吳晶 葉翠安 盧曉春

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510800）

1 引言

船舶機(jī)艙為典型的惡劣環(huán)境下的復(fù)雜系統(tǒng)，機(jī)艙內(nèi)設(shè)施眾多，信號(hào)數(shù)據(jù)量大，可變因素較多，過(guò)程控制的程度復(fù)雜。實(shí)現(xiàn)機(jī)艙內(nèi)設(shè)施動(dòng)態(tài)技術(shù)參數(shù)的自動(dòng)測(cè)控對(duì)于安全航行有著重要意義，也是實(shí)現(xiàn)船舶自動(dòng)化，無(wú)人機(jī)艙的保障。

目前控制網(wǎng)絡(luò)的底層設(shè)備，不同廠家的設(shè)備具有不同的通信機(jī)制，底層通信模塊接口復(fù)雜，不具有開(kāi)放性、通用性，不利于先進(jìn)技術(shù)的集成及先進(jìn)控制技術(shù)在船舶中的應(yīng)用。文中采用OPC技術(shù)，客戶端應(yīng)用軟件作為 OPC Client，通過(guò)OPC規(guī)范接口來(lái)讀寫(xiě)現(xiàn)場(chǎng)的信息，使得測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)易于技術(shù)集成，顯著降低集成難度，開(kāi)發(fā)工作量減少，降低了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采用的自動(dòng)化的儀器儀表種類越來(lái)越多，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)也逐漸要求從車間級(jí)匯入到整個(gè)企業(yè)信息系統(tǒng)中，與企業(yè)的上層管理系統(tǒng)結(jié)合到一起。OPC （Ole for Proccess Control）是在此背景下產(chǎn)生與發(fā)展起來(lái)的[1]。

OPC是一套在基于 Windows操作平臺(tái)的工業(yè)應(yīng)用程序之間提供高效的信息集成和多功能的組件對(duì)象模型接口標(biāo)準(zhǔn)，它以微軟的組件對(duì)象模型COM/DCOM/COM+技術(shù)為技術(shù)基礎(chǔ)采用客戶/服務(wù)器模式（c/s）[1]。OPC標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)點(diǎn)是：①高速的數(shù)據(jù)傳輸性能；②節(jié)省多種采用服務(wù)器、硬件驅(qū)動(dòng)的昂貴開(kāi)銷，降低了開(kāi)發(fā)成本；③具有開(kāi)放性，互聯(lián)性，總之，OPC最主要的目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)靈活、高效、方便地獲取數(shù)據(jù)，易于掌握和實(shí)施、即插即用。船舶機(jī)艙OPC技術(shù)測(cè)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 OPC客戶/服務(wù)器關(guān)系圖

機(jī)艙集中測(cè)控系統(tǒng)是機(jī)艙內(nèi)必不可少的設(shè)備，是機(jī)艙各設(shè)備可靠、安全運(yùn)行的保證，是機(jī)艙自動(dòng)化的基礎(chǔ)。船舶機(jī)艙中測(cè)量點(diǎn)有時(shí)可以高達(dá)幾百個(gè)，有各種各樣的物理量，如溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、粘度、流量、水中含油量、油霧濃度、濕度、有功功率、頻率、相位以及各種的開(kāi)關(guān)量。既有非電量，又有電量，有很多模擬量，也有不少開(kāi)關(guān)量。測(cè)控系統(tǒng)除了要對(duì)眾多參數(shù)進(jìn)行測(cè)量顯示外、還應(yīng)進(jìn)行自動(dòng)控制、調(diào)整、管理等功能，即應(yīng)具備對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)行累計(jì)、統(tǒng)計(jì)、線形化、各種運(yùn)算等，對(duì)過(guò)程的狀態(tài)、成分、濃度等自動(dòng)控制，對(duì)設(shè)備的管理，報(bào)警與事件追憶，打印等功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)組成

測(cè)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)中，采用目前的新技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，整體上主要采用Client/Server結(jié)構(gòu)。如圖2所示，基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)。操作站采用標(biāo)準(zhǔn)工控機(jī)（IPC），用可編程序控制器PLC做控制站，OPC服務(wù)器作現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如傳感器、閥門(mén)、執(zhí)行器、PLC和操作站HMI軟件間的網(wǎng)關(guān)，是用于將生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到操作站 HMI和其他顯示客戶端，構(gòu)成了OPC技術(shù)的船舶機(jī)艙實(shí)時(shí)信息的集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，可以與航運(yùn)企業(yè)MES、IPMS（integrated platfom management system）等信息化系統(tǒng)進(jìn)行互連[3]。

