OPC技術在艦船綜合平臺管理系統(tǒng)中的應用研究

寧 鷗 陽世榮 夏 偉 范則陽

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

OPC技術在艦船綜合平臺管理系統(tǒng)中的應用研究

寧 鷗 陽世榮 夏 偉 范則陽

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

針對目前艦船存在多種異構數(shù)據(jù)源但尚無統(tǒng)一數(shù)據(jù)通信機制和標準的現(xiàn)狀，對OPC技術在艦船綜合平臺管理系統(tǒng)（IPMS）中的應用展開分析和研究，以實現(xiàn)各分系統(tǒng)設備之間靈活便捷的信息共享。介紹OPC技術的基本原理、發(fā)展現(xiàn)狀和IPMS基本框架，通過分析對比傳統(tǒng)OPC通信方案和KepWare OPC通信方案，提出IPMS中的KepWare OPC方案，很好地實現(xiàn)各信息單元之間的數(shù)據(jù)通信。

OPC；綜合平臺管理系統(tǒng)；Kepware；艦船

1 引言

隨著傳感技術、通信技術和計算機技術的飛速發(fā)展，在大型艦船上如何安全可靠又高速地進行數(shù)據(jù)交換已經成為重要的課題。目前，大多數(shù)艦船上都配備了各種類型的傳感器、智能儀表、大型監(jiān)控裝置，這必然導致多種異構數(shù)據(jù)源的并存。通用綜合平臺管理系統(tǒng)模型［1］中的全船網絡平臺，為各獨立數(shù)據(jù)源之間的數(shù)據(jù)交互提供了物理通道。但是，由于各信息單元（DCS、PLC等控制系統(tǒng)）運行的應用軟件來自不同的供應商，如果不遵循統(tǒng)一的接口規(guī)范，信息單元之間的通信仍存在壁壘。因此，基于解決大型艦船IPMS中數(shù)據(jù)交互通信問題，引入用于工業(yè)過程控制的OPC［2］（OLE For Process Control）技術，為實現(xiàn)全船全部數(shù)據(jù)的共享提供軟通道，也為管理控制一體化的實現(xiàn)奠定基礎。

2 IPMS概述

IPMS是通過計算機網絡，對艦船平臺系統(tǒng)各機械裝置和分系統(tǒng)進行集中監(jiān)視、控制和管理的自動化系統(tǒng)，已經在國外艦艇上得到越來越普遍的應用。國外主要的IPMS研制和供應商有加拿大航空電子公司 （CAE）、德國西門子和MTU公司、法國的DCN等。其中CAE是最大的艦船IPMS研制與供應商，其產品已經在世界18個國家的海軍的130余艘艦船中得到應用［3］。

主流IPMS方案的主干網絡采用交換式高速冗余以太網，層次結構明晰，管理和控制實現(xiàn)一體化。較為典型的體系結構如圖1所示。

對于相對比較獨立的分系統(tǒng)，如推進、電力和操縱等系統(tǒng)，采用獨立的現(xiàn)場總線網絡形式，通過分系統(tǒng)的集控裝置或DCS與主干網絡互聯(lián)；其他全船性的分系統(tǒng)按照區(qū)域劃分，與相應的RTU相連，再接入平臺主干網絡。

圖1 IPMS典型體系結構Fig.1 Typical system architecture of IPMS

國外水面艦船和潛艇上裝備的成熟IPMS均是由某一家公司（如CAE）提供整體解決方案，這就使得整個系統(tǒng)從上至下、從硬件到軟件都能實現(xiàn)無縫融合。目前，國內艦船的各控制系統(tǒng)和設備采用的是不同廠商的軟、硬件，在短期內也很難達到完全統(tǒng)一，這就必然導致彼此難以實現(xiàn)信息共享。

3 OPC技術簡介

OPC（OLE for Process Control）是由一些世界著名的自動化系統(tǒng)和硬件、軟件公司和Microsoft（微軟）緊密合作建立而成［4-5］。OPC包括一整套接口、屬性和方法的標準集，向用戶提供用于過程控制和工業(yè)自動化應用。OPC以COM／DCOM技術為基礎，采用客戶／服務器模式，定義了各種不同的軟件部件如何交互使用和分享數(shù)據(jù)，從而使得OPC能夠提供通用的接口用于各種過程控制設備之間的通信，而不必考慮過程中采用何種軟件和設備。對于結構復雜的自動化控制系統(tǒng)，OPC技術能極大化其開放性和互操作性。

