炭素阳极生产中OPC技术和工业以太网的应用研究与实例分析

【摘要】 随着生产力的发展,科技的进步,我国的经济有了突飞猛进的发展,金属铝也被广泛应用于国民生产的各个行业。众所周知,目前国内常用的铝产品是通过电解所得到的,电解铝的发展与壮大,加强了对铝电极的需求。然而随着产业控制和信息技术的密切结合,工业控制体系对信息技术及安全可靠性的要求越来越高,为了节省运营成本,提高自动控制的精度和稳定性,设计一套有效可靠的生产控制系统是十分必要的。本文对OPC技术和工业以太网的网络模型,传输协议等方面进行了研究,依据DeviceNet和Profibus总线特点并结合工业以太网,设计了一套炭素生阳极成型车间控制系统。根据炭素生阳极振动成型车间的情况,系统控制器采用Rockwe11公司的ControlLogix系列PLC和西门子公司S7-300系列的PLC。在现有的现场总线基础上通过OPC技术,对网络进行了配置。在中控室采用了LabVIEW对炭素生阳极生产进行监测,能够让操作人员和管理人员实时了解生产动向,查看各个现场设备的运转状态,及时了解工艺参数和报警记录,并能够根据软件分析数据曲线,通过实际的分析做出做准确的决策,确保生产能够向最理想的趋势发展。本系统在实验室里进行了网络搭建,模拟生产车间的各种现场设备,通过系统长时间的运行调试,分析结果表明,该系统具有较高的可靠性和稳定性。能够提高成型车间生产效率,减少了工人劳动量,降低了运营成本,提高了信息的共享度,具有较高的实用价值。最后对本文作了总结,对未来工作做了展望。 

第1章绪论

1.1课题的选题背景及意义

科学技术的发展，数字化、信息化、网络化正迅速地改变着我们的工作方式和日常生活。在工业领域，借助科学技术的发展，新的工业技术的出现，正将信息化网络化延伸到工业控制的各个角落。我国电解错行业在不断地发展，大型预倍槽发展水平也逐渐达到世界先进程度。年产量也在不断加大，2012年1-11月我国电解锅总产量为1968万吨，累积同比增加12.57%，2013年总产量位居世界第一。招行业的发展同时带动了炭素制品需求量的提升，由于过去生产技术的限制，许多设备和生产工艺以及控制系统已经跟不上时代的发展需求。因此，需要一种更为有力的技术来实现多种控制系统集成、数据的无缝连接、提高网络效率的目的，使控制系统更加稳定可靠的运行。本课题来自于青海省电解锅炭素生阳极成型车间改造项目，主要对OPC技术与工业以太网进行研究，并将数据传输与通信相结合运用于炭素阳极生产的自动控制系统的控制网络中。随着工业控制计算机、可编程逻辑控制器、现场总线、现场可编程逻辑门阵列、智能在线分析仪表等技术的进一步成熟，炭素生阳极车间乃至整个电解招厂中的控制网络越来越复杂，也对控制网络的性能指标提出了更高的要求。本设计综合运用OPC技术和工业以太网，设计了OPC客户端，实现了网络同构化，真正实现数据的无缝连接，提高了网络的效率。

1.2国内外研究现状

1.2.1现场总线技术概述

现场总线控制系统冲破了以往控制系统的构造模式，它的基础是仪器，电气动单元，智能控制系统构成了新一代DCS。以现场总线为纽带，将每个汇集点连接成为能够互相握手、共同完成控制任务的体系，体现了 “集中显示，分散控制”的思想。信息的传输不再依赖于硬件，促使测控系统向智能化发展。

1.2.2 OPC技术概述

随着加工过程自动化的发展，自动化系统设备制造商希望不同的硬件和软件产品适用于不同的企业。为了使不同的设备之间实现互操作，工业现场数据可以进入整个信息系统，我们需要一种有效的数据访问和管理准则，使各种数据源之间能够灵活通信的工业控制环境，OPC就是在这种背景下产生的。

OPC是OLE for Process Control的缩写，即就是过程控制用对象链接与嵌入(OLE)技术[1]。OPC是一套基于在Windows操作平台的工业应用程序之间提供高效的信息集成和交互功能的组件对象模型的接口规范，它以微软的组件对象模型(COM/DCOM/COM+)技术为基础，采用客户端/服务器模式[2]。OPC服务器为客户端提供数据，OPC客户端对服务器提供的数据进行处理。

