【摘要】 隨著生產(chǎn)力的發(fā)展,科技的進(jìn)步,我國(guó)的經(jīng)濟(jì)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,金屬鋁也被廣泛應(yīng)用于國(guó)民生產(chǎn)的各個(gè)行業(yè)。眾所周知,目前國(guó)內(nèi)常用的鋁產(chǎn)品是通過(guò)電解所得到的,電解鋁的發(fā)展與壯大,加強(qiáng)了對(duì)鋁電極的需求。然而隨著產(chǎn)業(yè)控制和信息技術(shù)的密切結(jié)合,工業(yè)控制體系對(duì)信息技術(shù)及安全可靠性的要求越來(lái)越高,為了節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本,提高自動(dòng)控制的精度和穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)一套有效可靠的生產(chǎn)控制系統(tǒng)是十分必要的。本文對(duì)OPC技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模型,傳輸協(xié)議等方面進(jìn)行了研究,依據(jù)DeviceNet和Profibus總線特點(diǎn)并結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng),設(shè)計(jì)了一套炭素生陽(yáng)極成型車(chē)間控制系統(tǒng)。根據(jù)炭素生陽(yáng)極振動(dòng)成型車(chē)間的情況,系統(tǒng)控制器采用Rockwe11公司的ControlLogix系列PLC和西門(mén)子公司S7-300系列的PLC。在現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線基礎(chǔ)上通過(guò)OPC技術(shù),對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了配置。在中控室采用了LabVIEW對(duì)炭素生陽(yáng)極生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè),能夠讓操作人員和管理人員實(shí)時(shí)了解生產(chǎn)動(dòng)向,查看各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),及時(shí)了解工藝參數(shù)和報(bào)警記錄,并能夠根據(jù)軟件分析數(shù)據(jù)曲線,通過(guò)實(shí)際的分析做出做準(zhǔn)確的決策,確保生產(chǎn)能夠向最理想的趨勢(shì)發(fā)展。本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)搭建,模擬生產(chǎn)車(chē)間的各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,通過(guò)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行調(diào)試,分析結(jié)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(chē)間生產(chǎn)效率,減少了工人勞動(dòng)量,降低了運(yùn)營(yíng)成本,提高了信息的共享度,具有較高的實(shí)用價(jià)值。最后對(duì)本文作了總結(jié),對(duì)未來(lái)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(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)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(lǐng)域，借助科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的工業(yè)技術(shù)的出現(xiàn)，正將信息化網(wǎng)絡(luò)化延伸到工業(yè)控制的各個(gè)角落。我國(guó)電解錯(cuò)行業(yè)在不斷地發(fā)展，大型預(yù)倍槽發(fā)展水平也逐漸達(dá)到世界先進(jìn)程度。年產(chǎn)量也在不斷加大，2012年1-11月我國(guó)電解鍋總產(chǎn)量為1968萬(wàn)噸，累積同比增加12.57%，2013年總產(chǎn)量位居世界第一。招行業(yè)的發(fā)展同時(shí)帶動(dòng)了炭素制品需求量的提升，由于過(guò)去生產(chǎn)技術(shù)的限制，許多設(shè)備和生產(chǎn)工藝以及控制系統(tǒng)已經(jīng)跟不上時(shí)代的發(fā)展需求。因此，需要一種更為有力的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)多種控制系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)的無(wú)縫連接、提高網(wǎng)絡(luò)效率的目的，使控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。本課題來(lái)自于青海省電解鍋炭素生陽(yáng)極成型車(chē)間改造項(xiàng)目，主要對(duì)OPC技術(shù)與工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行研究，并將數(shù)據(jù)傳輸與通信相結(jié)合運(yùn)用于炭素陽(yáng)極生產(chǎn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)中。隨著工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器、現(xiàn)場(chǎng)總線、現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列、智能在線分析儀表等技術(shù)的進(jìn)一步成熟，炭素生陽(yáng)極車(chē)間乃至整個(gè)電解招廠中的控制網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越復(fù)雜，也對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)提出了更高的要求。本設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用OPC技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)，設(shè)計(jì)了OPC客戶端，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)同構(gòu)化，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)縫連接，提高了網(wǎng)絡(luò)的效率。

