基于DDE技術(shù)的船舶液艙裝載狀態(tài)及穩(wěn)性的實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

宗鈺煬 周玉龍 周 密

（江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院 鎮(zhèn)江 212003）

引 言

船舶的浮態(tài)及穩(wěn)性對船舶安全順利地完成其使命任務(wù)影響十分重大，因而實現(xiàn)船舶的浮態(tài)及穩(wěn)性的實時準(zhǔn)確監(jiān)測報警顯得尤為必要。

目前的監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)主要采用工業(yè)組態(tài)軟件，它相當(dāng)于一個“二次開發(fā)平臺”，一般不需要自己編寫程序，使用起來方便快捷。其中西門子的WinCC組態(tài)軟件不僅能夠生成可視化監(jiān)控界面，實現(xiàn)對監(jiān)控對象的實時監(jiān)測報警，而且由于其具有強(qiáng)大的SQL2005數(shù)據(jù)庫，還可實現(xiàn)數(shù)據(jù)歸檔、報警記錄以及報表打印等功能。［1］通過WinCC組態(tài)軟件設(shè)計的監(jiān)測界面可以直觀顯示船舶液艙的液溫液位數(shù)據(jù)，雖然缺乏對復(fù)雜數(shù)據(jù)的計算處理功能，不能實現(xiàn)對液艙裝載及浮態(tài)穩(wěn)性數(shù)據(jù)的計算，然而VB可以很好地解決這一問題。為了更好地發(fā)揮WinCC和VB軟件的優(yōu)勢，本文利用數(shù)據(jù)交換技術(shù)將WinCC液艙液位液溫監(jiān)測系統(tǒng)和劉文艷學(xué)者采用VB編程軟件設(shè)計的“浮態(tài)調(diào)整輔助決策系統(tǒng)”［2］結(jié)合起來，從而獲得更為理想的結(jié)果。

目前，組態(tài)軟件和VB應(yīng)用程序主要采取DDE、OLE、OPC三種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。［3］本文利用VB與WinCC組態(tài)軟件的功能互補(bǔ)性，采用DDE技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的動態(tài)交換，實現(xiàn)船舶液艙裝載及穩(wěn)性的實時監(jiān)測系統(tǒng)。

1 DDE技術(shù)

動態(tài)數(shù)據(jù)交換（Dynamic Data Exchange，簡稱DDE），是一種在Windows操作系統(tǒng)中實現(xiàn)進(jìn)程間通信的技術(shù)。DDE使用系統(tǒng)共享內(nèi)存來實現(xiàn)進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)交換，并通過DDE協(xié)議同步傳遞數(shù)據(jù)。使用DDE通訊需要有兩個Windows應(yīng)用程序，其中一方作為服務(wù)器處理信息，另一方作為客戶機(jī)獲得信息。［4-5］客戶機(jī)與服務(wù)器之間數(shù)據(jù)交換的方式稱為連接。DDE有三種連接方式:熱連接、溫連接、冷連接。［6］熱連接能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通信，而溫連接與冷連接均不能實現(xiàn)。所以根據(jù)監(jiān)測設(shè)計系統(tǒng)的需求，本文采用熱連接的方式進(jìn)行WinCC液位液溫監(jiān)測系統(tǒng)軟件與“浮態(tài)輔助決策系統(tǒng)”（如圖1所示）之間數(shù)據(jù)交換。

圖1 “浮態(tài)輔助決策系統(tǒng)”界面

2 基于DDE的監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

以某船為原型，對該船各類艙室的液位、液溫進(jìn)行監(jiān)測，共設(shè)置280個監(jiān)測點(diǎn)，并根據(jù)監(jiān)測液艙艙深及液體性質(zhì)選擇相應(yīng)的壓力傳感器。但是由于液體密度的變化、電源電壓的波動、信號的衰弱等均會使測量結(jié)果產(chǎn)生較大誤差，因此，還應(yīng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。例如根據(jù)壓力傳感器原理= ρgh，采用雙差壓法，即一個壓力傳感器測量已知液位下的壓差，另一個測量需測液位下的壓差，通過計算消除密度對測量結(jié)果的影響。并確定電源電壓波動、信號衰弱等與測量值和實際值之間的關(guān)系，通過相應(yīng)公式對這些影響進(jìn)行消弱或消除，最后在PLC中對這些計算公式進(jìn)行編程，實現(xiàn)對監(jiān)測值的修正。將PLC與傳感器進(jìn)行正確連接，并通過PROFIBUS電纜與上位機(jī)進(jìn)行連接。在上位機(jī)中采用WinCC軟件對監(jiān)測界面、監(jiān)測變量、采集周期、歸檔周期、網(wǎng)絡(luò)傳輸速率等進(jìn)行組態(tài)設(shè)置，實現(xiàn)組態(tài)軟件WinCC對船舶液位、液溫的實時監(jiān)測系統(tǒng)。

