[摘 要]： 由智能傳感器和現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，采用三層線性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以太網(wǎng)層實(shí)現(xiàn)各艙室工作站向指揮艙傳輸數(shù)據(jù)。PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)層采用屏蔽雙絞線連接，AS-I接口網(wǎng)絡(luò)層用于傳感器和執(zhí)行器的聯(lián)網(wǎng)通信。各艙室主站通過PROFIBUS-DP總線以令牌方式與智能傳感器傳輸數(shù)據(jù)。各艙室艇員通過主站控制底層設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)本艙的執(zhí)行器件的監(jiān)控。
0．引言
隨著計(jì)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(diǎn)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(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS：FieldBus Control System）。
1 實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)。為此，實(shí)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。可通過加裝信號(hào)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(shí)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(cè)到數(shù)十種，如表1。潛艇的大氣監(jiān)測(cè)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(cè)。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(duì)上述氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
（3）改進(jìn)深度計(jì)工作方式。為克服傳統(tǒng)深度計(jì)在測(cè)深過程中存在的缺點(diǎn)，可在艇外加裝智能壓力傳感器，將物理信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)傳輸至艇內(nèi)，則保證潛艇員準(zhǔn)確了解潛艇深度。對(duì)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(jì)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(cè)智能傳感器網(wǎng)絡(luò)；
（b）全艇性的氣體監(jiān)測(cè)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(chǎng)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(hào)的現(xiàn)場(chǎng)總現(xiàn)進(jìn)行各個(gè)底層設(shè)備與控制層間的通信，由智能傳感器和現(xiàn)場(chǎng)總線共同構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線共同構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）。目前，現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)共有12種，其中主流的現(xiàn)場(chǎng)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(duì)獨(dú)立，艇員能對(duì)本艙室設(shè)備進(jìn)行操縱，且能將底層數(shù)字信號(hào)傳輸給指揮艙，實(shí)現(xiàn)全艇性系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)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(shí)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(cè)；第二層：PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)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(xiǎn)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(shí)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。總線循環(huán)時(shí)間比主站程序循環(huán)時(shí)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(chǎng)設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報(bào)警處理。總線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。可采用單主或多主系統(tǒng)。通信方式為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（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(gè)從站的輸入和輸出數(shù)據(jù)最大為246字節(jié)。
令牌總線協(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(shí)間內(nèi)與從站或其它主站通信。令牌循環(huán)一周時(shí)間要能保證有足夠時(shí)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(shí)際運(yùn)行周期計(jì)時(shí)的周期計(jì)時(shí)器：②是令牌保持時(shí)間計(jì)時(shí)的持牌計(jì)時(shí)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(duì)底層設(shè)備進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)本艙執(zhí)行器件的監(jiān)控。指揮艙可通過以太網(wǎng)（ETHERNET）對(duì)各艙室數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、監(jiān)測(cè)，并需對(duì)各艙室執(zhí)行器件進(jìn)行控制。
根據(jù)我國(guó)潛艇裝備情況提出智能化升級(jí)方案，引入PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，對(duì)我國(guó)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(shí)，效率較低，且需對(duì)令牌進(jìn)行維護(hù)，避免令牌丟失或令牌重復(fù)，對(duì)該方式的控制電路比較復(fù)雜。
