靳 臣，陳紅衛(wèi)

（江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

海上油氣勘探開發(fā)的重要裝備海洋鉆井平臺已受到了普遍關(guān)注，其中半潛式鉆井平臺[1]已發(fā)展到第6代。半潛式鉆井平臺是一種獨(dú)立在海上作業(yè)的大型平臺，設(shè)有鉆井機(jī)械設(shè)備、器材和生活艙室等，集航行、定位、鉆井、生產(chǎn)等多種功能于一體。相比較其他形式的海洋平臺，半潛式鉆井平臺在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、對惡劣海況的適應(yīng)性、甲板可變載荷等方面具有較好的性能，在深海油氣開發(fā)中承擔(dān)著至關(guān)重要的角色。

海洋石油981號半潛式鉆井平臺是當(dāng)今最先進(jìn)的第6代深水半潛式鉆井平臺。其工作水深3 050 m，鉆井深度10 000 m，平臺設(shè)計(jì)質(zhì)量30 670 t，長度為114 m，寬度為79 m，從船底到鉆井塔頂高度130 m，電纜總長度650 km，采用大功率推進(jìn)器和DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)。由此可見，半潛式鉆井平臺具有結(jié)構(gòu)龐大、造價(jià)昂貴、工作環(huán)境惡劣且維修困難等特點(diǎn)。為保證海上生產(chǎn)高效、順利地進(jìn)行，保證人員的生命安全，對其進(jìn)行集成監(jiān)控將是必然趨勢。依托網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)海洋鉆井平臺綜合監(jiān)控，一方面能及時(shí)對主要設(shè)備參數(shù)進(jìn)行報(bào)警、預(yù)警，提高可靠性和安全性；另一方面能提高自動(dòng)化程度，通過獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來合理調(diào)度作業(yè)過程，提高生產(chǎn)效率，降低成本。此外，監(jiān)控所得的信息是管理層對作業(yè)進(jìn)行高效管理和制定策略的基礎(chǔ)，最終使平臺實(shí)現(xiàn)管控一體化。

1 OPC技術(shù)

為了實(shí)施監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化，與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)不同，工作站與設(shè)備、工作站與工作站、工作站與監(jiān)控中心之間通信采用的是OPC技術(shù)。

OPC技術(shù)是由世界上多個(gè)軟硬件供應(yīng)商、自動(dòng)化公司與微軟合作開發(fā)的一套數(shù)據(jù)交換接口標(biāo)準(zhǔn)，它能夠?yàn)楝F(xiàn)場設(shè)備、自動(dòng)控制應(yīng)用、企業(yè)管理應(yīng)用軟件之間提供開放、一致的接口規(guī)范，為來自不同供應(yīng)商的軟硬件提供“即插即用”的連接[3]?；贑OM/DCOM技術(shù)的OPC采用客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，廠商為設(shè)備提供符合OPC規(guī)范接口的服務(wù)器，應(yīng)用程序通過OPC接口對OPC服務(wù)器的訪問，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)以及管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。

1.1 OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器的對象

OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器的對象：OPC服務(wù)器對象（OPCServer）、OPC 組 對 象 （OPCGroup） 和 OPC 項(xiàng) 對 象（OPCItem）。OPCServer是客戶端和服務(wù)器交互的首要對象，客戶端通過該對象下的接口函數(shù)訪問服務(wù)器；OPCGroup用于管理服務(wù)器內(nèi)部的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，提供成批訪問數(shù)據(jù)的機(jī)制。OPCItem不是數(shù)據(jù)源，它代表了OPC服務(wù)器到數(shù)據(jù)源的一個(gè)物理連接，可以是模擬量或開關(guān)量，但它是服務(wù)器的內(nèi)部對象，不直接與客戶端進(jìn)行交互。OPCServer和OPCGroup是必須實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的COM對象，它們實(shí)現(xiàn)了提供與客戶端程序交互的接口。

1.2 OPC訪問的流程

1）OPC服務(wù)器建立類廠，通過類廠，客戶程序可以創(chuàng)建OPC服務(wù)器。客戶程序通過OPC服務(wù)器的名字找到OPC服務(wù)器中注冊表的信息，創(chuàng)建一個(gè)服務(wù)器對象OPCServer。

