基于ＬａｂＶＩＥＷ與ＯＰＣ的船舶機(jī)艙報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱　青　王　直　李垣江　胡　煜

摘 要：設(shè)計(jì)了基于LabVIEW與OPC船舶機(jī)艙報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)。上位機(jī)采用LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn),下位機(jī)采用SIEMENS S7-300。利用OPC標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)方式和LabVIEW中的DataSocket實(shí)現(xiàn)了PC與S7-300的實(shí)時(shí)通訊,實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)界面與可靠的系統(tǒng)控制。它能夠?qū)C(jī)艙主、輔機(jī)的溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)具有顯示以及超限報(bào)警功能,并且具有利用數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄以及查詢；實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的波形顯示與簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)分析功能。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；OPC；DataSocket；S7-300；船舶機(jī)艙

中圖分類號(hào)：U664.82 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)01-129-03

Design of Alarm System for Engine-room Based on LabVIEW and OPC

ZHU Qing,WANG Zhi,LI Yuanjiang,HU Yu

(Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang,212003,China)

Abstract：An alarm and control system for engine room of ships is developed by means of LabVIEW and OPC.OPC standards-driven approach and DataSocket of LabVIEW is used,PC and S7-300 real-time communications are realized,and a good human-computer interface and reliable control system are achieved.It is capable of displaying the temperature, pressure,speed and other parameters of the main and auxiliary cabin.It also has the exceeding alarm function.Meanwhile,the data and history can be recorded in database.The system can display historical data,real-time data waveform and achieve simple dynamic analysis.

Keywords：LabVIEW；OPC;DataSocket；S7-300;engine-room

0 引 言

船舶機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)代自動(dòng)化船舶中最基本和最重要的系統(tǒng),目前船舶集中監(jiān)控系統(tǒng)大多采用分布式結(jié)構(gòu),而集散式控制、分布式控制的船舶自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)將逐步被以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的集中監(jiān)控系統(tǒng)所取代,從而最大程度地實(shí)現(xiàn)船舶航行的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。相對(duì)于在傳統(tǒng)開發(fā)環(huán)境(VB,VC ++,C等)下開發(fā)機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)周期長(zhǎng),運(yùn)行速度慢,調(diào)試和維護(hù)困難,系統(tǒng)采用LabVIEW作為編程語言,它編程高效、靈活、面向?qū)ο?其強(qiáng)大的圖形編程能力及可視化編程環(huán)境得到很多軟件開發(fā)人員的青睞。PLC作為現(xiàn)代控制技術(shù)的重要支柱之一,以其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用,它能適應(yīng)船舶機(jī)艙的惡劣環(huán)境。把LabVIEW與PLC相結(jié)合應(yīng)用到船舶機(jī)艙系統(tǒng),具有很好的應(yīng)用價(jià)值和前景。

該系統(tǒng)運(yùn)用Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線控制,采用一種基于OPC的PC與SIEMENS PLC S7-300實(shí)時(shí)通訊的LabVIEW實(shí)現(xiàn)方法,將虛擬儀器技術(shù)與PLC技術(shù)結(jié)合到一起開發(fā)船舶機(jī)艙上位機(jī)控制系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)界面與可靠的系統(tǒng)控制。實(shí)現(xiàn)LabVIEW與PLC S7-300的實(shí)時(shí)、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交換,是該系統(tǒng)的關(guān)鍵與難點(diǎn)。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)軟硬件條件

軟件：LabVIEW 8.2,SIMATIC NET(OPC Include),Step7 v5.3 SQL數(shù)據(jù)庫。其中LabVIEW 8.2用于上位機(jī)編程,SIMATIC NET用于對(duì)通信進(jìn)行組態(tài)并配置OPC Server,Step 7 v5.3用于對(duì)SIEMENS PLC S7-300進(jìn)行編程。

硬件：PC機(jī),SIEMENS PLC S7-300(CPU315-2 DP),SIEMENS CP5611通訊卡,Profibus總線。Profibus總線是SIEMENS公司的一種用于工業(yè)控制的現(xiàn)場(chǎng)總線,在100 m范圍內(nèi)通信速率可達(dá)12 Mb/s。CP5611是一種PCI通訊卡,用于PC與Profibus連接。

