基于组态软件WinCC的船舶监测报警系统的设计与研究

赵鹏飞 周玉龙 赵 鹏 杨 超

（江苏科技大学 船舶与海洋工程学院 镇江212003）

0 引 言

随着现代船舶工业的发展，船舶监测报警系统必不可少。它大大提高了船舶的安全性、可靠性、经济型及其运行效率，减轻船员的劳动强度，降低船舶设备的故障及火灾等意外事故带来的风险［1］。人机交互界面是该系统的主要实现形式，因此工业组态软件是必不可少的工具。

组态软件是现代工业发展的产物，其实质是编程软件所开发的二次软件，功能更强、操作更简便、更能适应工业监测控制的需求。与常用的PLC控制、DCS系统及VB、VC等高级编程工具相比较，其具体优势如下：

（1）高度开放的接口使用户几乎可以任意选择硬件来组合自己需要的系统；

（2）丰富的图形数据库包含了工业各个领域常用的器械、设备及元件，界面设计制作更方便且能实现历史曲线、报表、报警、动画等功能，较VB、VC高级编程工具容易得多；

（3）自由的组网方式使用户根据工程需要轻松构建网络；

（4）组态软件是二次开发的半成品，便于用户在此基础上作进一步开发，提高效率且降低成本；

（5）数据接口的多样性可以将采集的历史数据保存到本地或者远程服务器上的实时数据库中，也可以将原始数据或者统计值等数据保存到各种关系数据库中，方便了用户的管理与操作；

（6）丰富的脚本语言能够满足用户对监测控制对象动作的组态。

WinCC（视窗控制中心）是德国西门子公司开发的一款用于PLC与上位机通信的组态软件，能够生成可视化界面，实现对现场设备运行状态的监测及报警。此外，该软件自带功能强大的SQL2000数据库用以实现数据归档、报警记录查询、报表打印等功能。开放性是WinCC的一个特点，这使它能够与世界上主要控制器厂商的产品进行数据通信。本文以西门子S7-400PLC建立与上位机的连接通讯［2］。

本文设计的监测报警系统以网络化、模块化为特点，以软件为主实现其功能，集监测、报警于一体。采用现场总线设计使系统更加实时、准确、可靠地进行监测。模块化的设计特点简化了系统的结构，方便了系统的扩展和维修管理［3］。组态软件的选用，尤其是WinCC与S7-400PLC都是西门子公司的产品，减少了系统硬件的投资，降低了成本。

1 系统的组成

图1为WINCC通讯结构层次图。

图1 通讯结构层次图

WinCC变量管理器用于对变量进行集中管理，它不为用户所见。它处理项目产生的数据和存储在项目数据库中的数据。WinCC的所有应用程序必须以WinCC变量的形式从变量管理器中请求数据。WinCC变量管理器从项目中请求过程值是通过通讯驱动程序来完成。通讯驱动程序是通过通讯处理器像PLC发送请求信息，然后，通讯处理器将回答相应信息请求的过程值发回给WinCC［4］。

图2为系统硬件简图。因为组态软件与PLC都选择西门子公司的产品，这样就简化了系统，降低了成本，并具有可靠的性能。此外，为了进一步提高系统的可靠性，可对该系统和总线设计冗余，防止PC和软件的失效，提高系统的抗干扰能力。

图2 系统硬件简图

2 监报系统的设计

2.1 组态通讯

以某船为原型，包括损管、火灾、门开关状态、液舱液位、船舱底水位高、辅机设备的监测系统，共设置370个监测点。上位机用PROFIBUS电缆连接PLC，因此首先在WinCC变量管理器中添加新的驱动程序SIMATIC S7 Protocol Suite.CHN，在该驱动程序下选择并组态PROFIBUS协议。WinCC组态软件最多可设置65 000个监测点，数据采集周期最小值为250 ms。本文涉及的模拟量采集周期设置为2 s，二进制变量根据0值和1值之间的变化来采集，归档周期为20 s。PROFIBUS网络传输速率在9.6 kbit/s～12 Mbit/s之间。

根据本文的设计思路，考虑到电缆长度并结合以往工作经验，网络传输速率设置为1.5 Mbit/s，在此传输速率下系统读取数据时相对于PLC的动态响应时间小于20 ms。

2.2 界面设计

从直观与实用性原则考虑，共设8个主界面，分别为主机复试信号界面、主机辅助设备界面、火灾报警界面、门开关状态界面、液舱液位报警界面、船舱底水位高报警界面、报警记录界面和报表打印界面。其中，主机复试信号界面又包括左主机1、左主机2、左主机3、右主机1、右主机2与右主机3这6个界面。主机辅助设备界面分两页，火灾报警界面和门开关状态界面根据不同甲板层分别分为3个界面。

