基于WinCC的海上風電安裝船遠程監控系統設計

齊繼陽，孟 洋，何文燦，李金燕

（江蘇科技大學 機械工程學院，鎮江 212003）

自升式海上風電安裝船是海上風電場的安裝設備，一方面，它可以像自升式平臺一樣自由升降，為海上作業提供一個安全穩定的海上工作平臺；另一方面，它又可以像普通輪船一樣自主航行，從而實現運輸的功能。

海上風電安裝船工作地點一般為近海區域，遠離陸地，如何能使陸上工作人員快捷方便地監測到風電安裝工作船工作狀態并對其進行實時遠程控制是迫切需要解決的問題[1-2]。目前的遠程監控主要有2種形式。（1）設備的現場信號通過有線網絡或無線網絡發送給遠程上位機，遠程上位機在獲取設備的現場信號后，經過分析處理，再通過有線網絡或無線網絡將控制信號發給遠程設備的執行器，從而實現設備的遠程監控；（2）在需要遠程監控的設備上，構建由下位機和上位機組成的分布式控制系統，下位機負責對現場設備的實時控制，上位機負責發出操作指令和顯示結果數據，為實現遠程用戶對設備的遠程監控，在上位機上搭建專用Web服務器，這樣遠程客戶就可通過Internet訪問服務器，從而實現設備的遠程監控。

1 遠程監控系統的設計

自升式海上風電安裝船主要由船體、樁腿、升降裝置等組成。該船體為四樁腿式，在每個樁腿兩側各固聯1根齒條，每個齒條與3個齒輪嚙合，齒輪由液壓馬達驅動，從而實現船體升降。

其工作過程分為船體上升和船體下降2個過程：上升過程是指當船體行駛到達預定位置時，液壓馬達驅動齒輪使樁腿下降至海底，然后以低速對樁腿進行預壓，使船體更穩定的停在預定位置，最后液壓馬達繼續驅動齒輪旋轉，此時樁腿已牢固地插入海底，不能再繼續運動了。齒輪的旋轉必然帶動船體上升，當船體到達離海平面預定高度時，鎖緊機構鎖緊，船體固定在這個位置，從而為海上作業提供了一個平穩的工作平臺。下降過程指當船體需要移動位置時，首先鎖緊機構打開，液壓馬達驅動齒輪使船體降至水平面，然后慢慢從海底拔出樁腿，直至將樁腿提至預定高度，船體開始航行。整個升降過程即分為樁腿下降、預壓緊、船體上升、船體下降、拔樁和提起樁腿。

2 監控系統硬件設計

2.1 總體方案設計

綜合考慮成本、系統可靠性，本系統采用上節介紹的第2種遠程監控的形式來實現風電安裝船的遠程監控。

海上風電安裝船的4套升降系統分布在4個樁腿處，每套升降系統控制1個樁腿的升降。4套升降系統相對距離較遠，對每一樁腿采用1個PLC對其升降過程進行控制，4個PLC通過PPI協議組成一主三從的PPI網絡。以安裝有WinCC組態軟件的IPC作為上位機，一主三從的PPI的PPLC網絡作為下位機。

2.2 上位機與下位機之間的通訊

上位機IPC中裝有西門子公司的組態軟件WinCC，WinCC是包括所有的SCADA系統功能在內的客戶機/服務器軟件，它提供的標準接口包括OPC、ActiveX、OLE和DDE服務器和客戶機等接口或控件，為系統與其他應用程序交換數據提供了極大的方便[3]。WinCC對西門子公司主流PLC都能很好地支持，支持的PLC主要包括SIMATIC S5/S7/505系列的PLC，此外凡是支持 PROFIBUS DP、DDE、OPC和工業以太網協議的其他公司的PLC也能很好地支持[4]。

