基于OPC技術(shù)的船塢頂升裝置故障及信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)

顧頌英，陳 浩

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引言

上海外高橋造船有限公司內(nèi)現(xiàn)代化造船工藝在大型分段合攏、總段移位中使用了上海赫曼液壓公司生產(chǎn)的40點(diǎn)大型總段移位裝置。該裝置采用西門(mén)子CPU315-2DP及MP277觸摸屏，通過(guò)40臺(tái)分布式250 t液壓頂升裝置單體，以及Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)同控制，達(dá)到高精度頂升超大型船體分段的功能。基于該系統(tǒng)的同型號(hào)產(chǎn)品普遍用于長(zhǎng)興2號(hào)、3號(hào)線(xiàn)、滬東中華等大型船廠(chǎng)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

該系統(tǒng)在使用過(guò)程中，存在的不足之處是標(biāo)準(zhǔn)配置的MP277觸摸屏系統(tǒng)顯示的信號(hào)狀態(tài)較固定，數(shù)量?jī)H為總體關(guān)鍵壓力信號(hào)及總控臺(tái)信號(hào)，對(duì)于單臺(tái)機(jī)構(gòu)的設(shè)備信號(hào)狀態(tài)無(wú)法顯示和故障報(bào)警。在大型分段頂升過(guò)程中，一旦單體頂升機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障，無(wú)法快速地從原廠(chǎng)觸摸屏上直觀(guān)顯示，維修人員必須深入分段下憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行故障排查。無(wú)論從信號(hào)數(shù)量上和采集速度上，原系統(tǒng)均無(wú)法滿(mǎn)足高速大數(shù)據(jù)信號(hào)交換的要求。

通過(guò)OPC技術(shù)[1-3]，使整個(gè)系統(tǒng)對(duì)于信號(hào)傳輸多了一條高速的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，通過(guò)對(duì)這些信號(hào)源進(jìn)行WinCC軟件的二次開(kāi)發(fā)，獲得40臺(tái)單體250t頂升裝置的所有信號(hào)狀態(tài)和故障情況信息，大大提高了超大型總段移位時(shí)的維修響應(yīng)速度，從而提高了保障設(shè)備安全及整個(gè)船塢生產(chǎn)正常運(yùn)行的可靠性。

1 OPC數(shù)據(jù)采集通道的建立設(shè)計(jì)

OPC是自動(dòng)化行業(yè)及其他行業(yè)用于數(shù)據(jù)安全交換時(shí)的互操作性標(biāo)準(zhǔn)。它獨(dú)立于平臺(tái)，并確保來(lái)自多個(gè)廠(chǎng)商的設(shè)備之間信息的無(wú)縫傳輸，OPC基金會(huì)負(fù)責(zé)該標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)和維護(hù)。OPC標(biāo)準(zhǔn)是由行業(yè)供應(yīng)商、終端用戶(hù)和軟軟件開(kāi)發(fā)者共同制定的一系列規(guī)范。這些規(guī)范定義了客戶(hù)端與服務(wù)器之間以及服務(wù)器與服務(wù)器之間的接口，比如訪(fǎng)問(wèn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、監(jiān)控報(bào)警和事件、訪(fǎng)問(wèn)歷史數(shù)據(jù)和其他應(yīng)用程序等，都需要OPC標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)。OPC標(biāo)準(zhǔn)于1996年首次發(fā)布，其目的是把 PLC特定的協(xié)議（如 Modbus、Profibus等）抽象成標(biāo)準(zhǔn)化的接口，作為“中間人”的角色把其通用的“讀寫(xiě)”要求轉(zhuǎn)換成具體的設(shè)備協(xié)議，反之亦然，以便HMI/SCADA系統(tǒng)可以對(duì)接。這也因此造就了整個(gè)行業(yè)內(nèi)手工作坊的蓬勃興起，通過(guò)使用OPC協(xié)議，終端用戶(hù)就可以毫無(wú)障礙地使用最好的產(chǎn)品來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)操作。圖1為OPC信號(hào)傳遞拓?fù)鋱D[4-5]。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)的OPC信號(hào)傳遞拓?fù)鋱D

最初，OPC標(biāo)準(zhǔn)僅限于Windows操作系統(tǒng)。因此，OPC是OLE for Process Control（用于過(guò)程控制的OLE）的縮寫(xiě)。人們熟知的的OPC規(guī)范一般是指OPC Classic，廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，包括制造業(yè)、樓宇自動(dòng)化、石油和天然氣、可再生能源和公用事業(yè)等領(lǐng)域[6-7]。

2 工業(yè)控制系統(tǒng)采用OPCC技術(shù)

工業(yè)控制系統(tǒng)采用OPC技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有：

1）OPC規(guī)范以COM為技術(shù)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了代碼在二進(jìn)制級(jí)上的重用和代碼的語(yǔ)言無(wú)關(guān)性，極大提升了軟件的重用用性，提高了開(kāi)發(fā)效率。

2）OPC封裝了系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，客戶(hù)以統(tǒng)一的方式去調(diào)用這個(gè)方法，從而保證軟件對(duì)客戶(hù)的透明性，使得用戶(hù)完全從低層的開(kāi)發(fā)中脫離出來(lái)。

3）利用DCOM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程調(diào)用，使應(yīng)用程序的分布與系統(tǒng)硬件的分布無(wú)關(guān)，便于系統(tǒng)硬件配置以及擴(kuò)展，使系統(tǒng)的應(yīng)用范圍更廣。

