OPC技術(shù)在氯乙烯聚合過(guò)程軟測(cè)量中的應(yīng)用

朱鵬飛 夏陸岳 周猛飛 潘海天

(浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與材料學(xué)院，杭州 310014)

軟測(cè)量技術(shù)為解決現(xiàn)代復(fù)雜工業(yè)過(guò)程中較難或無(wú)法由硬件在線測(cè)量參數(shù)的檢測(cè)問(wèn)題提供了一種有效手段，目前已經(jīng)成為過(guò)程控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。在線軟測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用基于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析，因此需共享工業(yè)控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。OPC(OLE for Process Control)技術(shù)提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)放的多供應(yīng)商接口，支持此接口的應(yīng)用軟件可作為OPC客戶，與OPC服務(wù)器進(jìn)行交互，從而達(dá)到讀寫(xiě)硬件設(shè)備信息的要求[1]。

OPC技術(shù)已在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用，如人機(jī)界面(HMI)和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[2，3]分別采用SIMATIC NET和第三方OPC服務(wù)器軟件KEPServerEx實(shí)現(xiàn)了西門(mén)子S7-300 PLC與組態(tài)軟件IFix的通信。與采用驅(qū)動(dòng)程序和硬件設(shè)備通信的方法相比，OPC方法的系統(tǒng)開(kāi)放性更強(qiáng)，為先進(jìn)控制算法、軟測(cè)量建模的實(shí)現(xiàn)提供了平臺(tái)。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了模糊PID控制算法，通過(guò)軟件OPC接口將工業(yè)控制工程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集到MATLAB中，經(jīng)過(guò)MATLAB處理的數(shù)據(jù)再通過(guò)OPC傳送給DCS進(jìn)行控制。文獻(xiàn)[5]用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)了青霉素發(fā)酵過(guò)程軟測(cè)量?jī)x表，利用OPC技術(shù)應(yīng)用到SUPCON JX-300X DCS上。

筆者提出了基于OPC技術(shù)的軟測(cè)量技術(shù)應(yīng)用方案，并將該方案應(yīng)用到氯乙烯聚合過(guò)程聚合速率與單體轉(zhuǎn)化率的在線檢測(cè)中。該方法解決了軟測(cè)量模塊與PLC控制系統(tǒng)硬件之間的通信問(wèn)題。氯乙烯聚合過(guò)程軟測(cè)量模塊通過(guò)反應(yīng)釜的熱平衡模型計(jì)算出聚合速率與轉(zhuǎn)化率，并在工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件IFix中顯示、記錄。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)①

軟測(cè)量技術(shù)基于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程中比較容易測(cè)得的輔助變量，通過(guò)軟測(cè)量模型，推導(dǎo)出難以測(cè)量或暫時(shí)不能測(cè)量的目標(biāo)變量。工業(yè)過(guò)程的實(shí)際應(yīng)用，特別是在線計(jì)算的要求，需從工業(yè)控制系統(tǒng)中獲取運(yùn)行信息。然而，進(jìn)行軟測(cè)量計(jì)算的軟件通常無(wú)法直接從中讀取數(shù)據(jù)。作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的OPC技術(shù)，解決了不同軟件和硬件之間的通信障礙，支持此標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件能夠互相交換數(shù)據(jù)。軟測(cè)量技術(shù)的本質(zhì)是一個(gè)建模問(wèn)題，現(xiàn)代控制理論和人工智能的發(fā)展推動(dòng)了軟測(cè)量技術(shù)的發(fā)展。然而，這些技術(shù)的應(yīng)用需要大量運(yùn)算，同時(shí)需要消耗一定時(shí)間。如果將其程序編入控制系統(tǒng)中，會(huì)增加控制系統(tǒng)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，影響整體的穩(wěn)定運(yùn)行。鑒于上述原因，筆者提出了一種基于OPC技術(shù)的軟測(cè)量應(yīng)用方案，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。服務(wù)器站與操作站獨(dú)立運(yùn)行，PLC或DCS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)OPC服務(wù)器發(fā)送，服務(wù)器計(jì)算機(jī)運(yùn)行軟測(cè)量模塊程序，計(jì)算出目標(biāo)變量，反饋到控制系統(tǒng)，再由OPC服務(wù)器發(fā)送。服務(wù)器站與操作站通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)組成通信網(wǎng)絡(luò)。操作站計(jì)算機(jī)運(yùn)行組態(tài)軟件，通過(guò)OPC客戶端獲取OPC服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)。得益于以太網(wǎng)的高傳輸速率和易擴(kuò)展性，可允許多套PLC、DCS控制系統(tǒng)與操作站接入網(wǎng)絡(luò)。

