性高，突发性强。这种数据不仅仅是以概率p出现，而且受前面数据到达状态的影响。它具有时间后效的特征。这些数据会片刻之后突然发送，或一段连续时间内没有发送。这种数据应该建立ON / OFF模型，ON的继续时间服从帕累托的分布k =512mu;s，alpha;= 1.1并在OFF时间服从负指数分布1 /lambda;= 20ms。在以太网中，长度消息是46字节。在CAN总线中，长度为8Bytes而且优先级最高。
3.仿真模型
OPNET是一款出色的模拟器全面发展环境支持通信网络的建模和分布式系统。模型系统的行为和性能可以通过执行离散事件来分析模拟。 OPNET环境包含对于研究的所有阶段的工具，包括模型设计，模拟，数据收集和数据分析。因为它包括一组以太网模型，许多专家模拟以太网性能基于OPNET[4-5]。模拟由以太网和交换式以太网构建的监控网络非常简单，我们只是给出了结果。但是，如果没有OPNET中的现场总线模型，它必须首先设计一套CAN模型。 OPNET模拟器系统由网络模型，节点模型和过程模型。链接模型和节点模型CAN总线与以太网型号类似。这个过程CAN中的MAC层模型是重要且困难的部分。它将被详细介绍。
3.1节点模型
基于名为ethcoast_station_adv的节点模型，CAN的节点模型可以很容易地构建。 如图2所示，删除延迟模块和交换mac模块mac_can模块将在稍后介绍。 然后通过添加优先级属性和目标属性修改busty_gen数据源模块。为了通过一个节点产生各种消息应根据实际需要的消息种类调整源模块的数量。根据实际电站，在本文中，在CAN节点模型中有三个bursty_gen模块。
图2 CAN的节点模型
3.2过程模型
过程模型由状态转移图，宏定义块，功能块，定义块状态变量和临时变量等组成。图3设计了CAN中MAC层的过程模型。有十个状态包括六个非强制州状态和四个强制状态。 这些状态的功能如下：
图3 CAN中MAC层的过程模型
init state：设置模拟参数并初始化统计变量。
idle state：等待消息到达。如果有来自物理层的消息low_arrival到了，去rx。如果消息来自更高层，它将被放入准备排队的队列中优先。注意标识符和其余部分消息应该放入两个队列。当！queue_empty，即有准备发送的队列消息，然后转到frm_out状态。
frm_out state：一个使队列中的第一个标识符出列的强制状态，然后转到tx_prepare。
tx_prepare state：检查总线是否空闲。如果总线是空闲的，开始发送消息并转到tx_send。如果还有low_arrival，转到rx。如果消息来自更高层，它将被放入准备队列。
tx_send state：发送标识符的强制状态消息。
tx_wait state：启用物理层侦听发送完毕时回到空闲状态。如果有low_arrival，转到rx。如果消息来自更高的消息层，它将被放入准备队列。
rx state：处理消息的强制状态。如果它是一个数据包，将其发送到更高层并返回闲。如果是标识符，则进入仲裁状态。仲裁状态：比较标识符并选择优先级最高的数据包。如果来自物理层的消息到达，进入rx状态。如果超过一点时间，进入rec状态。
rec state：判断为强制状态具有最高优先级的数据是否来自此节点。如果是从这个节点，发送消息的其余部分转到data_send。如果没有，判断该节点是否有参加比较。如果有，这意味着这场比较失败。将标识符再次放入准备队列中进入空闲状态等待下一次发送。如果还没有加入进入比较，仍然进入闲置状态。判断是否继续发送，判断目的地优先级最高的数据包。如果目的地是此节点，准备接收。
data_send state：等待消息发送完成，破坏消息并重新进入空闲状态。
从而整个消息过渡过程完成。
在CAN中MAC层过程模型的重要性是将CAN消息分成两部分标识符，其余包括数据。当总线是空闲的，发送标识符。然后比较收到的标识符并选择具有最高优先级的标识符。如果是来自此节点，然后发送消息的其他部分。如果是不是从这个节点和这个节点发送了标识符，
