CN104483931B - 船舶一体化控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种船舶一体化控制系统及控制方法，控制系统包括监控层、服务器层、设备控制层和设备层，所述监控层，通过角色分配，拥有不同角色的船舶工作人员将获取到相应的操作权限；所述服务器层，负责监控层与设备控制层的数据交换；所述设备控制层，负责接收服务器的控制指令并作用于设备，接收来自设备的数据并向服务器发送相应的监控参数；所述设备层，负责参数监测，或接收控制指令并直接完成具体的船舶正常运作。本发明控制系统中的无线网关具有标准数据通信接口和物理接口，兼容现有测控系统，实现异构网络的物理连接和互操作，解决当前异构网络难以实现互联互通的难题。

Description

船舶一体化控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及船舶信息的研究领域，特别涉及一种船舶一体化控制系统及控制方法。
背景技术
近几十年来，船用电子信息化技术的发展和应用取得了巨大的进步，船舶设备运行监控与维护管理因此也得到大步发展，其发展趋势是：标准化，但又具有开放的特性、分散监控的同时伴有集中管理。但是，由于船用设备种类非常多，很多支持不同标准的、具备各种属性的现场总线设备，设备网络复杂；而且大部分船舶设备系统相对独立，接口开发程度低，存在众多信息孤岛等问题，直接导致了船舶设备运行和健康状况参数不能得到集中监控，所以，船舶设备运行监控与维护管理的集成化程度仍然较低，存在运维成本高、管理难度大的特点。因此，在今后船舶信息化方面的科研中，需要重点研究船舶网络一体化技术和建立集成化运维系统。
从网络技术的角度来看，船舶一体化网络是联通了上层管理网和下层现场总线网的异构网络系统，同时，舱室操作台对于信息数据的需要也从管理层内部到各个现场总线设备，因此，对下层现场总线层和上层管理层起联通作用的通信装备对于基于网络一体化的船舶集成化运维系统起着至关重要的作用。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种船舶一体化控制系统。
本发明的另一目的在于，提供一种船舶一体化控制系统的控制方法。
为了达到上述第一目的，本发明采用以下技术方案：
一种船舶一体化控制系统，包括监控层、服务器层、设备控制层和设备层，
所述监控层，通过角色分配，拥有不同角色的船舶工作人员将获取到相应的操作权限，以监控权限范围内的设备；
所述服务器层，负责监控层与设备控制层的数据交换，负责将底层的监测数据处理并保存，供监控层浏览器的访问调用；负责接收监控层浏览器的控制指令，并将指令发送至相应设备，以达到对船舶设备的控制；
所述设备控制层，负责接收服务器的控制指令并作用于设备，接收来自设备的数据并向服务器发送相应的监控参数；
所述设备层，负责参数监测，或接收控制指令并直接完成具体的船舶正常运作。
优选的，所述服务器层包括Web应用模块、OPC服务器和数据库；
所述Web应用模块，用于系统的Web发布及远程监控，通过将Web应用模块部署于IIS服务器Web容器，实现Web发布；依靠后台运行的OPC客户端与OPC服务器交互实现对设备的远程控制；
所述OPC服务器，用于服务器层与设备控制层的数据交互，通过组态配置，将OPC服务器组对象、项对象映射到各个设备控制器输入输出模块，通过OPC客户端与OPC服务器的交互实现服务器层与设备控制层的数据交互；
所述数据库，用于保存系统历史数据和关系数据；所述历史数据为设备系统的控制与状态数据，系统定期将这些数据采集并保存，形成相应设备的历史数据，所述关系数据为权限管理、设备管理数据。
优选的，所述Web应用模块包括数据持久化层、数据处理模块、Flash和OPC客户端，所述数据持久化层采用基于SQL映射支持Java和.NET的持久层框架实现数据持久化，用于完成数据库存储历史数据和关系数据；所述数据处理模块和定制传输协议用于实现Web应用内部的数据交互和处理，所述定制传输协议是根据工程开发实际需求，制定适合上、下层交互的数据结构及其对应的解析方法；所述Flash通过嵌入表现层以窗口的形式实现服务器层与监控层的数据交互；所述OPC客户端用于与OPC服务器按照OPC DA规范完成数据交换。
