船舶数字化仪控系统的OPC技术应用研究＊

阳世荣 夏 伟 宁 鸥

（中国舰船研究与设计中心 武汉 430064）

1 引言

随着计算机技术、自动控制技术及信息技术的高速发展，仪控系统已经从传统的单机分散监控阶段、模拟式集中监控阶段跨进了数字化网络化时代[1～2]。现代高性能船舶的数字化仪控系统广泛应用网络通信技术[3～4]，通过双冗余工业以太网将各现场控制设备与控制室内的综合显控台连接起来，由通信程序软件来实现信息交互，大大减少了现场控制设备到控制室的连接电缆，简化仪控系统的架构体系，提高了系统集成度，更有利于提升仪控系统综合自动化水平，也便于进行系统维护和升级扩展。

船舶数字化仪控系统内部包含了大量的现场控制设备，这些设备大都通过网络接口与仪控系统通信网络连接。由于现场控制设备往往是由不同的厂商供货，种类品牌各异，为了实现在同一网络平台上的集成通信，传统的做法是，硬件供应商提供控制设备的通信驱动程序，由仪控系统的综合显控台调用各控制设备的通信驱动程序实现网络通信，其通信架构如图1所示。

在这种情况下，仪控系统软件设计的大量工作都集中在通信驱动程序应用开发方面；即使现场控制设备的硬件有了一点小小的变动，通信驱动程序就可能需要重写，相应的综合显控台通信软件也需要修改；不同控制设备都对应不同的通信驱动程序，随着仪控系统规模的增大，通信软件的版本控制及管理也日益繁琐；如果要进行系统升级和功能扩展，所带来的软硬件开发工作量则更大。因此，这种传统的通信技术方案仍然无法消除数字化仪控系统内部不同厂商硬件设备之间的通信壁垒，在某种程度上甚至阻碍了数字化仪控系统的技术发展。鉴于上述现状，本文介绍了一种基于OPC（OLE for Process Control）技术的通信解决方案，通过制定统一的接口规范，能够较好地解决数字化仪控系统面临的通信壁垒问题。

图1 传统的通信架构

2 OPC技术的基本原理

OPC（OLE for Process Control）是一套工业标准，为基于Windows平台的应用程序与现场控制设备之间建立了沟通桥梁[5]。OPC以 OLE／COM／DCOM 技术为基础，采用客户端／服务器模式[6]，能够为上位机应用软件提供统一通用的接口，实现与各种不同类型控制设备之间的通信，而不必考虑各个通信节点的具体硬件信息[7]。因此，应用OPC技术后，数字化工业控制系统的软件开发者可以免除繁重的通信驱动程序开发工作，而把更多的精力投入到系统逻辑核心软件开发上。如此一来，不但可以避免开发工作的重复性，也提高了系统的开发性和可互操作性，特别适合于大规模的数字化工业控制系统。

一个OPC数据服务器由三类对象组成，即：服 务 器 （Server）、组（Group）、数据项（Item），其基本原理如图2所示。其中，OPC数据项是OPC服务器端定义的对象，对应于现场控制设备（比如PLC控制器）的一个寄存器单元[8]。OPC客户端对现场控制设备寄存器的读写操作正是通过OPC服务器的数据项来完成的。但是，OPC数据项并不提供对外接口，OPC客户端不能直接对数据项进行操作，所有操作都必须通过服务器对象、组对象进行。

如图3、图4所示，一个OPC客户端可以连接一个或多个OPC服务器，而多个OPC客户端也可以同时连接一个OPC服务器，各个OPC客户端通过OPC标准接口对各个OPC服务器对应的现场控制设备进行操作，而不需关心服务器的实现细节以及控制设备内部的具体细节。

因此，相对于传统的通信连接方式（如图1所示），基于OPC的通信连接方式（如图3、图4所示）结构更加简单，大大提升了系统的开放性和可互操作性。

图2 OPC基本原理图

图3 基于专用OPCServer的通信连接方式

图4 基于通用OPCServer的通信连接方式

3 数字化仪控系统架构

数字化仪控系统在逻辑上从下至上划分为三个层次，即为设备层、控制层和管理层。下层的设备为上层提供服务，同时接受来自上层设备的控制与管理。但是，各层之间又相对独立、各司其职，当上一层设备或网络故障时，下一层的设备可相对独立地并行工作，确保仪控系统的可靠性。其基本的系统架构图如图5所示。