停止发送并重新加入比较，直到总线空闲。 CAN消息中数据字段的长度不是a常量，但标识符的长度是常量。首先发送标识符可以确保所有节点同时接收标识符。它可能使仲裁变得容易。将CAN消息分成两部分并发送标识符首先应该避免限制数据字段的长度相同。在此文，CAN总线模型可以模拟传输不同长度的消息。
4.模拟结果
在仿真中，以太网的带宽为10M，CAN的带宽为125k，数据流开始5点发送。 传统以太网和交换式以太网的平均延迟在图4，5中。传统的以太网平均延迟长达8毫秒，无法满足在IEC 61850中要求，控制命令在网络中传输时最大延迟不超过4ms。但是，在交换式以太网中，平均延迟较小超过0.4ms。 如果监控网络是由CAN构建的，我们可以得到图6,7,8中三种数据的延迟。突发数据的平均延迟约为1ms，即意味着它具有很高的时效性。 随机数据的延迟小于3.5ms，不能满足实时性请求。 周期性数据的延迟约为0.1秒可以实现实时刷新。
图4传统以太网的延迟
图5交换式以太网的延迟
图6 CAN中突发数据的平均延迟
图7 CAN中随机数据的延迟
图8 CAN中周期性数据的延迟
从模拟中，我们可以发现实时交换式以太网的性能是最好的。 虽然CAN的带宽很小，但由于其优先级，比较机制，它可以实现的实时性电站监控。 对于传统以太网，带宽是最大的10倍，然而由于其避碰机制，CAN（1M）的带宽是及时性很差。
5.结论
本文模拟了三种数据传输方式通过分析字符来分析船舶电站的数据流和传入规则，OPNET设计了一套CAN总线模型在不同的网络中模拟器和获得的数据流传输延迟不同。结果表明CAN总线和交换式以太网可以满足船舶电站监控的实时要求。电站是电力系统的一部分。对于整体而言船舶电力系统，监控网络将包括更多设备和数据流。它会更复杂期望以后的研究。
6.参考文献
[1] Lian F L，Moyne J R，Tilbury D M（2001）。性能控制网络的评估：以太网，Controlnet和设备网。 IEEE控制系统。 Vol.21，No.1，pp.66-83。
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[5] 沉洪涛，李瑞芳（2007）。模拟研究变电站自动化网络通信系统。电力自动化设备。 Vol.27，No.6，pp.114-117。
基于CAN总线的海洋工程多种发电方式的联合运行电站
夏永明，王芳芳
摘要:仿真系统对于培训学生和工作人员也很重要。为了克服集中模拟系统的缺点，该系统采用分布式结构。模拟柴油动力装置，轴发电机和排气涡轮机动力装置在本地计算机上分开操作（底机）同时管理电力从主管（上位机）进行。网络通信通过CAN总线系统实现了模拟的信息交换。但有时通过CAN总线的网络通信偶尔发生故障。虽然分析了找出故障原因，然后是普通的CAN总线技术的改进和通信接口CAN总线的硬件和软件设计更合理，让分布式仿真系统联合海上多种发电方式的运行电站运行更好，增强了实时性和仿真设备的可靠性，使系统的性能将得到改善。
I.导言
长期以来随着航运发展和技术进步，越来越多的船只联合海上多种发电方式运行，电站追求节约能源，改善工作环境和安全航行。基本上，船用电站柴油发动机作为主要动力（动力功率）产生电力。还有其他两种类型的发电：它们是轴发电机和废气涡轮发电机。所以，以上三点经济效益有多少，方法制定，哪种组合更好，成为全球航运的关注问题。在此外，由于控制设备的复杂性废气涡轮发电机和轴发电机，它对运营和管理的要求很高有必要加强对学生和海员的培训。因此，模拟多种发电方式联合的海上电电站运行，对能源的研究至关重要，对储蓄，电力管理和培训学生和海员也是。手稿于2008年8月17日收到。这项工作得到了上海市教育领导学科项目委员会的支持，项目编号：J50602上海市教育委员会技术项目。（06FZ022）夏永明在上海海事大学（对应作者提供电话：
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