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

船舶機艙為典型的惡劣環(huán)境下的復(fù)雜系統(tǒng)，機艙內(nèi)設(shè)施眾多，信號數(shù)據(jù)量大，可變因素較多，過程控制的程度復(fù)雜。實現(xiàn)機艙內(nèi)設(shè)施動態(tài)技術(shù)參數(shù)的自動測控對于安全航行有著重要意義，也是實現(xiàn)船舶自動化，無人機艙的保障。

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制，底層通信模塊接口復(fù)雜，不具有開放性、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OPC規(guī)范接口來讀寫現(xiàn)場的信息，使得測控系統(tǒng)的設(shè)計易于技術(shù)集成，顯著降低集成難度，開發(fā)工作量減少，降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)現(xiàn)場采用的自動化的儀器儀表種類越來越多，工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)也逐漸要求從車間級匯入到整個企業(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)展起來的[1]。

OPC是一套在基于 Windows操作平臺的工業(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象模型接口標(biāo)準(zhǔn)，它以微軟的組件對象模型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)動的昂貴開銷，降低了開發(fā)成本；③具有開放性，互聯(lián)性，總之，OPC最主要的目標(biāo)就是實現(xiàn)靈活、高效、方便地獲取數(shù)據(jù)，易于掌握和實施、即插即用。船舶機艙OPC技術(shù)測控系統(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

機艙集中測控系統(tǒng)是機艙內(nèi)必不可少的設(shè)備，是機艙各設(shè)備可靠、安全運行的保證，是機艙自動化的基礎(chǔ)。船舶機艙中測量點有時可以高達(dá)幾百個，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、相位以及各種的開關(guān)量。既有非電量，又有電量，有很多模擬量，也有不少開關(guān)量。測控系統(tǒng)除了要對眾多參數(shù)進(jìn)行測量顯示外、還應(yīng)進(jìn)行自動控制、調(diào)整、管理等功能，即應(yīng)具備對數(shù)據(jù)的進(jìn)行累計、統(tǒng)計、線形化、各種運算等，對過程的狀態(tài)、成分、濃度等自動控制，對設(shè)備的管理，報警與事件追憶，打印等功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 測控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)組成

測控系統(tǒng)的總體設(shè)計中，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（IPC），用可編程序控制器PLC做控制站，OPC服務(wù)器作現(xiàn)場設(shè)備，如傳感器、閥門、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)實時傳送到操作站 HMI和其他顯示客戶端，構(gòu)成了OPC技術(shù)的船舶機艙實時信息的集成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，可以與航運企業(yè)MES、IPMS（integrated platfom management system）等信息化系統(tǒng)進(jìn)行互連[3]。

圖2 機艙測控系統(tǒng)原理圖

2.2 傳感器的選擇

機艙設(shè)備層設(shè)備信號檢測采用一體化二線制智能、數(shù)顯型傳感器，信號輸出是4-20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號。變送器采用優(yōu)質(zhì)環(huán)氧樹酯封裝，使用環(huán)境溫度寬，耐腐蝕，耐振動，可靠性高，結(jié)構(gòu)簡化，安裝方便；采用二線制傳輸標(biāo)準(zhǔn)信號，兩根線既能供電又能同時傳輸信號，傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強，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)，特別適用于計算機多路數(shù)據(jù)采集、集中控制系統(tǒng)。

2.3 確定通道和類型及個數(shù)

依據(jù)船舶建造與入級規(guī)范的要求，確定測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃，系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集控制點的個數(shù)，通道類型，測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

3.1 測控系統(tǒng)管理軟件平臺的建立

系統(tǒng)的軟件平臺和開發(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)計環(huán)境，具有友好的開發(fā)環(huán)境、高效的數(shù)據(jù)處理能力、完善的用戶安全管理、良好的開放性等特點。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，實現(xiàn)界面顯示，報警與事件，管理報表，信號處理，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)點的設(shè)置。

表2 各參數(shù)點的編制(部分)

3.2 系統(tǒng)冗余的處理

根據(jù)機艙監(jiān)控過程比較復(fù)雜，對系統(tǒng)的安全性和容錯性要求比較高的特點，由力控軟件組成，設(shè)計了上位機單網(wǎng)雙機冗余系統(tǒng)，設(shè)置兩臺控制上位機，正常情況一臺控制，一臺備用；備用機實時讀取控制機的相關(guān)信息，保持程序、數(shù)據(jù)狀態(tài)等和控制機保持一致；在控制機故障時，備用機實時切換到控制狀態(tài)，此時備用機變?yōu)榭刂茩C，控制機恢復(fù)后作為備用機，主從熱備機切換時間最小可以為2 s，確保系統(tǒng)安全運行。單網(wǎng)雙機冗余的拓?fù)鋱D見圖2。

3.3 現(xiàn)場總線設(shè)備管理

船舶機艙測控系統(tǒng)采取了兩個措施。第一是編制了設(shè)備檢測周期表，將設(shè)備控制信息，運行狀態(tài)信息及設(shè)備制造安裝信息等集成對在設(shè)備管理系統(tǒng)中，這樣有利于有計劃、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放通信協(xié)議，其特點是采用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，使在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信?？蓪崿F(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備訪問、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 測控系統(tǒng)總貌

4 結(jié)束語

在船舶機艙測控系統(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)動的昂貴開資，且具有開放性，互聯(lián)性，實現(xiàn)了靈活、高效、方便地獲取數(shù)據(jù)，易于掌握和實施、即插即用。

[1]鄒益仁, 馬增良等. 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)[M]. 北京： 國防工業(yè)出版社, 2003,(1)： 82-85.

[2]吳樹雄主編. 船舶輪機自動測控技術(shù)[M].大連： 大連海事大學(xué)出版社, 2000,（2）：90-93.

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

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