OPC技術在船舶綜合平臺管理系統中的應用

熊 瑛 許 建 駱立強 危 嵩

中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064

OPC技術在船舶綜合平臺管理系統中的應用

熊 瑛 許 建 駱立強 危 嵩

中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064

將平臺系統的集成作為研究目標，采用OPC技術將以太網和現場總線進行集成，提出了Vxworks嵌入式操作系統下的OPC數據存取服務器對象設計方案，實現了基于OPC技術的綜合平臺管理系統，最后通過試驗，測試了該系統的可靠性和實時性。

船舶；綜合平臺管理系統；現場總線；以太網

1 引言

綜合平臺管理系統（IPMS）總體設計目標是應用計算機網絡技術集成各種數據和信息，提供高速的數據共享和通信、處理平臺，把機電控制、集成駕駛、閉路電視、通信、故障診斷、模擬訓練、公用信息發布和航行管理等各種應用集成到一個整體框架內，以文字、表格和圖像等各種表現形式把船舶主要的航海和輪機等的組態信息提供給船岸相關決策人員，使他們能夠及時全面掌握整個船舶的狀況，實現船岸一體化的信息交換、監控和管理，船岸信息的實時共享和交互，進而實現對船舶的實時監控，提高管理層的調度和經營、決策能力，提高船舶的整體操控水平和安全、生存能力［1－3］。

現在船舶中使用的控制軟件在開放性、伸縮性、網絡結構等方面存在不足，限制了先進控制技術在船舶中的運用。在船舶中實施先進控制的主要難點在于船舶控制過程的復雜性和缺少有效的集成機制。OPC技術作為工業控制領域的一種技術，在實現控制一體化過程中，很方便地實現了多種控制領域現場總線與以太網之間的互聯互通，實現了接口標準化。目前我國船舶平臺系統控制網絡大多為CAN總線。本文主要研究采用OPC技術實現以太網與CAN總線集成的方法，提出OPC數據存取服務器對象的設計方案，并實現基于OPC技術的IPMS。

2 信息集成機制

船舶中的航行、動力、電站、輔機等子系統設備可能來自不同的制造商，遵從不同的通信標準，這給信息的采集與交換帶來了困難。因此，船舶信息集成需要實現多型控制網絡和信息網絡的互聯。集成信息通過數據庫接口存到服務器的數據庫中，從而在IPMS中實現數據共享。船舶下層現場總線網絡和上層Ethernet管理網絡的數據交互一般通過專用網關來實現，通過網關連接船舶下層控制網，然后經網關連接到IPMS，以完成兩個異種網絡之間的數據共享。構建IPMS實現數據交換的方式有很多，比如用Socket、中間件技術等［4－9］。

利用Socket技術實現控制網絡與信息網絡間的互聯，網關同時連接到現場總線和Ethernet兩個網絡，它對控制網絡設備提供標準的現場總線接口，使得控制設備的各種信息能夠進入網關，同時還提供標準的Ethernet網口，使信息網絡的節點能夠接收網關發來的現場總線數據。專用網關在Ethernet管理網上與IPMS每一個多功能工作站相連，通過Ethernet網口經Socket來實現通信，實現系統集成。這種方式的優點是通信效率高，缺點是集成靈活性差。

中間件提供了靈活性和擴展性，利用中間件實現船舶信息集成將簡化集成難度，降低開發工作量。中間件技術主要包括：數據庫存取、面向消息的中間件、分布式對象和應用服務器等。OPC技術本質是采用了Microsoft的COM／DCOM（組件對象模型／分布式組件對象模型）技術，COM主要是為了實現組件的復用和互操作，并且為基于Windows的程序提供統一的、可擴充的、面向對象的通信協議，DCOM是COM技術在分布式計算領域的發展，是分布對象計算中一個比較完整的平臺。Wind River公司把VxWorks與DCOM中間件技術集成在一起，實現了DCOM從Windows到VxWorks跨平臺操作。這種方式的優點是可靠性高，缺點是需要對DCOM有較深了解。

