基于OPC技术的船舶电力推进试验监控系统设计

金 奎，张 晋

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

基于OPC技术的船舶电力推进试验监控系统设计

金 奎，张 晋

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文提出了一种基于OPC技术的船舶电力推进试验监控系统设计方案，其主要特征为上位机采用NI公司的LabVIEW软件作为监控界面开发平台，应用OPC Server技术实现PC与PLC之间通讯，并通过上位机软件访问OPC Server完成对试验系统监控数据的显示、分析、存储、指令下达等功能。最后，通过陆上电力推进试验监控系统的设计完成监控系统的功能验证工作.

电力推进 OPC 监控系统 LabVIEW

0 引言

现代海洋船舶工程应用领域中，电力推进系统以其系统性能优越、自动化程度高以及系统布置灵活等特点，已成为未来船舶推进方式的一种趋势。随着海洋船舶推进系统运行工况环境的日益复杂，对推进性能及技术要求日益提高，在推进设备装船前，通过模拟实船工况条件对系统性能状态进行反复试验，实现对推进系统的稳定性和可靠性的充分验证方式越来越受到重视。

与其它高级语言和组态软件类似，LabVIEW软件在人机界面的开发方面采用了图形化的设计方法，使其具有开发成本低、周期短、软件运行稳定性高等优点。结合OPC技术提供了各类硬件设备统一“驱动”的优势，极大简化了软硬件之间的通讯编程，提高了试验监控系统的可拓展性和通用性，便于针对不同推进系统试验要求进行系统的维护和升级。

1 试验系统概述

本文主要研究的船舶电力推进试验系统组成主要包括：试验配电系统、推进变压器、推进变频器、推进电机、试验模拟负载、辅助系统以及试验监控台，其中推进变压器、推进变频器和推进电机为本试验系统的主要研究对象。其基本结构组成如图1所示。

其中，配电系统主要是根据电力推进试验系统的容量需求，为试验系统提供主电源以及试验设备辅助电源等；推进变压器、推进变频器、推进电机为本试验监控系统的主要研究对象；试验负载用于在试验过程中模拟船舶实际推进工况负载情况，实现对额定工况点下的推进设备各项性能进行试验；辅助系统主要指试验系统中除推进试验设备以外的其它所有辅助设备及辅助材料的一个统称，包括相关的辅助油、水、气以及对应的管路系统等；试验监控台作为整个电力推进试验系统的中枢，主要完成对整个推进系统试验设备的数据采集、状态显示、数据存储以及控制指令下达等功能。

图1 电力推进试验系统组成

2 试验监控系统设计

2.1 监控系统组成原理

本文采用NI公司的LabVIEW软件作为监控界面开发平台，结合其提供的OPC工业技术标准，以试验监控系统作为整个电力推进试验的工作核心，形成系统上层监控软件与下层现场设备之间的数据交互。其试验监控系统的组成原理如图2所示。

其中，上位机监控层作为试验监控系统的核心，主要完成上位监控软件设计开发、OPC客户端/服务器功能配置，实现对整个推进试验系统状态监控以及控制参数设置；现场设备层采用西门子系列PLC控制器，实现对整套推进试验系统的数字量、模拟量以及相关温度状态的采集，并完成试验系统控制逻辑处理、系统功能保护以及相关控制信号输出；上位机监控层与现场设备层PLC控制器之间采用以太网通讯方式，而PLC控制器与试验系统推进变频器之间的通讯方式采用Profibus DP通讯。

图2 电力推进试验监控系统原理

2.2 系统通讯方案

本文中推进试验监控系统采用基于NI OPC Server技术实现PC与PLC之间的通讯方案，其关键在于如何完成上位机监控软件对OPC服务器的访问工作，实现客户端程序与服务器程序之间的端口一一对应，并完成对关联数据项进行可靠的链接。

上位机监控软件LabVIEW与OPC Server之间的主要通讯方式有以下3种：1）利用其DSC模块与OPC Server通讯；2）通过其自动化接口ActiveX实现对OPC Server的访问；3）通过NI的DataSocket技术实现与OPC Server的通讯[1]。

