基于OPC的半潛式鉆井平臺監控系統的開發

靳 臣，陳紅衛

（江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮江 212003）

海上油氣勘探開發的重要裝備海洋鉆井平臺已受到了普遍關注，其中半潛式鉆井平臺[1]已發展到第6代。半潛式鉆井平臺是一種獨立在海上作業的大型平臺，設有鉆井機械設備、器材和生活艙室等，集航行、定位、鉆井、生產等多種功能于一體。相比較其他形式的海洋平臺，半潛式鉆井平臺在波浪中的運動響應、對惡劣海況的適應性、甲板可變載荷等方面具有較好的性能，在深海油氣開發中承擔著至關重要的角色。

海洋石油981號半潛式鉆井平臺是當今最先進的第6代深水半潛式鉆井平臺。其工作水深3 050 m，鉆井深度10 000 m，平臺設計質量30 670 t，長度為114 m，寬度為79 m，從船底到鉆井塔頂高度130 m，電纜總長度650 km，采用大功率推進器和DP3動力定位系統。由此可見，半潛式鉆井平臺具有結構龐大、造價昂貴、工作環境惡劣且維修困難等特點。為保證海上生產高效、順利地進行，保證人員的生命安全，對其進行集成監控將是必然趨勢。依托網絡實現海洋鉆井平臺綜合監控，一方面能及時對主要設備參數進行報警、預警，提高可靠性和安全性；另一方面能提高自動化程度，通過獲取實時數據來合理調度作業過程，提高生產效率，降低成本。此外，監控所得的信息是管理層對作業進行高效管理和制定策略的基礎，最終使平臺實現管控一體化。

1 OPC技術

為了實施監控系統通信網絡的統一化、標準化，與傳統監控系統不同，工作站與設備、工作站與工作站、工作站與監控中心之間通信采用的是OPC技術。

OPC技術是由世界上多個軟硬件供應商、自動化公司與微軟合作開發的一套數據交換接口標準，它能夠為現場設備、自動控制應用、企業管理應用軟件之間提供開放、一致的接口規范，為來自不同供應商的軟硬件提供“即插即用”的連接[3]。基于COM/DCOM技術的OPC采用客戶/服務器結構，廠商為設備提供符合OPC規范接口的服務器，應用程序通過OPC接口對OPC服務器的訪問，實現現場設備、監控系統以及管理系統之間的數據交換。

1.1 OPC數據訪問服務器的對象

OPC數據訪問服務器的對象：OPC服務器對象（OPCServer）、OPC 組 對 象 （OPCGroup） 和 OPC 項 對 象（OPCItem）。OPCServer是客戶端和服務器交互的首要對象，客戶端通過該對象下的接口函數訪問服務器；OPCGroup用于管理服務器內部的實時數據信息，提供成批訪問數據的機制。OPCItem不是數據源，它代表了OPC服務器到數據源的一個物理連接，可以是模擬量或開關量，但它是服務器的內部對象，不直接與客戶端進行交互。OPCServer和OPCGroup是必須實現的兩個標準的COM對象，它們實現了提供與客戶端程序交互的接口。

1.2 OPC訪問的流程

1）OPC服務器建立類廠，通過類廠，客戶程序可以創建OPC服務器。客戶程序通過OPC服務器的名字找到OPC服務器中注冊表的信息，創建一個服務器對象OPCServer。

2）通過訪問OPCServer的接口來實現數據通信的系列功能。通信流程如圖1所示，由于OPCItem對象包含于OPCGroup對象，所以必須先創建OPCGroup對象，然后在其下面添加OPCItem對象，讀寫OPCItem項對象的屬性Value、Qualityhe和Timestamp。客戶端獲得數據可以用同步或異步方式。

圖1 OPC通信流程圖Fig.1 OPC communication flow chart

3）通信結束后，OPC客戶退出前必須釋放所有接口，并依次刪除OPCItem，OPCGroup和OPCServer對象。

2 半潛式鉆井平臺集成監控

2.1 集成監控系統的網絡結構

集成監控系統包括鉆井系統、動力定位系統、功率管理、壓載系統和緊急關斷子系統，網絡結構如圖2所示，主要由監控管理層，數據服務層和現場設備層組成[4]。現場設備層位于底層，由各個子系統下的傳感器、離散IO和PLC等 組成各種異構數據源以及CAN和PROFIBUS現場總線。數據服務層主要是數據庫和多個支持OPC接口的服務器組成，OPC服務器中封存了不同設備的驅動程序，能夠將采集的數據轉換為統一的OPC數據格式，通過總線技術和網絡技術發送到監控管理層，利用ODBC將實時數據保存在數據庫中。監控管理層主要是OPC客戶端和應用程序，通過界面參數顯示實現對平臺設備實時參數的監控和對重要設備參數的報警等功能，保證系統的正常運行。

2.2 異構數據集成的設計方案

半潛式鉆井平臺下的設備大多來自不同的設備廠商，通訊標準不統一，而不同廠商的設備基本只與自己開發的驅動程序相匹配，這顯然不符合現今系統集成的要求。本系統中采用OPC服務器讀取數據，然后由iFIX提供的OPC驅動程序讀取OPC服務器中的變量，從而實現對不同廠商、不同區域的設備進行集成監控。