2）通過訪問OPCServer的接口來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的系列功能。通信流程如圖1所示，由于OPCItem對象包含于OPCGroup對象，所以必須先創(chuàng)建OPCGroup對象，然后在其下面添加OPCItem對象，讀寫OPCItem項(xiàng)對象的屬性Value、Qualityhe和Timestamp?？蛻舳双@得數(shù)據(jù)可以用同步或異步方式。

圖1 OPC通信流程圖Fig.1 OPC communication flow chart

3）通信結(jié)束后，OPC客戶退出前必須釋放所有接口，并依次刪除OPCItem，OPCGroup和OPCServer對象。

2 半潛式鉆井平臺集成監(jiān)控

2.1 集成監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

集成監(jiān)控系統(tǒng)包括鉆井系統(tǒng)、動(dòng)力定位系統(tǒng)、功率管理、壓載系統(tǒng)和緊急關(guān)斷子系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由監(jiān)控管理層，數(shù)據(jù)服務(wù)層和現(xiàn)場設(shè)備層組成[4]?，F(xiàn)場設(shè)備層位于底層，由各個(gè)子系統(tǒng)下的傳感器、離散IO和PLC等 組成各種異構(gòu)數(shù)據(jù)源以及CAN和PROFIBUS現(xiàn)場總線。數(shù)據(jù)服務(wù)層主要是數(shù)據(jù)庫和多個(gè)支持OPC接口的服務(wù)器組成，OPC服務(wù)器中封存了不同設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的OPC數(shù)據(jù)格式，通過總線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)送到監(jiān)控管理層，利用ODBC將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中。監(jiān)控管理層主要是OPC客戶端和應(yīng)用程序，通過界面參數(shù)顯示實(shí)現(xiàn)對平臺設(shè)備實(shí)時(shí)參數(shù)的監(jiān)控和對重要設(shè)備參數(shù)的報(bào)警等功能，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.2 異構(gòu)數(shù)據(jù)集成的設(shè)計(jì)方案

半潛式鉆井平臺下的設(shè)備大多來自不同的設(shè)備廠商，通訊標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，而不同廠商的設(shè)備基本只與自己開發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序相匹配，這顯然不符合現(xiàn)今系統(tǒng)集成的要求。本系統(tǒng)中采用OPC服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)，然后由iFIX提供的OPC驅(qū)動(dòng)程序讀取OPC服務(wù)器中的變量，從而實(shí)現(xiàn)對不同廠商、不同區(qū)域的設(shè)備進(jìn)行集成監(jiān)控。

3 OPC服務(wù)器與客戶端的開發(fā)

應(yīng)用OPC技術(shù)開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵在于OPC服務(wù)器和客戶端的構(gòu)建。服務(wù)器可以選擇現(xiàn)成的OPC服務(wù)器程序，例如KEPServer；也采用編程簡單且能靈活滿足實(shí)際要求的OPC開發(fā)包來實(shí)現(xiàn)，例如KOSRDK[5]。監(jiān)控系統(tǒng)由集成了OPC客戶端的iFIX組態(tài)軟件開發(fā)，動(dòng)面功能強(qiáng)大且配置簡單。客戶端與OPC服務(wù)器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 雙冗余環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 Network structure of double redundancy ring

圖3 客戶端-OPC服務(wù)器的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of client-OPC serve

3.1 OPC服務(wù)器的開發(fā)

快速開發(fā)工具包KOSRDK是基于使用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)，適合VC++編程環(huán)境，它將OPC規(guī)范所定義的COM接口實(shí)現(xiàn)封裝動(dòng)態(tài)鏈接，通過調(diào)用KOSRDK.DLL的接口函數(shù)將數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，形成本地列表，并經(jīng)過OPC服務(wù)器的驅(qū)動(dòng)將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞，生成OPC服務(wù)器列表，供客戶層使用。這樣，開發(fā)者通過類的派生以及重載函數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問和提交，簡化OPC服務(wù)器的開發(fā)過程。

