基于WinCC的海上風(fēng)電安裝船遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

齊繼陽，孟 洋，何文燦，李金燕

（江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212003）

自升式海上風(fēng)電安裝船是海上風(fēng)電場(chǎng)的安裝設(shè)備，一方面，它可以像自升式平臺(tái)一樣自由升降，為海上作業(yè)提供一個(gè)安全穩(wěn)定的海上工作平臺(tái)；另一方面，它又可以像普通輪船一樣自主航行，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸?shù)墓δ堋?/p>

海上風(fēng)電安裝船工作地點(diǎn)一般為近海區(qū)域，遠(yuǎn)離陸地，如何能使陸上工作人員快捷方便地監(jiān)測(cè)到風(fēng)電安裝工作船工作狀態(tài)并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制是迫切需要解決的問題[1-2]。目前的遠(yuǎn)程監(jiān)控主要有2種形式。（1）設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)通過有線網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)程上位機(jī)，遠(yuǎn)程上位機(jī)在獲取設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)后，經(jīng)過分析處理，再通過有線網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)將控制信號(hào)發(fā)給遠(yuǎn)程設(shè)備的執(zhí)行器，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控；（2）在需要遠(yuǎn)程監(jiān)控的設(shè)備上，構(gòu)建由下位機(jī)和上位機(jī)組成的分布式控制系統(tǒng)，下位機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制，上位機(jī)負(fù)責(zé)發(fā)出操作指令和顯示結(jié)果數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程用戶對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，在上位機(jī)上搭建專用Web服務(wù)器，這樣遠(yuǎn)程客戶就可通過Internet訪問服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

自升式海上風(fēng)電安裝船主要由船體、樁腿、升降裝置等組成。該船體為四樁腿式，在每個(gè)樁腿兩側(cè)各固聯(lián)1根齒條，每個(gè)齒條與3個(gè)齒輪嚙合，齒輪由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)船體升降。

其工作過程分為船體上升和船體下降2個(gè)過程：上升過程是指當(dāng)船體行駛到達(dá)預(yù)定位置時(shí)，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪使樁腿下降至海底，然后以低速對(duì)樁腿進(jìn)行預(yù)壓，使船體更穩(wěn)定的停在預(yù)定位置，最后液壓馬達(dá)繼續(xù)驅(qū)動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，此時(shí)樁腿已牢固地插入海底，不能再繼續(xù)運(yùn)動(dòng)了。齒輪的旋轉(zhuǎn)必然帶動(dòng)船體上升，當(dāng)船體到達(dá)離海平面預(yù)定高度時(shí)，鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊，船體固定在這個(gè)位置，從而為海上作業(yè)提供了一個(gè)平穩(wěn)的工作平臺(tái)。下降過程指當(dāng)船體需要移動(dòng)位置時(shí)，首先鎖緊機(jī)構(gòu)打開，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪使船體降至水平面，然后慢慢從海底拔出樁腿，直至將樁腿提至預(yù)定高度，船體開始航行。整個(gè)升降過程即分為樁腿下降、預(yù)壓緊、船體上升、船體下降、拔樁和提起樁腿。

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

綜合考慮成本、系統(tǒng)可靠性，本系統(tǒng)采用上節(jié)介紹的第2種遠(yuǎn)程監(jiān)控的形式來實(shí)現(xiàn)風(fēng)電安裝船的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

海上風(fēng)電安裝船的4套升降系統(tǒng)分布在4個(gè)樁腿處，每套升降系統(tǒng)控制1個(gè)樁腿的升降。4套升降系統(tǒng)相對(duì)距離較遠(yuǎn)，對(duì)每一樁腿采用1個(gè)PLC對(duì)其升降過程進(jìn)行控制，4個(gè)PLC通過PPI協(xié)議組成一主三從的PPI網(wǎng)絡(luò)。以安裝有WinCC組態(tài)軟件的IPC作為上位機(jī)，一主三從的PPI的PPLC網(wǎng)絡(luò)作為下位機(jī)。

2.2 上位機(jī)與下位機(jī)之間的通訊

上位機(jī)IPC中裝有西門子公司的組態(tài)軟件WinCC，WinCC是包括所有的SCADA系統(tǒng)功能在內(nèi)的客戶機(jī)/服務(wù)器軟件，它提供的標(biāo)準(zhǔn)接口包括OPC、ActiveX、OLE和DDE服務(wù)器和客戶機(jī)等接口或控件，為系統(tǒng)與其他應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)提供了極大的方便[3]。WinCC對(duì)西門子公司主流PLC都能很好地支持，支持的PLC主要包括SIMATIC S5/S7/505系列的PLC，此外凡是支持 PROFIBUS DP、DDE、OPC和工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的其他公司的PLC也能很好地支持[4]。

