趙鵬飛 周玉龍 趙 鵬 楊 超

（江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院 鎮(zhèn)江212003）

0 引 言

隨著現(xiàn)代船舶工業(yè)的發(fā)展，船舶監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)必不可少。它大大提高了船舶的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)型及其運(yùn)行效率，減輕船員的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低船舶設(shè)備的故障及火災(zāi)等意外事故帶來的風(fēng)險(xiǎn)［1］。人機(jī)交互界面是該系統(tǒng)的主要實(shí)現(xiàn)形式，因此工業(yè)組態(tài)軟件是必不可少的工具。

組態(tài)軟件是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的產(chǎn)物，其實(shí)質(zhì)是編程軟件所開發(fā)的二次軟件，功能更強(qiáng)、操作更簡(jiǎn)便、更能適應(yīng)工業(yè)監(jiān)測(cè)控制的需求。與常用的PLC控制、DCS系統(tǒng)及VB、VC等高級(jí)編程工具相比較，其具體優(yōu)勢(shì)如下：

（1）高度開放的接口使用戶幾乎可以任意選擇硬件來組合自己需要的系統(tǒng)；

（2）豐富的圖形數(shù)據(jù)庫(kù)包含了工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域常用的器械、設(shè)備及元件，界面設(shè)計(jì)制作更方便且能實(shí)現(xiàn)歷史曲線、報(bào)表、報(bào)警、動(dòng)畫等功能，較VB、VC高級(jí)編程工具容易得多；

（3）自由的組網(wǎng)方式使用戶根據(jù)工程需要輕松構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)；

（4）組態(tài)軟件是二次開發(fā)的半成品，便于用戶在此基礎(chǔ)上作進(jìn)一步開發(fā)，提高效率且降低成本；

（5）數(shù)據(jù)接口的多樣性可以將采集的歷史數(shù)據(jù)保存到本地或者遠(yuǎn)程服務(wù)器上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，也可以將原始數(shù)據(jù)或者統(tǒng)計(jì)值等數(shù)據(jù)保存到各種關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便了用戶的管理與操作；

（6）豐富的腳本語(yǔ)言能夠滿足用戶對(duì)監(jiān)測(cè)控制對(duì)象動(dòng)作的組態(tài)。

WinCC（視窗控制中心）是德國(guó)西門子公司開發(fā)的一款用于PLC與上位機(jī)通信的組態(tài)軟件，能夠生成可視化界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)及報(bào)警。此外，該軟件自帶功能強(qiáng)大的SQL2000數(shù)據(jù)庫(kù)用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)歸檔、報(bào)警記錄查詢、報(bào)表打印等功能。開放性是WinCC的一個(gè)特點(diǎn)，這使它能夠與世界上主要控制器廠商的產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。本文以西門子S7-400PLC建立與上位機(jī)的連接通訊［2］。

本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)化、模塊化為特點(diǎn)，以軟件為主實(shí)現(xiàn)其功能，集監(jiān)測(cè)、報(bào)警于一體。采用現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)使系統(tǒng)更加實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠地進(jìn)行監(jiān)測(cè)。模塊化的設(shè)計(jì)特點(diǎn)簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，方便了系統(tǒng)的擴(kuò)展和維修管理［3］。組態(tài)軟件的選用，尤其是WinCC與S7-400PLC都是西門子公司的產(chǎn)品，減少了系統(tǒng)硬件的投資，降低了成本。

1 系統(tǒng)的組成

圖1為WINCC通訊結(jié)構(gòu)層次圖。

圖1 通訊結(jié)構(gòu)層次圖

WinCC變量管理器用于對(duì)變量進(jìn)行集中管理，它不為用戶所見。它處理項(xiàng)目產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)在項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。WinCC的所有應(yīng)用程序必須以WinCC變量的形式從變量管理器中請(qǐng)求數(shù)據(jù)。WinCC變量管理器從項(xiàng)目中請(qǐng)求過程值是通過通訊驅(qū)動(dòng)程序來完成。通訊驅(qū)動(dòng)程序是通過通訊處理器像PLC發(fā)送請(qǐng)求信息，然后，通訊處理器將回答相應(yīng)信息請(qǐng)求的過程值發(fā)回給WinCC［4］。

圖2為系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)圖。因?yàn)榻M態(tài)軟件與PLC都選擇西門子公司的產(chǎn)品，這樣就簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，降低了成本，并具有可靠的性能。此外，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，可對(duì)該系統(tǒng)和總線設(shè)計(jì)冗余，防止PC和軟件的失效，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

