陶 偉 曹宏濤 周紀申

1 中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064 2 海軍裝備部駐沈陽地區(qū)艦船配套軍事代表室，遼寧沈陽 110168

1 引 言

從各種海損事故看，損管成敗的關鍵往往在于盡早發(fā)現(xiàn)損害事件，因此，在艦上設置損管監(jiān)控系統(tǒng)是保證損管部門第一時間獲悉全艦安全狀況的主要手段［1］。

作為損管系統(tǒng)的重要組成部分，以計算機為基礎，具有信息處理量大、反應時間快、輔助決策能力強等優(yōu)點的現(xiàn)代化損管監(jiān)控系統(tǒng)正日益受到各國海軍的重視，信息化和智能化將成為未來損管監(jiān)控系統(tǒng)設計的主流。

本文基于仿真的技術(shù)特性，以工業(yè)控制組態(tài)軟件FactorySuite為開發(fā)平臺進行艦船損管監(jiān)控系統(tǒng)研究，取得了良好的效果。

2 艦船損管監(jiān)控原型系統(tǒng)設計

2.1 原型系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

艦船損管監(jiān)控原型系統(tǒng) （以下簡稱 “原型系統(tǒng)”）的研發(fā)選用的是美國Wonderware公司的FactorySuite實時監(jiān)控組態(tài)軟件平臺。該平臺由InTouch、InControl、I／O Server、Industrial SQL Server、InTrack、InBatch、SuiteVoyager等組件構(gòu)成，這些組件可用于采集和管理生產(chǎn)信息，控制和監(jiān)視生產(chǎn)過程，分析和跟蹤生產(chǎn)經(jīng)營等，另外，還提供了 OPC（OLE for Process Control）功能及 SuiteLink通信協(xié)議，具有較好的靈活性與擴展性。OPC用于將對象鏈接嵌入技術(shù)（Object Linking and Embed-ing，OLE）應用于工業(yè)控制領域［2-3］，是一套基于Windows操作平臺、為工業(yè)應用程序之間提供高效信息集成和交互功能的組件對象模型接口標準，它以微軟的組件對象模型／分布式組件對象模型（COM／DCOM）為基礎［4-6］，采用客戶 ／服務器模式。

按照有關設計規(guī)范的要求［7-9］，應該選擇對艦船生命力和戰(zhàn)斗力影響較大的因素，如火災、抗沉性、三防以及重要輔助設備等方面來作為監(jiān)控對象。因此，設計的原型系統(tǒng)主要由以下各模塊組成（圖 1）。

原型系統(tǒng)參照典型的三層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)層／應用層／用戶層）進行設計，其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

PLC與數(shù)據(jù)模擬 通過InControl的數(shù)據(jù)模擬模塊，以及施耐德PLC（Programmable logic Controller）的模擬數(shù)據(jù)發(fā)生器，產(chǎn)生原型系統(tǒng)所需的損管監(jiān)控數(shù)據(jù)。

I／O Server即輸入／輸出服務器，用于提供現(xiàn)場實時接口數(shù)據(jù)服務，它直接面向設備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。損管監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)關通過OPC技術(shù)可以直接與 I／O Server連接。I／O Server可以處理多協(xié)議、多設備的現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)輸入／輸出［10］，實時將所有截獲到的數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式導入I／O Server模塊內(nèi)部的高速數(shù)據(jù)軟總線中，通過Application Server主控模塊將數(shù)據(jù)寫入InSQL數(shù)據(jù)庫。在原型系統(tǒng)中，通過設置相關的參數(shù)來保證I／O Server與施耐德PLC和計算機模擬信號源的連接。

Application Server即應用服務器，用于將控制邏輯引擎從客戶端中抽象出來，以提高信息表示層的可伸縮性，各種類型的客戶端應用可以鏈接到一個統(tǒng)一的模型中，客戶端的個數(shù)可以任意增加，并且都在同一個命名空間中。

InSQL是一種實時數(shù)據(jù)庫，根據(jù)數(shù)據(jù)的類型，分別部署在實時與歷史兩臺服務器上。InSQL集成了微軟公司的MS SQL Server，并對其進行了擴展，使其不僅具有高速的數(shù)據(jù)采集速度，高效的數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)存儲等實時數(shù)據(jù)庫性能，而且還可集成事件、概要、生產(chǎn)和配置等一般存于關系型數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，其功能強大，性能卓越，解決了關系型數(shù)據(jù)庫在存儲和管理現(xiàn)場環(huán)境下快速產(chǎn)生大量實時數(shù)據(jù)時遇到的問題，使得系統(tǒng)既能快速存取現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)，同時還能保存大量的歷史數(shù)據(jù)。

損管監(jiān)控客戶端 用PC機模擬的損管監(jiān)控臺采用的是圖控軟件InTouch。該軟件具有強大的交互能力和豐富的圖形組件，可設計出友好的人機交互界面，其所有動態(tài)點的歷史和實時數(shù)據(jù)都與InSQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)關聯(lián)，可實時顯示損管監(jiān)控系統(tǒng)各測點的狀態(tài)，并能與應用服務器進行通信和發(fā)送顯控臺操控指令。

2.2 硬件架構(gòu)

原型系統(tǒng)的硬件主要包括測量點軟件模擬器、服務器、監(jiān)控工作站和管理網(wǎng)絡幾部分，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

測量點軟件模擬器 通過分析物理設備和傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和類型，用軟件模擬器來仿真測量點信號，完成數(shù)據(jù)生成的步驟。

服務器 安裝數(shù)據(jù)存取和應用服務組件以及網(wǎng)關通信，并向監(jiān)控工作站提供核心訪問服務。系統(tǒng)中主要包括以下幾種功能的服務器：應用服務器（考慮使用雙機模式）、實時數(shù)據(jù)庫服務器、歷史數(shù)據(jù)庫服務器及Web管理系統(tǒng)的應用服務器。

