基于OPC技術的船塢頂升裝置故障及信號監控系統

顧頌英，陳 浩

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引言

上海外高橋造船有限公司內現代化造船工藝在大型分段合攏、總段移位中使用了上海赫曼液壓公司生產的40點大型總段移位裝置。該裝置采用西門子CPU315-2DP及MP277觸摸屏，通過40臺分布式250 t液壓頂升裝置單體，以及Profibus現場總線協同控制，達到高精度頂升超大型船體分段的功能。基于該系統的同型號產品普遍用于長興2號、3號線、滬東中華等大型船廠，系統穩定可靠。

該系統在使用過程中，存在的不足之處是標準配置的MP277觸摸屏系統顯示的信號狀態較固定，數量僅為總體關鍵壓力信號及總控臺信號，對于單臺機構的設備信號狀態無法顯示和故障報警。在大型分段頂升過程中，一旦單體頂升機構出現故障，無法快速地從原廠觸摸屏上直觀顯示，維修人員必須深入分段下憑經驗進行故障排查。無論從信號數量上和采集速度上，原系統均無法滿足高速大數據信號交換的要求。

通過OPC技術[1-3]，使整個系統對于信號傳輸多了一條高速的標準信號源，通過對這些信號源進行WinCC軟件的二次開發，獲得40臺單體250t頂升裝置的所有信號狀態和故障情況信息，大大提高了超大型總段移位時的維修響應速度，從而提高了保障設備安全及整個船塢生產正常運行的可靠性。

1 OPC數據采集通道的建立設計

OPC是自動化行業及其他行業用于數據安全交換時的互操作性標準。它獨立于平臺，并確保來自多個廠商的設備之間信息的無縫傳輸，OPC基金會負責該標準的開發和維護。OPC標準是由行業供應商、終端用戶和軟軟件開發者共同制定的一系列規范。這些規范定義了客戶端與服務器之間以及服務器與服務器之間的接口，比如訪問實時數據、監控報警和事件、訪問歷史數據和其他應用程序等，都需要OPC標準的協調。OPC標準于1996年首次發布，其目的是把 PLC特定的協議（如 Modbus、Profibus等）抽象成標準化的接口，作為“中間人”的角色把其通用的“讀寫”要求轉換成具體的設備協議，反之亦然，以便HMI/SCADA系統可以對接。這也因此造就了整個行業內手工作坊的蓬勃興起，通過使用OPC協議，終端用戶就可以毫無障礙地使用最好的產品來進行系統操作。圖1為OPC信號傳遞拓撲圖[4-5]。

圖1 標準的OPC信號傳遞拓撲圖

最初，OPC標準僅限于Windows操作系統。因此，OPC是OLE for Process Control（用于過程控制的OLE）的縮寫。人們熟知的的OPC規范一般是指OPC Classic，廣泛應用于各個行業，包括制造業、樓宇自動化、石油和天然氣、可再生能源和公用事業等領域[6-7]。

2 工業控制系統采用OPCC技術

工業控制系統采用OPC技術的優點有：

1）OPC規范以COM為技術基礎，實現了代碼在二進制級上的重用和代碼的語言無關性，極大提升了軟件的重用用性，提高了開發效率。

2）OPC封裝了系統功能的實現，客戶以統一的方式去調用這個方法，從而保證軟件對客戶的透明性，使得用戶完全從低層的開發中脫離出來。

3）利用DCOM技術實現了遠程調用，使應用程序的分布與系統硬件的分布無關，便于系統硬件配置以及擴展，使系統的應用范圍更廣。

4）采用OPC規范，便于系統組態化，將系統復雜性大簡化，可以大縮短軟件開發周期，提高軟件運行的可靠性和穩定性，便于系統的升級與維護。

5）OPC規范了接口函數，不管現場設備以何種形式存在，客戶都以統一的方式去訪問，從而實現系統的開放性，易于實現與其它系統的接口。

3 基于總段移位系統的OPC通信實際應用

原系統的通信系統（圖2）采用 SIEMENS S7-300 CPU315-2DP通過Profibus與觸摸屏進行連接，40臺單點系統通過低速Profibus總線500 ms信號速率與 CPU-315連接，系統硬件通訊端口除PLC上的MPI口外無其他高速通訊接口。

圖2 原系統數據通道

新OPC通訊鏈路（圖3）根據實際硬件情況，增加1個以太網硬件接口，通過以太網接口，配合SIEMENS OPC驅動，將所有內部信號轉換為通用OPC信號。

該新通訊硬件通道的優點如下：

1）基于以太網的高速信號傳輸通道，通訊速率達到了100 Mb，對于整個系統的信號傳輸速率由原先的500 ms（最高）提高至1ms，這樣的速度帶來的明顯優點是，實現了監控信號的高速大數據傳輸，為數據做二次開發實現了速度與數量上的保障。

2）基于西門子的TCP/IP OPC 驅動[8-9]，利用WinCC軟件對監控畫面進行開發時可利用OPC協議直接調用PLC內部的全部信號，包括字節（bit）、字節信號（byte）和壓力位移等浮點信號（float）信號。

圖3 新OPC通信鏈路框圖

4 實際應用效果

通過OPC協議，將現有的PLC內全部信號高速采集出來后，通過WinCC軟件的二次開發利用，制作的新頂升裝置故障及信號監控系統與原先的系統比較有如下優點：

1）信號全面

包含系統內所有開關量、模擬量以及內部程序關鍵控制變量，原先無法采集的40臺單臺設備信號，在新系統內可以每臺獨立顯示（圖4）。

2）高速信號

基于10 ms的高速信號展現（圖5）可以使維修人員通過新監控畫面了解相關信號的高速變化。原先無法高速觀察的信號，現在可以觀察到。

圖4 基于OPC通道新建的單臺機構監控信號畫面

圖5 新建的10ms級可以監控畫面信號

3）OPC信號接口

二次數據二次開發功能使某些特殊需求成為可能。新監控系統由于具備OPC通用數據的優勢，利用OPC數據接口與Windows系統數據庫功能，開發了頂升裝置信號監控數據記錄功能，可以看到高速記錄設備使用情況。這些信號可通各種通用數據庫軟件進行二次開發利用，此次新建的故障及信號監控系統還包括一個歷史數據記錄功能（圖6），可以自定義系統中的任意1個或多個信號進行數據監控，監控時間間隔為10 ms，對于研究記錄整個系統的工作情況有非常大的作用，記錄包括每個執行機構運行的次數、時間、受力時間和受力數據記錄等。

圖6 基于OPC的歷史數據記錄功能

5 結論

該監控系統從2014年6月投入使用至今，在每一次的維修過程中都起到縮短維修時間，提高維修效率的作用，一旦故障發生，技術人員通過該系統可第一時間了解故障報警名稱，準確確定故障點，提前做好相應的工具、備件及人員配備等準備工作，大大提高設備搶修效率，為總段移位工作提供良好的技術保障。同時，通過相關的記錄數據，獲得每臺頂升構運行受力的詳細數據，為維修保養提供了準確的數據。