圖2 系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)圖

2 監(jiān)報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 組態(tài)通訊

以某船為原型，包括損管、火災(zāi)、門開關(guān)狀態(tài)、液艙液位、船艙底水位高、輔機(jī)設(shè)備的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，共設(shè)置370個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。上位機(jī)用PROFIBUS電纜連接PLC，因此首先在WinCC變量管理器中添加新的驅(qū)動(dòng)程序SIMATIC S7 Protocol Suite.CHN，在該驅(qū)動(dòng)程序下選擇并組態(tài)PROFIBUS協(xié)議。WinCC組態(tài)軟件最多可設(shè)置65 000個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集周期最小值為250 ms。本文涉及的模擬量采集周期設(shè)置為2 s，二進(jìn)制變量根據(jù)0值和1值之間的變化來采集，歸檔周期為20 s。PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)傳輸速率在9.6 kbit/s～12 Mbit/s之間。

根據(jù)本文的設(shè)計(jì)思路，考慮到電纜長(zhǎng)度并結(jié)合以往工作經(jīng)驗(yàn)，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率設(shè)置為1.5 Mbit/s，在此傳輸速率下系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)時(shí)相對(duì)于PLC的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于20 ms。

2.2 界面設(shè)計(jì)

從直觀與實(shí)用性原則考慮，共設(shè)8個(gè)主界面，分別為主機(jī)復(fù)試信號(hào)界面、主機(jī)輔助設(shè)備界面、火災(zāi)報(bào)警界面、門開關(guān)狀態(tài)界面、液艙液位報(bào)警界面、船艙底水位高報(bào)警界面、報(bào)警記錄界面和報(bào)表打印界面。其中，主機(jī)復(fù)試信號(hào)界面又包括左主機(jī)1、左主機(jī)2、左主機(jī)3、右主機(jī)1、右主機(jī)2與右主機(jī)3這6個(gè)界面。主機(jī)輔助設(shè)備界面分兩頁(yè)，火災(zāi)報(bào)警界面和門開關(guān)狀態(tài)界面根據(jù)不同甲板層分別分為3個(gè)界面。

在主機(jī)復(fù)試信號(hào)界面和主機(jī)輔助設(shè)備界面的設(shè)計(jì)過程中，考慮到功能需要、頁(yè)面布局、監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量等因素，界面主要以文本框及I/O域?yàn)橹鱽盹@示主機(jī)和輔助設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，而火災(zāi)報(bào)警、門開關(guān)狀態(tài)、液艙液位、船艙底水位高界面需要直觀的顯示出具體位置。因此在這部分的界面設(shè)計(jì)中繪制了各層甲板的平面圖，并在具體位置組態(tài)控件，通過控件的顏色變化反應(yīng)門開關(guān)狀態(tài)、火災(zāi)情況等。

2.3 數(shù)據(jù)處理

WinCC對(duì)過程值歸檔、信息系統(tǒng)、報(bào)警記錄、報(bào)表打印的組態(tài)是建立在數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，該數(shù)據(jù)庫(kù)完全集成在WinCC的基本系統(tǒng)中，主要根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)功能的具體情況來進(jìn)行組態(tài)，如數(shù)據(jù)采集、歸檔的周期，報(bào)警記錄和信息處理的方法以及報(bào)表的形式和內(nèi)容等。

3 監(jiān)控系統(tǒng)的功能

3.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)形式分為模擬量和二進(jìn)制變量?jī)煞N。以主機(jī)信號(hào)復(fù)試左主機(jī)1界面為例，如圖3所示。

圖3 主機(jī)信號(hào)復(fù)試左主機(jī)1界面

該界面所監(jiān)測(cè)的對(duì)象均為模擬量。白色一列即為I/O域，值班人員可以很直觀的觀察監(jiān)測(cè)對(duì)象的具體數(shù)據(jù)，畫面中也給出了監(jiān)測(cè)對(duì)象的測(cè)點(diǎn)號(hào)、測(cè)點(diǎn)名稱、量程等。當(dāng)監(jiān)測(cè)值超出要求范圍時(shí)就會(huì)發(fā)出警報(bào)，值班人員就會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取措施。例如圖1中，測(cè)點(diǎn)號(hào)A003即左主機(jī)滑油進(jìn)口壓力實(shí)測(cè)值為0.18 MPa，已達(dá)到降速報(bào)警的范圍。這時(shí)在與其對(duì)應(yīng)降速報(bào)警一列中的文本框顏色就會(huì)變?yōu)榧t色，并發(fā)出聲音警報(bào)。

