基于OPC技術的船舶電力推進試驗監控系統設計

金 奎，張 晉

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

基于OPC技術的船舶電力推進試驗監控系統設計

金 奎，張 晉

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文提出了一種基于OPC技術的船舶電力推進試驗監控系統設計方案，其主要特征為上位機采用NI公司的LabVIEW軟件作為監控界面開發平臺，應用OPC Server技術實現PC與PLC之間通訊，并通過上位機軟件訪問OPC Server完成對試驗系統監控數據的顯示、分析、存儲、指令下達等功能。最后，通過陸上電力推進試驗監控系統的設計完成監控系統的功能驗證工作.

電力推進 OPC 監控系統 LabVIEW

0 引言

現代海洋船舶工程應用領域中，電力推進系統以其系統性能優越、自動化程度高以及系統布置靈活等特點，已成為未來船舶推進方式的一種趨勢。隨著海洋船舶推進系統運行工況環境的日益復雜，對推進性能及技術要求日益提高，在推進設備裝船前，通過模擬實船工況條件對系統性能狀態進行反復試驗，實現對推進系統的穩定性和可靠性的充分驗證方式越來越受到重視。

與其它高級語言和組態軟件類似，LabVIEW軟件在人機界面的開發方面采用了圖形化的設計方法，使其具有開發成本低、周期短、軟件運行穩定性高等優點。結合OPC技術提供了各類硬件設備統一“驅動”的優勢，極大簡化了軟硬件之間的通訊編程，提高了試驗監控系統的可拓展性和通用性，便于針對不同推進系統試驗要求進行系統的維護和升級。

1 試驗系統概述

本文主要研究的船舶電力推進試驗系統組成主要包括：試驗配電系統、推進變壓器、推進變頻器、推進電機、試驗模擬負載、輔助系統以及試驗監控臺，其中推進變壓器、推進變頻器和推進電機為本試驗系統的主要研究對象。其基本結構組成如圖1所示。

其中，配電系統主要是根據電力推進試驗系統的容量需求，為試驗系統提供主電源以及試驗設備輔助電源等；推進變壓器、推進變頻器、推進電機為本試驗監控系統的主要研究對象；試驗負載用于在試驗過程中模擬船舶實際推進工況負載情況，實現對額定工況點下的推進設備各項性能進行試驗；輔助系統主要指試驗系統中除推進試驗設備以外的其它所有輔助設備及輔助材料的一個統稱，包括相關的輔助油、水、氣以及對應的管路系統等；試驗監控臺作為整個電力推進試驗系統的中樞，主要完成對整個推進系統試驗設備的數據采集、狀態顯示、數據存儲以及控制指令下達等功能。

圖1 電力推進試驗系統組成

2 試驗監控系統設計

2.1 監控系統組成原理

本文采用NI公司的LabVIEW軟件作為監控界面開發平臺，結合其提供的OPC工業技術標準，以試驗監控系統作為整個電力推進試驗的工作核心，形成系統上層監控軟件與下層現場設備之間的數據交互。其試驗監控系統的組成原理如圖2所示。

其中，上位機監控層作為試驗監控系統的核心，主要完成上位監控軟件設計開發、OPC客戶端/服務器功能配置，實現對整個推進試驗系統狀態監控以及控制參數設置；現場設備層采用西門子系列PLC控制器，實現對整套推進試驗系統的數字量、模擬量以及相關溫度狀態的采集，并完成試驗系統控制邏輯處理、系統功能保護以及相關控制信號輸出；上位機監控層與現場設備層PLC控制器之間采用以太網通訊方式，而PLC控制器與試驗系統推進變頻器之間的通訊方式采用Profibus DP通訊。

圖2 電力推進試驗監控系統原理

2.2 系統通訊方案

本文中推進試驗監控系統采用基于NI OPC Server技術實現PC與PLC之間的通訊方案，其關鍵在于如何完成上位機監控軟件對OPC服務器的訪問工作，實現客戶端程序與服務器程序之間的端口一一對應，并完成對關聯數據項進行可靠的鏈接。

上位機監控軟件LabVIEW與OPC Server之間的主要通訊方式有以下3種：1）利用其DSC模塊與OPC Server通訊；2）通過其自動化接口ActiveX實現對OPC Server的訪問；3）通過NI的DataSocket技術實現與OPC Server的通訊[1]。

本文中試驗監控系統OPC客戶端配置主要采用方法3，即通過DataSocke技術實現對OPC服務器進行訪問。通過LabVIEW的前面板控件進行直接鏈接，與試驗監控系統OPC數據項對象形成一一對應的關系。完成鏈接后，LabVIEW控件對象的右上角會出現對應的鏈接指示燈，用于指示數據項對象鏈接關系是否正常。當監控程序正常運行時，數據項鏈接成功則指示燈顯示狀態為綠色，相反則為紅色[2]。其推進試驗監控系統的通訊結構如圖3所示。

