宁 鸥 阳世荣 夏 伟 范则阳

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

OPC技术在舰船综合平台管理系统中的应用研究

宁 鸥 阳世荣 夏 伟 范则阳

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

针对目前舰船存在多种异构数据源但尚无统一数据通信机制和标准的现状，对OPC技术在舰船综合平台管理系统（IPMS）中的应用展开分析和研究，以实现各分系统设备之间灵活便捷的信息共享。介绍OPC技术的基本原理、发展现状和IPMS基本框架，通过分析对比传统OPC通信方案和KepWare OPC通信方案，提出IPMS中的KepWare OPC方案，很好地实现各信息单元之间的数据通信。

OPC；综合平台管理系统；Kepware；舰船

1 引言

随着传感技术、通信技术和计算机技术的飞速发展，在大型舰船上如何安全可靠又高速地进行数据交换已经成为重要的课题。目前，大多数舰船上都配备了各种类型的传感器、智能仪表、大型监控装置，这必然导致多种异构数据源的并存。通用综合平台管理系统模型［1］中的全船网络平台，为各独立数据源之间的数据交互提供了物理通道。但是，由于各信息单元（DCS、PLC等控制系统）运行的应用软件来自不同的供应商，如果不遵循统一的接口规范，信息单元之间的通信仍存在壁垒。因此，基于解决大型舰船IPMS中数据交互通信问题，引入用于工业过程控制的OPC［2］（OLE For Process Control）技术，为实现全船全部数据的共享提供软通道，也为管理控制一体化的实现奠定基础。

2 IPMS概述

IPMS是通过计算机网络，对舰船平台系统各机械装置和分系统进行集中监视、控制和管理的自动化系统，已经在国外舰艇上得到越来越普遍的应用。国外主要的IPMS研制和供应商有加拿大航空电子公司 （CAE）、德国西门子和MTU公司、法国的DCN等。其中CAE是最大的舰船IPMS研制与供应商，其产品已经在世界18个国家的海军的130余艘舰船中得到应用［3］。

主流IPMS方案的主干网络采用交换式高速冗余以太网，层次结构明晰，管理和控制实现一体化。较为典型的体系结构如图1所示。

对于相对比较独立的分系统，如推进、电力和操纵等系统，采用独立的现场总线网络形式，通过分系统的集控装置或DCS与主干网络互联；其他全船性的分系统按照区域划分，与相应的RTU相连，再接入平台主干网络。

图1 IPMS典型体系结构Fig.1 Typical system architecture of IPMS

国外水面舰船和潜艇上装备的成熟IPMS均是由某一家公司（如CAE）提供整体解决方案，这就使得整个系统从上至下、从硬件到软件都能实现无缝融合。目前，国内舰船的各控制系统和设备采用的是不同厂商的软、硬件，在短期内也很难达到完全统一，这就必然导致彼此难以实现信息共享。

3 OPC技术简介

OPC（OLE for Process Control）是由一些世界著名的自动化系统和硬件、软件公司和Microsoft（微软）紧密合作建立而成［4-5］。OPC包括一整套接口、属性和方法的标准集，向用户提供用于过程控制和工业自动化应用。OPC以COM／DCOM技术为基础，采用客户／服务器模式，定义了各种不同的软件部件如何交互使用和分享数据，从而使得OPC能够提供通用的接口用于各种过程控制设备之间的通信，而不必考虑过程中采用何种软件和设备。对于结构复杂的自动化控制系统，OPC技术能极大化其开放性和互操作性。

基于OPC技术的方案实现由2部分组成，即OPC服务器端（OPC Server）和OPC客户端（OPC Client）。OPC Server完成的工作就是通过专用的协议或驱动收集现场设备的数据信息，然后通过标准的OPC接口传送给OPC Client应用。OPC Client则通过标准的OPC接口接收数据信息。在具体的实现过程中，用户可以根据自己的需要挑选相应的使用规范。其中数据访问规范（Data Access）是给用户提供访问实时过程数据的方法；报警和事件规范（Alarms and Events）提供了一种由服务器程序将现场的事件或报警通知客户程序的机制；历史数据存取规范 （Historical Data Access）用于向用户提供存储在过程数据存档文件、数据库或远程终端设备中的历史数据，以及来分析这些历史过程数据的方法［6-8］。

4 OPC技术在IPMS中的应用

4.1 传统的OPC技术

OPC作为一项工业标准，已得到业界的广泛认可和支持，各厂家纷纷针对各自的硬件推出专用的OPC Server、OPC数据访问中间件或开发工具。这加速了OPC技术在工业控制领域的推广和应用。传统的OPC数据通信解决方案如图2所示。

图2 传统OPC数据通信方案Fig.2 Typical OPC data communication

在这种传统的OPC数据通信解决方案中，PLC、DCS和专用控制器的OPC Server分别根据上位机的OPC Client应用程序（监控应用程序、趋势图应用程序和报表应用程序等）的需求，采集对应底层硬件的相关数据；上位机程序则可利用COM或DCOM技术从对应的OPC Server中获取从底层硬件采集到的信息。

