基于Profibus現場總線的船用恒壓供水系統?

閆登輝 張會新 楊曉蕾

（中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室 太原 030051）

1 引言

船舶供水系統的作用是滿足船上人員日常生活用水的需要，該系統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展，船舶供水系統成為大型船舶不可缺少的組成部分［2］。傳統船舶供水系統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］。傳統的供水系統，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、監控、控制以及管理維護比傳統的供水系統有很大優勢［4］。由PLC 和變頻器組成的供水系統，改善了傳統供水系統的缺點，但是抗干擾能力不強，適合在工廠和城市供水系統中使用。

船舶在航行過程中，可能會遭遇惡劣的環境。為了提高船舶供水系統可靠性，本文利用Profibus（Process Field Bus）現場總線來設計船舶供水系統。由于現場總線是通過數字信號來實現數據傳輸，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 現場總線設計的船舶供水系統，控制精度高，在惡劣環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現場總線

Profibus現場總線是一種數字式、串行、多點的數據總線，是一種用在自動化技術的國際性現場總線標準。在1996 年成為現場總線國際標準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Profibus現場總線技術、研制產品和制定標準。

Profibus 現場總線根據應用方面的不同，分為三種通訊方式：DP（Decentralized Peripherals）、PA（Process Automation）和FMS（Field Message Specifi?cation）［7］。隨著現場總線的不斷發展，Profibus技術也在不斷發生變化，FMS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，適合在危險區域中使用，數據傳輸速率為31.25kbps［8］。Profibus DP 用在現場級的數據傳送，主要用于電氣自動化和設備自動化中的數據交換，通過雙絞線或光纜進行組網，數據傳輸速率為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量和提高通信距離。

Profibus 總線協議結構參照ISO7498 國際標準，以開放式系統互聯網絡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（數據鏈路層）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據鏈路層提供物理聯接，負責數據流的物理傳輸［10］。數據鏈路層在通信實體間建立數據鏈路聯接，負責管理現場總線上的數據傳輸。用戶層規定了用戶、系統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、高效的數據傳輸。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 總線在工業現場的典型應用，Profibus 工業網絡分為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，節約成本。PA 網絡適合在本質安全區域使用，由于可編程控制器沒有PA 接口，所以通過DP/PA 耦合器來實現現場層與控制層的連接［11］。

圖2 Profibus總線的典型應用

3 恒壓供水系統設計

在恒壓供水系統中，需要實時保持供水水壓的穩定，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定水壓。PID 控制可以根據實際水壓與設定水壓的差值來實時調節，實現水壓的穩定。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 是恒壓供水系統的方塊圖。

圖3 恒壓供水系統方塊圖

本系統主要由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，從而實現恒壓供水。系統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 路數字量輸入和16路數字量輸出、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 協議實現通信。PLC 的數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對變頻器頻率的調節。本系統用一臺變頻器控制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 恒壓供水系統連接圖

用上位機組態，觸摸屏進行有關變量的連接，實現對供水現場的控制與監控，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的啟停和供水管道的水壓，并且可以在系統運行的過程中采集各種實時數據，比如變頻器頻率、實時水壓、水泵轉速等。本系統的控制精度較高，完全滿足船用恒壓供水系統的要求。

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。由于Profibus總線采用數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 現場總線設計的船舶供水系統，具有很好的應用前景。