原有的“浮態(tài)輔助決策系統(tǒng)”需要人工（手動）輸入現(xiàn)場液艙液位數(shù)據(jù)后才能進(jìn)行液艙數(shù)據(jù)及浮態(tài)穩(wěn)性數(shù)據(jù)的計算，其系統(tǒng)界面如圖1所示。采用人工輸入不僅會造成輸入誤差，而且從采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)到人工輸入數(shù)據(jù)也產(chǎn)生了相應(yīng)的時間誤差，工作繁瑣，不符合現(xiàn)代化船舶監(jiān)測系統(tǒng)的要求。本文通過DDE數(shù)據(jù)交換機(jī)制，將WinCC液位監(jiān)測系統(tǒng)與“浮態(tài)輔助決策系統(tǒng)”完美結(jié)合，并實現(xiàn)了兩個系統(tǒng)平臺之間的數(shù)據(jù)交換。

系統(tǒng)運(yùn)行的具體過程如下:組態(tài)軟件WinCC通過PLC和傳感器實時獲取現(xiàn)場液位、液溫的采集數(shù)據(jù)；通過DDE通訊機(jī)制，將液位數(shù)據(jù)傳遞給VB應(yīng)用程序“浮態(tài)輔助決策系統(tǒng)”；在VB應(yīng)用程序中完成液艙相關(guān)數(shù)據(jù)（液艙液重、重量的垂向坐標(biāo)、重量的縱向坐標(biāo)等）以及船舶浮態(tài)穩(wěn)性數(shù)據(jù)的計算，實現(xiàn)VB系統(tǒng)對船舶液艙裝載及穩(wěn)性狀態(tài)的實時監(jiān)測；將VB應(yīng)用程序計算得出的重要穩(wěn)性數(shù)據(jù)通過DDE傳遞給WinCC，實現(xiàn)WinCC系統(tǒng)對船舶裝載及穩(wěn)性狀態(tài)的實時監(jiān)測。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 以VB作為DDE客戶端的實時監(jiān)測系統(tǒng)

當(dāng)WinCC軟件中的變量通過傳感器和PLC獲取到現(xiàn)場液位數(shù)據(jù)后，該系統(tǒng)并不能進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理計算，這就需要“浮態(tài)輔助決策系統(tǒng)”來解決這一問題。以WinCC液位監(jiān)測系統(tǒng)作為DDE服務(wù)器，VB應(yīng)用程序“浮態(tài)輔助決策系統(tǒng)”作為DDE客戶機(jī)，通過DDE服務(wù)器將監(jiān)測到的實時液位值傳遞給DDE客戶機(jī)。

為實現(xiàn)兩個系統(tǒng)軟件對DDE的支持，以WinCC系統(tǒng)作為服務(wù)器，VB應(yīng)用程序作為客戶機(jī)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需要作如下所示設(shè)置:

（1）在WinCC項目的WinCC Explorer中的“計算機(jī)屬性->啟動”中添加應(yīng)用程序DdeServ.exe，同時添加命令行參數(shù):/v/n；

（2）在VB應(yīng)用程序“浮態(tài)輔助決策系統(tǒng)”的窗體上添加140個文本控件用來讀取船舶的140個液艙液位值，并對這些控件進(jìn)行如下的屬性設(shè)置:Visible=False；LinkTopic=WinCC︱﹨PC-201305161509﹨zyy﹨zyy.mcp；LinkItem=1號燃油艙液位（各個文本控件需要讀取WinCC中的對應(yīng)變量名）；LinkMode=Automatic。

當(dāng)WinCC系統(tǒng)與現(xiàn)場PLC以及傳感器連接正確后，激活WinCC系統(tǒng)，同時運(yùn)行“浮態(tài)輔助決策系統(tǒng)”。此時，通過液位傳感器采集到的液位信號，通過PLC的轉(zhuǎn)換為數(shù)值信息，傳遞給WinCC中設(shè)置的相應(yīng)變量。通過以上兩個步驟的設(shè)置，此時作為DDE服務(wù)器的WinCC就會根據(jù)作為DDE客戶機(jī)的“浮態(tài)輔助決策系統(tǒng)”的要求，實時傳遞數(shù)據(jù)。由步驟（2）中的設(shè)置可知，WinCC中讀取液位數(shù)據(jù)的相關(guān)變量就會實時的將液位數(shù)值更新給中添加的對應(yīng)的文本控件。例如，當(dāng)文本控件的LinkMode屬性設(shè)置為“1號燃油艙液位”時變量名為“1號燃油艙”的變量就會將自己變量數(shù)值實時更新給該文本控件。