西門子公司的PC Access軟件是專門用于S7-200PLC建立 OPC Server，OPC客戶端通過訪問OPC服務器從而獲取S7-200 PLC的有關數據。在本項目中，上位機正是利用西門子公司的PC Access構建了主站 S7-226PLC的 OPC服務器，PC Access通過PPI通訊方式與PLC實現數據通訊。通過在WinCC的工程項目中添加OPC驅動程序通道，將WinCC作為OPC DA客戶機，通過訪問主站S7-226PLC的OPC服務器，實現WinCC與主站PLC的數據通訊。

2.3 下位機主站與從站之間的通訊

PPI是一個主從協議，主站向從站發出請求，從站做出應答。主站通過由PPI協議管理的共享連接與從站通訊[5]。

在該項目中，4臺PLC通過PPI協議組成一主三從的PPI網絡。各站分配有不同的網絡地址，主站在每個掃描周期內向每個從站發出1次網絡讀/寫請求，從站負責對主站的讀/寫請求做出應答，這樣可有效地保證數據通訊的實時性。整個遠程監控系統原理框圖如圖1所示。

3 監控系統軟件設計

3.1 控制系統需求分析

根據海上風電安裝船控制系統的需求，將其控制模式分為自動控制和手動控制2種控制模式，用戶可以根據實際工作狀況自由選擇控制模式。自動模式即是對4個樁腿的協調控制，當船體到達預定位置時，通過船體上升或船體下降信號的輸入，船體可自動實現整個上升過程或下降過程；而在手動模式中，可以對每個樁腿的升降過程獨立控制而不考慮其他狀態的升降情況。

圖1 控制系統原理框圖Fig.1 Block diagram of control system

為保證控制操作的安全性，避免非法用戶的誤操作，使系統具有分級保密功能，在系統中定義了多種用戶類型，對每種類型的用戶，賦予了一定的操作權限，不同類型的用戶對系統的訪問權限是不同的，從而實現了操作區域和對象的安全性保護。

為及時發現系統運行過程中的故障，在系統中設計了報警模塊，如當船體傾斜角度超過限定值，樁腿升降速度超過預先設定值時，系統會發出報警信號，提醒用戶注意。為便于操作人員對系統的監測，系統設置有趨勢歸檔模塊和消息歸檔模塊，而且數據可以電子文檔的形式進行輸出或打印。

3.2 下位機程序的設計

下位機共由4臺PLC組成，每臺PLC控制1個樁腿的升降過程，下位機選擇西門子S7-200系列PLC。4臺PLC通過PPI協議組成一主三從的PPI網絡，主站采用西門子公司的S7-226PLC，從站采用西門子公司的S7-224XP PLC。從站負責樁腿升降過程控制，主站除了負責樁腿升降過程控制，還需根據采集到船體的傾斜信號，通知各從站調整樁腿升降速度，以減小船體的傾斜程度，主站程序流程如圖2所示。

圖2 主站程序流程圖Fig.2 Flow chart of masterPLC program

在從站中，行程限位開關用來設定樁腿升降的極限位置，位移傳感器用來獲取樁腿升降的行程大小，通過比例換向閥控制液壓馬達的速度從而控制樁腿的升降速度，電磁閥用來鎖緊機構實現對樁腿的鎖緊或松開。

在主站中，除了配有行程限位開關、位移傳感器、比例換向閥外，還配有雙軸傾角傳感器用來采集船體的傾斜角度，主站根據采集到的船體傾斜信號，運用PID算法，控制比例換向閥的開度，從而控制升降系統的運行速度。

3.3 上位機監控系統的開發

上位機監控系統的功能是顯示現場設備實時信息，以及向系統發出控制指令，從而實現對整個系統的監控。在該項目中，監控系統采用WinCC組態軟件進行開發。

WinCC是西門子公司提供的一款基于Windows操作系統的人機接口HMI（human machine interface）系統，其功能非常強大，而且為二次開發提供了良好的開放性，在過程通訊和過程可視化方面獲得了廣泛應用[6]。