1.2 系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用機(jī)艙報(bào)警和延伸報(bào)警互為補(bǔ)充。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)共有84個(gè)工況參數(shù),其中開關(guān)量共71個(gè),模擬量共13個(gè)。廢氣鍋爐綜合故障、應(yīng)急配電板DC 24 V失電、1號(hào)左燃油艙高位等71個(gè)開關(guān)量和所有如燃油進(jìn)機(jī)壓力、滑油進(jìn)主軸承壓力、汽缸冷卻高溫淡水出口溫度等13個(gè)模擬量均直接接入PLC的輸入輸出模塊,通過傳感器將信號(hào)實(shí)時(shí)地讀入PLC的數(shù)據(jù)映像區(qū)。用PPI電纜將PLC和PC(RS 232標(biāo)準(zhǔn)串口)相連,上位機(jī)PC監(jiān)控軟件采用LabVIEW程序進(jìn)行編寫,通過LabVIEW與PLC的接口將所有開關(guān)量和模擬量數(shù)據(jù)從PLC中取出,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、報(bào)警、存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線分析,故障診斷等功能。該系統(tǒng)還可通過上位機(jī)程序向PLC發(fā)出指令,以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程如圖1所示。

1.3 通信方案及實(shí)現(xiàn)

1.3.1 通信方案

在以上硬件條件下,要在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)PC與PLC的實(shí)時(shí)通信,關(guān)鍵在于如何在LabVIEW編程環(huán)境中驅(qū)動(dòng)SIEMENS CP5611通訊卡。CP5611被驅(qū)動(dòng)后,PC機(jī)即可通過CP5611與Profibus總線連接,從PLC S7-300地址塊中讀出數(shù)據(jù)或往地址塊中寫入數(shù)據(jù)。SIEMENS CP5611目前沒有LabVIEW的驅(qū)動(dòng)程序,如果要在LabVIEW環(huán)境中開發(fā)SIEMENS PLC的上位控制系統(tǒng),可以采取兩種方案:

(1) 開發(fā)者自己開發(fā)CP5611的驅(qū)動(dòng)程序,從底層的動(dòng)態(tài)鏈接庫編起；

(2) 找到并安裝SIEMENS的OPC Server應(yīng)用程序,利用NI的OPC Client與之進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

顯然,第二種方案對(duì)開發(fā)者更方便、快捷,因而本文選用第二種方案。OPC(OLE for Process Control)是基于Windows NT技術(shù)的OLE,COM/DCOM接口的擴(kuò)展,其本質(zhì)是OPC Client用一種開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的通訊方式與OPC Server進(jìn)行通訊。OPC規(guī)范定義的標(biāo)準(zhǔn)接口,使得不同廠家之間軟硬件的集成易于實(shí)現(xiàn)。使用第三方硬件時(shí),只要硬件開發(fā)商提供OPC Server,軟件開發(fā)人員無需編寫低層的驅(qū)動(dòng)程序,通過用戶軟件的OPC Client即可與之進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

1.3.2 LabVIEW與PLC數(shù)據(jù)通信的建立

(1) OPC Server的配置

SIEMENS公司為S7-300/S7-400提供的OPC Server接口集成在SIMATIC NET軟件包內(nèi),在本系統(tǒng)中西門子S7系統(tǒng)提供OPC Server,LabVIEW作為OPC Client進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

(1) 首先要進(jìn)行OPC配置,在成功安裝SIMATIC NET和CP5611的驅(qū)動(dòng)程序后,重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī),開始使用SIMATIC NET軟件組態(tài)PC Station。

(2) 組態(tài)好后在Step7v5.3中OPC Server與CPU315-2 DP進(jìn)行連接。

(3) 連接好之后要下載,特別注意訪問點(diǎn)的(Access points)的設(shè)置,Options-PG/PCINTERFACE,下載到本地服務(wù)器要選本地訪問點(diǎn)PC internal(local)下載到CPU315-2 DP,訪問點(diǎn)要改成CP5611。

(4) 屬性中設(shè)定local(本地)IP地址,比如192.168.6.174,partner是CP5611,它的IP地址也要設(shè)定好,比如192.168.6.132。這樣,配置完成后,如果PC Station中小圖標(biāo)變?yōu)椴噬?表示OPC Server配置好了。