然而在“浮態(tài)輔助決策系統(tǒng)”中實時顯示液位數(shù)據(jù)并不能達(dá)到實時計算船舶裝載及穩(wěn)性數(shù)據(jù)的目的，因為該系統(tǒng)中液位數(shù)據(jù)是在DataGrid網(wǎng)格控件中顯示并非文本控件。由于VB中只有文本控件、圖片控件等支持DDE通訊而DataGrid控件并不支持DDE通訊，所以采用的文本控件僅僅是作為中間對象來獲取液位的實時數(shù)據(jù)，還需要對“浮態(tài)輔助決策系統(tǒng)”中相關(guān)程序進(jìn)行添加修改將其獲取的數(shù)據(jù)賦值給相應(yīng)的網(wǎng)格控件。其中添加的文本控件僅僅是作為中間量用來對實時液位的讀取，并不需要在系統(tǒng)運(yùn)行界面顯示，所以將這些文本控件均設(shè)置為不可見并置于最底層。

在系統(tǒng)程序中將各類液艙的液位所對應(yīng)的文本控件數(shù)值賦值給相應(yīng)的液艙數(shù)組，例如燃油艙數(shù)組在VB程序中定義為ranyou（12），在程序中對1號燃油艙進(jìn)行賦值:ranyou（1）=Text2.Text，其他液艙相同，再將這些數(shù)組值賦值給相應(yīng)的網(wǎng)格控件列。其部分程序如下:

在該程序中液位數(shù)組均除以1000是為了使單位保持一致，在VB程序中液位的單位為“米”。

文本控件的液位數(shù)值是根據(jù)WinCC服務(wù)器端的數(shù)據(jù)的改變而實時變化的，但“浮態(tài)輔助決策系統(tǒng)”中的其他數(shù)據(jù)并不能實時變化，這就需要對其中程序進(jìn)行一些修改。為此在系統(tǒng)中添加了8個Timer控件，時間間隔設(shè)置為2 s（時間可調(diào)），并分別將源程序中液艙數(shù)據(jù)計算、初穩(wěn)性數(shù)據(jù)計算、大傾角穩(wěn)性數(shù)據(jù)計算、穩(wěn)性曲線繪制、穩(wěn)性計算按鈕等相關(guān)程序添加到各個Timer事件中，根據(jù)系統(tǒng)目的進(jìn)行一定的修改。最終實現(xiàn)了“浮態(tài)輔助決策系統(tǒng)”液位的實時變化以及相關(guān)數(shù)據(jù)的自動計算。

當(dāng)WinCC液位監(jiān)測系統(tǒng)被激活運(yùn)行時，運(yùn)行“浮態(tài)輔助決策系統(tǒng)”液位列則自動更新顯示當(dāng)前的實時監(jiān)測液位，各類液艙的數(shù)據(jù)在網(wǎng)格控件中以5 s的速度輪換顯示，并且系統(tǒng)還能自動計算出相應(yīng)液位下的 液艙各類數(shù)值，以及船舶的浮態(tài)穩(wěn)性數(shù)據(jù)。圖3為該系統(tǒng)運(yùn)行時的界面，由圖中可知目前網(wǎng)格控件中顯示的是壓載水艙的相關(guān)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)界面中還設(shè)置了手動操作按鈕和自動計算按鈕，當(dāng)不需要系統(tǒng)實時計算穩(wěn)性數(shù)據(jù)時可以按下手動操作按鈕，節(jié)約了系統(tǒng)資源，提高了系統(tǒng)利用率。

2.3 以WinCC作為DDE客戶端的實時監(jiān)測系統(tǒng)

將WinCC監(jiān)測系統(tǒng)作為DDE客戶端，VB應(yīng)用程序“浮態(tài)輔助決策系統(tǒng)”作為DDE服務(wù)器。由服務(wù)器向WinCC客戶端傳遞船舶液艙實時液量值以及初穩(wěn)心高、極限風(fēng)速等相關(guān)數(shù)據(jù)。

WinCC作為客戶端的具體設(shè)置如下:

（1）將VB應(yīng)用程序“浮態(tài)輔助決策系統(tǒng)”窗口按照下頁表1中的VB作為服務(wù)器進(jìn)行設(shè)置，LinkMode屬性設(shè)置為1-source，LinkTopic設(shè)置為Form1。