1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.2.1現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)概述

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)沖破了以往控制系統(tǒng)的構(gòu)造模式，它的基礎(chǔ)是儀器，電氣動(dòng)單元，智能控制系統(tǒng)構(gòu)成了新一代DCS。以現(xiàn)場(chǎng)總線為紐帶，將每個(gè)匯集點(diǎn)連接成為能夠互相握手、共同完成控制任務(wù)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(cè)控系統(tǒng)向智能化發(fā)展。

1.2.2 OPC技術(shù)概述

隨著加工過(guò)程自動(dòng)化的發(fā)展，自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備制造商希望不同的硬件和軟件產(chǎn)品適用于不同的企業(yè)。為了使不同的設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)互操作，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可以進(jìn)入整個(gè)信息系統(tǒng)，我們需要一種有效的數(shù)據(jù)訪問(wèn)和管理準(zhǔn)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(chǎn)生的。

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

第2章OPC規(guī)范介紹與開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)

2.1 OPC技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1.1    OPC技術(shù)的背景

工業(yè)自動(dòng)化和信息技術(shù)的緊密融合，出現(xiàn)了 OPC標(biāo)準(zhǔn)化通訊技術(shù)并在生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。OPC通信標(biāo)準(zhǔn)為硬件制造商和軟件開(kāi)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(kāi)發(fā)者只需考慮控制流程及功能即可。另外，因?yàn)镺PC是以COM/DCOM為核心，于是經(jīng)過(guò)OPC通訊能夠很好地完成遠(yuǎn)程控制，這在當(dāng)前過(guò)程控制系統(tǒng)中已經(jīng)獲得了成功的應(yīng)用。

2.1.2    OPC技術(shù)產(chǎn)生與發(fā)展

如果后期自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件由于升級(jí)等原因發(fā)生改變時(shí)，早期的硬件驅(qū)動(dòng)程序就不可再用，必須找到專業(yè)的程序員來(lái)修改和完善。但是由于存在人員流動(dòng)的等情況，給我們的硬件驅(qū)動(dòng)程序的更改帶來(lái)了很大的麻煩，另外這種驅(qū)動(dòng)程序一般釆用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL)的形式，通信方式主要采用DDE (動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換），這種方式只允許一個(gè)應(yīng)用程序同時(shí)訪問(wèn)一臺(tái)設(shè)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(luò)由三個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站組成，其中每個(gè)站的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都屬于不同的商家，其驅(qū)動(dòng)程序均各不相同。且每個(gè)控制系統(tǒng)也不盡相同，如果要實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，則上位系統(tǒng)至少需要開(kāi)發(fā)出3X3=9套上下層通信接口（驅(qū)動(dòng)），如果系統(tǒng)更加的龐大，那么這些驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)將是非常大的工程，不利于系統(tǒng)升級(jí)與改造，造成硬件和軟件資源的極大浪費(fèi)。OPC技術(shù)規(guī)范就是在硬件廠商和軟件開(kāi)發(fā)者之間的連接紐帶，它定義了一種通用的技術(shù)規(guī)則，提高了自動(dòng)化程度。釆用OPC技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。如圖所示，該控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有三個(gè)不同的上位監(jiān)控系統(tǒng)和四個(gè)不同的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分站組成，引入OPC技術(shù)以后，降低了通信程度大大，該通信接口則只需要開(kāi)發(fā)3+4=7套（3套OPC客戶端程序和4套OPC服務(wù)器程序），很大程度上減少了工程人員對(duì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和維護(hù)周期，而且也提高了設(shè)備和監(jiān)控系統(tǒng)的集成度。