利用KOSRDK在VC++環(huán)境下開發(fā)OPC服務(wù)器的流程：

1）調(diào)用KOS_Init進(jìn)行初始化；

2）初始化成功后注冊回調(diào)函數(shù)；

3）利用KOS_AddItem添加OPC點(diǎn)到OPC Server DLL中，這樣客戶端才能檢索和使用OPC點(diǎn)；

4）通過KOS_UpdateItem更新地址空間內(nèi)的OPC點(diǎn)數(shù)據(jù)信息，將設(shè)備的實(shí)時(shí)信息和狀態(tài)反饋給客戶端；

5）運(yùn)行結(jié)束時(shí)需要?jiǎng)h除OPC點(diǎn)和反初始化，分別通過KOS_RemoveItem和KOS_UnInit兩個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

3.2 客戶端的開發(fā)

客戶端主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和報(bào)警功能，選擇支持OPC標(biāo)準(zhǔn)的工控組態(tài)軟件iFIX開發(fā)客戶端，通過OPC接口訪問OPC服務(wù)器。iFIX是HMI/SCADA自動(dòng)化組態(tài)軟件，集強(qiáng)大功能、安全性、通用性和易用性于一身，提供了生產(chǎn)操作的過程可視化、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)監(jiān)控。

iFIX與OPC服務(wù)器的連接配置：

1）注冊O(shè)PC服務(wù)器，并在OPC服務(wù)器下依次添加所需要的項(xiàng)，設(shè)置項(xiàng)的名稱、數(shù)據(jù)類型、值等。

2）在OPC PowerTool下添加已注冊的OPC服務(wù)器Knight和KEPServer，并依次在服務(wù)器下添加、配置若干組，在組下添加項(xiàng)，項(xiàng)的添加可以通過瀏覽選擇適合的OPC服務(wù)器中的項(xiàng)對象。

3）iFIX讀取數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)庫管理器中創(chuàng)建標(biāo)簽，每個(gè)標(biāo)簽既要對應(yīng)所創(chuàng)建的服務(wù)器中的項(xiàng)，又要對應(yīng)實(shí)際的監(jiān)控對象，比如電機(jī)電流與標(biāo)簽AI1對應(yīng)，AI1與OPC項(xiàng)a.a.b對應(yīng)。

4）根據(jù)數(shù)據(jù)源與定義標(biāo)簽的對應(yīng)關(guān)系，已讀數(shù)據(jù)在由iFIX軟件設(shè)計(jì)的監(jiān)控界面上實(shí)時(shí)顯示，并可以設(shè)置參數(shù)的上下限實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)測試

以半潛式鉆井平臺動(dòng)力定位系統(tǒng)DPS（dynamic positioning system）[6]中的推力系統(tǒng)為例。推力系統(tǒng)配有8個(gè)360°全回轉(zhuǎn)吊艙推進(jìn)器，平均分布于鉆井平臺的4個(gè)角落。為滿足動(dòng)力定位DP-3要求，保證任意一個(gè)推進(jìn)器發(fā)生故障后仍應(yīng)有足夠的橫向和縱向推力，吊艙一般采用對角布置，即每個(gè)配電盤給對角的兩個(gè)吊艙供電。吊艙軸由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，能使吊艙 360°轉(zhuǎn)動(dòng)[7]。

測試系統(tǒng)利用PLC模擬采集設(shè)備的數(shù)據(jù)。S7-200模擬推進(jìn)電機(jī)的數(shù)據(jù)（推進(jìn)電機(jī)滑油壓力、溫度，冷卻液溫度，推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電壓、電流以及功率）；S7-300模擬回轉(zhuǎn)馬達(dá)的數(shù)據(jù)（液壓油溫度、壓力，回轉(zhuǎn)角度，回轉(zhuǎn)角速度和回轉(zhuǎn)加速度）。分別將KEPServer和Knight作為對應(yīng)這兩個(gè)PLC的OPC服務(wù)器，進(jìn)行OPC項(xiàng)的添加和設(shè)置，最后按照3.2小節(jié)所示的方法與iFIX客戶程序連接。監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行效果圖如圖4所示，圖5是曲線顯示，可以根據(jù)選擇數(shù)據(jù)量標(biāo)簽顯示歷史曲線和實(shí)時(shí)曲線。

