熊 瑛 許 建 駱立強 危 嵩

中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064

OPC技術(shù)在船舶綜合平臺管理系統(tǒng)中的應用

熊 瑛 許 建 駱立強 危 嵩

中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064

將平臺系統(tǒng)的集成作為研究目標，采用OPC技術(shù)將以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線進行集成，提出了Vxworks嵌入式操作系統(tǒng)下的OPC數(shù)據(jù)存取服務器對象設計方案，實現(xiàn)了基于OPC技術(shù)的綜合平臺管理系統(tǒng)，最后通過試驗，測試了該系統(tǒng)的可靠性和實時性。

船舶；綜合平臺管理系統(tǒng)；現(xiàn)場總線；以太網(wǎng)

1 引言

綜合平臺管理系統(tǒng)（IPMS）總體設計目標是應用計算機網(wǎng)絡技術(shù)集成各種數(shù)據(jù)和信息，提供高速的數(shù)據(jù)共享和通信、處理平臺，把機電控制、集成駕駛、閉路電視、通信、故障診斷、模擬訓練、公用信息發(fā)布和航行管理等各種應用集成到一個整體框架內(nèi)，以文字、表格和圖像等各種表現(xiàn)形式把船舶主要的航海和輪機等的組態(tài)信息提供給船岸相關(guān)決策人員，使他們能夠及時全面掌握整個船舶的狀況，實現(xiàn)船岸一體化的信息交換、監(jiān)控和管理，船岸信息的實時共享和交互，進而實現(xiàn)對船舶的實時監(jiān)控，提高管理層的調(diào)度和經(jīng)營、決策能力，提高船舶的整體操控水平和安全、生存能力［1－3］。

現(xiàn)在船舶中使用的控制軟件在開放性、伸縮性、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)等方面存在不足，限制了先進控制技術(shù)在船舶中的運用。在船舶中實施先進控制的主要難點在于船舶控制過程的復雜性和缺少有效的集成機制。OPC技術(shù)作為工業(yè)控制領(lǐng)域的一種技術(shù)，在實現(xiàn)控制一體化過程中，很方便地實現(xiàn)了多種控制領(lǐng)域現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)之間的互聯(lián)互通，實現(xiàn)了接口標準化。目前我國船舶平臺系統(tǒng)控制網(wǎng)絡大多為CAN總線。本文主要研究采用OPC技術(shù)實現(xiàn)以太網(wǎng)與CAN總線集成的方法，提出OPC數(shù)據(jù)存取服務器對象的設計方案，并實現(xiàn)基于OPC技術(shù)的IPMS。

2 信息集成機制

船舶中的航行、動力、電站、輔機等子系統(tǒng)設備可能來自不同的制造商，遵從不同的通信標準，這給信息的采集與交換帶來了困難。因此，船舶信息集成需要實現(xiàn)多型控制網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡的互聯(lián)。集成信息通過數(shù)據(jù)庫接口存到服務器的數(shù)據(jù)庫中，從而在IPMS中實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。船舶下層現(xiàn)場總線網(wǎng)絡和上層Ethernet管理網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交互一般通過專用網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)，通過網(wǎng)關(guān)連接船舶下層控制網(wǎng)，然后經(jīng)網(wǎng)關(guān)連接到IPMS，以完成兩個異種網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)共享。構(gòu)建IPMS實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的方式有很多，比如用Socket、中間件技術(shù)等［4－9］。

利用Socket技術(shù)實現(xiàn)控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡間的互聯(lián)，網(wǎng)關(guān)同時連接到現(xiàn)場總線和Ethernet兩個網(wǎng)絡，它對控制網(wǎng)絡設備提供標準的現(xiàn)場總線接口，使得控制設備的各種信息能夠進入網(wǎng)關(guān)，同時還提供標準的Ethernet網(wǎng)口，使信息網(wǎng)絡的節(jié)點能夠接收網(wǎng)關(guān)發(fā)來的現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)。專用網(wǎng)關(guān)在Ethernet管理網(wǎng)上與IPMS每一個多功能工作站相連，通過Ethernet網(wǎng)口經(jīng)Socket來實現(xiàn)通信，實現(xiàn)系統(tǒng)集成。這種方式的優(yōu)點是通信效率高，缺點是集成靈活性差。