西門子公司的PC Access軟件是專門用于S7-200PLC建立 OPC Server，OPC客戶端通過訪問OPC服務(wù)器從而獲取S7-200 PLC的有關(guān)數(shù)據(jù)。在本項(xiàng)目中，上位機(jī)正是利用西門子公司的PC Access構(gòu)建了主站 S7-226PLC的 OPC服務(wù)器，PC Access通過PPI通訊方式與PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。通過在WinCC的工程項(xiàng)目中添加OPC驅(qū)動(dòng)程序通道，將WinCC作為OPC DA客戶機(jī)，通過訪問主站S7-226PLC的OPC服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)WinCC與主站PLC的數(shù)據(jù)通訊。

2.3 下位機(jī)主站與從站之間的通訊

PPI是一個(gè)主從協(xié)議，主站向從站發(fā)出請(qǐng)求，從站做出應(yīng)答。主站通過由PPI協(xié)議管理的共享連接與從站通訊[5]。

在該項(xiàng)目中，4臺(tái)PLC通過PPI協(xié)議組成一主三從的PPI網(wǎng)絡(luò)。各站分配有不同的網(wǎng)絡(luò)地址，主站在每個(gè)掃描周期內(nèi)向每個(gè)從站發(fā)出1次網(wǎng)絡(luò)讀/寫請(qǐng)求，從站負(fù)責(zé)對(duì)主站的讀/寫請(qǐng)求做出應(yīng)答，這樣可有效地保證數(shù)據(jù)通訊的實(shí)時(shí)性。整個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)需求分析

根據(jù)海上風(fēng)電安裝船控制系統(tǒng)的需求，將其控制模式分為自動(dòng)控制和手動(dòng)控制2種控制模式，用戶可以根據(jù)實(shí)際工作狀況自由選擇控制模式。自動(dòng)模式即是對(duì)4個(gè)樁腿的協(xié)調(diào)控制，當(dāng)船體到達(dá)預(yù)定位置時(shí)，通過船體上升或船體下降信號(hào)的輸入，船體可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)上升過程或下降過程；而在手動(dòng)模式中，可以對(duì)每個(gè)樁腿的升降過程獨(dú)立控制而不考慮其他狀態(tài)的升降情況。

圖1 控制系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Block diagram of control system

為保證控制操作的安全性，避免非法用戶的誤操作，使系統(tǒng)具有分級(jí)保密功能，在系統(tǒng)中定義了多種用戶類型，對(duì)每種類型的用戶，賦予了一定的操作權(quán)限，不同類型的用戶對(duì)系統(tǒng)的訪問權(quán)限是不同的，從而實(shí)現(xiàn)了操作區(qū)域和對(duì)象的安全性保護(hù)。

為及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的故障，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了報(bào)警模塊，如當(dāng)船體傾斜角度超過限定值，樁腿升降速度超過預(yù)先設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒用戶注意。為便于操作人員對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)設(shè)置有趨勢(shì)歸檔模塊和消息歸檔模塊，而且數(shù)據(jù)可以電子文檔的形式進(jìn)行輸出或打印。

3.2 下位機(jī)程序的設(shè)計(jì)

下位機(jī)共由4臺(tái)PLC組成，每臺(tái)PLC控制1個(gè)樁腿的升降過程，下位機(jī)選擇西門子S7-200系列PLC。4臺(tái)PLC通過PPI協(xié)議組成一主三從的PPI網(wǎng)絡(luò)，主站采用西門子公司的S7-226PLC，從站采用西門子公司的S7-224XP PLC。從站負(fù)責(zé)樁腿升降過程控制，主站除了負(fù)責(zé)樁腿升降過程控制，還需根據(jù)采集到船體的傾斜信號(hào)，通知各從站調(diào)整樁腿升降速度，以減小船體的傾斜程度，主站程序流程如圖2所示。

圖2 主站程序流程圖Fig.2 Flow chart of masterPLC program

在從站中，行程限位開關(guān)用來設(shè)定樁腿升降的極限位置，位移傳感器用來獲取樁腿升降的行程大小，通過比例換向閥控制液壓馬達(dá)的速度從而控制樁腿的升降速度，電磁閥用來鎖緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)樁腿的鎖緊或松開。

在主站中，除了配有行程限位開關(guān)、位移傳感器、比例換向閥外，還配有雙軸傾角傳感器用來采集船體的傾斜角度，主站根據(jù)采集到的船體傾斜信號(hào)，運(yùn)用PID算法，控制比例換向閥的開度，從而控制升降系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

3.3 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)時(shí)信息，以及向系統(tǒng)發(fā)出控制指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控。在該項(xiàng)目中，監(jiān)控系統(tǒng)采用WinCC組態(tài)軟件進(jìn)行開發(fā)。

