智能传感器及现场总线控制系统在潜艇装备中的应用

[摘 要]： 由智能传感器和现场总线构成的现场总线控制系统，采用三层线性网络结构，以太网层实现各舱室工作站向指挥舱传输数据。PROFIBUS现场总线网络层采用屏蔽双绞线连接，AS-I接口网络层用于传感器和执行器的联网通信。各舱室主站通过PROFIBUS-DP总线以令牌方式与智能传感器传输数据。各舱室艇员通过主站控制底层设备，实现对本舱的执行器件的监控。 0．引言 随着计算机技术的发展和传感器技术的进步，传统传感器的缺点日益突显。为了最大限度地挖掘现有潜艇装备的潜能，提高作战能力，增大生存概率，有必要形成以智能传感器为基础的现场总线控制系统（FCS：FieldBus Control System）。 1 实现潜艇装备传感器智能化的主要方法 1．1用智能传感器代替传统传感器 目前实现智能传感器有三种：①采用非集成化；②采用集成化；⑧混合实现。为此，实现传感器智能化应以非集成化智能传感器为主，适当加装集成化智能传感器为辅的方法。措施如下： （1）压力、温度、湿度传感器非集成化改造。可通过加装信号调理电路、单片机及总线数字接口使其成为非集成化的智能传感器。该方法既可实现传感器的智能化又可充分利用原有的传感器资源，是一种最便捷有效而且节省开支的方法。 （2）加装气体传感器。潜艇中大气成份比较复杂，可检测到数十种，如表1。潜艇的大气监测设备较少，没有形成网络化，导弹发射后的废气无设备监测。为保证潜艇的安全和艇员的身体健康，可加装智能气体传感器对上述气体进行监测。 （3）改进深度计工作方式。为克服传统深度计在测深过程中存在的缺点，可在艇外加装智能压力传感器，将物理信号转变为数字信号传输至艇内，则保证潜艇员准确了解潜艇深度。对压力传感器的选择有电容式压力传感器和压阻式压力传感器，一般电容式压力传感器比压阻式压力传感器灵敏度高（Sc要比Sr高约50倍），所以应选择电容式压力传感器作为深度计的灵敏元件。 （4）构建全艇性的智能传感器系统。应着重构建三条全艇性的智能传感器网络： （a）全艇性的舱室气压监测智能传感器网络； （b）全艇性的气体监测智能传感器网络； （c）全艇性的温度智能传感器网络。 1．2 采用现场总线控制系统（FCS） 智能传感器的使用要求有一种传输数字信号的现场总现进行各个底层设备与控制层间的通信，由智能传感器和现场总线共同构成现场总线共同构成现场总线控制系统（FCS）。目前，现场总线标准共有12种，其中主流的现场总线技术特性比较如表2、表3。 考虑潜艇舱室的特殊环境，电池舱和鱼雷舱对现场仪表的防爆要求及全艇信息流量，应在各主流总线中选择技术成熟、市场份额较大、具有本征安全的PROFIBUS总线作为底层智能传感器与工作站间的信息交换总线。 2 总体技术方案 2．1网络结构 因潜艇各舱室相对独立，艇员能对本舱室设备进行操纵，且能将底层数字信号传输给指挥舱，实现全艇性系统的监测与控制，所以应采用三层线性网络结构。第一层：以太网（ETHERNET）。实现各舱室工作站向指挥舱的数据传输，指挥舱可由该网络进行数据采集、交换与监测；第二层：PROFIBUS现场总线网络，网络拓扑结构为线性总线型，用屏蔽双绞线连接，该层由PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS组成，在爆炸危险区域采用本征安全的PROFIBUS-PA。因PROFIBUS-DP与PROFIBUS-FMS系统使用相同传输技术和总线访问协议，而该系统可在同一根电缆上同时操作。为能使本征安全的PROFIBUS-PA与总线相连可用分段耦合器。第三层：AS-I接口网络层。AS-I总线用于传感器和执行器的联网通信，可作操纵执行器件。依数据流量也可用光纤进行数据传输。如图1。 2．2工作原理 该网络中的PROFIBUS-DP总线用于各舱室底层智能传感器与舱室主站（PLC）间的高速数据传送。舱室主站（PLC）周期地读取从站（智能传感器）的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间比主站程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。总线的存取方式为各舱室主站间令牌传递，主站与从站间为主一从传送。可采用单主或多主系统。通信方式为点对点（用户数据传送）或广播（控制指令），循环主一从用户数据传送和非循环主—主数据传送。该系统具有强大的诊断功能。由总线给PROFIBUS-DP从站赋予地址。每个从站的输入和输出数据最大为246字节。 令牌总线协议是多主站协议，持有令牌主站可采用令牌和查询其它主站。当某一主站得到令牌后，主站可在一定时间内与从站或其它主站通信。令牌循环一周时间要能保证有足够时间完成通信任务。PROFIBUS-DP按该方式，完成周期性与非周期性数据交换。而PROFIBUS-DP协议设置有：①是令牌实际运行周期计时的周期计时器：②是令牌保持时间计时的持牌计时器。 2.3 工作流程 各舱室主站（PLC）通过PROFIBUS-DP总线以令牌方式与智能传感器进行数据传输，根据智能传感器获得的数据，艇员可通过主站对底层设备进行控制，以实现对本舱执行器件的监控。指挥舱可通过以太网（ETHERNET）对各舱室数据进行采集、分析、监测，并需对各舱室执行器件进行控制。 根据我国潜艇装备情况提出智能化升级方案，引入PROFIBUS现场总线控制系统，对我国现役潜艇传感器智能化改造有一定借鉴作用。该总线系统采用令牌进行数据传送，当网络负载较轻时，效率较低，且需对令牌进行维护，避免令牌丢失或令牌重复，对该方式的控制电路比较复杂。