图5中，控制室内的综合显控台是管理层的核心，承担着全系统综合监控及运行管理的重任。控制层的控制柜实现设备层众多传感器、执行器的集成连接。由于仪控系统设备层的传感器、执行器数量众多，技术水平也参差不齐，因此控制柜提供了硬接线直连和现场总线连接两种方式。对于非智能传感器、执行器集中的区域，由该区域的控制柜通过硬接线直接连接；对于非智能传感器、执行器分布相对分散的区域，则通过现场总线和分布式IO接口箱，实现设备层与控制层的连接；对于具备现场总线接口的智能型传感器、执行器，可通过现场总线直接与控制柜连接。

图5 数字化仪控系统架构图

控制柜收集的来自设备层的现场信息，独立完成自身的逻辑控制，并通过以太网将信息传送给管理层的综合显控台；综合显控台从以太网络收集仪控系统的全部信息，实现综合监视及报警，并将控制指令发送给控制柜，由控制柜驱动执行器动作输出，从而实现综合控制及运行管理。需要说明的是，为确保可靠性，对数字化仪控系统内部的少数可靠性要求极高的涉及安全性的设备，仍通过硬接线与综合显控台面板的按钮、开关直接连接，当出现紧急状况时，由硬接线通道实施可靠控制，确保系统安全性。

4 OPC技术应用方案

4.1 基于专用OPCServer的应用方案

基于专用OPCServer的应用方案通信架构如图3所示。由于OPC技术已经成为一项工业标准，因此世界上主流的硬件厂商都针对各自的产品开发了专用的OPCServer，如 Siemens PLC 的 SimaticNet、AB PLC 的 RSLinx、Schneider PLC的OFS等。数字化仪控系统的控制柜、DCS集控柜大都采用PLC控制器作为逻辑控制核心，通过OPCServer，综合显控台人机界面程序的OPC客户端就能够方便地实现到控制器的数据访问，而不必过多关注控制器内部的硬件细节，从而实现了数字化仪控系统的通信集成。即使仪控系统的控制层设备增加，只要其控制器能够提供OPCServer，那么综合显控台的OPC客户端只需要进行简单的配置，即可实现人机界面程序与新增控制器的数据通信，消除了长期存在的通信壁垒。

但是，该技术方案仍然存在不足之处。由于不同厂商的控制器采用的是各自专用的OPCServer，那么随着仪控系统规模的扩大，控制层设备采用的控制器种类可能越来越多，相应地在OPCServer的种类也越来越多，一方面导致软件采购经费增加，同时OPCServer运行时的硬件开销增加也会导致计算机服务器的费用增加；另一方面，随着OPCServer种类增加，针对OPCServer的日常软件维护以及版本控制工作量也会大大增加，实际上在某种程度上抵消了OPC技术所带来的好处。

4.2 基于通用OPCServer的应用方案

基于通用OPCServer的应用方案能够很好地解决专用OPCServer所存在的不足。通用OPCServer几乎集成了世界上所有主流厂商PLC控制器的硬件访问功能，应用通用的OPCServer，数字化仪控系统的通信集成方案就可以摆脱控制层设备控制器种类、品牌的限制，使得通信架构更加简化，如图4所示。

美国的Kepware公司提供的KEPServer EX就是一款功能强大、专业高效的通用OPCServer，在工业控制领域已经得到了广泛应用。KEPServer EX采用了业界领先的驱动程序插件式结构，嵌入了100多种通信协议，涵盖了当今世界上所有主流控制器型号。不仅如此，它还能通过下载新的驱动程序插件进行功能扩展，从而适应不断推陈出新的技术发展需求[10～11]。

将KEPServer应用到数字化仪控系统中，能够很好地解决当前存在的通信壁垒问题。根据数字化仪控系统控制层设备控制器的型号，在KEPServer中进行相应型号的驱动程序参数配置，无需购买更多的OPCServer软件，即可完成通信集成。KEPServer可以安装在控制层设备自身配置的计算机中，也可安装于仪控系统的通信服务器中，作为单独的通信节点存在。应用KEPServer的数字化仪控系统通信架构如图6所示。