基于OPC技術的方案實現(xiàn)由2部分組成，即OPC服務器端（OPC Server）和OPC客戶端（OPC Client）。OPC Server完成的工作就是通過專用的協(xié)議或驅動收集現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)信息，然后通過標準的OPC接口傳送給OPC Client應用。OPC Client則通過標準的OPC接口接收數(shù)據(jù)信息。在具體的實現(xiàn)過程中，用戶可以根據(jù)自己的需要挑選相應的使用規(guī)范。其中數(shù)據(jù)訪問規(guī)范（Data Access）是給用戶提供訪問實時過程數(shù)據(jù)的方法；報警和事件規(guī)范（Alarms and Events）提供了一種由服務器程序將現(xiàn)場的事件或報警通知客戶程序的機制；歷史數(shù)據(jù)存取規(guī)范 （Historical Data Access）用于向用戶提供存儲在過程數(shù)據(jù)存檔文件、數(shù)據(jù)庫或遠程終端設備中的歷史數(shù)據(jù)，以及來分析這些歷史過程數(shù)據(jù)的方法［6-8］。

4 OPC技術在IPMS中的應用

4.1 傳統(tǒng)的OPC技術

OPC作為一項工業(yè)標準，已得到業(yè)界的廣泛認可和支持，各廠家紛紛針對各自的硬件推出專用的OPC Server、OPC數(shù)據(jù)訪問中間件或開發(fā)工具。這加速了OPC技術在工業(yè)控制領域的推廣和應用。傳統(tǒng)的OPC數(shù)據(jù)通信解決方案如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)OPC數(shù)據(jù)通信方案Fig.2 Typical OPC data communication

在這種傳統(tǒng)的OPC數(shù)據(jù)通信解決方案中，PLC、DCS和專用控制器的OPC Server分別根據(jù)上位機的OPC Client應用程序（監(jiān)控應用程序、趨勢圖應用程序和報表應用程序等）的需求，采集對應底層硬件的相關數(shù)據(jù)；上位機程序則可利用COM或DCOM技術從對應的OPC Server中獲取從底層硬件采集到的信息。

雖然該方案能較好地實現(xiàn)對底層設備的數(shù)據(jù)訪問，系統(tǒng)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信不存在障礙，但還存在以下不足：

1）由于PLC、DCS和其他控制器必須使用專用的OPC Server，所以復雜的控制系統(tǒng)必須針對性地購買和運行不同供應商的多種專用的OPC Server，成本高，系統(tǒng)開銷大。若控制系統(tǒng)對OPC數(shù)據(jù)訪問的可靠性要求較高，還需針對性地采購多種專用的OPC冗余服務器，因而成本也很高；

2）需要針對不同供應商的OPC Server進行分類調試和配置（如數(shù)據(jù)、安全、訪問權限以及參數(shù)設定），過程繁瑣；

3）對于無OPC Server的硬件，需要自行開發(fā)OPC Server或采用傳統(tǒng)的專用通信接口的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問。這就增加了開發(fā)、使用和維護的成本，且不利于實現(xiàn)統(tǒng)一的OPC數(shù)據(jù)訪問；

4）冗余服務器與OPC Client程序耦合度較高，冗余功能的實現(xiàn)和變更需要對OPC Client程序進行額外開發(fā)和修改；

5）系統(tǒng)擴展性和成長性低。一旦底層硬件設備需要更換、升級，就可能需要重新購買和部署OPC Server和冗余服務器，甚至變更上位機應用程序。

4.2 Kepware OPC技術

針對傳統(tǒng)的OPC數(shù)據(jù)通信技術的種種弊端，作為世界一流的OPC技術和產品提供商，美國Kepware公司推出了一系列專業(yè)高效的OPC產品，如KEP Server EX、U－CON、Redundancy Master等［9］。

KEP Server EX是行業(yè)內最好的OPC Server之一。它采用了業(yè)界領先的驅動程序插件式結構，在1個服務器中嵌入了100多種通信協(xié)議。它不僅支持主流的設備型號，還能通過下載新的驅動程序插件進行擴展。

U－CON是一種支持用戶自定義通信協(xié)議的OPC Server。用戶可在U－CON編輯界面中組態(tài)所需串口或以太網設備的通信參數(shù)，從而快速地開發(fā)出該設備的驅動程序。U－CON可作為OPC Server單獨運行，也可作為插件整體嵌入到KEP Server EX中，以獲取更好的系統(tǒng)集成性。

Redundancy Master是一種OPC冗余控制器。它可將多個OPC Server配置成冗余對，提升獲取OPC數(shù)據(jù)的可靠性和有效性，特別是能在不更改OPC Client應用程序的情況下，無縫連接OPC Server冗余對OPC Client應用程序，將冗余功能加入到OPC Client應用程序中。

4.3IPMS中的Kepware OPC方案

將Kepware OPC應用到當前IPMS中，能很好解決數(shù)據(jù)通信存在壁壘這一難題。

統(tǒng)計IPMS中所有控制設備和儀表，購買相應的驅動程序和 KEP Server EX、Redundancy Master等軟件，即可構建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信體系。