优选的，所述设备层与设备控制层通过总线、I/O输出或无线方式连接。
优选的，所述设备控制层包括无线网关、PLC及控制器，所述控制器可开放接口，通过以太网互联与OPC服务器交互，实现船舶工作人员以Web形式访问与控制的目的。
优选的，所述无线网关为智能集成网关，所述智能集成网关具有互联通信功能与智能管理功能，底层通信支持470MHz、2.4GHz多个射频频段，使用TCP/IP协议与工业以太网相连，并提供与现场总线协议转换功能，具备对设备层中的设备运行任务的调度和管理能力。
优选的，所述PLC控制设备可根据需要进行不同规模组合，形成可伸缩船舶设备控制群，具体操作为：总结船舶控制系统共性需求，然后根据不同类型船舶特点和特殊需求，基于PLC开发丰富的设备控制模块。
为了达到上述第二目的，本发明采用以下技术方案：
一种船舶一体化控制系统的控制方法，包括下述步骤：
S1、通过TIA软件完成PLC设备的组态，并将OPC服务器组对象、项对象映射到各个设备控制器输入、输出模块，在设备控制器状态数据改变后将相应状态数据更新至OPC服务器对应项对象；同样，在OPC服务器项对象数据被OPC客户端更改之后，将相应数据下发至设备控制器；
S2、在Web应用程序中集成OPC客户端，开发Web应用程序内部数据处理模块，建立Web应用程序内部数据池，实现Web客户端与OPC服务器的数据交互，进而实现与PLC设备的数据交互；
S3、通过在Web页面中嵌入基于Flash技术开发的组态模块，制定Flash与Web服务器交互的数据结构，通过Flash与Web服务器的交互机制，完成前台监控画面与后台OPC客户端的数据交互，即可实现对船舶设备的监控。
优选的，所述步骤S1中，通过TIA软件完成PLC设备的组态的具体方法为：利用PLC设备支持Profinet协议的特点，将所有设备连接组成工业以太网络，通过Scout软件把需要进行垂直交互的PLC设备参数映射到OPC服务器中，即设备除了具备本地控制功能之外，还具备与上位机交换数据的能力。
优选的，步骤S2中，利用Flash软件模拟更接近实际和更美观的组态模块，将设备控制逻辑关系集成到所开发的Flash组态模块中，同时制定Flash与Web服务器交互的数据结构，以Xml格式文件为载体实现Flash组态模块与Web服务器之间的数据交互。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明控制系统中的无线网关具有标准数据通信接口和物理接口，兼容现有测控系统，以OPC服务器为中间件，实现异构网络的物理连接和互操作，解决当前异构网络难以实现互联互通的难题。
2、本发明的控制系统中利用在Web页面中嵌入Flash组态模块的方式实现基于Web的设备控制系统，其特点在于利用Flash软件能开发出更接近实际和更美观的组态模块，使控制系统的用户体验更加人性化。
3、本发明控制系统以小规模，单系统为原则开发由小型化PLC组成的分散设备控制模块，同时开发相应的Web组态控制模块。可根据实际需要将分散化的设备控制模块进行自由组合，也即形成可伸缩的船舶设备控制群，从而适应各种不同类型、不同规模船舶的模块化控制系统开发。
附图说明
图1是本发明控制系统的结构示意图；
图2是本发明控制方法的流程图；
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，本实施例船舶一体化控制系统，包括监控层、服务器层、设备控制层和设备层，
所述监控层，通过角色分配，拥有不同角色的船舶工作人员将获取到相应的操作权限，以监控权限范围内的设备；
所述服务器层，负责监控层与设备控制层的数据交换，负责将底层的监测数据处理并保存，供监控层浏览器的访问调用；负责接收监控层浏览器的控制指令，并将指令发送至相应设备，以达到对船舶设备的控制；
所述设备控制层，负责接收服务器的控制指令并作用于设备，接收来自设备的数据并向服务器发送相应的监控参数；
所述设备层，负责参数监测，或接收控制指令并直接完成具体的船舶正常运作。
上述服务器层包括Web应用模块、OPC服务器和数据库；
