舰船损管监控系统研究

舰船损管监控系统研究
陶伟;曹宏涛;周纪申
【摘要】As the vital component of ship damage control system (DCS), the damage control monitoring system (DCMS) plays an important role in ensuring the survivability of ship. The key issues in regarding to DCMS design were researched based on the technical characteristics of simulation, combined with using sophisticated industrial control configuration software FactorySuite. By building a prototype system, the issues involved were illustrated, such as system component, architecture framework, hardware and software structure, etc. Simulation testing confirms that the system meets the real-time requirement.%舰船损管监控系统是损管系统的组成部分,是保障舰船生命力的重要系统.针对舰船损管监控系统设计中的关键问题,结合成熟的工业控制组态软件FactorySuite进行了研究.通过构建原型系统,分析了系统的组成模块、体系结构与软硬件架构等问题,经过仿真测试,证实原型系统满足实时性的要求.
【期刊名称】《中国舰船研究》
【年(卷),期】2012(007)001
【总页数】4页(P57-60)
【关键词】损管监控系统;仿真;OPC;舰船
【作者】陶伟;曹宏涛;周纪申
【作者单位】中国舰船研究设计中心,湖北武汉430064;海军装备部驻沈阳地区舰
船配套军事代表室,辽宁沈阳110168;中国舰船研究设计中心,湖北武汉430064【正文语种】中文
【中图分类】U664.8
1 引言
从各种海损事故看，损管成败的关键往往在于尽早发现损害事件，因此，在舰上设置损管监控系统是保证损管部门第一时间获悉全舰安全状况的主要手段［1］。

作为损管系统的重要组成部分，以计算机为基础，具有信息处理量大、反应时间快、辅助决策能力强等优点的现代化损管监控系统正日益受到各国海军的重视，信息化和智能化将成为未来损管监控系统设计的主流。

本文基于仿真的技术特性，以工业控制组态软件FactorySuite为开发平台进行舰
船损管监控系统研究，取得了良好的效果。

2 舰船损管监控原型系统设计
2.1 原型系统的体系结构
舰船损管监控原型系统（以下简称“原型系统”）的研发选用的是美国Wonderware公司的FactorySuite实时监控组态软件平台。

该平台由InTouch、InControl、I／O Server、Industrial SQL Server、InTrack、InBatch、SuiteVoyager等组件构成，这些组件可用于采集和管理生产信息，控制和监视生产过程，分析和跟踪生产经营等，另外，还提供了 OPC（OLE for Process Control）功能及 SuiteLink通信协议，具有较好的灵活性与扩展性。

OPC用于将对象链接嵌入技术（Object Linking and Embed-ing，OLE）应用于工业控制领
域［2-3］，是一套基于Windows操作平台、为工业应用程序之间提供高效信息
集成和交互功能的组件对象模型接口标准，它以微软的组件对象模型／分布式组件对象模型（COM／DCOM）为基础［4-6］，采用客户／服务器模式。

按照有关设计规范的要求［7-9］，应该选择对舰船生命力和战斗力影响较大的因素，如火灾、抗沉性、三防以及重要辅助设备等方面来作为监控对象。

因此，设计的原型系统主要由以下各模块组成（图 1）。

原型系统参照典型的三层系统结构（数据层／应用层／用户层）进行设计，其体系结构如图2所示。

PLC与数据模拟通过InControl的数据模拟模块，以及施耐德PLC （Programmable logic Controller）的模拟数据发生器，产生原型系统所需的损管监控数据。

I／O Server即输入／输出服务器，用于提供现场实时接口数据服务，它直接面向设备的数据采集系统。

损管监控系统的网关通过OPC技术可以直接与 I／O Server连接。

I／O Server可以处理多协议、多设备的现场设备数据输入／输出［10］，实时将所有截获到的数据采用统一的数据格式导入I／O Server模块内部的高速数据软总线中，通过Application Server主控模块将数据写入InSQL数据库。

在原型系统中，通过设置相关的参数来保证I／O Server与施耐德PLC和计算机模拟信号源的连接。

Application Server即应用服务器，用于将控制逻辑引擎从客户端中抽象出来，以提高信息表示层的可伸缩性，各种类型的客户端应用可以链接到一个统一的模型中，客户端的个数可以任意增加，并且都在同一个命名空间中。

InSQL是一种实时数据库，根据数据的类型，分别部署在实时与历史两台服务器上。

InSQL集成了微软公司的MS SQL Server，并对其进行了扩展，使其不仅具
有高速的数据采集速度，高效的数据压缩和数据存储等实时数据库性能，而且还可集成事件、概要、生产和配置等一般存于关系型数据库中的数据，其功能强大，性能卓越，解决了关系型数据库在存储和管理现场环境下快速产生大量实时数据时遇到的问题，使得系统既能快速存取现场实时数据，同时还能保存大量的历史数据。