本文中试验监控系统OPC客户端配置主要采用方法3，即通过DataSocke技术实现对OPC服务器进行访问。通过LabVIEW的前面板控件进行直接链接，与试验监控系统OPC数据项对象形成一一对应的关系。完成链接后，LabVIEW控件对象的右上角会出现对应的链接指示灯，用于指示数据项对象链接关系是否正常。当监控程序正常运行时，数据项链接成功则指示灯显示状态为绿色，相反则为红色[2]。其推进试验监控系统的通讯结构如图3所示。

推进试验监控系统中，PLC控制器与OPC服务器之间组态采用以太网通讯方式。其中，上位机利用NI OPC Server建立OPC服务器，通过SIMATIC.NET实现PLC与OPC服务器的通讯连接。通过OPC Scout软件完成OPC数据标签的定义，即是对PLC控制器中通讯数据的地址和变量类型进行整理，从而实现PLC中的数据与OPC服务器中的数据建立一一映射的关系[3]。在工业控制层面上，SIMATIC.NET的优势在于其提供了一个多元的、开放的通讯系统，能够将现场设备层PLC与上位机监控层进行联网通讯[4]。

图3 电力推进试验监控系统通讯结构

上位机软件LabVIEW应用DataSocket功能创建OPC客户端程序，与西门子SIMATIC.NET建立OPC Server通讯，将监控界面中诸如指示灯、按钮、显示框、曲线监视器等对象与OPC服务器中数据项进行绑定，实现PLC控制器与上位机之间的数据实时交互功能。其中，OPC客户端程序作为电力推进试验监控系统的通讯程序，将现场设备层PLC控制器中的数据通过通讯的方式实时采集到上位机监控层中，然后通过上位机监控软件对PLC控制器数据进行操作，再实时将数据更新下发至PLC控制器，实现整个试验系统的实时在线监控[5]。

2.3 上位机监控界面设计

推进系统的试验监控软件体系结构主要包括控制程序、试验程序和监控界面三大部分。其中，控制程序主要是现场设备层PLC控制程序、陆上配电系统开关控制程序、上位机与PLC之间通讯程序；试验程序主要包括配电系统状态采集程序、变频器及电机参数采集程序和数据保存程序；监控界面主要包括控制界面、试验状态显示界面和曲线显示界面[6]。其软件体系结构如图4所示。

本文针对电力推进试验监控系统的组成特点及功能分类，将上位机监控界面区域分为以下几个部分：1号试验控制区、2号试验计时区、3号推进变压器状态监控区、4号推进变频器状态监控区以及5号推进电机状态监控区。试验监控系统界面设计如图5所示。

图4 推进试验监控系统软件体系结构

图5 试验监控界面设计

3 结论

本文设计的电力推进试验监控系统具有较高的安全性、可扩展性和实时性等优点，且系统监控界面友好，能够实现对试验过程控制、数据采集、曲线显示和数据存储等功能，极大地简化了试验操作过程，能够满足电力推进系统陆上试验监控要求。参考文献：

[1] 何奇文. OPC技术在LabVIEW 8.0DSC模块中的应用[J]. 计算机工程与设计, 2006, 27(22)： 4389-4392.

[2] 石灵丹, 华斌, 朱歆州, 等. 基于OPC技术的PC与西门子PLC实时通讯[J]. 船电技术, 2011, 31(1)： 9-12.

[3] 熊伟丽, 贾岩, 许文强，等. 基于OPC技术的LabVIEW与S7-300PLC的污水处理监控系统[J]. 计算机与应用化学, 2011, 28(9)： 1131-1133.

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

[5] 徐庆坤, 王军伟, 毛建伟. 基于NI OPC Servers实现PC与PLC实时通讯[J]. 工业控制计算机, 2013, 26(7)： 51-52.

[6] 罗文锋. 基于LabVIEW与PLC的船舶电站监控系统的研究[D]. 武汉理工大学, 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，工程师。研究方向：船舶电力推进系统。