監(jiān)控工作站 由PC機完成人機交互功能，實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。其包括接入主干網(wǎng)上層的1臺損管總部工作臺監(jiān)控微機和下層2臺損管分站監(jiān)控微機，通過交互界面，在監(jiān)控工作站上模擬完成火警控制器、感煙探測器、感溫探測器、復合探測器、手動報警按鈕、損管調(diào)試工裝、4～20 mA信號發(fā)生器、電吹風、煙霧發(fā)生器、報警裝置，信號采集設備等的遠程監(jiān)控和控制。

管理網(wǎng)絡 各損管分站通過由以太網(wǎng)交換機接入平臺主干網(wǎng)，管理網(wǎng)絡支持網(wǎng)關、服務器和監(jiān)控工作站的通信。

2.3 軟件架構(gòu)

原型系統(tǒng)的軟件架構(gòu)分為3層，即數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示［11］。其中數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理模塊部署在服務器端，信息顯示模塊部署在客戶端。數(shù)據(jù)采集模塊通過OPC服務器提供的平臺各業(yè)務分系統(tǒng)實時監(jiān)控部分軟件接口，實現(xiàn)重要狀態(tài)數(shù)據(jù)與重要信息的采集。數(shù)據(jù)處理模塊對采集到的信息進行處理，如果需要實時顯示信息，便將相應的處理結(jié)果直接通過綜合信息顯示模塊進行顯示，如果不需要，便將采集到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，用于歷史信息查詢。數(shù)據(jù)處理可由常用語言的軟件開發(fā)工具按照數(shù)據(jù)處理的業(yè)務流程開發(fā)。信息顯示模塊由Intouch完成界面和界面邏輯的開發(fā)。

3 仿真測試與分析

原型系統(tǒng)有實時性的要求，需要對OPC服務器的性能、OPC與UDP協(xié)議的轉(zhuǎn)換時間，以及OPC節(jié)點占用的帶寬是否符合整個原型系統(tǒng)的要求進行相應的測試。通過InControl的數(shù)據(jù)模擬模塊與模擬數(shù)據(jù)發(fā)生器來仿真模擬原型系統(tǒng)所需的損管監(jiān)控數(shù)據(jù)。

1）OPC與UDP協(xié)議轉(zhuǎn)換時間的測試及分析。

監(jiān)控臺1模擬損管OPC Server，以不同的時間間隔（50 ms、100 ms、200 ms、1 000 ms）不斷發(fā)布2 000個點的數(shù)據(jù)，每發(fā)送一次，便記錄下發(fā)送時間。OPC服務器接收到2 000個點的數(shù)據(jù)后，打包成UDP報文發(fā)送至監(jiān)控臺1。監(jiān)控臺1收到完整的2 000個點的數(shù)據(jù)后，記錄下時間，再與發(fā)送時記錄下的時間相減，得到本次2 000個點數(shù)據(jù)發(fā)送接收的延時。經(jīng)多輪測試后的實驗結(jié)果如表1所示（其中服務器CPU的占用率為10%～15%）。

表1 平均延時Tab.1 Average delay

通過測試，共取得36組時間延時，其中最大的延時為36 ms，最小為20 ms，平均延時28.25 ms，能夠滿足艦船損管監(jiān)控系統(tǒng)實時性的要求。

2）原型系統(tǒng)測點數(shù)量與帶寬關系的測試及分析。

測試步驟：

（1）配置監(jiān)控臺1，模擬250個tag點；

（2）將綜合信息顯示服務器連接至監(jiān)控臺1并顯示監(jiān)控臺中的250個tag點模擬數(shù)據(jù)，監(jiān)控臺2的OPC Client連接到服務器，刷新頻率為500 ms；

（3）在綜合信息顯示服務器上安裝專業(yè)網(wǎng)絡協(xié)議分析軟件EtherPeek，通過該軟件測試網(wǎng)絡帶寬；

（4）配置監(jiān)控臺 1，分別模擬 1 000、1 500、2 000、3 000、5 000、8 000、15 000 個 tag 點，重復步驟（2）和步驟（3）。

（5）重新配置監(jiān)控臺2的OPC Client，刷新頻率為 0.1 s，重復步驟（4）。

測試結(jié)果如表2所示。

表2 測量點數(shù)量與帶寬關系Tab.2 The relationship between tag amount and bandwidth

根據(jù)表2中記錄的測試數(shù)據(jù)，以tag點數(shù)和帶寬為坐標軸，形成如圖4所示的圖形。從圖中可發(fā)現(xiàn)，隨著測試點數(shù)的增加，原型系統(tǒng)所需的帶寬呈線性增加，即可以根據(jù)tag點的數(shù)量來估算損管監(jiān)控系統(tǒng)運行所需的帶寬值。

4 結(jié) 語

通過對基于仿真的艦船損管監(jiān)控原型系統(tǒng)的研究，分析了系統(tǒng)的組成模塊、體系結(jié)構(gòu)與軟硬件架構(gòu)等關鍵問題，解決了艦船損管實時監(jiān)控仿真系統(tǒng)的構(gòu)造問題。該系統(tǒng)基于仿真的實時監(jiān)控體系，通過數(shù)據(jù)模擬、及時通信、數(shù)據(jù)交換和相互支持，實現(xiàn)了應用系統(tǒng)與損管監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場采集和控制設備（仿真數(shù)據(jù)模擬器）的信息交互，是仿真技術(shù)與典型艦載綜合損管監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合的一次成功應用，為后續(xù)的研究工作與工程應用奠定了基礎。

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