閆登輝 張會(huì)新 楊曉蕾

（中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030051）

1 引言

船舶供水系統(tǒng)的作用是滿足船上人員日常生活用水的需要，該系統(tǒng)是船舶的重要組成部分，其性能好壞將對(duì)船舶安全造成直接影響［1］。在人員較少、航行距離短的小型船舶上，用水量不大，為減少設(shè)備和簡(jiǎn)化管理，可以通過碼頭供給。大型船舶用水量大，特別是遠(yuǎn)洋船舶，由于海上航行持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，一般專門設(shè)置海水淡化裝置制造淡水，來滿足船上人員的日常生活。

隨著船舶的大型化和智能化發(fā)展，船舶供水系統(tǒng)成為大型船舶不可缺少的組成部分［2］。傳統(tǒng)船舶供水系統(tǒng)主要是泵在恒定工作頻率下運(yùn)行，通過改變出水管路處截止閥的開度來改變供水量的大小，或在泵的工頻工作工況下將水注入壓力罐中，通過控制壓力罐的壓力控制管路終端水壓［3］。傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)，智能化程度低，能量浪費(fèi)嚴(yán)重。

由于變頻技術(shù)與PLC 技術(shù)的快速發(fā)展，PLC 與變頻器結(jié)合成為了主流的恒壓供水方案，其在實(shí)用擴(kuò)展性、監(jiān)控、控制以及管理維護(hù)比傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)有很大優(yōu)勢(shì)［4］。由PLC 和變頻器組成的供水系統(tǒng)，改善了傳統(tǒng)供水系統(tǒng)的缺點(diǎn)，但是抗干擾能力不強(qiáng)，適合在工廠和城市供水系統(tǒng)中使用。

船舶在航行過程中，可能會(huì)遭遇惡劣的環(huán)境。為了提高船舶供水系統(tǒng)可靠性，本文利用Profibus（Process Field Bus）現(xiàn)場(chǎng)總線來設(shè)計(jì)船舶供水系統(tǒng)。由于現(xiàn)場(chǎng)總線是通過數(shù)字信號(hào)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，與電壓和電流信號(hào)相比，可以提高控制精度和增強(qiáng)傳輸信號(hào)的抗干擾能力［5］。因此用Profibus 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)的船舶供水系統(tǒng)，控制精度高，在惡劣環(huán)境中的抗干擾能力比較強(qiáng)，可以提高船舶供水的可靠性。

2 Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線

Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線是一種數(shù)字式、串行、多點(diǎn)的數(shù)據(jù)總線，是一種用在自動(dòng)化技術(shù)的國(guó)際性現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。在1996 年成為現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158/IEC61784 的組成部分，在2006 年成為中華人民共和國(guó)機(jī)械工業(yè)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20540-2006［6］。該總線由Profibus 用戶組織提供技術(shù)支持，負(fù)責(zé)組織開發(fā)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、研制產(chǎn)品和制定標(biāo)準(zhǔn)。

Profibus 現(xiàn)場(chǎng)總線根據(jù)應(yīng)用方面的不同，分為三種通訊方式：DP（Decentralized Peripherals）、PA（Process Automation）和FMS（Field Message Specifi?cation）［7］。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線的不斷發(fā)展，Profibus技術(shù)也在不斷發(fā)生變化，F(xiàn)MS目前已經(jīng)很少使用。

Profibus PA 用于過程自動(dòng)化控制，可使傳感器和執(zhí)行器共用一條總線，該網(wǎng)絡(luò)基于屏蔽雙絞線線路進(jìn)行本質(zhì)安全設(shè)計(jì)，適合在危險(xiǎn)區(qū)域中使用，數(shù)據(jù)傳輸速率為31.25kbps［8］。Profibus DP 用在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的數(shù)據(jù)傳送，主要用于電氣自動(dòng)化和設(shè)備自動(dòng)化中的數(shù)據(jù)交換，通過雙絞線或光纜進(jìn)行組網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸速率為9.6kbps～12mbps。傳輸距離和傳輸速率有關(guān)，速率越高，傳輸距離越短［9］。一個(gè)網(wǎng)段連接的設(shè)備最多為32 個(gè)，可以通過中繼器連接不同的網(wǎng)段來增加網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備數(shù)量和提高通信距離。