损管监控客户端用PC机模拟的损管监控台采用的是图控软件InTouch。

该软件
具有强大的交互能力和丰富的图形组件，可设计出友好的人机交互界面，其所有动态点的历史和实时数据都与InSQL数据库系统关联，可实时显示损管监控系统各
测点的状态，并能与应用服务器进行通信和发送显控台操控指令。

2.2 硬件架构
原型系统的硬件主要包括测量点软件模拟器、服务器、监控工作站和管理网络几部分，系统硬件结构如图3所示。

测量点软件模拟器通过分析物理设备和传感器发送数据的结构和类型，用软件模
拟器来仿真测量点信号，完成数据生成的步骤。

服务器安装数据存取和应用服务组件以及网关通信，并向监控工作站提供核心访
问服务。

系统中主要包括以下几种功能的服务器：应用服务器（考虑使用双机模式）、实时数据库服务器、历史数据库服务器及Web管理系统的应用服务器。

监控工作站由PC机完成人机交互功能，实现系统的远程监控。

其包括接入主干
网上层的1台损管总部工作台监控微机和下层2台损管分站监控微机，通过交互
界面，在监控工作站上模拟完成火警控制器、感烟探测器、感温探测器、复合探测器、手动报警按钮、损管调试工装、4～20 mA信号发生器、电吹风、烟雾发生器、报警装置，信号采集设备等的远程监控和控制。

管理网络各损管分站通过由以太网交换机接入平台主干网，管理网络支持网关、
服务器和监控工作站的通信。

2.3 软件架构
原型系统的软件架构分为3层，即数据采集、数据处理和数据显示［11］。

其中
数据采集和数据处理模块部署在服务器端，信息显示模块部署在客户端。

数据采集模块通过OPC服务器提供的平台各业务分系统实时监控部分软件接口，实现重要状态数据与重要信息的采集。

数据处理模块对采集到的信息进行处理，如果需要实时显示信息，便将相应的处理结果直接通过综合信息显示模块进行显示，如果不需要，便将采集到的数据存入数据库，用于历史信息查询。

数据处理可由常用语言的软件开发工具按照数据处理的业务流程开发。

信息显示模块由Intouch完成界面
和界面逻辑的开发。

3 仿真测试与分析
原型系统有实时性的要求，需要对OPC服务器的性能、OPC与UDP协议的转换时间，以及OPC节点占用的带宽是否符合整个原型系统的要求进行相应的测试。

通过InControl的数据模拟模块与模拟数据发生器来仿真模拟原型系统所需的损管监控数据。

1）OPC与UDP协议转换时间的测试及分析。

监控台1模拟损管OPC Server，以不同的时间间隔（50 ms、100 ms、200 ms、1 000 ms）不断发布2 000个点的数据，每发送一次，便记录下发送时间。

OPC 服务器接收到2 000个点的数据后，打包成UDP报文发送至监控台1。

监控台1
收到完整的2 000个点的数据后，记录下时间，再与发送时记录下的时间相减，
得到本次2 000个点数据发送接收的延时。

经多轮测试后的实验结果如表1所示（其中服务器CPU的占用率为10%～15%）。

表1 平均延时Tab.1 Average delay
通过测试，共取得36组时间延时，其中最大的延时为36 ms，最小为20 ms，平均延时28.25 ms，能够满足舰船损管监控系统实时性的要求。

2）原型系统测点数量与带宽关系的测试及分析。

测试步骤：
（1）配置监控台1，模拟250个tag点；
（2）将综合信息显示服务器连接至监控台1并显示监控台中的250个tag点模拟数据，监控台2的OPC Client连接到服务器，刷新频率为500 ms；
（3）在综合信息显示服务器上安装专业网络协议分析软件EtherPeek，通过该软件测试网络带宽；
（4）配置监控台 1，分别模拟 1 000、1 500、2 000、3 000、5 000、8 000、15 000 个 tag 点，重复步骤（2）和步骤（3）。

（5）重新配置监控台2的OPC Client，刷新频率为 0.1 s，重复步骤（4）。

测试结果如表2所示。

表2 测量点数量与带宽关系Tab.2 The relationship between tag amount and bandwidth
根据表2中记录的测试数据，以tag点数和带宽为坐标轴，形成如图4所示的图形。

从图中可发现，随着测试点数的增加，原型系统所需的带宽呈线性增加，即可以根据tag点的数量来估算损管监控系统运行所需的带宽值。

4 结语
通过对基于仿真的舰船损管监控原型系统的研究，分析了系统的组成模块、体系结构与软硬件架构等关键问题，解决了舰船损管实时监控仿真系统的构造问题。

该系统基于仿真的实时监控体系，通过数据模拟、及时通信、数据交换和相互支持，实现了应用系统与损管监控系统现场采集和控制设备（仿真数据模拟器）的信息交互，是仿真技术与典型舰载综合损管监控系统相结合的一次成功应用，为后续的研究工作与工程应用奠定了基础。

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