閆登輝 張會新 楊曉蕾

（中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室 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，為減少設備和簡化管理，可以通過碼頭供給。大型船舶用水量大，特別是遠洋船舶，由于海上航行持續(xù)時間很長，一般專門設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，能量浪費嚴重。

由于變頻技術與PLC 技術的快速發(fā)展，PLC 與變頻器結合成為了主流的恒壓供水方案，其在實用擴展性、監(jiān)控、控制以及管理維護比傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)有很大優(yōu)勢［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，但是抗干擾能力不強，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)場總線來設計船舶供水系統(tǒng)。由于現(xiàn)場總線是通過數(shù)字信號來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，與電壓和電流信號相比，可以提高控制精度和增強傳輸信號的抗干擾能力［5］。因此用Profibus 現(xiàn)場總線設計的船舶供水系統(tǒng)，控制精度高，在惡劣環(huán)境中的抗干擾能力比較強，可以提高船舶供水的可靠性。

2 Profibus現(xiàn)場總線

Profibus現(xiàn)場總線是一種數(shù)字式、串行、多點的數(shù)據(jù)總線，是一種用在自動化技術的國際性現(xiàn)場總線標準。在1996 年成為現(xiàn)場總線國際標準IEC61158/IEC61784 的組成部分，在2006 年成為中華人民共和國機械工業(yè)的國家標準GB/T20540-2006［6］。該總線由Profibus 用戶組織提供技術支持，負責組織開發(fā)Profibus現(xiàn)場總線技術、研制產品和制定標準。

Profibus 現(xiàn)場總線根據(jù)應用方面的不同，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)場總線的不斷發(fā)展，Profibus技術也在不斷發(fā)生變化，F(xiàn)MS目前已經很少使用。

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

Profibus 總線協(xié)議結構參照ISO7498 國際標準，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網絡OSI 作為參考模型，并增添了用戶層。Profibus DP將其簡化為三層，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為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理聯(lián)接，負責數(shù)據(jù)流的物理傳輸［10］。數(shù)據(jù)鏈路層在通信實體間建立數(shù)據(jù)鏈路聯(lián)接，負責管理現(xiàn)場總線上的數(shù)據(jù)傳輸。用戶層規(guī)定了用戶、系統(tǒng)和不同設備可調用的應用功能，并詳細說明了不同設備的設備行為。這種簡化的結構可以確保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)場的典型應用，Profibus 工業(yè)網絡分為PA 和DP 網絡。DP 網絡應用廣泛，用遠程I/O設備可以減少電纜的使用量，節(jié)約成本。PA 網絡適合在本質安全區(qū)域使用，由于可編程控制器沒有PA 接口，所以通過DP/PA 耦合器來實現(xiàn)現(xiàn)場層與控制層的連接［11］。

圖2 Profibus總線的典型應用

3 恒壓供水系統(tǒng)設計

在恒壓供水系統(tǒng)中，需要實時保持供水水壓的穩(wěn)定，但因為各個時間段用水量不一樣，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)實際水壓與設定水壓的差值來實時調節(jié)，實現(xiàn)水壓的穩(wěn)定。比如當管網壓力不足時，增大變頻器的輸出頻率，加快水泵轉速，使管網壓力上升；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、PLC（可編程邏輯控制器）、通信模塊、壓力傳感器、變頻器、水泵和觸摸屏構成，用Profibus總線對設備進行連接組態(tài)，從而實現(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的S7-300PLC，CPU型號為314C-2PN/DP，該型號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，最多能擴展31 個模塊。觸摸屏和變頻器都選用集成了Profibus DP接口的型號。

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，通過PID 控制模擬量的輸出實現(xiàn)對變頻器頻率的調節(jié)。本系統(tǒng)用一臺變頻器控制3 個水泵，用水量不大時，一個水泵變頻工作就可以滿足供水要求；用水量較大時，一個水泵工頻工作，一個水泵變頻工作；當用水量很大時，兩個水泵工頻運行，一個水泵變頻運行。

圖4 恒壓供水系統(tǒng)連接圖

用上位機組態(tài)，觸摸屏進行有關變量的連接，實現(xiàn)對供水現(xiàn)場的控制與監(jiān)控，管理更加方便。觸摸屏作為人機交互界面可以遠程控制系統(tǒng)的啟停和供水管道的水壓，并且可以在系統(tǒng)運行的過程中采集各種實時數(shù)據(jù)，比如變頻器頻率、實時水壓、水泵轉速等。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 結語

船舶的大型化和智能化水平反映了一個國家的科技實力，船舶自動化系統(tǒng)水平的高低決定著船舶的先進程度。本文首先闡述了船用恒壓供水系統(tǒng)的重要性，其次對Profibus總線進行了基本介紹，在此基礎上構建了基于Profibus總線的船用恒壓供水系統(tǒng)。由于Profibus總線采用數(shù)字信號進行信息傳輸，能夠提高控制精度和增強抗干擾能力。因此用Profibus 現(xiàn)場總線設計的船舶供水系統(tǒng)，具有很好的應用前景。