第2章OPC规范介绍与开发实现

2.1 OPC技术简介

2.1.1    OPC技术的背景

工业自动化和信息技术的紧密融合，出现了 OPC标准化通讯技术并在生产中得到了广泛应用。OPC通信标准为硬件制造商和软件开发者架起了桥梁，忽略不同硬件之间的差别，直接可以从硬件端获取所需的信息⑴。软件开发者只需考虑控制流程及功能即可。另外，因为OPC是以COM/DCOM为核心，于是经过OPC通讯能够很好地完成远程控制，这在当前过程控制系统中已经获得了成功的应用。

2.1.2    OPC技术产生与发展

如果后期自动控制系统的硬件由于升级等原因发生改变时，早期的硬件驱动程序就不可再用，必须找到专业的程序员来修改和完善。但是由于存在人员流动的等情况，给我们的硬件驱动程序的更改带来了很大的麻烦，另外这种驱动程序一般釆用动态链接库（DLL)的形式，通信方式主要采用DDE (动态数据交换），这种方式只允许一个应用程序同时访问一台设备。传统控制系统的接口图如图2.1所示，该控制系统网络由三个现场控制站组成，其中每个站的现场设备都属于不同的商家，其驱动程序均各不相同。且每个控制系统也不尽相同，如果要实现所有数据的实时传输，则上位系统至少需要开发出3X3=9套上下层通信接口（驱动），如果系统更加的庞大，那么这些驱动程序的编写将是非常大的工程，不利于系统升级与改造，造成硬件和软件资源的极大浪费。OPC技术规范就是在硬件厂商和软件开发者之间的连接纽带，它定义了一种通用的技术规则，提高了自动化程度。釆用OPC技术的系统结构如图2.2所示。如图所示，该控制系统网络有三个不同的上位监控系统和四个不同的现场设备分站组成，引入OPC技术以后，降低了通信程度大大，该通信接口则只需要开发3+4=7套（3套OPC客户端程序和4套OPC服务器程序），很大程度上减少了工程人员对系统的开发和维护周期，而且也提高了设备和监控系统的集成度。

2.2 OPC的技术基础----COM

2.2.1    COM 概述

随着科学技术的发展，计算机应用功能也在发生在日新月异的变换，软件的版本和功能也在突飞猛进的发展，编写程序的任务量也越加庞大，这对于软件的开发来说增加了其难度。为此，需将应用程序功能模块化，然后协调完成任务。模块被称为组件，可以单独设计和编译。组件间的接口标准称为COM(组件对象模型）[3]。COM不是一个语言编译器，依据规则就能够与其他组件完成消息交互，提高了软件组件在二进制上的兼容性。面向对象思想的提出，实现了程序与程序之的间组件对象(COM对象)通信。对象是某个类的实例，是一个活跃的元素，客户端经过COM接口来访问对象，然而关于封装对象的数据结构和细节对象是没办法解析的⑴。COM对象的代码载体有两种，一种是动态链接库(DLL);另外一种是可执行程序(EXE)。2.2.2    COM 对象

COM对象是程序交互的核心，组件必须具备位置透明性的特点。客户端经过CLSID来实现对象的新建和初始化。标识符通过空间性与时间值来保证其不会相同。COM对象建立在二进制代码之上，具有高度封装特性，也包含状态和操作，客户端通过接口来获取对象的服务[10]。升级版的对象可以包容以前的对象，对象之间也可以相互使用，具有良好的包容和重用性。

