智能傳感器及現場總線控制系統在潛艇裝備中的應用

0．引言

隨著計算機技術的發展和傳感器技術的進步，傳統傳感器的缺點日益突顯。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總線控制系統（FCS：FieldBus Control System）。

1 實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混合實現。為此，實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。可通過加裝信號調理電路、單片機及總線數字接口使其成為非集成化的智能傳感器。該方法既可實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，沒有形成網絡化，導彈發射后的廢氣無設備監測。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行監測。

（3）改進深度計工作方式。為克服傳統深度計在測深過程中存在的缺點，可在艇外加裝智能壓力傳感器，將物理信號轉變為數字信號傳輸至艇內，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。應著重構建三條全艇性的智能傳感器網絡：
（a）全艇性的艙室氣壓監測智能傳感器網絡；
（b）全艇性的氣體監測智能傳感器網絡；
（c）全艇性的溫度智能傳感器網絡。

1．2 采用現場總線控制系統（FCS）

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

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

2 總體技術方案

2．1網絡結構

因潛艇各艙室相對獨立，艇員能對本艙室設備進行操縱，且能將底層數字信號傳輸給指揮艙，實現全艇性系統的監測與控制，所以應采用三層線性網絡結構。第一層：以太網（ETHERNET）。實現各艙室工作站向指揮艙的數據傳輸，指揮艙可由該網絡進行數據采集、交換與監測；第二層：PROFIBUS現場總線網絡，網絡拓撲結構為線性總線型，用屏蔽雙絞線連接，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和總線訪問協議，而該系統可在同一根電纜上同時操作。為能使本征安全的PROFIBUS-PA與總線相連可用分段耦合器。第三層：AS-I接口網絡層。AS-I總線用于傳感器和執行器的聯網通信，可作操縱執行器件。依數據流量也可用光纖進行數據傳輸。如圖1。

2．2工作原理

該網絡中的PROFIBUS-DP總線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送輸出信息。總線循環時間比主站程序循環時間短。除周期性用戶數據傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化現場設備所需的非周期性通信以進行組態、診斷和報警處理。總線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。可采用單主或多主系統。通信方式為點對點（用戶數據傳送）或廣播（控制指令），循環主一從用戶數據傳送和非循環主—主數據傳送。該系統具有強大的診斷功能。由總線給PROFIBUS-DP從站賦予地址。每個從站的輸入和輸出數據最大為246字節。

牌總線協議是多主站協議，持有令牌主站可采用令牌和查詢其它主站。當某一主站得到令牌后，主站可在一定時間內與從站或其它主站通信。令牌循環一周時間要能保證有足夠時間完成通信任務。PROFIBUS-DP按該方式，完成周期性與非周期性數據交換。而PROFIBUS-DP協議設置有：①是令牌實際運行周期計時的周期計時器：②是令牌保持時間計時的持牌計時器。

2.3 工作流程

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

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