3 OPC服務器與客戶端的開發

應用OPC技術開發監控系統的關鍵在于OPC服務器和客戶端的構建。服務器可以選擇現成的OPC服務器程序，例如KEPServer；也采用編程簡單且能靈活滿足實際要求的OPC開發包來實現，例如KOSRDK[5]。監控系統由集成了OPC客戶端的iFIX組態軟件開發，動面功能強大且配置簡單。客戶端與OPC服務器的結構如圖3所示。

圖2 雙冗余環形網絡結構Fig.2 Network structure of double redundancy ring

圖3 客戶端-OPC服務器的結構Fig.3 Structure of client-OPC serve

3.1 OPC服務器的開發

快速開發工具包KOSRDK是基于使用面向對象的技術，適合VC++編程環境，它將OPC規范所定義的COM接口實現封裝動態鏈接，通過調用KOSRDK.DLL的接口函數將數據傳到數據緩沖區，形成本地列表，并經過OPC服務器的驅動將數據進行傳遞，生成OPC服務器列表，供客戶層使用。這樣，開發者通過類的派生以及重載函數，實現數據的訪問和提交，簡化OPC服務器的開發過程。

利用KOSRDK在VC++環境下開發OPC服務器的流程：

1）調用KOS_Init進行初始化；

2）初始化成功后注冊回調函數；

3）利用KOS_AddItem添加OPC點到OPC Server DLL中，這樣客戶端才能檢索和使用OPC點；

4）通過KOS_UpdateItem更新地址空間內的OPC點數據信息，將設備的實時信息和狀態反饋給客戶端；

5）運行結束時需要刪除OPC點和反初始化，分別通過KOS_RemoveItem和KOS_UnInit兩個函數實現。

3.2 客戶端的開發

客戶端主要實現監控和報警功能，選擇支持OPC標準的工控組態軟件iFIX開發客戶端，通過OPC接口訪問OPC服務器。iFIX是HMI/SCADA自動化組態軟件，集強大功能、安全性、通用性和易用性于一身，提供了生產操作的過程可視化、數據采集和數據監控。

iFIX與OPC服務器的連接配置：

1）注冊OPC服務器，并在OPC服務器下依次添加所需要的項，設置項的名稱、數據類型、值等。

2）在OPC PowerTool下添加已注冊的OPC服務器Knight和KEPServer，并依次在服務器下添加、配置若干組，在組下添加項，項的添加可以通過瀏覽選擇適合的OPC服務器中的項對象。

3）iFIX讀取數據。在數據庫管理器中創建標簽，每個標簽既要對應所創建的服務器中的項，又要對應實際的監控對象，比如電機電流與標簽AI1對應，AI1與OPC項a.a.b對應。

4）根據數據源與定義標簽的對應關系，已讀數據在由iFIX軟件設計的監控界面上實時顯示，并可以設置參數的上下限實現報警功能。

3.3 監控系統測試

以半潛式鉆井平臺動力定位系統DPS（dynamic positioning system）[6]中的推力系統為例。推力系統配有8個360°全回轉吊艙推進器，平均分布于鉆井平臺的4個角落。為滿足動力定位DP-3要求，保證任意一個推進器發生故障后仍應有足夠的橫向和縱向推力，吊艙一般采用對角布置，即每個配電盤給對角的兩個吊艙供電。吊艙軸由液壓馬達驅動，能使吊艙 360°轉動[7]。

測試系統利用PLC模擬采集設備的數據。S7-200模擬推進電機的數據（推進電機滑油壓力、溫度，冷卻液溫度，推進電機轉矩、轉速、電壓、電流以及功率）；S7-300模擬回轉馬達的數據（液壓油溫度、壓力，回轉角度，回轉角速度和回轉加速度）。分別將KEPServer和Knight作為對應這兩個PLC的OPC服務器，進行OPC項的添加和設置，最后按照3.2小節所示的方法與iFIX客戶程序連接。監控系統的運行效果圖如圖4所示，圖5是曲線顯示，可以根據選擇數據量標簽顯示歷史曲線和實時曲線。

圖4 OPC服務器與iFIX客戶端的實時數據交互Fig.4 Real-time data interaction of OPC server and client iFIX

圖5 實時曲線和歷史曲線圖Fig.5 Real time curve and history curve

測試結果表明，基于OPC技術規范的客戶端和服務器能夠進行數據交換，并且能夠將不同系統下的設備數據集成，從而可以實現對整個半潛式鉆井平臺的集成監控。

4 結束語

OPC技術為現場設備、控制系統應用、管理應用軟件之間提供了開放、統一的標準接口，很好地解決了網絡異構數據集成問題。而且OPC技術使設備生產廠商和應用程序開發的工作分離，應用程序開發人員無需重復開發設備驅動程序，只需開發一套接口就可以和不同設備相連[8]。利用OPC技術開發集成監控系統能縮短開發周期，提高互連互操作性、可擴展性、可維護性、適應性和經濟性。本文遵循OPC標準，設計開發了服務器和客戶端，實現了集成監控系統的數據采集與處理、參數的監測與控制以及數據存儲的功能。

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