基于OPC技術(shù)的船舶電力推進(jìn)試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金 奎，張 晉

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

基于OPC技術(shù)的船舶電力推進(jìn)試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金 奎，張 晉

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文提出了一種基于OPC技術(shù)的船舶電力推進(jìn)試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，其主要特征為上位機(jī)采用NI公司的LabVIEW軟件作為監(jiān)控界面開發(fā)平臺，應(yīng)用OPC Server技術(shù)實(shí)現(xiàn)PC與PLC之間通訊，并通過上位機(jī)軟件訪問OPC Server完成對試驗(yàn)系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的顯示、分析、存儲、指令下達(dá)等功能。最后，通過陸上電力推進(jìn)試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完成監(jiān)控系統(tǒng)的功能驗(yàn)證工作.

電力推進(jìn) OPC 監(jiān)控系統(tǒng) LabVIEW

0 引言

現(xiàn)代海洋船舶工程應(yīng)用領(lǐng)域中，電力推進(jìn)系統(tǒng)以其系統(tǒng)性能優(yōu)越、自動化程度高以及系統(tǒng)布置靈活等特點(diǎn)，已成為未來船舶推進(jìn)方式的一種趨勢。隨著海洋船舶推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行工況環(huán)境的日益復(fù)雜，對推進(jìn)性能及技術(shù)要求日益提高，在推進(jìn)設(shè)備裝船前，通過模擬實(shí)船工況條件對系統(tǒng)性能狀態(tài)進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性的充分驗(yàn)證方式越來越受到重視。

與其它高級語言和組態(tài)軟件類似，LabVIEW軟件在人機(jī)界面的開發(fā)方面采用了圖形化的設(shè)計(jì)方法，使其具有開發(fā)成本低、周期短、軟件運(yùn)行穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合OPC技術(shù)提供了各類硬件設(shè)備統(tǒng)一“驅(qū)動”的優(yōu)勢，極大簡化了軟硬件之間的通訊編程，提高了試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)的可拓展性和通用性，便于針對不同推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)要求進(jìn)行系統(tǒng)的維護(hù)和升級。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)概述

本文主要研究的船舶電力推進(jìn)試驗(yàn)系統(tǒng)組成主要包括：試驗(yàn)配電系統(tǒng)、推進(jìn)變壓器、推進(jìn)變頻器、推進(jìn)電機(jī)、試驗(yàn)?zāi)M負(fù)載、輔助系統(tǒng)以及試驗(yàn)監(jiān)控臺，其中推進(jìn)變壓器、推進(jìn)變頻器和推進(jìn)電機(jī)為本試驗(yàn)系統(tǒng)的主要研究對象。其基本結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

其中，配電系統(tǒng)主要是根據(jù)電力推進(jìn)試驗(yàn)系統(tǒng)的容量需求，為試驗(yàn)系統(tǒng)提供主電源以及試驗(yàn)設(shè)備輔助電源等；推進(jìn)變壓器、推進(jìn)變頻器、推進(jìn)電機(jī)為本試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)的主要研究對象；試驗(yàn)負(fù)載用于在試驗(yàn)過程中模擬船舶實(shí)際推進(jìn)工況負(fù)載情況，實(shí)現(xiàn)對額定工況點(diǎn)下的推進(jìn)設(shè)備各項(xiàng)性能進(jìn)行試驗(yàn)；輔助系統(tǒng)主要指試驗(yàn)系統(tǒng)中除推進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備以外的其它所有輔助設(shè)備及輔助材料的一個統(tǒng)稱，包括相關(guān)的輔助油、水、氣以及對應(yīng)的管路系統(tǒng)等；試驗(yàn)監(jiān)控臺作為整個電力推進(jìn)試驗(yàn)系統(tǒng)的中樞，主要完成對整個推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)存儲以及控制指令下達(dá)等功能。

圖1 電力推進(jìn)試驗(yàn)系統(tǒng)組成

2 試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)組成原理

本文采用NI公司的LabVIEW軟件作為監(jiān)控界面開發(fā)平臺，結(jié)合其提供的OPC工業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)作為整個電力推進(jìn)試驗(yàn)的工作核心，形成系統(tǒng)上層監(jiān)控軟件與下層現(xiàn)場設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互。其試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)的組成原理如圖2所示。

其中，上位機(jī)監(jiān)控層作為試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，主要完成上位監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)開發(fā)、OPC客戶端/服務(wù)器功能配置，實(shí)現(xiàn)對整個推進(jìn)試驗(yàn)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控以及控制參數(shù)設(shè)置；現(xiàn)場設(shè)備層采用西門子系列PLC控制器，實(shí)現(xiàn)對整套推進(jìn)試驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)字量、模擬量以及相關(guān)溫度狀態(tài)的采集，并完成試驗(yàn)系統(tǒng)控制邏輯處理、系統(tǒng)功能保護(hù)以及相關(guān)控制信號輸出；上位機(jī)監(jiān)控層與現(xiàn)場設(shè)備層PLC控制器之間采用以太網(wǎng)通訊方式，而PLC控制器與試驗(yàn)系統(tǒng)推進(jìn)變頻器之間的通訊方式采用Profibus DP通訊。

圖2 電力推進(jìn)試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)原理

2.2 系統(tǒng)通訊方案

本文中推進(jìn)試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)采用基于NI OPC Server技術(shù)實(shí)現(xiàn)PC與PLC之間的通訊方案，其關(guān)鍵在于如何完成上位機(jī)監(jiān)控軟件對OPC服務(wù)器的訪問工作，實(shí)現(xiàn)客戶端程序與服務(wù)器程序之間的端口一一對應(yīng)，并完成對關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行可靠的鏈接。