3 基于OPC技術的船舶信息采集

3.1 OPC規范

OPC是用于過程控制的對象鏈接嵌入技術［10－11］。它是世界上多個自動化大公司、軟硬件供應商和微軟聯合開發的一套工業標準。OPC技術建立了一組符合工業控制要求的接口規范，將現場信號按照統一的標準與SCADA、HMI等軟件無縫連接起來，同時將硬件和應用軟件有效地分離開。只要硬件開發商提供帶有OPC接口的服務器，任何支持OPC接口的客戶程序均可采用統一的方式讀取這些設備的數據，無須重復開發驅動程序。這樣大大提高了控制系統的互操作性和適應性。OPC的出現解決了工業控制“自動化孤島”的瓶頸問題，把硬件和軟件廠商分離開來，提供了從設備和數據庫等數據源獲得數據的通信機制，通過提供帶有OPC接口的服務器，使任何帶有OPC接口的客戶程序均以統一的方式存取不同廠商的設備數據，解決了不同廠家設備之間不能通信的問題，從而可將多種現場總線集成在一個可以互操作的網絡平臺下。

OPC數據存取規范是由OPC基金會發布的OPCDA自定義接口規范。該規范分為定制接口規范和自動化接口規范。其中，定制接口規范主要描述了OPC組件對象的定制接口及其方法，自定義接口規范主要描述了OPC組件的自動化接口，它方便了VB、Dephi和其它支持自動化的產品與OPC服務器連接。

OPC數據存取服務器定制接口主要包含3類對象：OPC服務器對象 （Server）、OPC組對象（Group）、OPC項目對象（Item）。OPC服務器對象維護有關服務器的信息并作為OPC組對象的包容器，可動態地創建或釋放組對象；OPC組對象除了維護有關自身的信息，還提供了包容OPC項的機制，邏輯上管理OPC項；OPC項表示了與OPC服務器中數據的連接。

3.2 OPC數據存取服務器的設計

OPC數據存取服務器具有數據采集的功能。它的基本結構如圖1所示，主要由服務器對象、組對象、項對象、數據存儲區、CAN卡驅動和CAN收發程序組成。由于不同的OPC組可以有單獨的更新率，所以OPC服務器為每個OPC組分別創建了一個掃描線程。OPC數據存取服務器負責接收下層CAN網絡發送的實時報文，同時根據不同報文的ID號解析出CAN報文中的數據信息，將此數據存儲在本機指定區域內，OPC客戶端采用Windows操作系統調用OPC服務器接口，從數據存儲區中讀取相應數據，并在界面上實時顯示。同時OPC服務器負責將客戶端通過OPC接口寫入的控制信息發送給CAN網絡中的節點。

圖1 OPC數據存取服務器結構示意圖

下面給出實現OPC數據存取服務器的主要步驟：

1）制作適合目標機環境的啟動軟盤，建立主機和目標機的連接。

2）開發Vxworks實時操作系統下CAN接口卡接收程序，將接收到的CAN報文信息根據CAN報文ID解析出數據部分，并將該數據賦值給相應的全局變量存儲起來。

3）開發Vxworks實時操作系統下CAN接口卡的發送程序，用于將保存的監控臺的控制信息以預定的CAN報文ID及相應的CAN報文幀格式發送給電羅經節點。

4）使用Tornado向導生成一個WIND NET OPC數據存取演示服務器工程，配置FTP和Tar鄄get Server。

5）修改OPC服務器名稱、類標識和服務器描述，實現COM庫的初始化功能和OPC數據存取服務器類對象。

6）定義Tag和Tag Group用于描述現場設備中的具體數據項，項對象通過它們與具體的數據源連接。在OPC服務器中將每個全局變量都賦值給數據存儲區中的Tag，并將從同一個節點發出的CAN報文的數據編成一組，即為Tag Group，同時將Tag系統封裝在DA類文檔中。

