【摘要】 隨著生產力的發(fā)展,科技的進步,我國的經濟有了突飛猛進的發(fā)展,金屬鋁也被廣泛應用于國民生產的各個行業(yè)。眾所周知,目前國內常用的鋁產品是通過電解所得到的,電解鋁的發(fā)展與壯大,加強了對鋁電極的需求。然而隨著產業(yè)控制和信息技術的密切結合,工業(yè)控制體系對信息技術及安全可靠性的要求越來越高,為了節(jié)省運營成本,提高自動控制的精度和穩(wěn)定性,設計一套有效可靠的生產控制系統(tǒng)是十分必要的。本文對OPC技術和工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡模型,傳輸協(xié)議等方面進行了研究,依據(jù)DeviceNet和Profibus總線特點并結合工業(yè)以太網(wǎng),設計了一套炭素生陽極成型車間控制系統(tǒng)。根據(jù)炭素生陽極振動成型車間的情況,系統(tǒng)控制器采用Rockwe11公司的ControlLogix系列PLC和西門子公司S7-300系列的PLC。在現(xiàn)有的現(xiàn)場總線基礎上通過OPC技術,對網(wǎng)絡進行了配置。在中控室采用了LabVIEW對炭素生陽極生產進行監(jiān)測,能夠讓操作人員和管理人員實時了解生產動向,查看各個現(xiàn)場設備的運轉狀態(tài),及時了解工藝參數(shù)和報警記錄,并能夠根據(jù)軟件分析數(shù)據(jù)曲線,通過實際的分析做出做準確的決策,確保生產能夠向最理想的趨勢發(fā)展。本系統(tǒng)在實驗室里進行了網(wǎng)絡搭建,模擬生產車間的各種現(xiàn)場設備,通過系統(tǒng)長時間的運行調試,分析結果表明,該系統(tǒng)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。能夠提高成型車間生產效率,減少了工人勞動量,降低了運營成本,提高了信息的共享度,具有較高的實用價值。最后對本文作了總結,對未來工作做了展望。 

第1章緒論

1.1課題的選題背景及意義

科學技術的發(fā)展，數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡化正迅速地改變著我們的工作方式和日常生活。在工業(yè)領域，借助科學技術的發(fā)展，新的工業(yè)技術的出現(xiàn)，正將信息化網(wǎng)絡化延伸到工業(yè)控制的各個角落。我國電解錯行業(yè)在不斷地發(fā)展，大型預倍槽發(fā)展水平也逐漸達到世界先進程度。年產量也在不斷加大，2012年1-11月我國電解鍋總產量為1968萬噸，累積同比增加12.57%，2013年總產量位居世界第一。招行業(yè)的發(fā)展同時帶動了炭素制品需求量的提升，由于過去生產技術的限制，許多設備和生產工藝以及控制系統(tǒng)已經跟不上時代的發(fā)展需求。因此，需要一種更為有力的技術來實現(xiàn)多種控制系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)的無縫連接、提高網(wǎng)絡效率的目的，使控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠的運行。本課題來自于青海省電解鍋炭素生陽極成型車間改造項目，主要對OPC技術與工業(yè)以太網(wǎng)進行研究，并將數(shù)據(jù)傳輸與通信相結合運用于炭素陽極生產的自動控制系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡中。隨著工業(yè)控制計算機、可編程邏輯控制器、現(xiàn)場總線、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列、智能在線分析儀表等技術的進一步成熟，炭素生陽極車間乃至整個電解招廠中的控制網(wǎng)絡越來越復雜，也對控制網(wǎng)絡的性能指標提出了更高的要求。本設計綜合運用OPC技術和工業(yè)以太網(wǎng)，設計了OPC客戶端，實現(xiàn)了網(wǎng)絡同構化，真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫連接，提高了網(wǎng)絡的效率。

