OPC技术在船舶综合平台管理系统中的应用

熊 瑛 许 建 骆立强 危 嵩

中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064

OPC技术在船舶综合平台管理系统中的应用

熊 瑛 许 建 骆立强 危 嵩

中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064

将平台系统的集成作为研究目标，采用OPC技术将以太网和现场总线进行集成，提出了Vxworks嵌入式操作系统下的OPC数据存取服务器对象设计方案，实现了基于OPC技术的综合平台管理系统，最后通过试验，测试了该系统的可靠性和实时性。

船舶；综合平台管理系统；现场总线；以太网

1 引言

综合平台管理系统（IPMS）总体设计目标是应用计算机网络技术集成各种数据和信息，提供高速的数据共享和通信、处理平台，把机电控制、集成驾驶、闭路电视、通信、故障诊断、模拟训练、公用信息发布和航行管理等各种应用集成到一个整体框架内，以文字、表格和图像等各种表现形式把船舶主要的航海和轮机等的组态信息提供给船岸相关决策人员，使他们能够及时全面掌握整个船舶的状况，实现船岸一体化的信息交换、监控和管理，船岸信息的实时共享和交互，进而实现对船舶的实时监控，提高管理层的调度和经营、决策能力，提高船舶的整体操控水平和安全、生存能力［1－3］。

现在船舶中使用的控制软件在开放性、伸缩性、网络结构等方面存在不足，限制了先进控制技术在船舶中的运用。在船舶中实施先进控制的主要难点在于船舶控制过程的复杂性和缺少有效的集成机制。OPC技术作为工业控制领域的一种技术，在实现控制一体化过程中，很方便地实现了多种控制领域现场总线与以太网之间的互联互通，实现了接口标准化。目前我国船舶平台系统控制网络大多为CAN总线。本文主要研究采用OPC技术实现以太网与CAN总线集成的方法，提出OPC数据存取服务器对象的设计方案，并实现基于OPC技术的IPMS。

2 信息集成机制

船舶中的航行、动力、电站、辅机等子系统设备可能来自不同的制造商，遵从不同的通信标准，这给信息的采集与交换带来了困难。因此，船舶信息集成需要实现多型控制网络和信息网络的互联。集成信息通过数据库接口存到服务器的数据库中，从而在IPMS中实现数据共享。船舶下层现场总线网络和上层Ethernet管理网络的数据交互一般通过专用网关来实现，通过网关连接船舶下层控制网，然后经网关连接到IPMS，以完成两个异种网络之间的数据共享。构建IPMS实现数据交换的方式有很多，比如用Socket、中间件技术等［4－9］。

利用Socket技术实现控制网络与信息网络间的互联，网关同时连接到现场总线和Ethernet两个网络，它对控制网络设备提供标准的现场总线接口，使得控制设备的各种信息能够进入网关，同时还提供标准的Ethernet网口，使信息网络的节点能够接收网关发来的现场总线数据。专用网关在Ethernet管理网上与IPMS每一个多功能工作站相连，通过Ethernet网口经Socket来实现通信，实现系统集成。这种方式的优点是通信效率高，缺点是集成灵活性差。

中间件提供了灵活性和扩展性，利用中间件实现船舶信息集成将简化集成难度，降低开发工作量。中间件技术主要包括：数据库存取、面向消息的中间件、分布式对象和应用服务器等。OPC技术本质是采用了Microsoft的COM／DCOM（组件对象模型／分布式组件对象模型）技术，COM主要是为了实现组件的复用和互操作，并且为基于Windows的程序提供统一的、可扩充的、面向对象的通信协议，DCOM是COM技术在分布式计算领域的发展，是分布对象计算中一个比较完整的平台。Wind River公司把VxWorks与DCOM中间件技术集成在一起，实现了DCOM从Windows到VxWorks跨平台操作。这种方式的优点是可靠性高，缺点是需要对DCOM有较深了解。

3 基于OPC技术的船舶信息采集

3.1 OPC规范

OPC是用于过程控制的对象链接嵌入技术［10－11］。它是世界上多个自动化大公司、软硬件供应商和微软联合开发的一套工业标准。OPC技术建立了一组符合工业控制要求的接口规范，将现场信号按照统一的标准与SCADA、HMI等软件无缝连接起来，同时将硬件和应用软件有效地分离开。只要硬件开发商提供带有OPC接口的服务器，任何支持OPC接口的客户程序均可采用统一的方式读取这些设备的数据，无须重复开发驱动程序。这样大大提高了控制系统的互操作性和适应性。OPC的出现解决了工业控制“自动化孤岛”的瓶颈问题，把硬件和软件厂商分离开来，提供了从设备和数据库等数据源获得数据的通信机制，通过提供带有OPC接口的服务器，使任何带有OPC接口的客户程序均以统一的方式存取不同厂商的设备数据，解决了不同厂家设备之间不能通信的问题，从而可将多种现场总线集成在一个可以互操作的网络平台下。