推進試驗監控系統中，PLC控制器與OPC服務器之間組態采用以太網通訊方式。其中，上位機利用NI OPC Server建立OPC服務器，通過SIMATIC.NET實現PLC與OPC服務器的通訊連接。通過OPC Scout軟件完成OPC數據標簽的定義，即是對PLC控制器中通訊數據的地址和變量類型進行整理，從而實現PLC中的數據與OPC服務器中的數據建立一一映射的關系[3]。在工業控制層面上，SIMATIC.NET的優勢在于其提供了一個多元的、開放的通訊系統，能夠將現場設備層PLC與上位機監控層進行聯網通訊[4]。

圖3 電力推進試驗監控系統通訊結構

上位機軟件LabVIEW應用DataSocket功能創建OPC客戶端程序，與西門子SIMATIC.NET建立OPC Server通訊，將監控界面中諸如指示燈、按鈕、顯示框、曲線監視器等對象與OPC服務器中數據項進行綁定，實現PLC控制器與上位機之間的數據實時交互功能。其中，OPC客戶端程序作為電力推進試驗監控系統的通訊程序，將現場設備層PLC控制器中的數據通過通訊的方式實時采集到上位機監控層中，然后通過上位機監控軟件對PLC控制器數據進行操作，再實時將數據更新下發至PLC控制器，實現整個試驗系統的實時在線監控[5]。

2.3 上位機監控界面設計

推進系統的試驗監控軟件體系結構主要包括控制程序、試驗程序和監控界面三大部分。其中，控制程序主要是現場設備層PLC控制程序、陸上配電系統開關控制程序、上位機與PLC之間通訊程序；試驗程序主要包括配電系統狀態采集程序、變頻器及電機參數采集程序和數據保存程序；監控界面主要包括控制界面、試驗狀態顯示界面和曲線顯示界面[6]。其軟件體系結構如圖4所示。

本文針對電力推進試驗監控系統的組成特點及功能分類，將上位機監控界面區域分為以下幾個部分：1號試驗控制區、2號試驗計時區、3號推進變壓器狀態監控區、4號推進變頻器狀態監控區以及5號推進電機狀態監控區。試驗監控系統界面設計如圖5所示。

圖4 推進試驗監控系統軟件體系結構

圖5 試驗監控界面設計

3 結論

本文設計的電力推進試驗監控系統具有較高的安全性、可擴展性和實時性等優點，且系統監控界面友好，能夠實現對試驗過程控制、數據采集、曲線顯示和數據存儲等功能，極大地簡化了試驗操作過程，能夠滿足電力推進系統陸上試驗監控要求。參考文獻：

[1] 何奇文. OPC技術在LabVIEW 8.0DSC模塊中的應用[J]. 計算機工程與設計, 2006, 27(22)： 4389-4392.

[2] 石靈丹, 華斌, 朱歆州, 等. 基于OPC技術的PC與西門子PLC實時通訊[J]. 船電技術, 2011, 31(1)： 9-12.

[3] 熊偉麗, 賈巖, 許文強，等. 基于OPC技術的LabVIEW與S7-300PLC的污水處理監控系統[J]. 計算機與應用化學, 2011, 28(9)： 1131-1133.

[4] SIEMENS, SIMATIC.NET-S7 Programming Interface[Z]，1998.

[5] 徐慶坤, 王軍偉, 毛建偉. 基于NI OPC Servers實現PC與PLC實時通訊[J]. 工業控制計算機, 2013, 26(7)： 51-52.

[6] 羅文鋒. 基于LabVIEW與PLC的船舶電站監控系統的研究[D]. 武漢理工大學, 2009.

OPC-based Design of A Monitoring System for the Test of the Electric Propulsion System of A Ship

Jin Kui, Zhang Jin

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

This paper puts forward a kind of the monitoring system with OPC technology for the test of marine electric propulsion system. The main features of the system is that the monitoring interface of PC is developed by the LabVIEW sofeware of NI company, and the communication between PC and PLC is established by use of the technology of OPC Server. It completed the function of display, analysis, storage and instruction of the experiment system through PC software by accessing the OPC Server. Finally, it is confirmed by designing of experiment monitoring system in electric propulsion system on land.

electric propulsion; OPC; monitoring system; LabVIEW

TP273

A

1003-4862（2016）12-0037-03

2016-08-09

金奎（1989-），男，工程師。研究方向：船舶電力推進系統。