1.2國內外研究現(xiàn)狀

1.2.1現(xiàn)場總線技術概述

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)沖破了以往控制系統(tǒng)的構造模式，它的基礎是儀器，電氣動單元，智能控制系統(tǒng)構成了新一代DCS。以現(xiàn)場總線為紐帶，將每個匯集點連接成為能夠互相握手、共同完成控制任務的體系，體現(xiàn)了 “集中顯示，分散控制”的思想。信息的傳輸不再依賴于硬件，促使測控系統(tǒng)向智能化發(fā)展。

1.2.2 OPC技術概述

隨著加工過程自動化的發(fā)展，自動化系統(tǒng)設備制造商希望不同的硬件和軟件產品適用于不同的企業(yè)。為了使不同的設備之間實現(xiàn)互操作，工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)可以進入整個信息系統(tǒng)，我們需要一種有效的數(shù)據(jù)訪問和管理準則，使各種數(shù)據(jù)源之間能夠靈活通信的工業(yè)控制環(huán)境，OPC就是在這種背景下產生的。

OPC是OLE for Process Control的縮寫，即就是過程控制用對象鏈接與嵌入(OLE)技術[1]。OPC是一套基于在Windows操作平臺的工業(yè)應用程序之間提供高效的信息集成和交互功能的組件對象模型的接口規(guī)范，它以微軟的組件對象模型(COM/DCOM/COM+)技術為基礎，采用客戶端/服務器模式[2]。OPC服務器為客戶端提供數(shù)據(jù)，OPC客戶端對服務器提供的數(shù)據(jù)進行處理。

第2章OPC規(guī)范介紹與開發(fā)實現(xiàn)

2.1 OPC技術簡介

2.1.1    OPC技術的背景

工業(yè)自動化和信息技術的緊密融合，出現(xiàn)了 OPC標準化通訊技術并在生產中得到了廣泛應用。OPC通信標準為硬件制造商和軟件開發(fā)者架起了橋梁，忽略不同硬件之間的差別，直接可以從硬件端獲取所需的信息⑴。軟件開發(fā)者只需考慮控制流程及功能即可。另外，因為OPC是以COM/DCOM為核心，于是經過OPC通訊能夠很好地完成遠程控制，這在當前過程控制系統(tǒng)中已經獲得了成功的應用。

2.1.2    OPC技術產生與發(fā)展

如果后期自動控制系統(tǒng)的硬件由于升級等原因發(fā)生改變時，早期的硬件驅動程序就不可再用，必須找到專業(yè)的程序員來修改和完善。但是由于存在人員流動的等情況，給我們的硬件驅動程序的更改帶來了很大的麻煩，另外這種驅動程序一般釆用動態(tài)鏈接庫（DLL)的形式，通信方式主要采用DDE (動態(tài)數(shù)據(jù)交換），這種方式只允許一個應用程序同時訪問一臺設備。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的接口圖如圖2.1所示，該控制系統(tǒng)網(wǎng)絡由三個現(xiàn)場控制站組成，其中每個站的現(xiàn)場設備都屬于不同的商家，其驅動程序均各不相同。且每個控制系統(tǒng)也不盡相同，如果要實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的實時傳輸，則上位系統(tǒng)至少需要開發(fā)出3X3=9套上下層通信接口（驅動），如果系統(tǒng)更加的龐大，那么這些驅動程序的編寫將是非常大的工程，不利于系統(tǒng)升級與改造，造成硬件和軟件資源的極大浪費。OPC技術規(guī)范就是在硬件廠商和軟件開發(fā)者之間的連接紐帶，它定義了一種通用的技術規(guī)則，提高了自動化程度。釆用OPC技術的系統(tǒng)結構如圖2.2所示。如圖所示，該控制系統(tǒng)網(wǎng)絡有三個不同的上位監(jiān)控系統(tǒng)和四個不同的現(xiàn)場設備分站組成，引入OPC技術以后，降低了通信程度大大，該通信接口則只需要開發(fā)3+4=7套（3套OPC客戶端程序和4套OPC服務器程序），很大程度上減少了工程人員對系統(tǒng)的開發(fā)和維護周期，而且也提高了設備和監(jiān)控系統(tǒng)的集成度。