7）在Tornado集成開發環境中編譯該工程，將WIND NET OPC數據存取服務器與演示客戶端連接起來，測試運行。

3.3 基于OPC技術的IPMS

以某型船舶為例，基于OPC技術的IPMS結構如圖2所示。

整個系統可以分為現場設備層、中間件層和優化控制層。

1）現場設備層是控制核心，所有現場設備通過兩種方式接入網絡：智能傳感器、執行器、現場指示器等經過數字化處理后都直接掛接在設備層的現場網絡上，普通的傳感器和執行器則是通過具有相應數據處理能力的“機旁信號處理箱”連接到現場網絡上，最終通過現場操控站接入網絡；對現場設備相對集中的情況，可采用遠程終端模式。

2）中間件層主要由一些OPC服務器組成。對于支持OPC接口的現場總線以及以太網接口的設備，分別通過軟硬件接口和Ethernet／IP方法連接到服務器，通過OPC服務器對底層實時數據進行封裝，OPC客戶端可以通過OPC服務器接口存取數據，實現信息流的縱向流動；在設備層橫向通信方面，OPC服務器之間可以通過標準接口規范進行數據交換，實現底層設備的互操作。對于優化控制層方面來說，它通過抽象的接口提供了統一的數據傳送機制，大大降低了現場實施的復雜性，同時提高了基于OPC技術的先進控制軟件的可重用性。

3）優化控制層主要由 OPC客戶端程序組成，它的主要任務是讀取中間件層OPC服務器傳送的現場硬件數據，并把控制命令下傳給中間件層，從而實現對現場硬件設備的控制。

IPMS就是要把現有的自動化裝置采集的數據，如監測系統、遙控系統等實時數據，經過加工處理后存入上層管理網上的共享數據庫；同時把上層管理數據，如船舶日常管理所需的各種數據也存入數據庫，實現兩種不同級別數據的集成，進而實現全船數據共享提高船舶的總體監控水平。

IPMS通過基于子系統的平等方式進行系統集成，以滿足下層現場控制網各個系統以平等方式接入。IPMS運行高性能的集成數據庫，各子系統的實時數據通過下層現場控制網傳輸到運行OPC Server的嵌入式網關，由此網關將數據處理轉換后存入到本地嵌入式數據庫，并同時發送給上層管理網絡。IPMS通過裝有系統核心調度程序的多功能工作站對各子系統實現統一管理、監控和信息交換。

圖2 基于OPC技術的IPMS結構圖

IPMS既能保持現有船舶上自動化設備的相對獨立性，提高數據存儲和分析處理能力，又能實現船舶各種信息的集成。IPMS提供一個開放的信息平臺，采集并轉換各現場設備子系統的數據，建立統一的開放數據庫，使IPMS可以自由選擇所需數據，使數據對全船開放，實現信息資源共享。

4 試驗測試與分析

4.1 系統運行原理

系統硬件環境由綜導顯控臺、監控臺、OPC服務器、GPS、自動舵和平臺羅經6部分組成。其中綜導顯控臺和監控臺通過以太網交換機連接，構成以太網。GPS自動舵和平臺羅經連接成CAN總線網絡。OPC服務器安裝CAN接口卡和以太網網卡，同時接入以太網和CAN總線網絡。作為網關實現兩個網絡之間的數據轉發。

GPS、自動舵和平臺羅經周期性地向OPC數據存取服務器節點發送實時狀態數據；OPC數據存取服務器收到數據后，直接存儲在本機指定區域內，OPC數據存取服務器負責對存儲區進行管理與維護；綜導顯控臺和監控臺作為OPC客戶端，調用OPC數據存取服務器接口，從數據存儲區中讀取GPS、自動舵和平臺羅經，并在界面上顯示。同時監控臺通過OPC數據存取服務器的接口，向自動舵發送控制指令，由OPC數據存取服務器轉發給自動舵節點。