圖1 基于OPC技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 氯乙烯聚合過(guò)程軟測(cè)量模型

聚氯乙烯是世界范圍最廣泛應(yīng)用的聚合產(chǎn)品之一，其聚合反應(yīng)為強(qiáng)放熱過(guò)程，若反應(yīng)熱不能及時(shí)移走，容易發(fā)生爆聚。出于對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、優(yōu)化生產(chǎn)和安全方面的考慮，需對(duì)聚合速率及轉(zhuǎn)化率等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。雖然采用膨脹計(jì)法及稱重法等離線分析方法可以測(cè)量聚合速率和轉(zhuǎn)化率，但這種離線取樣分析方法存在較大測(cè)量時(shí)滯，且耗費(fèi)大量人力，導(dǎo)致其實(shí)時(shí)性差，難以適用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。

通過(guò)對(duì)熱平衡參數(shù)(如流量、溫度)的在線測(cè)量，基于聚合釜的熱平衡動(dòng)態(tài)模型計(jì)算出反應(yīng)熱，可以進(jìn)一步估算出聚合過(guò)程的反應(yīng)速率及轉(zhuǎn)化率等過(guò)程參數(shù)，使反應(yīng)過(guò)程可觀測(cè)化，為聚合反應(yīng)的控制、故障診斷及優(yōu)化等相關(guān)研究提供基礎(chǔ)條件[6，7]。氯乙烯聚合反應(yīng)器的熱量傳遞主要包括反應(yīng)器與夾套之間的熱量傳遞和夾套內(nèi)的熱量傳遞。反應(yīng)過(guò)程中放出的熱量主要被中間注水和夾套冷卻水帶走。根據(jù)氯乙烯懸浮聚合反應(yīng)的過(guò)程特點(diǎn)，提出以下模型假設(shè)[8]：

a. 反應(yīng)物在反應(yīng)器內(nèi)均勻分布；

b. 冷卻水在夾套內(nèi)均勻分布；

c. 反應(yīng)器內(nèi)的蒸汽相不參與建模；

d. 由于中間注水工藝而產(chǎn)生的冷凝影響可被忽略；

e. 與反應(yīng)熱相比，環(huán)境的熱損失是可以忽略的。

聚氯乙烯反應(yīng)器與冷卻夾套之間的熱量傳遞主要涉及聚氯乙烯反應(yīng)器內(nèi)的熱累積QaccuR、聚合反應(yīng)熱Qr、聚氯乙烯反應(yīng)器的釜壁向冷卻夾套傳遞的熱量Qwall和中間注水所帶走的熱量QlossW，熱量平衡方程為：

(1)

冷卻夾套內(nèi)的熱量傳遞主要涉及冷卻夾套的熱累積QaccuJ、反應(yīng)器釜壁向夾套傳遞的熱量Qwall和夾套冷卻水所帶走的熱量QlossJ，熱量平衡方程為：

(2)

若夾套冷卻水溫度變化幅度較小，且聚合反應(yīng)釜溫度控制平穩(wěn)，可忽略?shī)A套冷卻水和聚合釜內(nèi)的熱累積的變化，氯乙烯懸浮聚合過(guò)程的反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化率模型可表示為[9]：

(3)

(4)

3 氯乙烯聚合過(guò)程監(jiān)控設(shè)計(jì)

