1方案研究

1.1通訊網(wǎng)絡(luò)

1.1.1網(wǎng)絡(luò)選型據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，用于現(xiàn)場智能設(shè)備互聯(lián)的總線網(wǎng)絡(luò)有40多種，但常用于艦船監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的主要有CAN總線、485總線、Profibus總線和Profinet總線。CAN總線的數(shù)據(jù)通訊采用CAN協(xié)議，物理接口為CAN接口，具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。但其不能直接與Internet互聯(lián)，若要聯(lián)網(wǎng)，則需要專用的接口卡和特定的網(wǎng)關(guān)，數(shù)據(jù)傳輸速率最低為1Mb/s時(shí)其傳輸距離約40m。485總線主要采用Modbus通訊協(xié)議，物理接口為RS-485串行接口，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，適合小型監(jiān)控系統(tǒng)，它允許的最大速率為10Mb/s（傳輸距離15m）。Profibus總線速度較快（最大12Mb/s），組態(tài)配置靈活，可以實(shí)現(xiàn)總線供電。但Profibus的參數(shù)不容易設(shè)定，在網(wǎng)絡(luò)增加、刪除節(jié)點(diǎn)時(shí)需要進(jìn)行邏輯環(huán)重構(gòu)。Profinet總線是一種基于工業(yè)以太網(wǎng)的通信解決方案。一種總線多種協(xié)議并存，硬件實(shí)時(shí)通訊部分（S7通訊協(xié)議）和軟件實(shí)時(shí)通訊部分（標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議）經(jīng)過優(yōu)化后可以同時(shí)在一條總線上運(yùn)行，這樣既保證了通訊的可靠性，同時(shí)也滿足了通訊的快速性，其節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)、減均十分方便，具有很大的靈活性。Profinet是基于ASIC專用芯片的硬件實(shí)時(shí)通訊的現(xiàn)場總線，由于其通訊速率達(dá)100Mb/s，在寬帶范圍內(nèi)，Profinet的通訊性能甚至要優(yōu)于ProfibusDP，而其可靠性則要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通工業(yè)以太網(wǎng)，是未來監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的方向。根據(jù)上述分析、對比，結(jié)合大型船舶燃油輸送監(jiān)控系統(tǒng)測控點(diǎn)多且分散的特點(diǎn)，確定選用Profinet總線做為其現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。