4）采用OPC規(guī)范，便于系統(tǒng)組態(tài)化，將系統(tǒng)復(fù)雜性大簡(jiǎn)化，可以大縮短軟件開(kāi)發(fā)周期，提高軟件運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，便于系統(tǒng)的升級(jí)與維護(hù)。

5）OPC規(guī)范了接口函數(shù)，不管現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以何種形式存在，客戶(hù)都以統(tǒng)一的方式去訪(fǎng)問(wèn)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開(kāi)放性，易于實(shí)現(xiàn)與其它系統(tǒng)的接口。

3 基于總段移位系統(tǒng)的OPC通信實(shí)際應(yīng)用

原系統(tǒng)的通信系統(tǒng)（圖2）采用 SIEMENS S7-300 CPU315-2DP通過(guò)Profibus與觸摸屏進(jìn)行連接，40臺(tái)單點(diǎn)系統(tǒng)通過(guò)低速Profibus總線(xiàn)500 ms信號(hào)速率與 CPU-315連接，系統(tǒng)硬件通訊端口除PLC上的MPI口外無(wú)其他高速通訊接口。

圖2 原系統(tǒng)數(shù)據(jù)通道

新OPC通訊鏈路（圖3）根據(jù)實(shí)際硬件情況，增加1個(gè)以太網(wǎng)硬件接口，通過(guò)以太網(wǎng)接口，配合SIEMENS OPC驅(qū)動(dòng)，將所有內(nèi)部信號(hào)轉(zhuǎn)換為通用OPC信號(hào)。

該新通訊硬件通道的優(yōu)點(diǎn)如下：

1）基于以太網(wǎng)的高速信號(hào)傳輸通道，通訊速率達(dá)到了100 Mb，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)傳輸速率由原先的500 ms（最高）提高至1ms，這樣的速度帶來(lái)的明顯優(yōu)點(diǎn)是，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控信號(hào)的高速大數(shù)據(jù)傳輸，為數(shù)據(jù)做二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了速度與數(shù)量上的保障。

2）基于西門(mén)子的TCP/IP OPC 驅(qū)動(dòng)[8-9]，利用WinCC軟件對(duì)監(jiān)控畫(huà)面進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)可利用OPC協(xié)議直接調(diào)用PLC內(nèi)部的全部信號(hào)，包括字節(jié)（bit）、字節(jié)信號(hào)（byte）和壓力位移等浮點(diǎn)信號(hào)（float）信號(hào)。

圖3 新OPC通信鏈路框圖

4 實(shí)際應(yīng)用效果

通過(guò)OPC協(xié)議，將現(xiàn)有的PLC內(nèi)全部信號(hào)高速采集出來(lái)后，通過(guò)WinCC軟件的二次開(kāi)發(fā)利用，制作的新頂升裝置故障及信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)與原先的系統(tǒng)比較有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）信號(hào)全面

包含系統(tǒng)內(nèi)所有開(kāi)關(guān)量、模擬量以及內(nèi)部程序關(guān)鍵控制變量，原先無(wú)法采集的40臺(tái)單臺(tái)設(shè)備信號(hào)，在新系統(tǒng)內(nèi)可以每臺(tái)獨(dú)立顯示（圖4）。

2）高速信號(hào)

基于10 ms的高速信號(hào)展現(xiàn)（圖5）可以使維修人員通過(guò)新監(jiān)控畫(huà)面了解相關(guān)信號(hào)的高速變化。原先無(wú)法高速觀(guān)察的信號(hào)，現(xiàn)在可以觀(guān)察到。

圖4 基于OPC通道新建的單臺(tái)機(jī)構(gòu)監(jiān)控信號(hào)畫(huà)面

圖5 新建的10ms級(jí)可以監(jiān)控畫(huà)面信號(hào)

3）OPC信號(hào)接口

二次數(shù)據(jù)二次開(kāi)發(fā)功能使某些特殊需求成為可能。新監(jiān)控系統(tǒng)由于具備OPC通用數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，利用OPC數(shù)據(jù)接口與Windows系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)功能，開(kāi)發(fā)了頂升裝置信號(hào)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)記錄功能，可以看到高速記錄設(shè)備使用情況。這些信號(hào)可通各種通用數(shù)據(jù)庫(kù)軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)利用，此次新建的故障及信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)還包括一個(gè)歷史數(shù)據(jù)記錄功能（圖6），可以自定義系統(tǒng)中的任意1個(gè)或多個(gè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控，監(jiān)控時(shí)間間隔為10 ms，對(duì)于研究記錄整個(gè)系統(tǒng)的工作情況有非常大的作用，記錄包括每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行的次數(shù)、時(shí)間、受力時(shí)間和受力數(shù)據(jù)記錄等。

圖6 基于OPC的歷史數(shù)據(jù)記錄功能

5 結(jié)論

該監(jiān)控系統(tǒng)從2014年6月投入使用至今，在每一次的維修過(guò)程中都起到縮短維修時(shí)間，提高維修效率的作用，一旦故障發(fā)生，技術(shù)人員通過(guò)該系統(tǒng)可第一時(shí)間了解故障報(bào)警名稱(chēng)，準(zhǔn)確確定故障點(diǎn)，提前做好相應(yīng)的工具、備件及人員配備等準(zhǔn)備工作，大大提高設(shè)備搶修效率，為總段移位工作提供良好的技術(shù)保障。同時(shí)，通過(guò)相關(guān)的記錄數(shù)據(jù)，獲得每臺(tái)頂升構(gòu)運(yùn)行受力的詳細(xì)數(shù)據(jù)，為維修保養(yǎng)提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。