2.2 OPC的技術(shù)基礎(chǔ)----COM

2.2.1    COM 概述

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)應(yīng)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(jìn)的發(fā)展，編寫(xiě)程序的任務(wù)量也越加龐大，這對(duì)于軟件的開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)增加了其難度。為此，需將應(yīng)用程序功能模塊化，然后協(xié)調(diào)完成任務(wù)。模塊被稱為組件，可以單獨(dú)設(shè)計(jì)和編譯。組件間的接口標(biāo)準(zhǔn)稱為COM(組件對(duì)象模型）[3]。COM不是一個(gè)語(yǔ)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(jìn)制上的兼容性。面向?qū)ο笏枷氲奶岢�，�?shí)現(xiàn)了程序與程序之的間組件對(duì)象(COM對(duì)象)通信。對(duì)象是某個(gè)類的實(shí)例，是一個(gè)活躍的元素，客戶端經(jīng)過(guò)COM接口來(lái)訪問(wèn)對(duì)象，然而關(guān)于封裝對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)對(duì)象是沒(méi)辦法解析的⑴。COM對(duì)象的代碼載體有兩種，一種是動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL);另外一種是可執(zhí)行程序(EXE)。2.2.2    COM 對(duì)象

COM對(duì)象是程序交互的核心，組件必須具備位置透明性的特點(diǎn)�？蛻舳私�(jīng)過(guò)CLSID來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)象的新建和初始化。標(biāo)識(shí)符通過(guò)空間性與時(shí)間值來(lái)保證其不會(huì)相同。COM對(duì)象建立在二進(jìn)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(guò)接口來(lái)獲取對(duì)象的服務(wù)[10]。升級(jí)版的對(duì)象可以包容以前的對(duì)象，對(duì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)    ..........................13

3.1.2生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用    ..............13

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

3.2.1 CIP對(duì)象模型    ..............................................15

3.2.2    CIP 對(duì)象庫(kù)    .............................................15

3.2.3    CIP設(shè)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(jié)構(gòu)    ...................................16

3.3.3Profibus數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)    ..................................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(shù)    .............................................18

3.4.1工業(yè)以太網(wǎng)簡(jiǎn)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(shù)    .....................................21

3.5本章小結(jié)    ........................................................22

第4章OPC技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)    ..........23

4.1炭素陽(yáng)極生產(chǎn)工藝    ...........................................23

4.1.1炭素生陽(yáng)極的原料    ........................................23

4.1.2炭素生陽(yáng)極的配料    ........................................24

4.1.3炭素生陽(yáng)極的混捏    ........................................25

4.1.4炭素生陽(yáng)極的振動(dòng)成型    ..................................25

4.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)    ..................................................26

4.2.1系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)    ............................................26