在主机复试信号界面和主机辅助设备界面的设计过程中，考虑到功能需要、页面布局、监测点数量等因素，界面主要以文本框及I/O域为主来显示主机和辅助设备的运行状态，而火灾报警、门开关状态、液舱液位、船舱底水位高界面需要直观的显示出具体位置。因此在这部分的界面设计中绘制了各层甲板的平面图，并在具体位置组态控件，通过控件的颜色变化反应门开关状态、火灾情况等。

2.3 数据处理

WinCC对过程值归档、信息系统、报警记录、报表打印的组态是建立在数据库的基础上，该数据库完全集成在WinCC的基本系统中，主要根据需要实现功能的具体情况来进行组态，如数据采集、归档的周期，报警记录和信息处理的方法以及报表的形式和内容等。

3 监控系统的功能

3.1 实时数据监测

系统监测对象的数据形式分为模拟量和二进制变量两种。以主机信号复试左主机1界面为例，如图3所示。

图3 主机信号复试左主机1界面

该界面所监测的对象均为模拟量。白色一列即为I/O域，值班人员可以很直观的观察监测对象的具体数据，画面中也给出了监测对象的测点号、测点名称、量程等。当监测值超出要求范围时就会发出警报，值班人员就会及时发现并采取措施。例如图1中，测点号A003即左主机滑油进口压力实测值为0.18 MPa，已达到降速报警的范围。这时在与其对应降速报警一列中的文本框颜色就会变为红色，并发出声音警报。

3.2 状态监测

监报系统中的门开关状态、火灾警报、设备运行及故障的监测均以二进制变量的形式实现。以1甲板-2甲板的门开关状态为例（见图4）。

图4 门开关状态（1甲板、2甲板界面）

图中每个圆形标志都对应一个门，其中黄色文本的为防火风门。按钮红色表示该门处于关闭状态，白色则表示为打开状态。火灾报警与设备运行及故障报警与其类似，当发生火灾或设备出现运行故障时，都能听到警报声并从监测界面中看到事件发生的位置。这样就能及时发现问题并采取措施，以降低风险。

3.3 报警系统

报警系统是人机交互界面的一个重要组成部分，WinCC中产生的报警信息可归档到数据库中，可用于生成系统报表。报警系统的组态主要通过报警记录编辑器的编辑和WinCC自带的WinCC Alarm Control控件的组态来完成，如图5所示，该控件中已经组态了日期、时间、信息文本和错误点。

图5 报警记录界面

从图中可以看出左主机淡水出口温度曾在报警极限范围波动。对于某个报警，若想了解更多的信息，可在工具栏中选择信息文本，在这个信息文本中可了解到更多的细节，并知道如何处理报警。当产生报警的条件消除后，操作员可对报警进行确认，通过选择工具栏按钮可对单独信息应答，也可对一组信息应答。此外，在数据库里，操作员可对每一个确认的报警信息添加文本注释。

3.4 报表系统

WinCC集成了完整、强大的报表系统。在报表编辑器中可看到大量预先定义好的报表布局，这些布局包括报警归档、变量归档、项目组态和变量管理。此外，也可以在报表编辑器中的布局编辑器里自己设计报表。在运行模式下，操作员可对一个特定的报表对象建立调度表，使打印过程自动化。

3.5 其他功能

WinCC自带的冗余选件可用于组态监测系统的冗余，防止PC和软件的失效。此外，WINCC提供了两种脚本语言——ANSI-C和VBScript.脚本，主要用来组态一些对象的动作。例如报表打印、变量监控或计算等，都可以通过触发器作为动作来完成。

4 结 论

“以组态软件WinCC的强大功能为基础，结合总线和模块化设计”的思路完全符合现代船舶监测报警系统的功能需求和发展趋势。该系统还具有可靠性高、扩展性好、成本低等特点，用户可根据实际需要对系统进行扩展，如：监测点数量、监测对象的内容等［5］。此外，还可以根据现场需求对软件和总线设计冗余，从而提高系统的抗干扰、防震动等能力，从而使其具有相当的可靠性与稳定性。

［1］黄仕健.机舱监测报警系统的开发设计与实现［D］.南京：南京理工大学自动化学院.2008：4-25.

［2］张晓杰，刘海昌.基于WinCC的数据采集和监控系统设计［J］.工业仪表与自动化装置.2007（4）：53-55.

［3］吴恒，夏立.基于CAN总线的船舶火灾报警系统的设计［J］.青岛大学学报，2004，17（1）：67-70.

［4］刘华波，王雪，何文雪，等.组态软件WinCC及其应用［M］.北京：机械工业出版社，2009：15-196.

［5］王晶.船舶机舱集中监控系统的设计与研究［D］.大连海事大学控制理论与控制工程专业.2008：21-52.