2.2 OPC的技術基礎----COM

2.2.1    COM 概述

隨著科學技術的發(fā)展，計算機應用功能也在發(fā)生在日新月異的變換，軟件的版本和功能也在突飛猛進的發(fā)展，編寫程序的任務量也越加龐大，這對于軟件的開發(fā)來說增加了其難度。為此，需將應用程序功能模塊化，然后協(xié)調完成任務。模塊被稱為組件，可以單獨設計和編譯。組件間的接口標準稱為COM(組件對象模型）[3]。COM不是一個語言編譯器，依據(jù)規(guī)則就能夠與其他組件完成消息交互，提高了軟件組件在二進制上的兼容性。面向對象思想的提出，實現(xiàn)了程序與程序之的間組件對象(COM對象)通信。對象是某個類的實例，是一個活躍的元素，客戶端經過COM接口來訪問對象，然而關于封裝對象的數(shù)據(jù)結構和細節(jié)對象是沒辦法解析的⑴。COM對象的代碼載體有兩種，一種是動態(tài)鏈接庫(DLL);另外一種是可執(zhí)行程序(EXE)。2.2.2    COM 對象

COM對象是程序交互的核心，組件必須具備位置透明性的特點�？蛻舳私涍^CLSID來實現(xiàn)對象的新建和初始化。標識符通過空間性與時間值來保證其不會相同。COM對象建立在二進制代碼之上，具有高度封裝特性，也包含狀態(tài)和操作，客戶端通過接口來獲取對象的服務[10]。升級版的對象可以包容以前的對象，對象之間也可以相互使用，具有良好的包容和重用性。

第3章DeviceNet與Profibus及工業(yè)以太網(wǎng)的研究   .... 13

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

3.1.1 DeviceNet總線的拓撲結構    ..........................13

3.1.2生產者/消費者模式在網(wǎng)絡中的應用    ..............13

3.2    CIP控制信息協(xié)議概述    ................................14

3.2.1 CIP對象模型    ..............................................15

3.2.2    CIP 對象庫    .............................................15

3.2.3    CIP設備描述    ...........................................16

3.3 Profibus 總線概述    .........................................16

3.3.1    Profibus 總線分類    ...................................16

3.3.2    Profibus 協(xié)議結構    ...................................16

3.3.3Profibus數(shù)據(jù)傳輸技術    ..................................17

3.3.4Profibus數(shù)總線的通信特性    ...........................18

3.4工業(yè)以太網(wǎng)技術    .............................................18

3.4.1工業(yè)以太網(wǎng)簡介    ...........................................18

3.4.2工業(yè)以太網(wǎng)通信模型    .....................................19

3.4.3工業(yè)以太網(wǎng)組網(wǎng)技術    .....................................21

3.5本章小結    ........................................................22

第4章OPC技術和工業(yè)以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)設計    ..........23