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

4.3軟件設(shè)計(jì)    .........................................................29

4.3.1羅克韋爾軟件平臺(tái)    .........................................29

4.3.2    EtherNet/IP 的網(wǎng)絡(luò)配置    .............................30

4.3.3    DeviceNet 的網(wǎng)絡(luò)配置    ................................31

4.4上位機(jī)的設(shè)計(jì)    ....................................................31

4.4.1虛擬儀器簡(jiǎn)介    .................................................31

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

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

4.4.41abview與數(shù)據(jù)庫(kù)連接    ......................................37

4.5本章小結(jié)    ............................................................40

第4章OPC技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展加大了國(guó)內(nèi)建材、軍工、電子等各個(gè)行業(yè)對(duì)紹產(chǎn)品的需求，我國(guó)一些小型的電解招槽由于產(chǎn)能較低，能耗較高而跟不上時(shí)代的發(fā)展，在建的大型預(yù)倍電解槽在向50~60萬(wàn)噸靠近，甚至于為打造百萬(wàn)噸級(jí)電解招航母而發(fā)展。眾所周知，電解招工藝離不開(kāi)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(gè)耗電量很大的設(shè)備，噸招耗電量約為1.3萬(wàn)度，為此要使得該行業(yè)有所發(fā)展，除了改進(jìn)相應(yīng)的工藝以外，降低能耗才能取得更大的收益。炭素生陽(yáng)極的生產(chǎn)工藝很復(fù)雜，影響因素很多，需要監(jiān)控的變量很多，且各個(gè)變量之間相互制約，相互影響，所以生產(chǎn)過(guò)程控制困難。因此，為了節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本，提高自動(dòng)控制穩(wěn)定性和精度，設(shè)計(jì)一套有效可靠的生產(chǎn)控制系統(tǒng)是十分必要的。隨著工業(yè)自動(dòng)化控制與計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)等的緊密融合，工廠自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)于信息系統(tǒng)、通信技術(shù)要求及安全可靠性越來(lái)越高，本設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)和項(xiàng)目改造，提出一種基于OPC技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)合的技術(shù)，使得控制網(wǎng)絡(luò)更加的穩(wěn)定和可靠，提高了控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，提升了炭素陽(yáng)極生產(chǎn)的效率，具有良好的使用價(jià)值。

4.1炭素陽(yáng)極生產(chǎn)工藝

現(xiàn)代工業(yè)中招制品都是通過(guò)電解氧化鍋(AI2O3)而得到，釆用冰晶石作為助溶劑，其化學(xué)式為(Na3AlF6)。在通電過(guò)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(diǎn)因此，到目前為止還沒(méi)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(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)方程式為：2Al203==4Al+302 t。根據(jù)電子的得失我們可以知道在陽(yáng)極中產(chǎn)生氧氣，在陰極上三價(jià)鍋離子由于失去電子而析出招。在反應(yīng)的過(guò)程中會(huì)損耗炭陽(yáng)極，因此陽(yáng)極的好壞對(duì)電解具有很大的影響。

總結(jié)和展望

總結(jié)

本課題以青海省某炭素廠成型車(chē)間陽(yáng)極生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)為背景，根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)炭素生陽(yáng)極的工藝流程及控制過(guò)程進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)。針對(duì)早期的成型車(chē)間規(guī)劃不合理，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的分散，網(wǎng)絡(luò)控制落后等特點(diǎn)，根據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)層的DeviceNet網(wǎng)絡(luò)和Profibus網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，利用OPC技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)了自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由生產(chǎn)工序決定建立三個(gè)PLC主站，與上位機(jī)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，通過(guò)圖形化編程軟件labview，對(duì)成型車(chē)間的工藝流程進(jìn)行了動(dòng)畫(huà)模擬和設(shè)備的連接，完成在中控室對(duì)產(chǎn)品工藝參數(shù)的要求，由于labview具有某些幵發(fā)工具包，對(duì)以后系統(tǒng)升級(jí)起到了很好的作用，本文完成的工作主要有以下幾個(gè)方面：(1)根據(jù)實(shí)際的工作經(jīng)驗(yàn)，找出生產(chǎn)過(guò)程中系統(tǒng)存在的不足，通過(guò)查閱大量炭素陽(yáng)極和陰極生產(chǎn)工藝的文獻(xiàn)，調(diào)研各個(gè)生產(chǎn)單位的生產(chǎn)情況，掌握了整個(gè)控制系統(tǒng)的控制特點(diǎn)。(2)通過(guò)對(duì)控制器的硬件結(jié)構(gòu)和軟件通信協(xié)議，以及DeviceNet和Profibus結(jié)構(gòu)體系的研究，可自定義通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)。(3)利用VB實(shí)現(xiàn)OPC客戶端接口的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，增強(qiáng)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(luò)效率。(4)通過(guò)對(duì)圖形化編程軟件labview的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)刷新，并對(duì)處理前后數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，繪制動(dòng)態(tài)曲線，根據(jù)要求以Word或者Excel的形式導(dǎo)出數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)以一定的速率存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

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