图6 基于KEPServer的通信架构图

由图6可见，控制层设备控制器的型号包括Siemens、Schneider、AB、GE、Omron等，如果采用常规的方法，每个型号的控制器只能通过对应的OPCSerever与显控台客户端通信，那么仪控系统通信平台需要配置五种不同的OPCServer。而KEPServer能够同时与上述五种控制器实现通信集成，从而大大简化了仪控系统通信平台的设计与后续维护。以Siemens PLC为例，在KEPServer的通道配置中选择Siemens PLC的型号及通信接口类型，并配置变量名一一对应Siemens PLC的寄存器地址即可实现KEPServer与Siemens PLC的联通，显控台的OPC客户端只需访问KEPServer中的变量名即可实现对Siemens PLC相应寄存器的读写。其它类型的控制器均能通过类似的简便方法实现通信集成。因此，KEPServer很好地消除了不同类型控制器在数字化仪控系统中的通信壁垒。

另外，Kepware公司还提供了U－CON软件，能够支持用户自定义通信协议，并提供OPCServer。当仪控系统的通信网络中出现了非主流控制器或自定义开发的控制器时，利用U－CON的编辑、组态功能能够快速地开发出该控制器的驱动程序，作为插件整体嵌入到KEPServer中，从而方便地集成到仪控系统通信网络当中。

由上述可得，基于KEPServer的应用方案只需一种OPCServer，即可实现多种主流控制器与仪控系统通信网络的无缝集成，开发调试、运行维护工作量小，成本低。同时，该方案还支持用户自定义的通信协议，大大提升了仪控系统的兼容性和可扩展性，既能适应技术现状又能兼顾技术发展要求。所以，基于KEPServer的应用技术方案更适合作为数字化仪控系统的网络通信解决方案。

5 结语

为解决船舶数字化仪控系统技术发展中面临的网络通信壁垒问题，本文提出了基于OPC技术的通信应用方案，并在对专用OPCServer和通用OPCServer进行比较分析的基础上，提出了基于KEPServer的通用OPCServer通信解决方案。研究结果表明，该方案很好地实现了数字化仪控系统各设备的信息集成、共享，减小了通信软件开发调试、运行维护工作量，降低了成本，同时还提升了仪控系统兼容性和可扩展性。

仪控系统是典型的工业控制系统，随着计算机技术、信息技术的发展，基于网络通信的数字化工业控制系统在电力、冶金、化工、采矿等工业领域应用日益广泛，这些控制系统同样也面临着类似仪控系统的通信壁垒问题。因此，本文提出的通信解决方案也适应于其他数字化工业控制系统，具有广阔的应用前景。

[1]王远隆.核电厂数字化仪控系统结构比较分析[J].中国核电，2011，4（3）：212－219.

[2]林建辉，陈松涛.基于工业以太网的船舶综合平台管理系统[J].江苏船舶，2012，29（2）：31－35.

[3]郭远星，施一明，叶莹.船舶综合控制系统研究与设计[J].中国造船，2010，51（3）：191－198.

[4]吴春秋，唐慧妍.舰船监控系统的现状及发展趋势[J].船舶，2011，22（3）：8－10.

[5]马耀名，马铃.基于OPC自动化接口的监控系统的设计与开发[J].自动化技术与应用，2007，26（3）：52－54.

[6]郁梅，邵惠鹤.OPC规范在工业以太网中的应用[J].计算机工程，2003，29（22）：38－39.

[7]智少磊，夏继强，张炯.基于OPC的服务机器人监控系统设计[J].计算机工程，2012，38（14）：266－268.

[8]苏磊，李茜，汤伟.OPC数据访问客户端的研究与实现[J].计算机工程，2010，36（11）：80－82.

[9]孙国萍，张新宇.OPC技术在数据报表中的应用[J].计算机与数字工程，2009（12）.

[10]宁鸥，阳世荣，夏伟，等.OPC技术在舰船综合平台管理系统中的应用研究[J].中国舰船研究，2011，6（4）：75－77.

[11]张国华，郭成花.基于OPC服务器的Modbus Plus与MPI通讯及集中控制的实现[J].工业控制计算机，2007，20（11）：19－20.