虽然该方案能较好地实现对底层设备的数据访问，系统各节点之间的数据通信不存在障碍，但还存在以下不足：

1）由于PLC、DCS和其他控制器必须使用专用的OPC Server，所以复杂的控制系统必须针对性地购买和运行不同供应商的多种专用的OPC Server，成本高，系统开销大。若控制系统对OPC数据访问的可靠性要求较高，还需针对性地采购多种专用的OPC冗余服务器，因而成本也很高；

2）需要针对不同供应商的OPC Server进行分类调试和配置（如数据、安全、访问权限以及参数设定），过程繁琐；

3）对于无OPC Server的硬件，需要自行开发OPC Server或采用传统的专用通信接口的方式实现数据访问。这就增加了开发、使用和维护的成本，且不利于实现统一的OPC数据访问；

4）冗余服务器与OPC Client程序耦合度较高，冗余功能的实现和变更需要对OPC Client程序进行额外开发和修改；

5）系统扩展性和成长性低。一旦底层硬件设备需要更换、升级，就可能需要重新购买和部署OPC Server和冗余服务器，甚至变更上位机应用程序。

4.2 Kepware OPC技术

针对传统的OPC数据通信技术的种种弊端，作为世界一流的OPC技术和产品提供商，美国Kepware公司推出了一系列专业高效的OPC产品，如KEP Server EX、U－CON、Redundancy Master等［9］。

KEP Server EX是行业内最好的OPC Server之一。它采用了业界领先的驱动程序插件式结构，在1个服务器中嵌入了100多种通信协议。它不仅支持主流的设备型号，还能通过下载新的驱动程序插件进行扩展。

U－CON是一种支持用户自定义通信协议的OPC Server。用户可在U－CON编辑界面中组态所需串口或以太网设备的通信参数，从而快速地开发出该设备的驱动程序。U－CON可作为OPC Server单独运行，也可作为插件整体嵌入到KEP Server EX中，以获取更好的系统集成性。

Redundancy Master是一种OPC冗余控制器。它可将多个OPC Server配置成冗余对，提升获取OPC数据的可靠性和有效性，特别是能在不更改OPC Client应用程序的情况下，无缝连接OPC Server冗余对OPC Client应用程序，将冗余功能加入到OPC Client应用程序中。

4.3IPMS中的Kepware OPC方案

将Kepware OPC应用到当前IPMS中，能很好解决数据通信存在壁垒这一难题。

统计IPMS中所有控制设备和仪表，购买相应的驱动程序和 KEP Server EX、Redundancy Master等软件，即可构建统一的数据通信体系。

在图1中，集控装置、DCS及RTU安装KEP Server EX和对应控制设备的驱动程序，即可作为OPC Server，其他节点的应用程序（Application）作为OPC Client只需指定OPC Server即可访问底层设备。处于管理层的中央监控站的应用程序，可以通过控制层节点 （集控装置、RTU等）的OPC Server获取所需的数据。

对于关键设备，可以采用配置冗余OPC Server的方式提高通信的可靠性。如图1所示场景1，集控装置和中央监控站1中的KEP Server EX都安装PLC的驱动程序，并通过RedundancyMaster将两者的OPC Server配置成冗余对，如此即便集控装置的OPC Server崩溃，中央监控站1的应用程序仍可获取重要的底层数据。逻辑结构如图3所示。

图3 OPC统一数据通信方案Fig.3 OPC uniform data communication

对于目前尚无OPC Server的专用硬件，可使用U－CON快捷地开发驱动程序，并将之集成到KEP Server EX中。

综上所述，在当前IPMS中，由技术责任单位负责购买、监管和维护Kepware OPC产品，包括制定统一的协议（如数据项、刷新周期、读／写权限）、驱动程序的更新等，即可实现整个平台内各信息单元之间的数据通信，从而实现管控一体化、管控分离的设计理念。

与传统的OPC数据访问解决方案相比，Kepware OPC方案有如下优点：

1）通过1种OPC Server支持多种控制设备、仪表，统一配置多种数据源，可减少OPC Server的种类和数量，减少调试、维护工作量，降低成本；

2）无需额外的编码，便可以实现高效的冗余控制和冗余服务器的切换，提高系统的稳定性和可靠性；

3）整个系统的扩展性好，能更好地适应灵活多变的应用需求。

5 结论

随着OPC协议的逐步完善，越来越多的国内外厂商支持OPC协议，它的应用范围势必会越来越广。本文将OPC技术引入IPMS，提出了Kepware OPC方案，使整个系统进一步走向开放，实现信息的集成和共享，对当前舰［1］危嵩，熊瑛，胡鹏，等.通用船舶综合平台管理系统模型研究［J］.中国舰船研究，2008，3（5）：57－61.

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

［3］黄龙水，孙允标.舰艇综合平台管理系统基本结构分析［J］.舰船电子工程，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］赵宴辉，聂亚杰，朱春来，等.基于OPC数据交互中间件的应用研究综述［J］.船海工程，2009，38（3）：95－98.

［7］高娟.现代工业控制软件互操作OPC研究［J］.中国科技信息，2009，3：106－107.

［8］刘文光.OPC技术在企业管控一体化中的应用［J］.自动化与仪器仪表，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

宁 鸥（1980－），男，硕士，工程师。研究方向：舰船信息化。E-mail：gadfly_no＠yahoo.com.cn

10.3969/j.issn.1673－3185.2011.04.016