所述Web应用模块，用于系统的Web发布及远程监控，通过将Web应用模块部署于IIS服务器Web容器，实现Web发布；依靠后台运行的OPC客户端与OPC服务器交互实现对设备的远程控制；
所述OPC服务器，用于服务器层与设备控制层的数据交互，通过组态配置，将OPC服务器组对象、项对象映射到各个设备控制器输入输出模块，通过OPC客户端与OPC服务器的交互实现服务器层与设备控制层的数据交互；
所述数据库，用于保存系统历史数据和关系数据；所述历史数据为设备系统的控制与状态数据，系统定期将这些数据采集并保存，形成相应设备的历史数据，所述关系数据为权限管理、设备管理数据。
上述Web应用模块包括数据持久化层、数据处理模块、Flash和OPC客户端，所述数据持久化层采用基于SQL映射支持Java和.NET的持久层框架实现数据持久化，用于完成数据库存储历史数据和关系数据；所述数据处理模块和定制传输协议用于实现Web应用内部的数据交互和处理，所述定制传输协议是根据工程开发实际需求，制定适合上、下层交互的数据结构及其对应的解析方法；所述Flash通过嵌入表现层以窗口的形式实现服务器层与监控层的数据交互；所述OPC客户端用于与OPC服务器按照OPC DA规范完成数据交换。
本实施例中，所述设备层与设备控制层通过总线、I/O输出或无线方式连接，当然其他的连接方式同样适用于本申请的技术方案。
所述设备控制层包括无线网关、PLC及控制器，所述控制器可开放接口，通过以太网互联与OPC服务器交互，实现船舶工作人员以Web形式访问与控制的目的。
所述无线网关为智能集成网关，所述智能集成网关具有互联通信功能与智能管理功能，底层通信支持470MHz、2.4GHz多个射频频段，使用TCP/IP协议与工业以太网相连，并提供与现场总线协议转换功能，具备对设备层中的设备运行任务的调度和管理能力。
所述PLC控制设备可根据需要进行不同规模组合，形成可伸缩船舶设备控制群，具体操作为：总结船舶控制系统共性需求，然后根据不同类型船舶特点和特殊需求，基于PLC开发丰富的设备控制模块。
如图2所示，船舶一体化控制系统的控制方法，包括下述步骤：
S1、通过TIA软件完成PLC设备的组态，并将OPC服务器组对象、项对象映射到各个设备控制器输入、输出模块，在设备控制器状态数据改变后将相应状态数据更新至OPC服务器对应项对象；同样，在OPC服务器项对象数据被OPC客户端更改之后，将相应数据下发至设备控制器；
S2、在Web应用程序中集成OPC客户端，开发Web应用程序内部数据处理模块，建立Web应用程序内部数据池，实现Web客户端与OPC服务器的数据交互，进而实现与PLC设备的数据交互；
S3、通过在Web页面中嵌入基于Flash技术开发的组态模块，制定Flash与Web服务器交互的数据结构，通过Flash与Web服务器的交互机制，完成前台监控画面与后台OPC客户端的数据交互，即可实现对船舶设备的监控。
所述步骤S1中，通过TIA软件完成PLC设备的组态的具体方法为：利用PLC设备支持Profinet协议的特点，将所有设备连接组成工业以太网络，通过Scout软件把需要进行垂直交互的PLC设备参数映射到OPC服务器中，即设备除了具备本地控制功能之外，还具备与上位机交换数据的能力。
步骤S2中，利用Flash软件模拟更接近实际和更美观的组态模块，将设备控制逻辑关系集成到所开发的Flash组态模块中，同时制定Flash与Web服务器交互的数据结构，以Xml格式文件为载体实现Flash组态模块与Web服务器之间的数据交互。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.船舶一体化控制系统，其特征在于，包括监控层、服务器层、设备控制层和设备层，
所述监控层，通过角色分配，拥有不同角色的船舶工作人员将获取到相应的操作权限，以监控权限范围内的设备；
所述服务器层，负责监控层与设备控制层的数据交换，负责将底层的监测数据处理并保存，供监控层浏览器的访问调用；负责接收监控层浏览器的控制指令，并将指令发送至相应设备，以达到对船舶设备的控制；
所述设备控制层，负责接收服务器的控制指令并作用于设备，接收来自设备的数据并向服务器发送相应的监控参数；
所述设备层，负责参数监测，或接收控制指令并直接完成具体的船舶正常运作；
