基于Profibus现场总线的船用恒压供水系统∗

闫登辉 张会新 杨晓蕾

（中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室 太原 030051）

1 引言

船舶供水系统的作用是满足船上人员日常生活用水的需要，该系统是船舶的重要组成部分，其性能好坏将对船舶安全造成直接影响［1］。在人员较少、航行距离短的小型船舶上，用水量不大，为减少设备和简化管理，可以通过码头供给。大型船舶用水量大，特别是远洋船舶，由于海上航行持续时间很长，一般专门设置海水淡化装置制造淡水，来满足船上人员的日常生活。

随着船舶的大型化和智能化发展，船舶供水系统成为大型船舶不可缺少的组成部分［2］。传统船舶供水系统主要是泵在恒定工作频率下运行，通过改变出水管路处截止阀的开度来改变供水量的大小，或在泵的工频工作工况下将水注入压力罐中，通过控制压力罐的压力控制管路终端水压［3］。传统的供水系统，智能化程度低，能量浪费严重。

由于变频技术与PLC 技术的快速发展，PLC 与变频器结合成为了主流的恒压供水方案，其在实用扩展性、监控、控制以及管理维护比传统的供水系统有很大优势［4］。由PLC 和变频器组成的供水系统，改善了传统供水系统的缺点，但是抗干扰能力不强，适合在工厂和城市供水系统中使用。

船舶在航行过程中，可能会遭遇恶劣的环境。为了提高船舶供水系统可靠性，本文利用Profibus（Process Field Bus）现场总线来设计船舶供水系统。由于现场总线是通过数字信号来实现数据传输，与电压和电流信号相比，可以提高控制精度和增强传输信号的抗干扰能力［5］。因此用Profibus 现场总线设计的船舶供水系统，控制精度高，在恶劣环境中的抗干扰能力比较强，可以提高船舶供水的可靠性。

2 Profibus现场总线

Profibus现场总线是一种数字式、串行、多点的数据总线，是一种用在自动化技术的国际性现场总线标准。在1996 年成为现场总线国际标准IEC61158/IEC61784 的组成部分，在2006 年成为中华人民共和国机械工业的国家标准GB/T20540-2006［6］。该总线由Profibus 用户组织提供技术支持，负责组织开发Profibus现场总线技术、研制产品和制定标准。

Profibus 现场总线根据应用方面的不同，分为三种通讯方式：DP（Decentralized Peripherals）、PA（Process Automation）和FMS（Field Message Specifi⁃cation）［7］。随着现场总线的不断发展，Profibus技术也在不断发生变化，FMS目前已经很少使用。

Profibus PA 用于过程自动化控制，可使传感器和执行器共用一条总线，该网络基于屏蔽双绞线线路进行本质安全设计，适合在危险区域中使用，数据传输速率为31.25kbps［8］。Profibus DP 用在现场级的数据传送，主要用于电气自动化和设备自动化中的数据交换，通过双绞线或光缆进行组网，数据传输速率为9.6kbps～12mbps。传输距离和传输速率有关，速率越高，传输距离越短［9］。一个网段连接的设备最多为32 个，可以通过中继器连接不同的网段来增加网络中设备数量和提高通信距离。

Profibus 总线协议结构参照ISO7498 国际标准，以开放式系统互联网络OSI 作为参考模型，并增添了用户层。Profibus DP将其简化为三层，定义了第一层（物理层），第二层（数据链路层）和用户层。物理层是参考模型中的最底层，主要功能是利用传输介质为数据链路层提供物理联接，负责数据流的物理传输［10］。数据链路层在通信实体间建立数据链路联接，负责管理现场总线上的数据传输。用户层规定了用户、系统和不同设备可调用的应用功能，并详细说明了不同设备的设备行为。这种简化的结构可以确保DP 快速、高效的数据传输。DP的参考模型和各层功能如图1所示。

图1 DP参考模型与功能

图2 是Profibus 总线在工业现场的典型应用，Profibus 工业网络分为PA 和DP 网络。DP 网络应用广泛，用远程I/O设备可以减少电缆的使用量，节约成本。PA 网络适合在本质安全区域使用，由于可编程控制器没有PA 接口，所以通过DP/PA 耦合器来实现现场层与控制层的连接［11］。

图2 Profibus总线的典型应用

3 恒压供水系统设计

在恒压供水系统中，需要实时保持供水水压的稳定，但因为各个时间段用水量不一样，所以很难通过某一固定频率来稳定水压。PID 控制可以根据实际水压与设定水压的差值来实时调节，实现水压的稳定。比如当管网压力不足时，增大变频器的输出频率，加快水泵转速，使管网压力上升；反之减小变频器输出的频率，使水压保持恒定［12］。图3 是恒压供水系统的方块图。

图3 恒压供水系统方块图

本系统主要由PC 机、PLC（可编程逻辑控制器）、通信模块、压力传感器、变频器、水泵和触摸屏构成，用Profibus总线对设备进行连接组态，从而实现恒压供水。系统通过用水量压力的变化来改变变频器频率，从而保持供水管道水压的稳定［13］。

PLC 选用西门子公司生产的S7-300PLC，CPU型号为314C-2PN/DP，该型号PLC 自带24 路数字量输入和16路数字量输出、5路模拟量输入和两路模拟量输出，并且集成了Profinet 接口和MPI/DP 接口，最多能扩展31 个模块。触摸屏和变频器都选用集成了Profibus DP接口的型号。

系统连接如图4 所示。PLC 与触摸屏、通信模块与变频器通过Profibus DP 电缆连接，用DP 协议实现通信。PLC 的数字量输出通道控制变频器启停，模拟量输入通道采集压力传感器的信号，通过PID 控制模拟量的输出实现对变频器频率的调节。本系统用一台变频器控制3 个水泵，用水量不大时，一个水泵变频工作就可以满足供水要求；用水量较大时，一个水泵工频工作，一个水泵变频工作；当用水量很大时，两个水泵工频运行，一个水泵变频运行。

图4 恒压供水系统连接图

用上位机组态，触摸屏进行有关变量的连接，实现对供水现场的控制与监控，管理更加方便。触摸屏作为人机交互界面可以远程控制系统的启停和供水管道的水压，并且可以在系统运行的过程中采集各种实时数据，比如变频器频率、实时水压、水泵转速等。本系统的控制精度较高，完全满足船用恒压供水系统的要求。

4 结语

船舶的大型化和智能化水平反映了一个国家的科技实力，船舶自动化系统水平的高低决定着船舶的先进程度。本文首先阐述了船用恒压供水系统的重要性，其次对Profibus总线进行了基本介绍，在此基础上构建了基于Profibus总线的船用恒压供水系统。由于Profibus总线采用数字信号进行信息传输，能够提高控制精度和增强抗干扰能力。因此用Profibus 现场总线设计的船舶供水系统，具有很好的应用前景。