1.1.2通訊網(wǎng)絡(luò)的原理1）系統(tǒng)組成及數(shù)據(jù)流向。監(jiān)控裝置主要由機(jī)電集控室2臺中央控制站微機(jī)、1臺數(shù)據(jù)處理微機(jī)、6臺分站和遠(yuǎn)程I/O處理模塊等組成。數(shù)據(jù)流向（圖1）如下：（1）各分站采集各自所屬的遠(yuǎn)程I/O信號，處理后將信息分別發(fā)送到3臺監(jiān)控微機(jī)。（2）各監(jiān)控微機(jī)分別向各分站發(fā)送控制指令。（3）各監(jiān)控微機(jī)之間相互交換部位切換和授權(quán)等信息。2）數(shù)據(jù)流量及帶寬要求。（1）測點(diǎn)統(tǒng)計(jì)：總點(diǎn)數(shù)約為1000點(diǎn)。（2）帶寬需求計(jì)算。分站與監(jiān)控微機(jī)之間的通訊協(xié)議為基于TCP/IP的S7協(xié)議，可初步估算傳送幀所需的字節(jié)數(shù)：根據(jù)各個(gè)分站的測點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，一個(gè)分站與一臺監(jiān)控微機(jī)之間傳送的信息量平均為200點(diǎn)參數(shù)（含監(jiān)測、控制和報(bào)警信息）；根據(jù)基于TCP/IP的S7協(xié)議規(guī)定，1次需傳送完200點(diǎn)參數(shù)信息，因此，傳送幀的帶寬約為2kb。為滿足監(jiān)控微機(jī)界面數(shù)據(jù)1~2s內(nèi)刷新一次的要求，6個(gè)分站應(yīng)在500ms內(nèi)完成1次與1臺監(jiān)控微機(jī)的數(shù)據(jù)傳送；又由于基于TCP/IP的S7協(xié)議中加入了令牌機(jī)制，所有分站不能同時(shí)傳送數(shù)據(jù)，因此6個(gè)分站只能依次獲取令牌與1臺監(jiān)控微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送；所以，若要滿足監(jiān)控微機(jī)界面數(shù)據(jù)刷新的實(shí)時(shí)性要求，1個(gè)分站應(yīng)在1/12s內(nèi)完成1次與1臺監(jiān)控微機(jī)的數(shù)據(jù)傳送，交換頻率為每秒12次?；赥CP/IP的S7協(xié)議是面向連接的（connection-oriented），即分站要分別與2臺機(jī)電集控室燃油輸送監(jiān)控微機(jī)和1臺數(shù)據(jù)處理微機(jī)共建立3個(gè)連接，同樣的數(shù)據(jù)幀要求每臺監(jiān)控微機(jī)傳送1次，共計(jì)3次。集控室燃油監(jiān)控微機(jī)與平臺主干網(wǎng)管理系統(tǒng)交互的信息為檢測信息190點(diǎn)，報(bào)警信息30點(diǎn)，傳送幀的帶寬約為3kb。為滿足監(jiān)控微機(jī)界面數(shù)據(jù)1~2s內(nèi)刷新一次的要求，燃油監(jiān)控微機(jī)應(yīng)在500ms內(nèi)完成1次與平臺主干網(wǎng)管理系統(tǒng)1臺監(jiān)控微機(jī)的數(shù)據(jù)傳送。因此，要滿足監(jiān)控微機(jī)界面數(shù)據(jù)刷新的實(shí)時(shí)性要求，監(jiān)控微機(jī)就應(yīng)在1/2s內(nèi)完成1次與1臺平臺主干網(wǎng)管理系統(tǒng)監(jiān)控微機(jī)的數(shù)據(jù)傳送，交換頻率為每秒2次。由于是與平臺主干網(wǎng)管理系統(tǒng)1臺監(jiān)控微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，因此連接數(shù)為1。

1.2體系架構(gòu)

燃油輸送移注監(jiān)控裝置采用網(wǎng)絡(luò)化、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)合平臺主干網(wǎng)強(qiáng)大的通訊保障能力，以及成熟的現(xiàn)場總線技術(shù)，將傳感器、控制驅(qū)動機(jī)構(gòu)、現(xiàn)場采集處理模塊、監(jiān)控分站和各級監(jiān)控主站等設(shè)備集成為一個(gè)適合燃油輸送系統(tǒng)的扁平化3級架構(gòu)的監(jiān)控裝置?；驹砣鐖D2所示。

1.3傳感器選型

1.3.1連續(xù)液位傳感器傳感器的選型要滿足環(huán)境條件的需求，包括溫度、大氣壓力、振動、電磁干擾、灰塵、雨水和煙霧等，而船用傳感器則首先應(yīng)滿足船舶環(huán)境要求：高溫、高濕（有凝露）、煙霧、霉菌，以及傾斜搖擺。

1.3.2點(diǎn)式液位傳感器針對油料特性，點(diǎn)式液位傳感器選取了音叉式液位開關(guān)。振動元件（音叉）通過壓電供能，壓電陶瓷的驅(qū)動下以1200Hz的機(jī)械諧振頻率振動。壓電陶瓷因受到機(jī)械固定，不易受溫度驟變的影響。一旦振動元件接觸到被測介質(zhì)，振動頻率就會改變，然后應(yīng)用一體式電子部件檢測該振動頻率的變化，并轉(zhuǎn)換成開關(guān)命令。

1.3.3溫度傳感器油艙及管路溫度傳感器使用傳統(tǒng)熱電阻式傳感器配以溫變模塊，選型中，需根據(jù)油艙高度及傳感器安裝位置選擇溫度傳感器的桿長。電氣接口為二線制，24VDC輸入，輸出4~20mA電流信號。