OPC数据存取规范是由OPC基金会发布的OPCDA自定义接口规范。该规范分为定制接口规范和自动化接口规范。其中，定制接口规范主要描述了OPC组件对象的定制接口及其方法，自定义接口规范主要描述了OPC组件的自动化接口，它方便了VB、Dephi和其它支持自动化的产品与OPC服务器连接。

OPC数据存取服务器定制接口主要包含3类对象：OPC服务器对象 （Server）、OPC组对象（Group）、OPC项目对象（Item）。OPC服务器对象维护有关服务器的信息并作为OPC组对象的包容器，可动态地创建或释放组对象；OPC组对象除了维护有关自身的信息，还提供了包容OPC项的机制，逻辑上管理OPC项；OPC项表示了与OPC服务器中数据的连接。

3.2 OPC数据存取服务器的设计

OPC数据存取服务器具有数据采集的功能。它的基本结构如图1所示，主要由服务器对象、组对象、项对象、数据存储区、CAN卡驱动和CAN收发程序组成。由于不同的OPC组可以有单独的更新率，所以OPC服务器为每个OPC组分别创建了一个扫描线程。OPC数据存取服务器负责接收下层CAN网络发送的实时报文，同时根据不同报文的ID号解析出CAN报文中的数据信息，将此数据存储在本机指定区域内，OPC客户端采用Windows操作系统调用OPC服务器接口，从数据存储区中读取相应数据，并在界面上实时显示。同时OPC服务器负责将客户端通过OPC接口写入的控制信息发送给CAN网络中的节点。

图1 OPC数据存取服务器结构示意图

下面给出实现OPC数据存取服务器的主要步骤：

1）制作适合目标机环境的启动软盘，建立主机和目标机的连接。

2）开发Vxworks实时操作系统下CAN接口卡接收程序，将接收到的CAN报文信息根据CAN报文ID解析出数据部分，并将该数据赋值给相应的全局变量存储起来。

3）开发Vxworks实时操作系统下CAN接口卡的发送程序，用于将保存的监控台的控制信息以预定的CAN报文ID及相应的CAN报文帧格式发送给电罗经节点。

4）使用Tornado向导生成一个WIND NET OPC数据存取演示服务器工程，配置FTP和Tar鄄get Server。

5）修改OPC服务器名称、类标识和服务器描述，实现COM库的初始化功能和OPC数据存取服务器类对象。

6）定义Tag和Tag Group用于描述现场设备中的具体数据项，项对象通过它们与具体的数据源连接。在OPC服务器中将每个全局变量都赋值给数据存储区中的Tag，并将从同一个节点发出的CAN报文的数据编成一组，即为Tag Group，同时将Tag系统封装在DA类文档中。

7）在Tornado集成开发环境中编译该工程，将WIND NET OPC数据存取服务器与演示客户端连接起来，测试运行。

3.3 基于OPC技术的IPMS

以某型船舶为例，基于OPC技术的IPMS结构如图2所示。

整个系统可以分为现场设备层、中间件层和优化控制层。

1）现场设备层是控制核心，所有现场设备通过两种方式接入网络：智能传感器、执行器、现场指示器等经过数字化处理后都直接挂接在设备层的现场网络上，普通的传感器和执行器则是通过具有相应数据处理能力的“机旁信号处理箱”连接到现场网络上，最终通过现场操控站接入网络；对现场设备相对集中的情况，可采用远程终端模式。

2）中间件层主要由一些OPC服务器组成。对于支持OPC接口的现场总线以及以太网接口的设备，分别通过软硬件接口和Ethernet／IP方法连接到服务器，通过OPC服务器对底层实时数据进行封装，OPC客户端可以通过OPC服务器接口存取数据，实现信息流的纵向流动；在设备层横向通信方面，OPC服务器之间可以通过标准接口规范进行数据交换，实现底层设备的互操作。对于优化控制层方面来说，它通过抽象的接口提供了统一的数据传送机制，大大降低了现场实施的复杂性，同时提高了基于OPC技术的先进控制软件的可重用性。

3）优化控制层主要由 OPC客户端程序组成，它的主要任务是读取中间件层OPC服务器传送的现场硬件数据，并把控制命令下传给中间件层，从而实现对现场硬件设备的控制。

IPMS就是要把现有的自动化装置采集的数据，如监测系统、遥控系统等实时数据，经过加工处理后存入上层管理网上的共享数据库；同时把上层管理数据，如船舶日常管理所需的各种数据也存入数据库，实现两种不同级别数据的集成，进而实现全船数据共享提高船舶的总体监控水平。