中間件提供了靈活性和擴展性，利用中間件實現(xiàn)船舶信息集成將簡化集成難度，降低開發(fā)工作量。中間件技術(shù)主要包括：數(shù)據(jù)庫存取、面向消息的中間件、分布式對象和應用服務器等。OPC技術(shù)本質(zhì)是采用了Microsoft的COM／DCOM（組件對象模型／分布式組件對象模型）技術(shù)，COM主要是為了實現(xiàn)組件的復用和互操作，并且為基于Windows的程序提供統(tǒng)一的、可擴充的、面向?qū)ο蟮耐ㄐ艆f(xié)議，DCOM是COM技術(shù)在分布式計算領(lǐng)域的發(fā)展，是分布對象計算中一個比較完整的平臺。Wind River公司把VxWorks與DCOM中間件技術(shù)集成在一起，實現(xiàn)了DCOM從Windows到VxWorks跨平臺操作。這種方式的優(yōu)點是可靠性高，缺點是需要對DCOM有較深了解。

3 基于OPC技術(shù)的船舶信息采集

3.1 OPC規(guī)范

OPC是用于過程控制的對象鏈接嵌入技術(shù)［10－11］。它是世界上多個自動化大公司、軟硬件供應商和微軟聯(lián)合開發(fā)的一套工業(yè)標準。OPC技術(shù)建立了一組符合工業(yè)控制要求的接口規(guī)范，將現(xiàn)場信號按照統(tǒng)一的標準與SCADA、HMI等軟件無縫連接起來，同時將硬件和應用軟件有效地分離開。只要硬件開發(fā)商提供帶有OPC接口的服務器，任何支持OPC接口的客戶程序均可采用統(tǒng)一的方式讀取這些設備的數(shù)據(jù)，無須重復開發(fā)驅(qū)動程序。這樣大大提高了控制系統(tǒng)的互操作性和適應性。OPC的出現(xiàn)解決了工業(yè)控制“自動化孤島”的瓶頸問題，把硬件和軟件廠商分離開來，提供了從設備和數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)源獲得數(shù)據(jù)的通信機制，通過提供帶有OPC接口的服務器，使任何帶有OPC接口的客戶程序均以統(tǒng)一的方式存取不同廠商的設備數(shù)據(jù)，解決了不同廠家設備之間不能通信的問題，從而可將多種現(xiàn)場總線集成在一個可以互操作的網(wǎng)絡平臺下。

OPC數(shù)據(jù)存取規(guī)范是由OPC基金會發(fā)布的OPCDA自定義接口規(guī)范。該規(guī)范分為定制接口規(guī)范和自動化接口規(guī)范。其中，定制接口規(guī)范主要描述了OPC組件對象的定制接口及其方法，自定義接口規(guī)范主要描述了OPC組件的自動化接口，它方便了VB、Dephi和其它支持自動化的產(chǎn)品與OPC服務器連接。

OPC數(shù)據(jù)存取服務器定制接口主要包含3類對象：OPC服務器對象 （Server）、OPC組對象（Group）、OPC項目對象（Item）。OPC服務器對象維護有關(guān)服務器的信息并作為OPC組對象的包容器，可動態(tài)地創(chuàng)建或釋放組對象；OPC組對象除了維護有關(guān)自身的信息，還提供了包容OPC項的機制，邏輯上管理OPC項；OPC項表示了與OPC服務器中數(shù)據(jù)的連接。

3.2 OPC數(shù)據(jù)存取服務器的設計

OPC數(shù)據(jù)存取服務器具有數(shù)據(jù)采集的功能。它的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由服務器對象、組對象、項對象、數(shù)據(jù)存儲區(qū)、CAN卡驅(qū)動和CAN收發(fā)程序組成。由于不同的OPC組可以有單獨的更新率，所以OPC服務器為每個OPC組分別創(chuàng)建了一個掃描線程。OPC數(shù)據(jù)存取服務器負責接收下層CAN網(wǎng)絡發(fā)送的實時報文，同時根據(jù)不同報文的ID號解析出CAN報文中的數(shù)據(jù)信息，將此數(shù)據(jù)存儲在本機指定區(qū)域內(nèi)，OPC客戶端采用Windows操作系統(tǒng)調(diào)用OPC服務器接口，從數(shù)據(jù)存儲區(qū)中讀取相應數(shù)據(jù)，并在界面上實時顯示。同時OPC服務器負責將客戶端通過OPC接口寫入的控制信息發(fā)送給CAN網(wǎng)絡中的節(jié)點。