WinCC的核心部分，圖形編輯器的圖形編輯功能十分強大，為用戶高效組態和編輯各種復雜、逼真的監控畫面提供了可能。監控畫面上的控件分為2大類，即通用控件和專用控件，對于通用控件，可以直接調用WinCC自帶的控件，如按鈕、文本框等，對于專用控件，用戶可以自由地利用Visual Basic或Visual C++等高級語言開發ActiveX控件，再在WinCC中調用該控件。本項目中，為實時顯示船體升降過程，開發了基于Visual Basic船體升降過程的ActiveX控件，這樣可使監控系統更加形象逼真。

3.4 遠程發布

為使遠程用戶實現對海上風電安裝船工作狀況的遠程監控，在該系統中，用于現場控制的上位機借助WinCC Web Navigator Server構建了海上風電安裝船監控系統的專用Web服務器，遠程端計算機只需安裝有Web Navigator Client組件便可實現對該服務器的訪問。

為了保證監控系統的安全管理和操作，WinCC組態軟件中設置有用戶管理器，在用戶管理器中，可選擇添加多個用戶或用戶組，通過對系統中所有對象和畫面都分配一個權限，把相應的權限分配給不同的登錄人員，使其只能操作特定的畫面和對象，從而實現了操作區域和對象的安全性保證。

4 實驗測試

為驗證該設計方案的正確性，開發了一套自升式海上風電安裝船原型系統，該模型按1∶80的比例縮小制成，如圖3所示。控制系統以PC機作為上位機，4個SIMATIC S7-200系列PLC作為下位機。上位機中安裝有WinCC組態軟件及Web Navigator Server組件，遠程端PC機安裝有Web Navigator Client組件。遠程用戶訪問海上風電安裝船監控系統的Web服務器，從而實現對海上風電安裝工作船遠程監控，操作畫面如圖4所示。

圖3 船體實物模型Fig.3 Physical model of the vessel

圖4 遠程監控畫面Fig.4 Screen of remote supervisory control

在該實驗過程中，遠程用戶能夠方便地實現對風電安裝船模型的升降控制，并且能實時地監視風電安裝船模型的運行狀況，系統運行可靠。

5 結語

風電安裝船的工作地點一般為海水區，工作環境惡劣，工作站點分散，且岸上人員無法及時觀測到系統運行信息，因此，開發其遠程監控系統不僅改善了操作人員工作環境及人力資源浪費問題，并且為風電安裝船的安全工作提供了有力保證。

該系統以IPC作為上位機，西門子S7-200系列PLC作為下位機，在下位機中，PLC之間通過PPI協議構建了一主三從的PPI網絡，為實現PLC與上位機之間的通訊，采用PC Access搭建了下位機主站PLC的OPC服務器，以WinCC組態軟件開發了上位機的監控系統，通過WinCC的組件WinCC Web Navigator Server構建了監控系統專用服務器，遠程客戶端的PC機只需安裝有 Web Navigator Client組件，便可實現對該服務器的訪問，從而實現了遠程操作人員對海上風電安裝船的遠程監控，在改善操作人員工作環境的同時，也減少人力物力資源浪費、提高了工作的效率。

[1]Michler-Cieluch T，Krause G，Buck B H.Reflections on integrating operation and maintenance activities of offshore wind farms and mariculture[J].Ocean&Coastal Management，2009，52（1）：57-68.

[2]Simon-Philippe Breton，Geir Moe.Status，plans and technologies for offshore wind turbines in Europe and North America[J].Renewable Energy，2009，34（3）：646-654.

[3]甄力東.西門子WinCC基礎與應用[M].北京：機械工業出版社，2011.

[4]梁飛，何黎明，田作華.基于WinCC和OPC的遠程監控配料生產系統[J].微型電腦應用，2010，26（11）：51-53.

[5]向曉漢，陸彬.西門子PLC工業通信網絡應用案例精講[M].北京：化學工業出版社，2011.

[6]蘇昆哲.深入淺出西門子WinCC V6[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.