圖4 OPC服務(wù)器與iFIX客戶端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互Fig.4 Real-time data interaction of OPC server and client iFIX

圖5 實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線圖Fig.5 Real time curve and history curve

測試結(jié)果表明，基于OPC技術(shù)規(guī)范的客戶端和服務(wù)器能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并且能夠?qū)⒉煌到y(tǒng)下的設(shè)備數(shù)據(jù)集成，從而可以實(shí)現(xiàn)對整個(gè)半潛式鉆井平臺的集成監(jiān)控。

4 結(jié)束語

OPC技術(shù)為現(xiàn)場設(shè)備、控制系統(tǒng)應(yīng)用、管理應(yīng)用軟件之間提供了開放、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口，很好地解決了網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)數(shù)據(jù)集成問題。而且OPC技術(shù)使設(shè)備生產(chǎn)廠商和應(yīng)用程序開發(fā)的工作分離，應(yīng)用程序開發(fā)人員無需重復(fù)開發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，只需開發(fā)一套接口就可以和不同設(shè)備相連[8]。利用OPC技術(shù)開發(fā)集成監(jiān)控系統(tǒng)能縮短開發(fā)周期，提高互連互操作性、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性、適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性。本文遵循OPC標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了服務(wù)器和客戶端，實(shí)現(xiàn)了集成監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理、參數(shù)的監(jiān)測與控制以及數(shù)據(jù)存儲的功能。

[1]欒蘇，韓成才，王維旭，等.半潛式海洋鉆井平臺的發(fā)展[J].石油礦場機(jī)械，2008，37（11）:90-93.

LUAN Su，HAN Cheng-cai，WANG Wei-xu，et al.Development of Semi-Submersible Rig [J].OilField Equipment，2008，37（11）:90-93.

[2]陳丹，劉志剛.OPC技術(shù)和面向?qū)ο罂蚣芗夹g(shù)在船舶監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].船海工程，2006，3（3）：58-61.

WANG Jing-xian，LIU Zhi-gang.Application of OPC technology and object-oriented framework in the vessel’s monitoringandcontrollingsystem[J].Ship&OceanEngineering，2006，35（3）:58-61.

[3]王莉華，王建軍.分布式系統(tǒng)綜合集成測試技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)工程，2008（34）:57-59.

WANG Li-hua，WANG Jian-jun.Comprehensive integrated test technology for distributed system[J].Computer Engineering，2008（34）:57-59.

[4]徐思成，李增權(quán)，郭國選.基于OPC技術(shù)和以太網(wǎng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)集成[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011（1）:109-110.

XU Si-cheng，LI Zeng-quan，GUO Guo-xuan.Integration of distributing heterogeneous system based on ethernet and OPC technology[J].Instrument Technique And Sensor，2011（1）:109-110.

[5]姜萍，段新會(huì)，王銳.基于OPC技術(shù)的DCS監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息化縱橫，2009（7）:59-62.

JIANG Ping，DUAN Xian-hui，WANG Rui.Design of monitoring system for DCS based on OPC technology[J].Microcomputer&ITS Applications，2009（7）:59-62.

[6]竇培林，袁洪濤，宋金揚(yáng)，等.深水半潛式鉆井平臺DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].海洋工程，2010，28（4）:117-121.

DOU Pei-lin，YUAN Hong-tao，SONG Jin-yang.Design and application of DP3 system for deep water semi-submersible drilling platform[J].The Ocean Engineering，2010，28（4）:117-121.

[7]高文，陳紅衛(wèi).半潛式鉆井平臺動(dòng)力定位集成監(jiān)控技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2011，19（7）:1611-1625.

GAO Wen，CHEN Hong-wei.Integrated monitoring technology of dynamic positioning in semi-submersible drilling platform[J].Computer Measurement&Control，2011，19（7）:1611-1625.

[8]周磊，劉大成，周傳福，等.OPC規(guī)范下數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（1）:264-266.

ZHOU Lei，LIU Da-cheng，ZHOU Chuan-fu.Design and realization of data access server based on OPC specification[J].Control&Auyomation，2007，23（1）:264-266.