圖1 OPC數(shù)據(jù)存取服務器結(jié)構(gòu)示意圖

下面給出實現(xiàn)OPC數(shù)據(jù)存取服務器的主要步驟：

1）制作適合目標機環(huán)境的啟動軟盤，建立主機和目標機的連接。

2）開發(fā)Vxworks實時操作系統(tǒng)下CAN接口卡接收程序，將接收到的CAN報文信息根據(jù)CAN報文ID解析出數(shù)據(jù)部分，并將該數(shù)據(jù)賦值給相應的全局變量存儲起來。

3）開發(fā)Vxworks實時操作系統(tǒng)下CAN接口卡的發(fā)送程序，用于將保存的監(jiān)控臺的控制信息以預定的CAN報文ID及相應的CAN報文幀格式發(fā)送給電羅經(jīng)節(jié)點。

4）使用Tornado向?qū)梢粋€WIND NET OPC數(shù)據(jù)存取演示服務器工程，配置FTP和Tar鄄get Server。

5）修改OPC服務器名稱、類標識和服務器描述，實現(xiàn)COM庫的初始化功能和OPC數(shù)據(jù)存取服務器類對象。

6）定義Tag和Tag Group用于描述現(xiàn)場設備中的具體數(shù)據(jù)項，項對象通過它們與具體的數(shù)據(jù)源連接。在OPC服務器中將每個全局變量都賦值給數(shù)據(jù)存儲區(qū)中的Tag，并將從同一個節(jié)點發(fā)出的CAN報文的數(shù)據(jù)編成一組，即為Tag Group，同時將Tag系統(tǒng)封裝在DA類文檔中。

7）在Tornado集成開發(fā)環(huán)境中編譯該工程，將WIND NET OPC數(shù)據(jù)存取服務器與演示客戶端連接起來，測試運行。

3.3 基于OPC技術(shù)的IPMS

以某型船舶為例，基于OPC技術(shù)的IPMS結(jié)構(gòu)如圖2所示。

整個系統(tǒng)可以分為現(xiàn)場設備層、中間件層和優(yōu)化控制層。

1）現(xiàn)場設備層是控制核心，所有現(xiàn)場設備通過兩種方式接入網(wǎng)絡：智能傳感器、執(zhí)行器、現(xiàn)場指示器等經(jīng)過數(shù)字化處理后都直接掛接在設備層的現(xiàn)場網(wǎng)絡上，普通的傳感器和執(zhí)行器則是通過具有相應數(shù)據(jù)處理能力的“機旁信號處理箱”連接到現(xiàn)場網(wǎng)絡上，最終通過現(xiàn)場操控站接入網(wǎng)絡；對現(xiàn)場設備相對集中的情況，可采用遠程終端模式。

2）中間件層主要由一些OPC服務器組成。對于支持OPC接口的現(xiàn)場總線以及以太網(wǎng)接口的設備，分別通過軟硬件接口和Ethernet／IP方法連接到服務器，通過OPC服務器對底層實時數(shù)據(jù)進行封裝，OPC客戶端可以通過OPC服務器接口存取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)信息流的縱向流動；在設備層橫向通信方面，OPC服務器之間可以通過標準接口規(guī)范進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)底層設備的互操作。對于優(yōu)化控制層方面來說，它通過抽象的接口提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳送機制，大大降低了現(xiàn)場實施的復雜性，同時提高了基于OPC技術(shù)的先進控制軟件的可重用性。

3）優(yōu)化控制層主要由 OPC客戶端程序組成，它的主要任務是讀取中間件層OPC服務器傳送的現(xiàn)場硬件數(shù)據(jù)，并把控制命令下傳給中間件層，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場硬件設備的控制。

