基于組態(tài)技術的船舶自動化控制系統(tǒng)設計平臺的開發(fā)＊

周劍敏

（浙江國際海運職業(yè)技術學院，浙江舟山 316000）

船舶自動化系統(tǒng)是現(xiàn)代船舶操控技術發(fā)展的一個趨勢，船舶綜合自動化集機艙自動化、航行自動化、信息一體化、裝載自動化等于一體，在主控系統(tǒng)與各項設備之間采用網(wǎng)絡技術進行通訊，達到高效、可靠、安全的雙向數(shù)據(jù)采集、傳遞、處理、控制的目的。

隨著我國造船工業(yè)的不斷發(fā)展，出口船舶生產(chǎn)的日益增多和造船噸位的不斷增長，造船企業(yè)所接訂單中，船型、噸位、自動化程度等要求差異懸殊，如何面對復雜的用戶需求，完成船舶自動化控制系統(tǒng)的設計、制造和安裝，直接影響船舶的安全性、可靠性、經(jīng)濟性，也直接影響船舶建造工期及經(jīng)濟效益。

高效、高質(zhì)的船舶自動化控制系統(tǒng)的設計、生產(chǎn)，離不開現(xiàn)代化的輔助設計工具。目前基于組態(tài)和CAN網(wǎng)絡技術的自動化控制系統(tǒng)設計軟件在船舶自動化控制系統(tǒng)的設計、制造過程中廣泛應用。船舶自動化控制系統(tǒng)的部件極其復雜，其功能參數(shù)繁多、產(chǎn)地來源極廣，涉及到繁雜的電氣性能、數(shù)據(jù)類型等。如何在不同的船舶建造設計過程中根據(jù)船主的要求，選配合適的自動化控制部件，設計建造出符合國際標準的自動化控制系統(tǒng)，是眾多造船企業(yè)、技術研究部門考慮較多的問題。

目前，國內(nèi)各相關單位在船舶自動化控制系統(tǒng)設計使用較多的軟件有施耐德電氣公司的Concept工程師站組態(tài)軟件包、北京三維力控科技有限公司的工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件、亞控科技發(fā)展有限公司的組態(tài)王、西門子的SIMATIC WinCC flexible、北京昆侖通態(tài)自動化軟件公司開發(fā)的MCGS等。從企業(yè)應用情況來看，采用通用組態(tài)軟件可以大大提升船舶自動化控制系統(tǒng)的設計水平和設計效率，但是由于通用組態(tài)軟件在船用PLC設備、智能儀表、智能模塊方面沒有專門設計支持功能，用戶在船舶自動控制系統(tǒng)設計過程中，需要花費大量時間和精力進行重復的設備模型腳本和參數(shù)設置，是船舶綜合自動化設備制造企業(yè)設計、生產(chǎn)過程中的主要瓶頸之一。研制一個基于組態(tài)技術的船舶綜合自動化系統(tǒng)設計平臺，為設計人員提供船舶自動化控制系統(tǒng)設計“模板”和“模板庫”，從而進一步提高船舶自動化系統(tǒng)設計效率和設計水平，提高船舶自動化控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，縮短船舶建造周期。

1 基于組態(tài)技術的船舶自動控制系統(tǒng)設計平臺構(gòu)架

常用的組態(tài)軟件一般都包含有強大的畫面顯示組態(tài)功能、良好的開放性、豐富的功能模塊、強大的數(shù)據(jù)庫、可編程的命令語言、周密的系統(tǒng)安全防范以及仿真功能。可以實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時和歷史數(shù)據(jù)處理、報警和安全機制、流程控制、仿真動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡等應用。

為了適應船舶自動控制系統(tǒng)的設計與應用需要，通用型的組態(tài)軟件需要在圖形動畫庫、函數(shù)參數(shù)庫、控件庫等方面進行強化，以方便在船舶自動化控制系統(tǒng)的設計和實際應用時，能高效率、模塊化地開展工作，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 船舶自動控制系統(tǒng)設計平臺基本架構(gòu)

2 專用圖形界面庫的建立和應用

船舶的航行，離不開主機、輔機及其他機電設備的協(xié)同運行。現(xiàn)代化的船舶配備了多種自動化的機電設備，降低勞動強度，創(chuàng)造高效輕松的工作環(huán)境，這些都需要能仿真顯示設備運行狀態(tài)的控制系統(tǒng)的支持。