圖2 機(jī)艙測(cè)控系統(tǒng)原理圖

2.2 傳感器的選擇

機(jī)艙設(shè)備層設(shè)備信號(hào)檢測(cè)采用一體化二線制智能、數(shù)顯型傳感器，信號(hào)輸出是4-20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。變送器采用優(yōu)質(zhì)環(huán)氧樹(shù)酯封裝，使用環(huán)境溫度寬，耐腐蝕，耐振動(dòng)，可靠性高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，安裝方便；采用二線制傳輸標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，兩根線既能供電又能同時(shí)傳輸信號(hào)，傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，不影響變送器的精度，可減少系統(tǒng)成本，可直接接到二次儀表上顯示參數(shù)，特別適用于計(jì)算機(jī)多路數(shù)據(jù)采集、集中控制系統(tǒng)。

2.3 確定通道和類型及個(gè)數(shù)

依據(jù)船舶建造與入級(jí)規(guī)范的要求，確定測(cè)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃，系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集控制點(diǎn)的個(gè)數(shù)，通道類型，測(cè)量變送輸出的種類等，如表 1所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)的配置一覽表

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)控系統(tǒng)管理軟件平臺(tái)的建立

系統(tǒng)的軟件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境是利用北京力控科技公司的監(jiān)控組態(tài)工具軟件V6.0，是面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)環(huán)境，具有友好的開(kāi)發(fā)環(huán)境、高效的數(shù)據(jù)處理能力、完善的用戶安全管理、良好的開(kāi)放性等特點(diǎn)。利用其靈活多樣的組態(tài)方式，進(jìn)行系統(tǒng)硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)集成，實(shí)現(xiàn)界面顯示，報(bào)警與事件，管理報(bào)表，信號(hào)處理，打印系統(tǒng)，設(shè)備管理。圖3為系統(tǒng)總貌圖，表2為各參數(shù)點(diǎn)的設(shè)置。

表2 各參數(shù)點(diǎn)的編制(部分)

3.2 系統(tǒng)冗余的處理

根據(jù)機(jī)艙監(jiān)控過(guò)程比較復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)的安全性和容錯(cuò)性要求比較高的特點(diǎn)，由力控軟件組成，設(shè)計(jì)了上位機(jī)單網(wǎng)雙機(jī)冗余系統(tǒng)，設(shè)置兩臺(tái)控制上位機(jī)，正常情況一臺(tái)控制，一臺(tái)備用；備用機(jī)實(shí)時(shí)讀取控制機(jī)的相關(guān)信息，保持程序、數(shù)據(jù)狀態(tài)等和控制機(jī)保持一致；在控制機(jī)故障時(shí)，備用機(jī)實(shí)時(shí)切換到控制狀態(tài)，此時(shí)備用機(jī)變?yōu)榭刂茩C(jī)，控制機(jī)恢復(fù)后作為備用機(jī)，主從熱備機(jī)切換時(shí)間最小可以為2 s，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。單網(wǎng)雙機(jī)冗余的拓?fù)鋱D見(jiàn)圖2。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備管理

船舶機(jī)艙測(cè)控系統(tǒng)采取了兩個(gè)措施。第一是編制了設(shè)備檢測(cè)周期表，將設(shè)備控制信息，運(yùn)行狀態(tài)信息及設(shè)備制造安裝信息等集成對(duì)在設(shè)備管理系統(tǒng)中，這樣有利于有計(jì)劃、有條理地進(jìn)行日常維修，保養(yǎng)工作，以盡可能少的人力的盡可能高的效率來(lái)確保系統(tǒng)進(jìn)行的可確性[2]。

第二是選用基于 HART協(xié)議的智能儀表，HART被稱為可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開(kāi)放通信協(xié)議，其特點(diǎn)是采用FSK移頻鍵控技術(shù)，傳輸數(shù)據(jù)可調(diào)制成4-20 mA模擬信號(hào)，使在現(xiàn)有模擬信號(hào)傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)通信。可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備訪問(wèn)、設(shè)備視圖、記錄審查、設(shè)備組態(tài)、設(shè)備數(shù)據(jù)維護(hù)等功能。

圖3 測(cè)控系統(tǒng)總貌

4 結(jié)束語(yǔ)

在船舶機(jī)艙測(cè)控系統(tǒng)中應(yīng)用OPC標(biāo)準(zhǔn)提高了數(shù)據(jù)傳輸速度、避免了采用多種服務(wù)器和硬件驅(qū)動(dòng)的昂貴開(kāi)資，且具有開(kāi)放性，互聯(lián)性，實(shí)現(xiàn)了靈活、高效、方便地獲取數(shù)據(jù)，易于掌握和實(shí)施、即插即用。

[1]鄒益仁, 馬增良等. 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)[M]. 北京： 國(guó)防工業(yè)出版社, 2003,(1)： 82-85.

[2]吳樹(shù)雄主編. 船舶輪機(jī)自動(dòng)測(cè)控技術(shù)[M].大連： 大連海事大學(xué)出版社, 2000,（2）：90-93.

[3]孫亮清, 葉愛(ài)兵. OPC技術(shù)在集成平臺(tái)管理系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào), 2007, (1)：0033-05.

[4]盧曉春, 葉翠安等. 基于CAN總線的機(jī)艙數(shù)據(jù)組態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)[J]. 船海工程,2010,(1).