（2）將VB應(yīng)用程序生成可執(zhí)行文件JCXT.exe，其文件名稱與工程名JCXT.vbp相同。

（3）在WinCC變量管理器下添加新的驅(qū)動程序Windows DDE，在DDE通道下新建連接，并設(shè)置其相關(guān)屬性，應(yīng)用程序為JCXT，主題為Form1。

圖3 VB系統(tǒng)運(yùn)行界面

表1 VB的DDE屬性設(shè)置

（4）本文設(shè)計系統(tǒng)監(jiān)測對象為35個液艙，故有35個與之相應(yīng)的液重數(shù)據(jù)，還有由VB應(yīng)用程序計算的實時初穩(wěn)性高、極限風(fēng)速等相關(guān)數(shù)據(jù)。在（3）中新建的連接下建立如上所述的相應(yīng)變量，并對其相關(guān)屬性進(jìn)行設(shè)置。圖4為1號燃油艙液重所對應(yīng)的變量的屬性設(shè)置，單擊圖中的選擇按鈕，設(shè)置條目名稱為Text5（文本控件名應(yīng)與VB中相對應(yīng)），數(shù)據(jù)類型為浮點(diǎn)數(shù)。其他變量設(shè)置與此相同。

圖4 變量屬性

（5）在WinCC監(jiān)測畫面中對畫面進(jìn)行設(shè)置，添加新的I/O域，設(shè)置為與DDE下的變量進(jìn)行動態(tài)連接，觸發(fā)為一旦改變，輸出格式根據(jù)具體連接變量確定。

（6）在“浮態(tài)輔助決策系統(tǒng)”中添加39個文本控件，均設(shè)置為不可見且置于底層。由于需要從VB服務(wù)器讀取的數(shù)據(jù)均在網(wǎng)格控件當(dāng)中，網(wǎng)格控件并不支持DDE通訊，所以添加的39個文本控件仍是作為中間量的，這就需要先將網(wǎng)格控件中的相關(guān)數(shù)據(jù)賦值給對應(yīng)的文本控件。在對液艙數(shù)據(jù)進(jìn)行計算的時間事件程序中添加的部分程序如下:

在計算穩(wěn)性數(shù)據(jù)的相應(yīng)時間事件下插入如下程序語句 :Text22.Text = .TextMatrix（4， 2）用來讀取極限風(fēng)速值；Text20.Text = lbl_udg.Caption用來判斷極限風(fēng)速是否滿足軍規(guī)要求；Text21.Text = .TextMatrix（7， 2）用來讀取修正后的初穩(wěn)心高值；Text19.Text = lbl_hdg用來判斷初穩(wěn)心高是否滿足軍規(guī)要求。

通過以上程序修改，將液重、初穩(wěn)心高、極限風(fēng)速等相關(guān)數(shù)據(jù)實時賦值給相應(yīng)的文本控件，通過VB設(shè)置的DDE服務(wù)器傳遞給WinCC客戶機(jī)中相應(yīng)的變量中，其運(yùn)行界面如圖5所示。由圖中可以看到，WinCC系統(tǒng)界面中也能夠?qū)崟r顯示液重、初穩(wěn)心高、極限風(fēng)速等數(shù)據(jù)。

圖5 WinCC運(yùn)行界面

3 結(jié) 論

本文主要介紹了DDE動態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)，并利用其實現(xiàn)了VB應(yīng)用軟件及WinCC組態(tài)軟件程序之間的實時數(shù)據(jù)交換。通過DDE技術(shù)將WinCC監(jiān)測的液位數(shù)據(jù)實時更新到“浮態(tài)輔助決策系統(tǒng)”中，將原來的手動液位輸入變成了實時自動更新，并實現(xiàn)了“浮態(tài)輔助決策系統(tǒng)”對船舶液艙裝載狀態(tài)及穩(wěn)性的實時監(jiān)測。同時通過DDE技術(shù)將計算的穩(wěn)性數(shù)據(jù)實時傳遞給WinCC軟件，實現(xiàn)了WinCC軟件對船舶液艙裝載狀態(tài)及穩(wěn)性的實時監(jiān)測。通過該技術(shù)實現(xiàn)了不同軟件之間功能的互補(bǔ)，提高了系統(tǒng)自動化監(jiān)測的程度。該監(jiān)測系統(tǒng)還具有一定的通用性，通過更改相關(guān)船舶資料，可以將其應(yīng)用到其他船舶上，對其他船舶監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計具有一定的參考價值。

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