在圖1中，集控裝置、DCS及RTU安裝KEP Server EX和對應控制設備的驅動程序，即可作為OPC Server，其他節(jié)點的應用程序（Application）作為OPC Client只需指定OPC Server即可訪問底層設備。處于管理層的中央監(jiān)控站的應用程序，可以通過控制層節(jié)點 （集控裝置、RTU等）的OPC Server獲取所需的數(shù)據(jù)。

對于關鍵設備，可以采用配置冗余OPC Server的方式提高通信的可靠性。如圖1所示場景1，集控裝置和中央監(jiān)控站1中的KEP Server EX都安裝PLC的驅動程序，并通過RedundancyMaster將兩者的OPC Server配置成冗余對，如此即便集控裝置的OPC Server崩潰，中央監(jiān)控站1的應用程序仍可獲取重要的底層數(shù)據(jù)。邏輯結構如圖3所示。

圖3 OPC統(tǒng)一數(shù)據(jù)通信方案Fig.3 OPC uniform data communication

對于目前尚無OPC Server的專用硬件，可使用U－CON快捷地開發(fā)驅動程序，并將之集成到KEP Server EX中。

綜上所述，在當前IPMS中，由技術責任單位負責購買、監(jiān)管和維護Kepware OPC產品，包括制定統(tǒng)一的協(xié)議（如數(shù)據(jù)項、刷新周期、讀／寫權限）、驅動程序的更新等，即可實現(xiàn)整個平臺內各信息單元之間的數(shù)據(jù)通信，從而實現(xiàn)管控一體化、管控分離的設計理念。

與傳統(tǒng)的OPC數(shù)據(jù)訪問解決方案相比，Kepware OPC方案有如下優(yōu)點：

1）通過1種OPC Server支持多種控制設備、儀表，統(tǒng)一配置多種數(shù)據(jù)源，可減少OPC Server的種類和數(shù)量，減少調試、維護工作量，降低成本；

2）無需額外的編碼，便可以實現(xiàn)高效的冗余控制和冗余服務器的切換，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；

3）整個系統(tǒng)的擴展性好，能更好地適應靈活多變的應用需求。

5 結論

隨著OPC協(xié)議的逐步完善，越來越多的國內外廠商支持OPC協(xié)議，它的應用范圍勢必會越來越廣。本文將OPC技術引入IPMS，提出了Kepware OPC方案，使整個系統(tǒng)進一步走向開放，實現(xiàn)信息的集成和共享，對當前艦［1］危嵩，熊瑛，胡鵬，等.通用船舶綜合平臺管理系統(tǒng)模型研究［J］.中國艦船研究，2008，3（5）：57－61.

［2］OPC Foundation.OPC data access Specification 2.0［S］. 2002.

［3］黃龍水，孫允標.艦艇綜合平臺管理系統(tǒng)基本結構分析［J］.艦船電子工程，2004，24（6）：50－54.

［4］OPC Foundation.Data access custom interfact standard version 2.04［S］.2000.

［5］OPC Foundation.OPC Overview definitions and interfaces version1.0［EB／OL］.http：／／www.opcfoundation.org，2002.

［6］趙宴輝，聶亞杰，朱春來，等.基于OPC數(shù)據(jù)交互中間件的應用研究綜述［J］.船海工程，2009，38（3）：95－98.

［7］高娟.現(xiàn)代工業(yè)控制軟件互操作OPC研究［J］.中國科技信息，2009，3：106－107.

［8］劉文光.OPC技術在企業(yè)管控一體化中的應用［J］.自動化與儀器儀表，2009，1：65－66.

［9］Kepware Inc.Products and Services［EB/OL］.http：／／www. Kepware.cn／Product／products_overview.html，2007.

Application of OPC in Ship Integrated Platform Management System

Ning Ou Yang Shi－rong Xia WeiFan Ze－yang
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

There are various data resources but no uniform communication protocol for those data on warships currently.So we analyzed and researched the application of OPC technology in Integrated Platform Management System（IPMS）to carry out information sharing among subsystems and devices.Fistly，we introduced OPC technology and its developing status with basic structure of IPMS.Then analyzed and compared the traditional OPC with KepWare OPC.Finally，a KepWare OPC solution in IPMS was proposed，which could implement the communication among each information unit properly.

OPC；integrated platform management system；Kepware；ship

U662.9

：A

：1673－3185（2011）04－75－03

2010－05－19

寧 鷗（1980－），男，碩士，工程師。研究方向：艦船信息化。E-mail：gadfly_no＠yahoo.com.cn

10.3969/j.issn.1673－3185.2011.04.016