(2) DataSocke與OPC的通信

LabVIEW的圖形化變成平臺(tái)集成了當(dāng)前測(cè)控領(lǐng)域中各種先進(jìn)的軟件開發(fā)技術(shù),可采用多種方案對(duì)OPC服務(wù)器進(jìn)行訪問。由于LabVIEW軟件平臺(tái)支持DataSocket技術(shù),DataSocket能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享,本文采用DataSocket技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)OPC服務(wù)器的訪問。DataSocket技術(shù)是基于Microsoft COM和ActiveX,源于TCP/IP協(xié)議并對(duì)其進(jìn)行高度封裝,面向測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用,用于共享和發(fā)布實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),是一種易用的高性能數(shù)據(jù)交換編程接口。但它不必像TCP/IP編程那樣把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為非結(jié)構(gòu)化的字節(jié)流,而是以自己特有的編碼格式傳輸各種類型的數(shù)據(jù),包括字符串、數(shù)字、布爾量以及波形等,還可以在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和用戶自定義屬性之間建立聯(lián)系,一起傳送。盡管DataSocket與OPC的實(shí)現(xiàn)原理有所不同,但DataSocket與OPC在體系上比較相似,二者結(jié)構(gòu)上都是客戶機(jī)/服務(wù)器模式,都為跨網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)定義了各自的傳輸協(xié)議,并以URL的方式訪問服務(wù)器數(shù)據(jù)項(xiàng)目。LabVIEW中可通過DataSocket VI功能子模板上DataSocket VIs支持OPC應(yīng)用。在LabV IEW中與一個(gè)OPC Sever通過調(diào)用DataSocketOpen Connection.vi圖標(biāo)實(shí)現(xiàn),并將對(duì)應(yīng)于OPCseverURL傳給該Vi。OPC URL的基本結(jié)構(gòu)為:OPC://主機(jī)名//OPC服務(wù)器名/數(shù)據(jù)項(xiàng)目/刷新率。

1.4 監(jiān)控系統(tǒng)界面

在上位機(jī)中顯示的1#主機(jī)5個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)參數(shù)值,運(yùn)用DataSocke和OPC可以進(jìn)行實(shí)時(shí)穩(wěn)定的通信顯示。儀表盤中,綠色表示參數(shù)在安全的情況下運(yùn)行；黃色表示參數(shù)正處于臨界的狀態(tài),即將要達(dá)到超限的狀態(tài)；而紅色即表示參數(shù)已經(jīng)超限。參數(shù)超限時(shí),儀表下面的報(bào)警燈隨即紅亮,圖3中的第三個(gè)儀表已經(jīng)報(bào)警,顯示的是1＃主機(jī)轉(zhuǎn)速超限。此時(shí)可以根據(jù)要求發(fā)送指令到PLC,或者通過PLC編程自動(dòng)切換或停車。處理后PLC可將處理結(jié)果返回給LabVIEW顯示并存儲(chǔ)。表頭下面的三個(gè)曲線利用LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)據(jù)顯示功能,通過設(shè)置顯示數(shù)據(jù)歷史長(zhǎng)度設(shè)置當(dāng)前一段時(shí)間內(nèi)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線,如圖3所示。

結(jié)合數(shù)據(jù)庫用戶可以對(duì)日志、報(bào)警記錄、控制處理結(jié)果以及各器件的歷史運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行查詢。圖4是主機(jī)的歷史曲線顯示分析界面,從歷史曲線可以看出系統(tǒng)參數(shù)的歷史趨勢(shì)。經(jīng)過分析可得出曲線整體走勢(shì)平緩,各參數(shù)在大部分時(shí)間是在正常范圍內(nèi)的,其中有個(gè)別點(diǎn)與其他點(diǎn)不同,說明過去存在參數(shù)報(bào)警。

2 結(jié) 語

該系統(tǒng)開發(fā)周期短、人機(jī)界面直觀友好、控制可靠、維護(hù)方便。運(yùn)用LabVIEW自帶的DataSocket與OPC通信實(shí)時(shí)可靠,適用于SIEMENS幾乎所有的通訊總線和通訊卡。如使用不同的通訊總線和不同類型的通訊卡,組態(tài)時(shí)選取相應(yīng)的總線型號(hào)和通訊卡型號(hào)即可。采用OPC作為數(shù)據(jù)交換的接口,具有可拓展性,可以將其他的系統(tǒng)融合進(jìn)來,構(gòu)成綜合監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)踐證明此系統(tǒng)在通沙汽渡五號(hào)上已經(jīng)運(yùn)行一年多,性能穩(wěn)定,大大提高船舶機(jī)艙自動(dòng)化水平。

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作者簡(jiǎn)介朱 青 女,1983年出生,江蘇鹽城人,江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院,碩士研究生。主要研究方向?yàn)榇皺C(jī)艙自動(dòng)化。

王 直 男,1962年出生,江蘇濱海人,副教授,江蘇科技大學(xué)科技處。主要研究方向?yàn)榇皩?dǎo)航、機(jī)器人控制。

李垣江 男,1981年出生,山西運(yùn)城人,信號(hào)與信息處理碩士。江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院教師。