IPMS通过基于子系统的平等方式进行系统集成，以满足下层现场控制网各个系统以平等方式接入。IPMS运行高性能的集成数据库，各子系统的实时数据通过下层现场控制网传输到运行OPC Server的嵌入式网关，由此网关将数据处理转换后存入到本地嵌入式数据库，并同时发送给上层管理网络。IPMS通过装有系统核心调度程序的多功能工作站对各子系统实现统一管理、监控和信息交换。

图2 基于OPC技术的IPMS结构图

IPMS既能保持现有船舶上自动化设备的相对独立性，提高数据存储和分析处理能力，又能实现船舶各种信息的集成。IPMS提供一个开放的信息平台，采集并转换各现场设备子系统的数据，建立统一的开放数据库，使IPMS可以自由选择所需数据，使数据对全船开放，实现信息资源共享。

4 试验测试与分析

4.1 系统运行原理

系统硬件环境由综导显控台、监控台、OPC服务器、GPS、自动舵和平台罗经6部分组成。其中综导显控台和监控台通过以太网交换机连接，构成以太网。GPS自动舵和平台罗经连接成CAN总线网络。OPC服务器安装CAN接口卡和以太网网卡，同时接入以太网和CAN总线网络。作为网关实现两个网络之间的数据转发。

GPS、自动舵和平台罗经周期性地向OPC数据存取服务器节点发送实时状态数据；OPC数据存取服务器收到数据后，直接存储在本机指定区域内，OPC数据存取服务器负责对存储区进行管理与维护；综导显控台和监控台作为OPC客户端，调用OPC数据存取服务器接口，从数据存储区中读取GPS、自动舵和平台罗经，并在界面上显示。同时监控台通过OPC数据存取服务器的接口，向自动舵发送控制指令，由OPC数据存取服务器转发给自动舵节点。

4.2 CAN总线和以太网信息集成系统试验

该试验主要测试利用OPC技术实现Vxworks环境下CAN总线网络与以太网互联互通，验证利用OPC技术实现两种网络的信息集成能力。测试环境如图3所示。

测试内容：GPS、自动舵和平台罗经节点周期发送自身的状态数据，测试OPC服务器是否收到数据；在上一步基础上，检查监控台和综导显控台是否收到正确的状态数据；在监控台界面上，通过OPC接口操作，发送导航控制指令给自动舵，检查该功能是否正常执行。

测试结果：在CAN总线网络设置为125K波特率情况下，OPC服务器能够收到GPS、电罗经、磁罗经节点通过CAN总线发送的周期数据，并转发给综导显控台和监控台显示，自动舵节点能够正确收到导航控制指令数据。OPC服务器数据准发功能测试如图4所示。通过试验验证了利用OPC技术实现网络信息集成是可行的。

图3 CAN／Ethernet信息集成系统试验示意图

图4 OPC服务器数据转发功能测试

5 结束语

在IPMS中使用OPC技术，就是在控制网络和信息网络之间增加一个“软总线”中间件层，该中间件层向工作在控制网络中的现场设备、IPMS信息网络中的高层管理软件提供面向对象的开放、一致、标准的接口规范，实现各种自动控制软硬件“即插即用”的功能，有效解决控制系统I／O驱动，以及异种控制网络和系统的互连、互通问题，具有高效的可伸缩性、互操作性，能够方便地实现分布式环境下跨控制网络／信息网络、跨平台、跨应用、模块化组合应用。船舶综合平台管理系统的建立，在一定程度上会提高建成的管理水平和自动化程度。

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Application of OPC Technology in Ship's Integrated Platform Management System

Xiong Ying Xu Jian Luo Li－qiang Wei Song
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Taking platform system integration as the object the research integrated Ethernet and field bus based on OPC technology.It also proposed a design option for OPC data access server，which worked in Vx鄄works embedded RTOS，and thus sucessfully applied OPC technology in Integrated Platform Management System（IPMS）.Finally the system's reliability and real－time property were verified through experiments.

ship；Integrated Platform Management System（IPMS）；field bus；Ethernet

TP391.9

A

1673－3185（2009）06－58－04

2009-02-11

海军装备预研项目（101050401××××）

熊 瑛（1978－），男，博士研究生。研究方向：船舶与海洋结构物设计制造。E鄄mail：yxiong78@yahoo.com.cn

许 建（1963－），男，研究员，博士生导师。研究方向：船舶与海洋结构物设计制造