1方案研究

1.1通訊網絡

1.1.1網絡選型據不完全統計，用于現場智能設備互聯的總線網絡有40多種，但常用于艦船監控網絡的主要有CAN總線、485總線、Profibus總線和Profinet總線。CAN總線的數據通訊采用CAN協議，物理接口為CAN接口，具有突出的可靠性、實時性和靈活性。但其不能直接與Internet互聯，若要聯網，則需要專用的接口卡和特定的網關，數據傳輸速率最低為1Mb/s時其傳輸距離約40m。485總線主要采用Modbus通訊協議，物理接口為RS-485串行接口，其特點是結構簡單、成本低廉，適合小型監控系統，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），組態配置靈活，可以實現總線供電。但Profibus的參數不容易設定，在網絡增加、刪除節點時需要進行邏輯環重構。Profinet總線是一種基于工業以太網的通信解決方案。一種總線多種協議并存，硬件實時通訊部分（S7通訊協議）和軟件實時通訊部分（標準TCP/IP協議）經過優化后可以同時在一條總線上運行，這樣既保證了通訊的可靠性，同時也滿足了通訊的快速性，其節點的擴、減均十分方便，具有很大的靈活性。Profinet是基于ASIC專用芯片的硬件實時通訊的現場總線，由于其通訊速率達100Mb/s，在寬帶范圍內，Profinet的通訊性能甚至要優于ProfibusDP，而其可靠性則要遠遠高于普通工業以太網，是未來監控系統發展的方向。根據上述分析、對比，結合大型船舶燃油輸送監控系統測控點多且分散的特點，確定選用Profinet總線做為其現場網絡。

1.1.2通訊網絡的原理1）系統組成及數據流向。監控裝置主要由機電集控室2臺中央控制站微機、1臺數據處理微機、6臺分站和遠程I/O處理模塊等組成。數據流向（圖1）如下：（1）各分站采集各自所屬的遠程I/O信號，處理后將信息分別發送到3臺監控微機。（2）各監控微機分別向各分站發送控制指令。（3）各監控微機之間相互交換部位切換和授權等信息。2）數據流量及帶寬要求。（1）測點統計：總點數約為1000點。（2）帶寬需求計算。分站與監控微機之間的通訊協議為基于TCP/IP的S7協議，可初步估算傳送幀所需的字節數：根據各個分站的測點統計，一個分站與一臺監控微機之間傳送的信息量平均為200點參數（含監測、控制和報警信息）；根據基于TCP/IP的S7協議規定，1次需傳送完200點參數信息，因此，傳送幀的帶寬約為2kb。為滿足監控微機界面數據1~2s內刷新一次的要求，6個分站應在500ms內完成1次與1臺監控微機的數據傳送；又由于基于TCP/IP的S7協議中加入了令牌機制，所有分站不能同時傳送數據，因此6個分站只能依次獲取令牌與1臺監控微機進行數據傳送；所以，若要滿足監控微機界面數據刷新的實時性要求，1個分站應在1/12s內完成1次與1臺監控微機的數據傳送，交換頻率為每秒12次。基于TCP/IP的S7協議是面向連接的（connection-oriented），即分站要分別與2臺機電集控室燃油輸送監控微機和1臺數據處理微機共建立3個連接，同樣的數據幀要求每臺監控微機傳送1次，共計3次。集控室燃油監控微機與平臺主干網管理系統交互的信息為檢測信息190點，報警信息30點，傳送幀的帶寬約為3kb。為滿足監控微機界面數據1~2s內刷新一次的要求，燃油監控微機應在500ms內完成1次與平臺主干網管理系統1臺監控微機的數據傳送。因此，要滿足監控微機界面數據刷新的實時性要求，監控微機就應在1/2s內完成1次與1臺平臺主干網管理系統監控微機的數據傳送，交換頻率為每秒2次。由于是與平臺主干網管理系統1臺監控微機進行數據傳送，因此連接數為1。

1.2體系架構

燃油輸送移注監控裝置采用網絡化、模塊化結構設計。結合平臺主干網強大的通訊保障能力，以及成熟的現場總線技術，將傳感器、控制驅動機構、現場采集處理模塊、監控分站和各級監控主站等設備集成為一個適合燃油輸送系統的扁平化3級架構的監控裝置。基本原理如圖2所示。

1.3傳感器選型

1.3.1連續液位傳感器傳感器的選型要滿足環境條件的需求，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滿足船舶環境要求：高溫、高濕（有凝露）、煙霧、霉菌，以及傾斜搖擺。

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

1.3.3溫度傳感器油艙及管路溫度傳感器使用傳統熱電阻式傳感器配以溫變模塊，選型中，需根據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數據采集處理系統

1.4.1數據采集處理模塊數據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、閥門監控等）；2）通過Profinet現場總線，將信息發送到對應的監控分站；3）按監控分站指令信息，控制驅動相應的執行單元（泵、閥）。數據采集處理模塊原理：利用系統現場分布式I/O，進行A/D和D/A轉換，把指令數據通訊信號轉為電壓、電流驅動信號，控制對應的驅動機構（泵、閥），采集處理液位、油溫、閥位等信號，并發送到監控分站。