4.2 CAN總線和以太網信息集成系統試驗

該試驗主要測試利用OPC技術實現Vxworks環境下CAN總線網絡與以太網互聯互通，驗證利用OPC技術實現兩種網絡的信息集成能力。測試環境如圖3所示。

測試內容：GPS、自動舵和平臺羅經節點周期發送自身的狀態數據，測試OPC服務器是否收到數據；在上一步基礎上，檢查監控臺和綜導顯控臺是否收到正確的狀態數據；在監控臺界面上，通過OPC接口操作，發送導航控制指令給自動舵，檢查該功能是否正常執行。

測試結果：在CAN總線網絡設置為125K波特率情況下，OPC服務器能夠收到GPS、電羅經、磁羅經節點通過CAN總線發送的周期數據，并轉發給綜導顯控臺和監控臺顯示，自動舵節點能夠正確收到導航控制指令數據。OPC服務器數據準發功能測試如圖4所示。通過試驗驗證了利用OPC技術實現網絡信息集成是可行的。

圖3 CAN／Ethernet信息集成系統試驗示意圖

圖4 OPC服務器數據轉發功能測試

5 結束語

在IPMS中使用OPC技術，就是在控制網絡和信息網絡之間增加一個“軟總線”中間件層，該中間件層向工作在控制網絡中的現場設備、IPMS信息網絡中的高層管理軟件提供面向對象的開放、一致、標準的接口規范，實現各種自動控制軟硬件“即插即用”的功能，有效解決控制系統I／O驅動，以及異種控制網絡和系統的互連、互通問題，具有高效的可伸縮性、互操作性，能夠方便地實現分布式環境下跨控制網絡／信息網絡、跨平臺、跨應用、模塊化組合應用。船舶綜合平臺管理系統的建立，在一定程度上會提高建成的管理水平和自動化程度。

［1］邵開文，馬運義.艦船技術與設計概述［M］.北京：國防工業出版社，2005.

［2］陳亞杰，段征，劉予學.船舶集成平臺管理系統研究［J］.柴油機，2005，27（2）：42-45.

［3］黃龍水，孫允標.船舶綜合平臺管理系統基本結構分析［J］.艦船電子工程，2004，24（6）：50-54.

［4］陳海鵬，解洪成.船舶綜合平臺管理系統總體設計研究初探［J］.艦船電子工程，2001，24（3）：3－4.

［5］丁承衛，曹征宇.船舶網絡平臺系統［J］.船舶，2004（6）：52-54.

［6］任悅琴，徐慧.艦船綜合平臺管理系統［J］.艦船科學技術，2005，27（6）：105-108.

［7］POWELL L，Platform Management System in the Royal Navy today and tomorrow［M］.United Kingdom，1998.

［8］HULSEGGE E，Platform Management System of the New Dutch Frigate［M］.Rotterdam，2000.

［9］韓旗，冒如權.艦船綜合平臺管理系統網絡形式探討［J］.船舶，2004（4）：56-58.

［10］鄭萍，李英，潘世永.基于Ethernet的全開放工業控制網絡［J］.工業儀表與自動裝置，2001（3）：6-9.

［11］陳偉彬，劉曉光，凌志浩，等.“工控軟件互操作規范OPC技術”講座——第11講 OPC技術在控制系統集成中的應用［J］.自動化儀表，2003，24（3）：67－70.

Application of OPC Technology in Ship's Integrated Platform Management System

Xiong Ying Xu Jian Luo Li－qiang Wei Song
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Taking platform system integration as the object the research integrated Ethernet and field bus based on OPC technology.It also proposed a design option for OPC data access server，which worked in Vx鄄works embedded RTOS，and thus sucessfully applied OPC technology in Integrated Platform Management System（IPMS）.Finally the system's reliability and real－time property were verified through experiments.

ship；Integrated Platform Management System（IPMS）；field bus；Ethernet

TP391.9

A

1673－3185（2009）06－58－04

2009-02-11

海軍裝備預研項目（101050401××××）

熊 瑛（1978－），男，博士研究生。研究方向：船舶與海洋結構物設計制造。E鄄mail：yxiong78@yahoo.com.cn

許 建（1963－），男，研究員，博士生導師。研究方向：船舶與海洋結構物設計制造