IPMS就是要把現(xiàn)有的自動化裝置采集的數(shù)據(jù)，如監(jiān)測系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)等實時數(shù)據(jù)，經(jīng)過加工處理后存入上層管理網(wǎng)上的共享數(shù)據(jù)庫；同時把上層管理數(shù)據(jù)，如船舶日常管理所需的各種數(shù)據(jù)也存入數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)兩種不同級別數(shù)據(jù)的集成，進而實現(xiàn)全船數(shù)據(jù)共享提高船舶的總體監(jiān)控水平。

IPMS通過基于子系統(tǒng)的平等方式進行系統(tǒng)集成，以滿足下層現(xiàn)場控制網(wǎng)各個系統(tǒng)以平等方式接入。IPMS運行高性能的集成數(shù)據(jù)庫，各子系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)通過下層現(xiàn)場控制網(wǎng)傳輸?shù)竭\行OPC Server的嵌入式網(wǎng)關(guān)，由此網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換后存入到本地嵌入式數(shù)據(jù)庫，并同時發(fā)送給上層管理網(wǎng)絡。IPMS通過裝有系統(tǒng)核心調(diào)度程序的多功能工作站對各子系統(tǒng)實現(xiàn)統(tǒng)一管理、監(jiān)控和信息交換。

圖2 基于OPC技術(shù)的IPMS結(jié)構(gòu)圖

IPMS既能保持現(xiàn)有船舶上自動化設備的相對獨立性，提高數(shù)據(jù)存儲和分析處理能力，又能實現(xiàn)船舶各種信息的集成。IPMS提供一個開放的信息平臺，采集并轉(zhuǎn)換各現(xiàn)場設備子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，建立統(tǒng)一的開放數(shù)據(jù)庫，使IPMS可以自由選擇所需數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)對全船開放，實現(xiàn)信息資源共享。

4 試驗測試與分析

4.1 系統(tǒng)運行原理

系統(tǒng)硬件環(huán)境由綜導顯控臺、監(jiān)控臺、OPC服務器、GPS、自動舵和平臺羅經(jīng)6部分組成。其中綜導顯控臺和監(jiān)控臺通過以太網(wǎng)交換機連接，構(gòu)成以太網(wǎng)。GPS自動舵和平臺羅經(jīng)連接成CAN總線網(wǎng)絡。OPC服務器安裝CAN接口卡和以太網(wǎng)網(wǎng)卡，同時接入以太網(wǎng)和CAN總線網(wǎng)絡。作為網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)兩個網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

GPS、自動舵和平臺羅經(jīng)周期性地向OPC數(shù)據(jù)存取服務器節(jié)點發(fā)送實時狀態(tài)數(shù)據(jù)；OPC數(shù)據(jù)存取服務器收到數(shù)據(jù)后，直接存儲在本機指定區(qū)域內(nèi)，OPC數(shù)據(jù)存取服務器負責對存儲區(qū)進行管理與維護；綜導顯控臺和監(jiān)控臺作為OPC客戶端，調(diào)用OPC數(shù)據(jù)存取服務器接口，從數(shù)據(jù)存儲區(qū)中讀取GPS、自動舵和平臺羅經(jīng)，并在界面上顯示。同時監(jiān)控臺通過OPC數(shù)據(jù)存取服務器的接口，向自動舵發(fā)送控制指令，由OPC數(shù)據(jù)存取服務器轉(zhuǎn)發(fā)給自動舵節(jié)點。

4.2 CAN總線和以太網(wǎng)信息集成系統(tǒng)試驗

該試驗主要測試利用OPC技術(shù)實現(xiàn)Vxworks環(huán)境下CAN總線網(wǎng)絡與以太網(wǎng)互聯(lián)互通，驗證利用OPC技術(shù)實現(xiàn)兩種網(wǎng)絡的信息集成能力。測試環(huán)境如圖3所示。

測試內(nèi)容：GPS、自動舵和平臺羅經(jīng)節(jié)點周期發(fā)送自身的狀態(tài)數(shù)據(jù)，測試OPC服務器是否收到數(shù)據(jù)；在上一步基礎(chǔ)上，檢查監(jiān)控臺和綜導顯控臺是否收到正確的狀態(tài)數(shù)據(jù)；在監(jiān)控臺界面上，通過OPC接口操作，發(fā)送導航控制指令給自動舵，檢查該功能是否正常執(zhí)行。