4.1炭素陽極生產工藝    ...........................................23

4.1.1炭素生陽極的原料    ........................................23

4.1.2炭素生陽極的配料    ........................................24

4.1.3炭素生陽極的混捏    ........................................25

4.1.4炭素生陽極的振動成型    ..................................25

4.2系統(tǒng)硬件設計    ..................................................26

4.2.1系統(tǒng)的總體結構    ............................................26

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

4.3軟件設計    .........................................................29

4.3.1羅克韋爾軟件平臺    .........................................29

4.3.2    EtherNet/IP 的網(wǎng)絡配置    .............................30

4.3.3    DeviceNet 的網(wǎng)絡配置    ................................31

4.4上位機的設計    ....................................................31

4.4.1虛擬儀器簡介    .................................................31

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

4.4.31abview 與 PLC 連接    .......................................32

4.4.41abview與數(shù)據(jù)庫連接    ......................................37

4.5本章小結    ............................................................40

第4章OPC技術和工業(yè)以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)設計

經濟的發(fā)展加大了國內建材、軍工、電子等各個行業(yè)對紹產品的需求，我國一些小型的電解招槽由于產能較低，能耗較高而跟不上時代的發(fā)展，在建的大型預倍電解槽在向50~60萬噸靠近，甚至于為打造百萬噸級電解招航母而發(fā)展。眾所周知，電解招工藝離不開石墨電極，并且電極的好壞在很大程度上影響了電解槽的壽命，電解槽是一個耗電量很大的設備，噸招耗電量約為1.3萬度，為此要使得該行業(yè)有所發(fā)展，除了改進相應的工藝以外，降低能耗才能取得更大的收益。炭素生陽極的生產工藝很復雜，影響因素很多，需要監(jiān)控的變量很多，且各個變量之間相互制約，相互影響，所以生產過程控制困難。因此，為了節(jié)省運營成本，提高自動控制穩(wěn)定性和精度，設計一套有效可靠的生產控制系統(tǒng)是十分必要的。隨著工業(yè)自動化控制與計算機技術、信息技術等的緊密融合，工廠自動化系統(tǒng)對于信息系統(tǒng)、通信技術要求及安全可靠性越來越高，本設計根據(jù)實際工作經驗和項目改造，提出一種基于OPC技術和工業(yè)以太網(wǎng)結合的技術，使得控制網(wǎng)絡更加的穩(wěn)定和可靠，提高了控制系統(tǒng)的自動化程度，提升了炭素陽極生產的效率，具有良好的使用價值。

4.1炭素陽極生產工藝

現(xiàn)代工業(yè)中招制品都是通過電解氧化鍋(AI2O3)而得到，釆用冰晶石作為助溶劑，其化學式為(Na3AlF6)。在通電過程中它可以溶解氧化招并且具有在一般條件下穩(wěn)定性好，不揮發(fā)等特點因此，到目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)別的化合物可以替代它。通電的電解招槽需要石墨電極，電解槽通入180KA左右的直流電，在95{rC左右的高溫下進行電化學反應，反應方程式為：2Al203==4Al+302 t。根據(jù)電子的得失我們可以知道在陽極中產生氧氣，在陰極上三價鍋離子由于失去電子而析出招。在反應的過程中會損耗炭陽極，因此陽極的好壞對電解具有很大的影響。

總結和展望

總結

本課題以青海省某炭素廠成型車間陽極生產自動控制系統(tǒng)為背景，根據(jù)工作經驗，對炭素生陽極的工藝流程及控制過程進行了分析與設計。針對早期的成型車間規(guī)劃不合理，現(xiàn)場設備的分散，網(wǎng)絡控制落后等特點，根據(jù)在現(xiàn)場層的DeviceNet網(wǎng)絡和Profibus網(wǎng)絡特點，利用OPC技術和工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢設計了自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由生產工序決定建立三個PLC主站，與上位機通過工業(yè)以太網(wǎng)進行通訊，通過圖形化編程軟件labview，對成型車間的工藝流程進行了動畫模擬和設備的連接，完成在中控室對產品工藝參數(shù)的要求，由于labview具有某些幵發(fā)工具包，對以后系統(tǒng)升級起到了很好的作用，本文完成的工作主要有以下幾個方面：(1)根據(jù)實際的工作經驗，找出生產過程中系統(tǒng)存在的不足，通過查閱大量炭素陽極和陰極生產工藝的文獻，調研各個生產單位的生產情況，掌握了整個控制系統(tǒng)的控制特點。(2)通過對控制器的硬件結構和軟件通信協(xié)議，以及DeviceNet和Profibus結構體系的研究，可自定義通信協(xié)議實現(xiàn)。(3)利用VB實現(xiàn)OPC客戶端接口的開發(fā)實現(xiàn)，增強了信息共享能力，提高的系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性及網(wǎng)絡效率。(4)通過對圖形化編程軟件labview的學習，實現(xiàn)了對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和現(xiàn)場設備的控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時刷新，并對處理前后數(shù)據(jù)進行對比，繪制動態(tài)曲線，根據(jù)要求以Word或者Excel的形式導出數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)以一定的速率存儲到數(shù)據(jù)庫中。

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