所述服务器层包括Web应用模块、OPC服务器和数据库；
所述Web应用模块，用于系统的Web发布及远程监控，通过将Web应用模块部署于IIS服务器Web容器，实现Web发布；依靠后台运行的OPC客户端与OPC服务器交互实现对设备的远程控制；
所述OPC服务器，用于服务器层与设备控制层的数据交互，通过组态配置，将OPC服务器组对象、项对象映射到各个设备控制器输入输出模块，通过OPC客户端与OPC服务器的交互实现服务器层与设备控制层的数据交互；
所述数据库，用于保存系统历史数据和关系数据；所述历史数据为设备系统的控制与状态数据，系统定期将这些数据采集并保存，形成相应设备的历史数据，所述关系数据为权限管理、设备管理数据；
所述Web应用模块包括数据持久化层、数据处理模块、Flash和OPC客户端，所述数据持久化层采用基于SQL映射支持Java和.NET的持久层框架实现数据持久化，用于完成数据库存储历史数据和关系数据；所述数据处理模块和定制传输协议用于实现Web应用内部的数据交互和处理，所述定制传输协议是根据工程开发实际需求，制定适合上、下层交互的数据结构及其对应的解析方法；所述Flash通过嵌入表现层以窗口的形式实现服务器层与监控层的数据交互；所述OPC客户端用于与OPC服务器按照OPC DA规范完成数据交换。
2.根据权利要求1所述的船舶一体化控制系统，其特征在于，所述设备层与设备控制层通过总线、I/O输出或无线方式连接。
3.根据权利要求1所述的船舶一体化控制系统，其特征在于，所述设备控制层包括无线网关、PLC及控制器，所述控制器可开放接口，通过以太网互联与OPC服务器交互，实现船舶工作人员以Web形式访问与控制的目的。
4.根据权利要求3所述的船舶一体化控制系统，其特征在于，所述无线网关为智能集成网关，所述智能集成网关具有互联通信功能与智能管理功能，底层通信支持470MHz、2.4GHz多个射频频段，使用TCP/IP协议与工业以太网相连，并提供与现场总线协议转换功能，具备对设备层中的设备运行任务的调度和管理能力。
5.根据权利要求3所述的船舶一体化控制系统，其特征在于，所述PLC可根据需要进行不同规模组合，形成可伸缩船舶设备控制群，具体操作为：总结船舶控制系统共性需求，然后根据不同类型船舶特点和特殊需求，基于PLC开发丰富的设备控制模块。
6.根据权利要求1所述的船舶一体化控制系统的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1、通过TIA软件完成PLC设备的组态，并将OPC服务器组对象、项对象映射到各个设备控制器输入、输出模块，在设备控制器状态数据改变后将相应状态数据更新至OPC服务器对应项对象；同样，在OPC服务器项对象数据被OPC客户端更改之后，将相应数据下发至设备控制器；
S2、在Web应用程序中集成OPC客户端，开发Web应用程序内部数据处理模块，建立Web应用程序内部数据池，实现Web客户端与OPC服务器的数据交互，进而实现与PLC设备的数据交互；
S3、通过在Web页面中嵌入基于Flash技术开发的组态模块，制定Flash与Web服务器交互的数据结构，通过Flash与Web服务器的交互机制，完成前台监控画面与后台OPC客户端的数据交互，即可实现对船舶设备的监控。
7.根据权利要求6所述船舶一体化控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，通过TIA软件完成PLC设备的组态的具体方法为：利用PLC设备支持Profinet协议的特点，将所有设备连接组成工业以太网络，通过Scout软件把需要进行垂直交互的PLC设备参数映射到OPC服务器中，即设备除了具备本地控制功能之外，还具备与上位机交换数据的能力。
8.根据权利要求6所述船舶一体化控制系统的控制方法，其特征在于，步骤S2中，利用Flash软件模拟更接近实际和更美观的组态模块，将设备控制逻辑关系集成到所开发的Flash组态模块中，同时制定Flash与Web服务器交互的数据结构，以Xml格式文件为载体实现Flash组态模块与Web服务器之间的数据交互。
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