測試結(jié)果：在CAN總線網(wǎng)絡設置為125K波特率情況下，OPC服務器能夠收到GPS、電羅經(jīng)、磁羅經(jīng)節(jié)點通過CAN總線發(fā)送的周期數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)給綜導顯控臺和監(jiān)控臺顯示，自動舵節(jié)點能夠正確收到導航控制指令數(shù)據(jù)。OPC服務器數(shù)據(jù)準發(fā)功能測試如圖4所示。通過試驗驗證了利用OPC技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡信息集成是可行的。

圖3 CAN／Ethernet信息集成系統(tǒng)試驗示意圖

圖4 OPC服務器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能測試

5 結(jié)束語

在IPMS中使用OPC技術(shù)，就是在控制網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡之間增加一個“軟總線”中間件層，該中間件層向工作在控制網(wǎng)絡中的現(xiàn)場設備、IPMS信息網(wǎng)絡中的高層管理軟件提供面向?qū)ο蟮拈_放、一致、標準的接口規(guī)范，實現(xiàn)各種自動控制軟硬件“即插即用”的功能，有效解決控制系統(tǒng)I／O驅(qū)動，以及異種控制網(wǎng)絡和系統(tǒng)的互連、互通問題，具有高效的可伸縮性、互操作性，能夠方便地實現(xiàn)分布式環(huán)境下跨控制網(wǎng)絡／信息網(wǎng)絡、跨平臺、跨應用、模塊化組合應用。船舶綜合平臺管理系統(tǒng)的建立，在一定程度上會提高建成的管理水平和自動化程度。

［1］邵開文，馬運義.艦船技術(shù)與設計概述［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

［2］陳亞杰，段征，劉予學.船舶集成平臺管理系統(tǒng)研究［J］.柴油機，2005，27（2）：42-45.

［3］黃龍水，孫允標.船舶綜合平臺管理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)分析［J］.艦船電子工程，2004，24（6）：50-54.

［4］陳海鵬，解洪成.船舶綜合平臺管理系統(tǒng)總體設計研究初探［J］.艦船電子工程，2001，24（3）：3－4.

［5］丁承衛(wèi)，曹征宇.船舶網(wǎng)絡平臺系統(tǒng)［J］.船舶，2004（6）：52-54.

［6］任悅琴，徐慧.艦船綜合平臺管理系統(tǒng)［J］.艦船科學技術(shù)，2005，27（6）：105-108.

［7］POWELL L，Platform Management System in the Royal Navy today and tomorrow［M］.United Kingdom，1998.

［8］HULSEGGE E，Platform Management System of the New Dutch Frigate［M］.Rotterdam，2000.

［9］韓旗，冒如權(quán).艦船綜合平臺管理系統(tǒng)網(wǎng)絡形式探討［J］.船舶，2004（4）：56-58.

［10］鄭萍，李英，潘世永.基于Ethernet的全開放工業(yè)控制網(wǎng)絡［J］.工業(yè)儀表與自動裝置，2001（3）：6-9.

［11］陳偉彬，劉曉光，凌志浩，等.“工控軟件互操作規(guī)范OPC技術(shù)”講座——第11講 OPC技術(shù)在控制系統(tǒng)集成中的應用［J］.自動化儀表，2003，24（3）：67－70.

Application of OPC Technology in Ship's Integrated Platform Management System

Xiong Ying Xu Jian Luo Li－qiang Wei Song
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Taking platform system integration as the object the research integrated Ethernet and field bus based on OPC technology.It also proposed a design option for OPC data access server，which worked in Vx鄄works embedded RTOS，and thus sucessfully applied OPC technology in Integrated Platform Management System（IPMS）.Finally the system's reliability and real－time property were verified through experiments.

ship；Integrated Platform Management System（IPMS）；field bus；Ethernet

TP391.9

A

1673－3185（2009）06－58－04

2009-02-11

海軍裝備預研項目（101050401××××）

熊 瑛（1978－），男，博士研究生。研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設計制造。E鄄mail：yxiong78@yahoo.com.cn

許 建（1963－），男，研究員，博士生導師。研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設計制造