1.4數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

1.4.1數(shù)據(jù)采集處理模塊數(shù)據(jù)采集處理模塊的功能：1）采集油艙和泵組的信息（包括液位、溫度、泵組、閥門監(jiān)控等）；2）通過Profinet現(xiàn)場總線，將信息發(fā)送到對應(yīng)的監(jiān)控分站；3）按監(jiān)控分站指令信息，控制驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行單元（泵、閥）。數(shù)據(jù)采集處理模塊原理：利用系統(tǒng)現(xiàn)場分布式I/O，進(jìn)行A/D和D/A轉(zhuǎn)換，把指令數(shù)據(jù)通訊信號轉(zhuǎn)為電壓、電流驅(qū)動信號，控制對應(yīng)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)（泵、閥），采集處理液位、油溫、閥位等信號，并發(fā)送到監(jiān)控分站。

1.4.2監(jiān)控分站燃油輸送監(jiān)控分站的功能：1）收集所屬分區(qū)內(nèi)所有現(xiàn)場采集單元的監(jiān)控信息。2）通過平臺主干網(wǎng)，傳送監(jiān)控信息到各監(jiān)控主站。3）根據(jù)中央控制臺發(fā)送到分站的控制指令，對相對應(yīng)的泵和閥進(jìn)行開關(guān)控制。4）向數(shù)據(jù)采集處理模塊提供24VDC電源。5）分站數(shù)據(jù)采集濾波功能：每個(gè)循環(huán)分站對遠(yuǎn)程I/O端口進(jìn)行一次掃描，并進(jìn)行濾波。6）分站報(bào)警處理功能：對每次處理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警設(shè)置，并把處理結(jié)果發(fā)給中央監(jiān)控臺進(jìn)行報(bào)警顯示。燃油輸送監(jiān)控分站工作原理：利用分站的PLC主機(jī)和網(wǎng)卡向上接入全艦平臺主干網(wǎng)和控制主站進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，向下接Profinet現(xiàn)場總線和分區(qū)內(nèi)的各個(gè)數(shù)據(jù)采集處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，對上位的控制指令和下位的監(jiān)測信息進(jìn)行上傳下達(dá)。

1.4.3監(jiān)控主站1）監(jiān)測原理及功能。監(jiān)控主站實(shí)時(shí)監(jiān)測燃油液位、溫度、液位高低位及燃油輸送泵運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)，現(xiàn)場信號經(jīng)采集變換后，通過Profinet總線傳輸至分站，分站與上層加固微機(jī)通過建立在平臺主干網(wǎng)上的虛擬以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在中央監(jiān)控臺上主要實(shí)現(xiàn)如下監(jiān)測功能：（1）參數(shù)顯示功能：對所有監(jiān)測的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。（2）報(bào)警功能：對各超限參數(shù)可進(jìn)行實(shí)時(shí)聲光報(bào)警。（3）數(shù)據(jù)共享功能：通過OPC服務(wù)器向管理部門提供油艙的液位和油量等數(shù)據(jù)。2）控制原理及功能?？刂频闹饕頌椋涸谶b控狀態(tài)下監(jiān)控主站程序，檢查、檢驗(yàn)油艙聯(lián)鎖條件，控制燃油泵的遙控啟/停，以及燃油艙和輸送管路的液動蝶閥開關(guān)，將燃油輸送泵、閥的控制等指令傳送到監(jiān)測分站，然后由監(jiān)測分站通過Profinet總線傳送到相關(guān)閥件和燃油輸送泵的控制箱，最后由燃油輸送泵控制箱實(shí)現(xiàn)泵的遙控。

1.5軟件開發(fā)研究

軟件的編制采用WindowsXP環(huán)境下的LabVIEW編程［11］，通過數(shù)據(jù)采集、人機(jī)對話、參數(shù)顯示、報(bào)警記錄和圖形顯示等來實(shí)現(xiàn)對燃油系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)的記錄和監(jiān)測，并對一些泵和閥進(jìn)行控制。4所示，數(shù)據(jù)采集處理模塊程序框圖如圖5所示。

2測試與交驗(yàn)

