智能傳感器及現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統在潛艇裝備中的應用

0．引言

隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展和傳感器技術(shù)的進(jìn)步，傳統傳感器的缺點(diǎn)日益突顯。為了最大限度地挖掘現有潛艇裝備的潛能，提高作戰能力，增大生存概率，有必要形成以智能傳感器為基礎的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS：FieldBus Control System）。

1 實(shí)現潛艇裝備傳感器智能化的主要方法

1．1用智能傳感器代替傳統傳感器

目前實(shí)現智能傳感器有三種：①采用非集成化；②采用集成化；⑧混合實(shí)現。為此，實(shí)現傳感器智能化應以非集成化智能傳感器為主，適當加裝集成化智能傳感器為輔的方法。措施如下：

（1）壓力、溫度、濕度傳感器非集成化改造?？赏ㄟ^(guò)加裝信號調理電路、單片機及總線(xiàn)數字接口使其成為非集成化的智能傳感器。該方法既可實(shí)現傳感器的智能化又可充分利用原有的傳感器資源，是一種最便捷有效而且節省開(kāi)支的方法。

（2）加裝氣體傳感器。潛艇中大氣成份比較復雜，可檢測到數十種，如表1。潛艇的大氣監測設備較少，沒(méi)有形成網(wǎng)絡(luò )化，導彈發(fā)射后的廢氣無(wú)設備監測。為保證潛艇的安全和艇員的身體健康，可加裝智能氣體傳感器對上述氣體進(jìn)行監測。

（3）改進(jìn)深度計工作方式。為克服傳統深度計在測深過(guò)程中存在的缺點(diǎn)，可在艇外加裝智能壓力傳感器，將物理信號轉變?yōu)閿底中盘杺鬏斨镣?，則保證潛艇員準確了解潛艇深度。對壓力傳感器的選擇有電容式壓力傳感器和壓阻式壓力傳感器，一般電容式壓力傳感器比壓阻式壓力傳感器靈敏度高（Sc要比Sr高約50 倍），所以應選擇電容式壓力傳感器作為深度計的靈敏元件。

（4）構建全艇性的智能傳感器系統。應著(zhù)重構建三條全艇性的智能傳感器網(wǎng)絡(luò )：
（a）全艇性的艙室氣壓監測智能傳感器網(wǎng)絡(luò )；
（b）全艇性的氣體監測智能傳感器網(wǎng)絡(luò )；
（c）全艇性的溫度智能傳感器網(wǎng)絡(luò )。

1．2 采用現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS）

智能傳感器的使用要求有一種傳輸數字信號的現場(chǎng)總現進(jìn)行各個(gè)底層設備與控制層間的通信，由智能傳感器和現場(chǎng)總線(xiàn)共同構成現場(chǎng)總線(xiàn)共同構成現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS）。目前，現場(chǎng)總線(xiàn)標準共有12種，其中主流的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)特性比較如表2、表3。

考慮潛艇艙室的特殊環(huán)境，電池艙和魚(yú)雷艙對現場(chǎng)儀表的防爆要求及全艇信息流量，應在各主流總線(xiàn)中選擇技術(shù)成熟、市場(chǎng)份額較大、具有本征安全的PROFIBUS總線(xiàn)作為底層智能傳感器與工作站間的信息交換總線(xiàn)。

2 總體技術(shù)方案

2．1網(wǎng)絡(luò )結構

因潛艇各艙室相對獨立，艇員能對本艙室設備進(jìn)行操縱，且能將底層數字信號傳輸給指揮艙，實(shí)現全艇性系統的監測與控制，所以應采用三層線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò )結構。第一層：以太網(wǎng)（ETHERNET）。實(shí)現各艙室工作站向指揮艙的數據傳輸，指揮艙可由該網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據采集、交換與監測；第二層：PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )拓撲結構為線(xiàn)性總線(xiàn)型，用屏蔽雙絞線(xiàn)連接，該層由PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS組成，在爆炸危險區域采用本征安全的 PROFIBUS-PA。因PROFIBUS-DP與PROFIBUS-FMS系統使用相同傳輸技術(shù)和總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議，而該系統可在同一根電纜上同時(shí)操作。為能使本征安全的PROFIBUS-PA與總線(xiàn)相連可用分段耦合器。第三層：AS-I接口網(wǎng)絡(luò )層。AS-I總線(xiàn)用于傳感器和執行器的聯(lián)網(wǎng)通信，可作操縱執行器件。依數據流量也可用光纖進(jìn)行數據傳輸。如圖1。

2．2工作原理

該網(wǎng)絡(luò )中的PROFIBUS-DP總線(xiàn)用于各艙室底層智能傳感器與艙室主站（PLC）間的高速數據傳送。艙室主站（PLC）周期地讀取從站（智能傳感器）的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息?？偩€(xiàn)循環(huán)時(shí)間比主站程序循環(huán)時(shí)間短。除周期性用戶(hù)數據傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化現場(chǎng)設備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報警處理?？偩€(xiàn)的存取方式為各艙室主站間令牌傳遞，主站與從站間為主一從傳送?？刹捎脝沃骰蚨嘀飨到y。通信方式為點(diǎn)對點(diǎn)（用戶(hù)數據傳送）或廣播（控制指令），循環(huán)主一從用戶(hù)數據傳送和非循環(huán)主—主數據傳送。該系統具有強大的診斷功能。由總線(xiàn)給PROFIBUS-DP從站賦予地址。每個(gè)從站的輸入和輸出數據最大為246字節。

牌總線(xiàn)協(xié)議是多主站協(xié)議，持有令牌主站可采用令牌和查詢(xún)其它主站。當某一主站得到令牌后，主站可在一定時(shí)間內與從站或其它主站通信。令牌循環(huán)一周時(shí)間要能保證有足夠時(shí)間完成通信任務(wù)。PROFIBUS-DP按該方式，完成周期性與非周期性數據交換。而PROFIBUS-DP協(xié)議設置有：①是令牌實(shí)際運行周期計時(shí)的周期計時(shí)器：②是令牌保持時(shí)間計時(shí)的持牌計時(shí)器。

2.3 工作流程

各艙室主站（PLC）通過(guò)PROFIBUS-DP總線(xiàn)以令牌方式與智能傳感器進(jìn)行數據傳輸，根據智能傳感器獲得的數據，艇員可通過(guò)主站對底層設備進(jìn)行控制，以實(shí)現對本艙執行器件的監控。指揮艙可通過(guò)以太網(wǎng)（ETHERNET）對各艙室數據進(jìn)行采集、分析、監測，并需對各艙室執行器件進(jìn)行控制。

根據我國潛艇裝備情況提出智能化升級方案，引入PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統，對我國現役潛艇傳感器智能化改造有一定借鑒作用。該總線(xiàn)系統采用令牌進(jìn)行數據傳送，當網(wǎng)絡(luò )負載較輕時(shí)，效率較低，且需對令牌進(jìn)行維護，避免令牌丟失或令牌重復，對該方式的控制電路比較復雜。