第3章DeviceNet与Profibus及工业以太网的研究   .... 13

3.1    DeviceNet 概述    .........................................13

3.1.1 DeviceNet总线的拓扑结构    ..........................13

3.1.2生产者/消费者模式在网络中的应用    ..............13

3.2    CIP控制信息协议概述    ................................14

3.2.1 CIP对象模型    ..............................................15

3.2.2    CIP 对象库    .............................................15

3.2.3    CIP设备描述    ...........................................16

3.3 Profibus 总线概述    .........................................16

3.3.1    Profibus 总线分类    ...................................16

3.3.2    Profibus 协议结构    ...................................16

3.3.3Profibus数据传输技术    ..................................17

3.3.4Profibus数总线的通信特性    ...........................18

3.4工业以太网技术    .............................................18

3.4.1工业以太网简介    ...........................................18

3.4.2工业以太网通信模型    .....................................19

3.4.3工业以太网组网技术    .....................................21

3.5本章小结    ........................................................22

第4章OPC技术和工业以太网的控制系统设计    ..........23

4.1炭素阳极生产工艺    ...........................................23

4.1.1炭素生阳极的原料    ........................................23

4.1.2炭素生阳极的配料    ........................................24

4.1.3炭素生阳极的混捏    ........................................25

4.1.4炭素生阳极的振动成型    ..................................25

4.2系统硬件设计    ..................................................26

4.2.1系统的总体结构    ............................................26

4.2.2 PLC站的配置    ................................................27

4.3软件设计    .........................................................29

4.3.1罗克韦尔软件平台    .........................................29

4.3.2    EtherNet/IP 的网络配置    .............................30

4.3.3    DeviceNet 的网络配置    ................................31

4.4上位机的设计    ....................................................31

4.4.1虚拟仪器简介    .................................................31

4.4.2NI CompactRio    ...............................................31 

4.4.31abview 与 PLC 连接    .......................................32

4.4.41abview与数据库连接    ......................................37

4.5本章小结    ............................................................40

第4章OPC技术和工业以太网的控制系统设计

经济的发展加大了国内建材、军工、电子等各个行业对绍产品的需求，我国一些小型的电解招槽由于产能较低，能耗较高而跟不上时代的发展，在建的大型预倍电解槽在向50~60万吨靠近，甚至于为打造百万吨级电解招航母而发展。众所周知，电解招工艺离不开石墨电极，并且电极的好坏在很大程度上影响了电解槽的寿命，电解槽是一个耗电量很大的设备，吨招耗电量约为1.3万度，为此要使得该行业有所发展，除了改进相应的工艺以外，降低能耗才能取得更大的收益。炭素生阳极的生产工艺很复杂，影响因素很多，需要监控的变量很多，且各个变量之间相互制约，相互影响，所以生产过程控制困难。因此，为了节省运营成本，提高自动控制稳定性和精度，设计一套有效可靠的生产控制系统是十分必要的。随着工业自动化控制与计算机技术、信息技术等的紧密融合，工厂自动化系统对于信息系统、通信技术要求及安全可靠性越来越高，本设计根据实际工作经验和项目改造，提出一种基于OPC技术和工业以太网结合的技术，使得控制网络更加的稳定和可靠，提高了控制系统的自动化程度，提升了炭素阳极生产的效率，具有良好的使用价值。

4.1炭素阳极生产工艺

现代工业中招制品都是通过电解氧化锅(AI2O3)而得到，釆用冰晶石作为助溶剂，其化学式为(Na3AlF6)。在通电过程中它可以溶解氧化招并且具有在一般条件下稳定性好，不挥发等特点因此，到目前为止还没有发现别的化合物可以替代它。通电的电解招槽需要石墨电极，电解槽通入180KA左右的直流电，在95{rC左右的高温下进行电化学反应，反应方程式为：2Al203==4Al+302 t。根据电子的得失我们可以知道在阳极中产生氧气，在阴极上三价锅离子由于失去电子而析出招。在反应的过程中会损耗炭阳极，因此阳极的好坏对电解具有很大的影响。

总结和展望

总结

本课题以青海省某炭素厂成型车间阳极生产自动控制系统为背景，根据工作经验，对炭素生阳极的工艺流程及控制过程进行了分析与设计。针对早期的成型车间规划不合理，现场设备的分散，网络控制落后等特点，根据在现场层的DeviceNet网络和Profibus网络特点，利用OPC技术和工业以太网的优势设计了自动控制系统。该系统由生产工序决定建立三个PLC主站，与上位机通过工业以太网进行通讯，通过图形化编程软件labview，对成型车间的工艺流程进行了动画模拟和设备的连接，完成在中控室对产品工艺参数的要求，由于labview具有某些幵发工具包，对以后系统升级起到了很好的作用，本文完成的工作主要有以下几个方面：(1)根据实际的工作经验，找出生产过程中系统存在的不足，通过查阅大量炭素阳极和阴极生产工艺的文献，调研各个生产单位的生产情况，掌握了整个控制系统的控制特点。(2)通过对控制器的硬件结构和软件通信协议，以及DeviceNet和Profibus结构体系的研究，可自定义通信协议实现。(3)利用VB实现OPC客户端接口的开发实现，增强了信息共享能力，提高的系统的稳定性及可靠性及网络效率。(4)通过对图形化编程软件labview的学习，实现了对现场数据的采集和现场设备的控制，实现数据实时刷新，并对处理前后数据进行对比，绘制动态曲线，根据要求以Word或者Excel的形式导出数据，将数据以一定的速率存储到数据库中。

参考文献:

• [1] 段德全,李俊芬.  基于OPC的实时数据集成系统[J]. 计算机时代. 2009(07)
• [2] 魏洪新.  OPC技术在工业控制领域的应用研究[J]. 河北煤炭. 2009(01)
• [3] 郭卫钢,彭辉,施丰苹,邓秋连.  OPC技术在碳素阳极生产过程多级控制系统中的应用[J]. 自动化与信息工程. 2007(02)
• [4] 陈在平,姚晓伟,贾超.  OPC技术在DeviceNet总线中的应用[J]. 仪器仪表学报. 2007(02)
• [5] 郝晓弘,侯顺红.  工业以太网认识的三大误区[J]. 自动化与仪表. 2004(03)