1.4.2監控分站燃油輸送監控分站的功能：1）收集所屬分區內所有現場采集單元的監控信息。2）通過平臺主干網，傳送監控信息到各監控主站。3）根據中央控制臺發送到分站的控制指令，對相對應的泵和閥進行開關控制。4）向數據采集處理模塊提供24VDC電源。5）分站數據采集濾波功能：每個循環分站對遠程I/O端口進行一次掃描，并進行濾波。6）分站報警處理功能：對每次處理好的數據進行報警設置，并把處理結果發給中央監控臺進行報警顯示。燃油輸送監控分站工作原理：利用分站的PLC主機和網卡向上接入全艦平臺主干網和控制主站進行數據通訊，向下接Profinet現場總線和分區內的各個數據采集處理模塊進行數據通訊，對上位的控制指令和下位的監測信息進行上傳下達。

1.4.3監控主站1）監測原理及功能。監控主站實時監測燃油液位、溫度、液位高低位及燃油輸送泵運行狀態等參數，現場信號經采集變換后，通過Profinet總線傳輸至分站，分站與上層加固微機通過建立在平臺主干網上的虛擬以太網進行數據交換。在中央監控臺上主要實現如下監測功能：（1）參數顯示功能：對所有監測的參數進行實時顯示。（2）報警功能：對各超限參數可進行實時聲光報警。（3）數據共享功能：通過OPC服務器向管理部門提供油艙的液位和油量等數據。2）控制原理及功能。控制的主要原理為：在遙控狀態下監控主站程序，檢查、檢驗油艙聯鎖條件，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，將燃油輸送泵、閥的控制等指令傳送到監測分站，然后由監測分站通過Profinet總線傳送到相關閥件和燃油輸送泵的控制箱，最后由燃油輸送泵控制箱實現泵的遙控。

1.5軟件開發研究

軟件的編制采用WindowsXP環境下的LabVIEW編程［11］，通過數據采集、人機對話、參數顯示、報警記錄和圖形顯示等來實現對燃油系統有關參數的記錄和監測，并對一些泵和閥進行控制。4所示，數據采集處理模塊程序框圖如圖5所示。

2測試與交驗

2.1聯調測試試驗目的：檢查裝置內、外部接口的正確性和協調性；檢查裝置功能的正確性和完整性。主要進行了如下測試：1）系統監測控制功能調試；

2）系統與傳感器的匹配調試；3）模擬實船布置的系統功能測試等。其中，模擬實船布置是指將監控分站與監測模塊之間的供電和通訊電纜的距離按照實船最大的供電和通訊電纜長度進行敷設測試。在模擬實船布置的系統功能測試中，出現了當布置在監控分站以下的數據采集處理模塊超過4級時其配置的液位傳感器不能正常啟動的故障。原因分析：監控分站以下數據采集處理模塊的供電及通訊電纜的連接方式為串式拓撲，系統設備設計供電模式為長距離直流供電，為保證數據采集處理模塊的電壓處于規定范圍內，每個模塊內部均設置了開關電源模塊用以升壓穩壓。模塊使用的電源為監控分站內從西門子SITOP電源AC380V轉換來的DC24V。由于同一條線纜上的開關電源模塊數量過多，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級時在末端造成直流供電DC24V出現了約±2V的紋波；另高精度的導波液位傳感器對紋波敏感，超過±1V即無法開機。查找到原因后，修改了設計，從監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據處理模塊不超過2個。經測試，在2級時，紋波降低至±0.3V，液位傳感器能正常使用。通過陸上聯調試驗，解決了裝船設計問題。

2.2實船測試

主要進行傳感器測試、單機恢復試驗、聯調試驗和功能效用試驗等。試驗方法有模擬法或效用法。連續液位傳感器的調試需要借助測深尺進行零位校核。測量精度檢查，是采用注入或抽出相應液體的方法增加或減少艙容，每個液艙抽驗不少于3點（低位、中位、高位），用經檢驗合格的測深尺將測得的讀數與液位測量裝置測量的讀數進行比較，判斷其誤差大小，然后進行相應的處理。對于泵和閥的遙控，先進行空載試驗，成功后再進行負荷試驗。所有單機檢測完成后，進行聯調試驗和功能效用試驗，重點檢查測試監控軟件的正確性和可靠性，以及網絡共享數據的完整性和實時性，最終完成全部試驗，交付用戶。

3結語

由于在設計前對技術體制進行了反復論證，開展設計后經過了樣機驗證，制造完畢交付前又經過了陸上聯調試驗，因而解決了原理驗證和裝船設計問題，保證了系統研制的成功。經過船上調試，最終解決了適配性問題和功能問題。本系統的成功研制，提高了同類船舶燃油輸送系統的自動化水平。

作者：張建平 庹艾莉 辛宇 單位：中國艦船研究設計中心