智能傳感器及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在潛艇裝備中的應(yīng)用

0．引言

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

1 實現(xiàn)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?zhèn)鹘y(tǒng)傳感器

目前實現(xiàn)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(xiàn)。為此，實現(xiàn)傳感器智能化應(yīng)以非集成化智能傳感器為主，適當(dāng)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^加裝信號調(diào)理電路、單片機(jī)及總線數(shù)字接口使其成為非集成化的智能傳感器。該方法既可實現(xiàn)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(jié)省開支的方法。

（2）加裝氣體傳感器。潛艇中大氣成份比較復(fù)雜，可檢測到數(shù)十種，如表1。潛艇的大氣監(jiān)測設(shè)備較少，沒有形成網(wǎng)絡(luò)化，導(dǎo)彈發(fā)射后的廢氣無設(shè)備監(jiān)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(jiān)測。

（3）改進(jìn)深度計工作方式。為克服傳統(tǒng)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(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號傳輸至艇內(nèi)，則保證潛艇員準(zhǔn)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(yīng)選擇電容式壓力傳感器作為深度計的靈敏元件。

（4）構(gòu)建全艇性的智能傳感器系統(tǒng)。應(yīng)著重構(gòu)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(jiān)測智能傳感器網(wǎng)絡(luò)；
（b）全艇性的氣體監(jiān)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(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）

智能傳感器的使用要求有一種傳輸數(shù)字信號的現(xiàn)場總現(xiàn)進(jìn)行各個底層設(shè)備與控制層間的通信，由智能傳感器和現(xiàn)場總線共同構(gòu)成現(xiàn)場總線共同構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）。目前，現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)共有12種，其中主流的現(xiàn)場總線技術(shù)特性比較如表2、表3。

考慮潛艇艙室的特殊環(huán)境，電池艙和魚雷艙對現(xiàn)場儀表的防爆要求及全艇信息流量，應(yīng)在各主流總線中選擇技術(shù)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(shù)方案

2．1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

因潛艇各艙室相對獨立，艇員能對本艙室設(shè)備進(jìn)行操縱，且能將底層數(shù)字信號傳輸給指揮艙，實現(xiàn)全艇性系統(tǒng)的監(jiān)測與控制，所以應(yīng)采用三層線性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。第一層：以太網(wǎng)（ETHERNET）。實現(xiàn)各艙室工作站向指揮艙的數(shù)據(jù)傳輸，指揮艙可由該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、交換與監(jiān)測；第二層：PROFIBUS現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(qū)域采用本征安全的 PROFIBUS-PA。因PROFIBUS-DP與PROFIBUS-FMS系統(tǒng)使用相同傳輸技術(shù)和總線訪問協(xié)議，而該系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)層。AS-I總線用于傳感器和執(zhí)行器的聯(lián)網(wǎng)通信，可作操縱執(zhí)行器件。依數(shù)據(jù)流量也可用光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如圖1。

2．2工作原理

該網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)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€循環(huán)時間比主站程序循環(huán)時間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化現(xiàn)場設(shè)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€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(tǒng)。通信方式為點對點（用戶數(shù)據(jù)傳送）或廣播（控制指令），循環(huán)主一從用戶數(shù)據(jù)傳送和非循環(huán)主—主數(shù)據(jù)傳送。該系統(tǒng)具有強(qiáng)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(shù)據(jù)最大為246字節(jié)。

牌總線協(xié)議是多主站協(xié)議，持有令牌主站可采用令牌和查詢其它主站。當(dāng)某一主站得到令牌后，主站可在一定時間內(nèi)與從站或其它主站通信。令牌循環(huán)一周時間要能保證有足夠時間完成通信任務(wù)。PROFIBUS-DP按該方式，完成周期性與非周期性數(shù)據(jù)交換。而PROFIBUS-DP協(xié)議設(shè)置有：①是令牌實際運(yùn)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)智能傳感器獲得的數(shù)據(jù)，艇員可通過主站對底層設(shè)備進(jìn)行控制，以實現(xiàn)對本艙執(zhí)行器件的監(jiān)控。指揮艙可通過以太網(wǎng)（ETHERNET）對各艙室數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、監(jiān)測，并需對各艙室執(zhí)行器件進(jìn)行控制。

根據(jù)我國潛艇裝備情況提出智能化升級方案，引入PROFIBUS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，對我國現(xiàn)役潛艇傳感器智能化改造有一定借鑒作用。該總線系統(tǒng)采用令牌進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時，效率較低，且需對令牌進(jìn)行維護(hù)，避免令牌丟失或令牌重復(fù)，對該方式的控制電路比較復(fù)雜。