2.1聯(lián)調(diào)測試試驗(yàn)?zāi)康模簷z查裝置內(nèi)、外部接口的正確性和協(xié)調(diào)性；檢查裝置功能的正確性和完整性。主要進(jìn)行了如下測試：1）系統(tǒng)監(jiān)測控制功能調(diào)試；

2）系統(tǒng)與傳感器的匹配調(diào)試；3）模擬實(shí)船布置的系統(tǒng)功能測試等。其中，模擬實(shí)船布置是指將監(jiān)控分站與監(jiān)測模塊之間的供電和通訊電纜的距離按照實(shí)船最大的供電和通訊電纜長度進(jìn)行敷設(shè)測試。在模擬實(shí)船布置的系統(tǒng)功能測試中，出現(xiàn)了當(dāng)布置在監(jiān)控分站以下的數(shù)據(jù)采集處理模塊超過4級時(shí)其配置的液位傳感器不能正常啟動的故障。原因分析：監(jiān)控分站以下數(shù)據(jù)采集處理模塊的供電及通訊電纜的連接方式為串式拓?fù)?，系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)供電模式為長距離直流供電，為保證數(shù)據(jù)采集處理模塊的電壓處于規(guī)定范圍內(nèi)，每個(gè)模塊內(nèi)部均設(shè)置了開關(guān)電源模塊用以升壓穩(wěn)壓。模塊使用的電源為監(jiān)控分站內(nèi)從西門子SITOP電源AC380V轉(zhuǎn)換來的DC24V。由于同一條線纜上的開關(guān)電源模塊數(shù)量過多，放大了DC24V上的7次諧波［12-14］，而西門子SITOP電源抑制諧波能力有限，串接至5級時(shí)在末端造成直流供電DC24V出現(xiàn)了約±2V的紋波；另高精度的導(dǎo)波液位傳感器對紋波敏感，超過±1V即無法開機(jī)。查找到原因后，修改了設(shè)計(jì)，從監(jiān)控分站中引出多路供電電源，確保每條直流供電線供電的數(shù)據(jù)處理模塊不超過2個(gè)。經(jīng)測試，在2級時(shí)，紋波降低至±0.3V，液位傳感器能正常使用。通過陸上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，解決了裝船設(shè)計(jì)問題。

2.2實(shí)船測試

主要進(jìn)行傳感器測試、單機(jī)恢復(fù)試驗(yàn)、聯(lián)調(diào)試驗(yàn)和功能效用試驗(yàn)等。試驗(yàn)方法有模擬法或效用法。連續(xù)液位傳感器的調(diào)試需要借助測深尺進(jìn)行零位校核。測量精度檢查，是采用注入或抽出相應(yīng)液體的方法增加或減少艙容，每個(gè)液艙抽驗(yàn)不少于3點(diǎn)（低位、中位、高位），用經(jīng)檢驗(yàn)合格的測深尺將測得的讀數(shù)與液位測量裝置測量的讀數(shù)進(jìn)行比較，判斷其誤差大小，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理。對于泵和閥的遙控，先進(jìn)行空載試驗(yàn)，成功后再進(jìn)行負(fù)荷試驗(yàn)。所有單機(jī)檢測完成后，進(jìn)行聯(lián)調(diào)試驗(yàn)和功能效用試驗(yàn)，重點(diǎn)檢查測試監(jiān)控軟件的正確性和可靠性，以及網(wǎng)絡(luò)共享數(shù)據(jù)的完整性和實(shí)時(shí)性，最終完成全部試驗(yàn)，交付用戶。

3結(jié)語

由于在設(shè)計(jì)前對技術(shù)體制進(jìn)行了反復(fù)論證，開展設(shè)計(jì)后經(jīng)過了樣機(jī)驗(yàn)證，制造完畢交付前又經(jīng)過了陸上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，因而解決了原理驗(yàn)證和裝船設(shè)計(jì)問題，保證了系統(tǒng)研制的成功。經(jīng)過船上調(diào)試，最終解決了適配性問題和功能問題。本系統(tǒng)的成功研制，提高了同類船舶燃油輸送系統(tǒng)的自動化水平。

作者：張建平 庹艾莉 辛宇 單位：中國艦船研究設(shè)計(jì)中心