3.2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)

監(jiān)報(bào)系統(tǒng)中的門開關(guān)狀態(tài)、火災(zāi)警報(bào)、設(shè)備運(yùn)行及故障的監(jiān)測(cè)均以二進(jìn)制變量的形式實(shí)現(xiàn)。以1甲板-2甲板的門開關(guān)狀態(tài)為例（見圖4）。

圖4 門開關(guān)狀態(tài)（1甲板、2甲板界面）

圖中每個(gè)圓形標(biāo)志都對(duì)應(yīng)一個(gè)門，其中黃色文本的為防火風(fēng)門。按鈕紅色表示該門處于關(guān)閉狀態(tài)，白色則表示為打開狀態(tài)。火災(zāi)報(bào)警與設(shè)備運(yùn)行及故障報(bào)警與其類似，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)或設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)，都能聽到警報(bào)聲并從監(jiān)測(cè)界面中看到事件發(fā)生的位置。這樣就能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取措施，以降低風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 報(bào)警系統(tǒng)

報(bào)警系統(tǒng)是人機(jī)交互界面的一個(gè)重要組成部分，WinCC中產(chǎn)生的報(bào)警信息可歸檔到數(shù)據(jù)庫(kù)中，可用于生成系統(tǒng)報(bào)表。報(bào)警系統(tǒng)的組態(tài)主要通過報(bào)警記錄編輯器的編輯和WinCC自帶的WinCC Alarm Control控件的組態(tài)來完成，如圖5所示，該控件中已經(jīng)組態(tài)了日期、時(shí)間、信息文本和錯(cuò)誤點(diǎn)。

圖5 報(bào)警記錄界面

從圖中可以看出左主機(jī)淡水出口溫度曾在報(bào)警極限范圍波動(dòng)。對(duì)于某個(gè)報(bào)警，若想了解更多的信息，可在工具欄中選擇信息文本，在這個(gè)信息文本中可了解到更多的細(xì)節(jié)，并知道如何處理報(bào)警。當(dāng)產(chǎn)生報(bào)警的條件消除后，操作員可對(duì)報(bào)警進(jìn)行確認(rèn)，通過選擇工具欄按鈕可對(duì)單獨(dú)信息應(yīng)答，也可對(duì)一組信息應(yīng)答。此外，在數(shù)據(jù)庫(kù)里，操作員可對(duì)每一個(gè)確認(rèn)的報(bào)警信息添加文本注釋。

3.4 報(bào)表系統(tǒng)

WinCC集成了完整、強(qiáng)大的報(bào)表系統(tǒng)。在報(bào)表編輯器中可看到大量預(yù)先定義好的報(bào)表布局，這些布局包括報(bào)警歸檔、變量歸檔、項(xiàng)目組態(tài)和變量管理。此外，也可以在報(bào)表編輯器中的布局編輯器里自己設(shè)計(jì)報(bào)表。在運(yùn)行模式下，操作員可對(duì)一個(gè)特定的報(bào)表對(duì)象建立調(diào)度表，使打印過程自動(dòng)化。

3.5 其他功能

WinCC自帶的冗余選件可用于組態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的冗余，防止PC和軟件的失效。此外，WINCC提供了兩種腳本語(yǔ)言——ANSI-C和VBScript.腳本，主要用來組態(tài)一些對(duì)象的動(dòng)作。例如報(bào)表打印、變量監(jiān)控或計(jì)算等，都可以通過觸發(fā)器作為動(dòng)作來完成。

4 結(jié) 論

“以組態(tài)軟件WinCC的強(qiáng)大功能為基礎(chǔ)，結(jié)合總線和模塊化設(shè)計(jì)”的思路完全符合現(xiàn)代船舶監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的功能需求和發(fā)展趨勢(shì)。該系統(tǒng)還具有可靠性高、擴(kuò)展性好、成本低等特點(diǎn)，用戶可根據(jù)實(shí)際需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，如：監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量、監(jiān)測(cè)對(duì)象的內(nèi)容等［5］。此外，還可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求對(duì)軟件和總線設(shè)計(jì)冗余，從而提高系統(tǒng)的抗干擾、防震動(dòng)等能力，從而使其具有相當(dāng)?shù)目煽啃耘c穩(wěn)定性。

［1］黃仕健.機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.南京：南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院.2008：4-25.

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