組態(tài)軟件通常提供了常用機電設備的組態(tài)圖形庫，但對于船舶專用機電設備來說還遠遠不夠。

基于組態(tài)技術的自動化控制設計平臺首先應解決的就是專用圖形界面庫的建立問題。組態(tài)圖形庫封裝了船舶自動控制系統(tǒng)圖形組態(tài)中可能使用的各種圖元和動畫連接，主程序利用圖形庫繪制各種圖形。圖形庫由三部分組成：圖元庫、動畫庫和圖形管理類。

圖元庫封裝了繪制各種圖形的實體，繪制的圖形表征了現(xiàn)場的各種設備；動畫庫封裝了各類動畫，動畫根據(jù)所連接的設備數(shù)據(jù)動態(tài)改變圖元庫中圖元屬性，從而使圖元表現(xiàn)出不同的特征，以反映圖元對應的現(xiàn)場設備運行工況，如各類儀表、舵機、螺旋槳等，如圖2所示是艏側(cè)推系統(tǒng)的動態(tài)運行狀態(tài)界面。

圖2 船舶艏側(cè)推系統(tǒng)運行動態(tài)實時動畫和參數(shù)顯示

3 函數(shù)庫和參數(shù)庫的建立及應用

針對船舶自動化控制所需要的各種傳感器和伺服器，組態(tài)軟件提供了豐富的驅(qū)動程序，可以方便地予以支持。但是，如何逼真地在控制系統(tǒng)顯示器的人機交互界面仿真顯示機艙等機電設備的實時運行狀態(tài)，并實現(xiàn)實時的報警預警機制，需要設計人員針對各種設備在船舶運行中的功能和需要，利用組態(tài)軟件豐富的腳本語言，開發(fā)對應的程序代碼，必要時可以采用高級語言，開發(fā)組態(tài)軟件所能支持的控件，對組態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析能力進行強化和擴展，如圖3所示是專用函數(shù)對所采集的數(shù)據(jù)分析運算后顯示的結(jié)果界面。

圖3 船舶主機運行狀態(tài)實時顯示及報警提示界面

4 組態(tài)擴展動態(tài)庫的開發(fā)和應用

組態(tài)軟件具有良好的開放性，集成有可編程命令語言、開放的通用數(shù)據(jù)庫、可編輯的圖庫等，這為采用其他高級語言與組態(tài)軟件進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)更廣泛的自動控制應用提供了渠道。

由于組態(tài)軟件內(nèi)嵌的腳本命令相當簡單，在處理復雜數(shù)據(jù)時不能完全滿足開發(fā)者的需要，特別是在進行一些特殊算法的處理時，高級編程語言的優(yōu)勢是不可替代的。

高級語言與組態(tài)軟件進行數(shù)據(jù)交換的方式很多，既可以通過數(shù)據(jù)庫直接讀寫方式，還可以通過Winsock控件進行網(wǎng)絡訪問，或串口通訊方式，或采用DDE數(shù)據(jù)交換、XML封裝數(shù)據(jù)交換等方式。在船舶自動化控制系統(tǒng)中，根據(jù)運行環(huán)境的特點，以上方式都可以使用，而由組態(tài)軟件直接調(diào)用ActiceX控件的數(shù)據(jù)處理模式因安全可靠、擴展維護方便，更適合用于船舶環(huán)境。

組態(tài)動態(tài)擴展庫就是將為了增強組態(tài)軟件在船舶自動化操控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)和圖形等處理能力所開發(fā)的各種控件，采用數(shù)據(jù)庫形式進行管理而建立的動態(tài)鏈接庫，以便于在系統(tǒng)設計和應用時無須重復開發(fā)而直接引用，提高設計和應用的工作效率。圖4是組態(tài)系統(tǒng)中控件庫架構(gòu)示意圖。

圖3 組態(tài)系統(tǒng)擴展控件庫架構(gòu)圖

5 結(jié) 語

船舶操控自動化是信息技術和自動化技術發(fā)展的必然趨勢。組態(tài)軟件是自動化控制系統(tǒng)中應用最為廣泛的控制平臺系統(tǒng)，對組態(tài)軟件在圖形庫、函數(shù)庫、參數(shù)庫、控件庫等方面進行二次開發(fā)，或針對性地進行擴展，打造船舶自動化設計和制造的專用平臺，可以使船舶自動化系統(tǒng)設計和制造過程效率大大提高。

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