上位機(jī)監(jiān)控軟件LabVIEW與OPC Server之間的主要通訊方式有以下3種：1）利用其DSC模塊與OPC Server通訊；2）通過其自動化接口ActiveX實(shí)現(xiàn)對OPC Server的訪問；3）通過NI的DataSocket技術(shù)實(shí)現(xiàn)與OPC Server的通訊[1]。

本文中試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)OPC客戶端配置主要采用方法3，即通過DataSocke技術(shù)實(shí)現(xiàn)對OPC服務(wù)器進(jìn)行訪問。通過LabVIEW的前面板控件進(jìn)行直接鏈接，與試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)對象形成一一對應(yīng)的關(guān)系。完成鏈接后，LabVIEW控件對象的右上角會出現(xiàn)對應(yīng)的鏈接指示燈，用于指示數(shù)據(jù)項(xiàng)對象鏈接關(guān)系是否正常。當(dāng)監(jiān)控程序正常運(yùn)行時，數(shù)據(jù)項(xiàng)鏈接成功則指示燈顯示狀態(tài)為綠色，相反則為紅色[2]。其推進(jìn)試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)的通訊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

推進(jìn)試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)中，PLC控制器與OPC服務(wù)器之間組態(tài)采用以太網(wǎng)通訊方式。其中，上位機(jī)利用NI OPC Server建立OPC服務(wù)器，通過SIMATIC.NET實(shí)現(xiàn)PLC與OPC服務(wù)器的通訊連接。通過OPC Scout軟件完成OPC數(shù)據(jù)標(biāo)簽的定義，即是對PLC控制器中通訊數(shù)據(jù)的地址和變量類型進(jìn)行整理，從而實(shí)現(xiàn)PLC中的數(shù)據(jù)與OPC服務(wù)器中的數(shù)據(jù)建立一一映射的關(guān)系[3]。在工業(yè)控制層面上，SIMATIC.NET的優(yōu)勢在于其提供了一個多元的、開放的通訊系統(tǒng)，能夠?qū)F(xiàn)場設(shè)備層PLC與上位機(jī)監(jiān)控層進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通訊[4]。

圖3 電力推進(jìn)試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)通訊結(jié)構(gòu)

上位機(jī)軟件LabVIEW應(yīng)用DataSocket功能創(chuàng)建OPC客戶端程序，與西門子SIMATIC.NET建立OPC Server通訊，將監(jiān)控界面中諸如指示燈、按鈕、顯示框、曲線監(jiān)視器等對象與OPC服務(wù)器中數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行綁定，實(shí)現(xiàn)PLC控制器與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)實(shí)時交互功能。其中，OPC客戶端程序作為電力推進(jìn)試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)的通訊程序，將現(xiàn)場設(shè)備層PLC控制器中的數(shù)據(jù)通過通訊的方式實(shí)時采集到上位機(jī)監(jiān)控層中，然后通過上位機(jī)監(jiān)控軟件對PLC控制器數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，再實(shí)時將數(shù)據(jù)更新下發(fā)至PLC控制器，實(shí)現(xiàn)整個試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)時在線監(jiān)控[5]。

2.3 上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

推進(jìn)系統(tǒng)的試驗(yàn)監(jiān)控軟件體系結(jié)構(gòu)主要包括控制程序、試驗(yàn)程序和監(jiān)控界面三大部分。其中，控制程序主要是現(xiàn)場設(shè)備層PLC控制程序、陸上配電系統(tǒng)開關(guān)控制程序、上位機(jī)與PLC之間通訊程序；試驗(yàn)程序主要包括配電系統(tǒng)狀態(tài)采集程序、變頻器及電機(jī)參數(shù)采集程序和數(shù)據(jù)保存程序；監(jiān)控界面主要包括控制界面、試驗(yàn)狀態(tài)顯示界面和曲線顯示界面[6]。其軟件體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

本文針對電力推進(jìn)試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)的組成特點(diǎn)及功能分類，將上位機(jī)監(jiān)控界面區(qū)域分為以下幾個部分：1號試驗(yàn)控制區(qū)、2號試驗(yàn)計(jì)時區(qū)、3號推進(jìn)變壓器狀態(tài)監(jiān)控區(qū)、4號推進(jìn)變頻器狀態(tài)監(jiān)控區(qū)以及5號推進(jìn)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)控區(qū)。試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖4 推進(jìn)試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)

圖5 試驗(yàn)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的電力推進(jìn)試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的安全性、可擴(kuò)展性和實(shí)時性等優(yōu)點(diǎn)，且系統(tǒng)監(jiān)控界面友好，能夠?qū)崿F(xiàn)對試驗(yàn)過程控制、數(shù)據(jù)采集、曲線顯示和數(shù)據(jù)存儲等功能，極大地簡化了試驗(yàn)操作過程，能夠滿足電力推進(jìn)系統(tǒng)陸上試驗(yàn)監(jiān)控要求。參考文獻(xiàn)：

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[6] 羅文鋒. 基于LabVIEW與PLC的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D]. 武漢理工大學(xué), 2009.

OPC-based Design of A Monitoring System for the Test of the Electric Propulsion System of A Ship

Jin Kui, Zhang Jin

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

This paper puts forward a kind of the monitoring system with OPC technology for the test of marine electric propulsion system. The main features of the system is that the monitoring interface of PC is developed by the LabVIEW sofeware of NI company, and the communication between PC and PLC is established by use of the technology of OPC Server. It completed the function of display, analysis, storage and instruction of the experiment system through PC software by accessing the OPC Server. Finally, it is confirmed by designing of experiment monitoring system in electric propulsion system on land.

electric propulsion; OPC; monitoring system; LabVIEW

TP273

A

1003-4862（2016）12-0037-03

2016-08-09

金奎（1989-），男，工程師。研究方向：船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)。