Profibus 總線協(xié)議結(jié)構(gòu)參照ISO7498 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)OSI 作為參考模型，并增添了用戶層。Profibus DP將其簡(jiǎn)化為三層，定義了第一層（物理層），第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）和用戶層。物理層是參考模型中的最底層，主要功能是利用傳輸介質(zhì)為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理聯(lián)接，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的物理傳輸［10］。數(shù)據(jù)鏈路層在通信實(shí)體間建立數(shù)據(jù)鏈路聯(lián)接，負(fù)責(zé)管理現(xiàn)場(chǎng)總線上的數(shù)據(jù)傳輸。用戶層規(guī)定了用戶、系統(tǒng)和不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)說明了不同設(shè)備的設(shè)備行為。這種簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)可以確保DP 快速、高效的數(shù)據(jù)傳輸。DP的參考模型和各層功能如圖1所示。

圖1 DP參考模型與功能

圖2 是Profibus 總線在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的典型應(yīng)用，Profibus 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)分為PA 和DP 網(wǎng)絡(luò)。DP 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用廣泛，用遠(yuǎn)程I/O設(shè)備可以減少電纜的使用量，節(jié)約成本。PA 網(wǎng)絡(luò)適合在本質(zhì)安全區(qū)域使用，由于可編程控制器沒有PA 接口，所以通過DP/PA 耦合器來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)層與控制層的連接［11］。

圖2 Profibus總線的典型應(yīng)用

3 恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在恒壓供水系統(tǒng)中，需要實(shí)時(shí)保持供水水壓的穩(wěn)定，但因?yàn)楦鱾€(gè)時(shí)間段用水量不一樣，所以很難通過某一固定頻率來穩(wěn)定水壓。PID 控制可以根據(jù)實(shí)際水壓與設(shè)定水壓的差值來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)水壓的穩(wěn)定。比如當(dāng)管網(wǎng)壓力不足時(shí)，增大變頻器的輸出頻率，加快水泵轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力上升；反之減小變頻器輸出的頻率，使水壓保持恒定［12］。圖3 是恒壓供水系統(tǒng)的方塊圖。

圖3 恒壓供水系統(tǒng)方塊圖

本系統(tǒng)主要由PC 機(jī)、PLC（可編程邏輯控制器）、通信模塊、壓力傳感器、變頻器、水泵和觸摸屏構(gòu)成，用Profibus總線對(duì)設(shè)備進(jìn)行連接組態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)恒壓供水。系統(tǒng)通過用水量壓力的變化來改變變頻器頻率，從而保持供水管道水壓的穩(wěn)定［13］。

PLC 選用西門子公司生產(chǎn)的S7-300PLC，CPU型號(hào)為314C-2PN/DP，該型號(hào)PLC 自帶24 路數(shù)字量輸入和16路數(shù)字量輸出、5路模擬量輸入和兩路模擬量輸出，并且集成了Profinet 接口和MPI/DP 接口，最多能擴(kuò)展31 個(gè)模塊。觸摸屏和變頻器都選用集成了Profibus DP接口的型號(hào)。

系統(tǒng)連接如圖4 所示。PLC 與觸摸屏、通信模塊與變頻器通過Profibus DP 電纜連接，用DP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信。PLC 的數(shù)字量輸出通道控制變頻器啟停，模擬量輸入通道采集壓力傳感器的信號(hào)，通過PID 控制模擬量的輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器頻率的調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)用一臺(tái)變頻器控制3 個(gè)水泵，用水量不大時(shí)，一個(gè)水泵變頻工作就可以滿足供水要求；用水量較大時(shí)，一個(gè)水泵工頻工作，一個(gè)水泵變頻工作；當(dāng)用水量很大時(shí)，兩個(gè)水泵工頻運(yùn)行，一個(gè)水泵變頻運(yùn)行。

圖4 恒壓供水系統(tǒng)連接圖

用上位機(jī)組態(tài)，觸摸屏進(jìn)行有關(guān)變量的連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)供水現(xiàn)場(chǎng)的控制與監(jiān)控，管理更加方便。觸摸屏作為人機(jī)交互界面可以遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的啟停和供水管道的水壓，并且可以在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中采集各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，比如變頻器頻率、實(shí)時(shí)水壓、水泵轉(zhuǎn)速等。本系統(tǒng)的控制精度較高，完全滿足船用恒壓供水系統(tǒng)的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

船舶的大型化和智能化水平反映了一個(gè)國(guó)家的科技實(shí)力，船舶自動(dòng)化系統(tǒng)水平的高低決定著船舶的先進(jìn)程度。本文首先闡述了船用恒壓供水系統(tǒng)的重要性，其次對(duì)Profibus總線進(jìn)行了基本介紹，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了基于Profibus總線的船用恒壓供水系統(tǒng)。由于Profibus總線采用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行信息傳輸，能夠提高控制精度和增強(qiáng)抗干擾能力。因此用Profibus 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)的船舶供水系統(tǒng)，具有很好的應(yīng)用前景。