WinCC是西門子公司提供的一款基于Windows操作系統(tǒng)的人機(jī)接口HMI（human machine interface）系統(tǒng)，其功能非常強(qiáng)大，而且為二次開發(fā)提供了良好的開放性，在過程通訊和過程可視化方面獲得了廣泛應(yīng)用[6]。

WinCC的核心部分，圖形編輯器的圖形編輯功能十分強(qiáng)大，為用戶高效組態(tài)和編輯各種復(fù)雜、逼真的監(jiān)控畫面提供了可能。監(jiān)控畫面上的控件分為2大類，即通用控件和專用控件，對(duì)于通用控件，可以直接調(diào)用WinCC自帶的控件，如按鈕、文本框等，對(duì)于專用控件，用戶可以自由地利用Visual Basic或Visual C++等高級(jí)語言開發(fā)ActiveX控件，再在WinCC中調(diào)用該控件。本項(xiàng)目中，為實(shí)時(shí)顯示船體升降過程，開發(fā)了基于Visual Basic船體升降過程的ActiveX控件，這樣可使監(jiān)控系統(tǒng)更加形象逼真。

3.4 遠(yuǎn)程發(fā)布

為使遠(yuǎn)程用戶實(shí)現(xiàn)對(duì)海上風(fēng)電安裝船工作狀況的遠(yuǎn)程監(jiān)控，在該系統(tǒng)中，用于現(xiàn)場(chǎng)控制的上位機(jī)借助WinCC Web Navigator Server構(gòu)建了海上風(fēng)電安裝船監(jiān)控系統(tǒng)的專用Web服務(wù)器，遠(yuǎn)程端計(jì)算機(jī)只需安裝有Web Navigator Client組件便可實(shí)現(xiàn)對(duì)該服務(wù)器的訪問。

為了保證監(jiān)控系統(tǒng)的安全管理和操作，WinCC組態(tài)軟件中設(shè)置有用戶管理器，在用戶管理器中，可選擇添加多個(gè)用戶或用戶組，通過對(duì)系統(tǒng)中所有對(duì)象和畫面都分配一個(gè)權(quán)限，把相應(yīng)的權(quán)限分配給不同的登錄人員，使其只能操作特定的畫面和對(duì)象，從而實(shí)現(xiàn)了操作區(qū)域和對(duì)象的安全性保證。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方案的正確性，開發(fā)了一套自升式海上風(fēng)電安裝船原型系統(tǒng)，該模型按1∶80的比例縮小制成，如圖3所示?？刂葡到y(tǒng)以PC機(jī)作為上位機(jī)，4個(gè)SIMATIC S7-200系列PLC作為下位機(jī)。上位機(jī)中安裝有WinCC組態(tài)軟件及Web Navigator Server組件，遠(yuǎn)程端PC機(jī)安裝有Web Navigator Client組件。遠(yuǎn)程用戶訪問海上風(fēng)電安裝船監(jiān)控系統(tǒng)的Web服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)海上風(fēng)電安裝工作船遠(yuǎn)程監(jiān)控，操作畫面如圖4所示。

圖3 船體實(shí)物模型Fig.3 Physical model of the vessel

圖4 遠(yuǎn)程監(jiān)控畫面Fig.4 Screen of remote supervisory control

在該實(shí)驗(yàn)過程中，遠(yuǎn)程用戶能夠方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電安裝船模型的升降控制，并且能實(shí)時(shí)地監(jiān)視風(fēng)電安裝船模型的運(yùn)行狀況，系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

5 結(jié)語

風(fēng)電安裝船的工作地點(diǎn)一般為海水區(qū)，工作環(huán)境惡劣，工作站點(diǎn)分散，且岸上人員無法及時(shí)觀測(cè)到系統(tǒng)運(yùn)行信息，因此，開發(fā)其遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)不僅改善了操作人員工作環(huán)境及人力資源浪費(fèi)問題，并且為風(fēng)電安裝船的安全工作提供了有力保證。

該系統(tǒng)以IPC作為上位機(jī)，西門子S7-200系列PLC作為下位機(jī)，在下位機(jī)中，PLC之間通過PPI協(xié)議構(gòu)建了一主三從的PPI網(wǎng)絡(luò)，為實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)之間的通訊，采用PC Access搭建了下位機(jī)主站PLC的OPC服務(wù)器，以WinCC組態(tài)軟件開發(fā)了上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)，通過WinCC的組件WinCC Web Navigator Server構(gòu)建了監(jiān)控系統(tǒng)專用服務(wù)器，遠(yuǎn)程客戶端的PC機(jī)只需安裝有 Web Navigator Client組件，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)該服務(wù)器的訪問，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操作人員對(duì)海上風(fēng)電安裝船的遠(yuǎn)程監(jiān)控，在改善操作人員工作環(huán)境的同時(shí)，也減少人力物力資源浪費(fèi)、提高了工作的效率。

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