3.1 服務(wù)器站與控制系統(tǒng)通信

PLC因其功能強(qiáng)、應(yīng)用靈活、維護(hù)方便且成本較低，在化工單元小系統(tǒng)的應(yīng)用中很有優(yōu)勢(shì)。Siemens S7-300系列PLC，采用模塊化結(jié)構(gòu)，可靠性高。強(qiáng)大的功能使其無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行或相連成網(wǎng)絡(luò)時(shí)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。Simatic Net是西門(mén)子在工業(yè)控制層面上提供給用戶的一個(gè)開(kāi)放、多元的通信系統(tǒng)。如果上位計(jì)算機(jī)運(yùn)行的軟件不支持西門(mén)子的通信協(xié)議，就不能直接訪問(wèn)PLC，需借助Simatic Net的OPC功能。通過(guò)Simatic Net建立OPC服務(wù)器收集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)信息，從而為OPC客戶端程序提供現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

完成服務(wù)器站與控制系統(tǒng)通信所需的軟件有Simatic Net PC Software V6.3和編程軟件STEP 7 V5.4，硬件有工控機(jī)、CP5611網(wǎng)卡及S7-300 CPU315-2DP等。需配置的內(nèi)容包括：PC站的硬件機(jī)架配置、Configuration Console設(shè)置及PC Station設(shè)置等[2]。配置完成后，可利用Simatic Net的OPC Scout工具對(duì)OPC Server和PLC的通信進(jìn)行測(cè)試。

至此建立了氯乙烯聚合過(guò)程控制系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的OPC服務(wù)器，服務(wù)器站能從PLC硬件實(shí)時(shí)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。由于OPC技術(shù)的開(kāi)放性，擁有OPC客戶端的軟件可以方便地與OPC服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而為軟測(cè)量模塊獲取工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)在線數(shù)據(jù)掃除障礙。

3.2 軟測(cè)量模塊與OPC服務(wù)器通信

利用MATLAB開(kāi)發(fā)氯乙烯聚合過(guò)程的聚合速率和單體轉(zhuǎn)化率的軟測(cè)量模塊。在服務(wù)器站上，軟測(cè)量模塊先通過(guò)OPC客戶端與OPC服務(wù)器建立通信，采集氯乙烯聚合過(guò)程的在線工藝數(shù)據(jù)，然后通過(guò)軟測(cè)量模型計(jì)算出聚合速率和轉(zhuǎn)化率。同時(shí)考慮到系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)擔(dān)與穩(wěn)定性，希望能定時(shí)啟動(dòng)軟測(cè)量模塊。借助MATLAB OPC Toolbox工具箱，可以方便地實(shí)現(xiàn)與OPC服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信，其定時(shí)器功能可以定時(shí)地觸發(fā)所要執(zhí)行的程序。以下是以命令行方式與OPC服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和定時(shí)運(yùn)行軟測(cè)量模塊的部分程序。

數(shù)據(jù)交換程序?yàn)椋?/p>

da=opcda(’localhost’，’ OPC.SimaticNet’)；%連接OPC服務(wù)端

connect(da)；

grp=addgroup(da，’MyGroup’)；%添加組

itmn=additem(grp，’an’)；%創(chuàng)建向量

%讀取變量數(shù)值

rn=read(itmn)；%讀出項(xiàng)itemn內(nèi)容

vn={r2.Value}；%讀出項(xiàng)itemn內(nèi)容中Value的值

Vn=cell2mat(vn)；% {r.Value)為cell類型的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)化為矩陣類型的數(shù)據(jù)

%軟測(cè)量模型運(yùn)算

…

write(itmn.Vn)；%向OPC服務(wù)器寫(xiě)入運(yùn)算數(shù)據(jù)

disconnect(da)；%刪除組對(duì)象

delete(da)；%刪除客戶端對(duì)象對(duì)象

clear；%清除變量

定時(shí)運(yùn)行程序?yàn)椋?/p>

%建立一個(gè)定時(shí)器timer對(duì)象

t=timer(′Period′，300，′ExecutionMode′，′FixedRate′，′TimerFcn′，{@onTimer，handles})

定時(shí)器timer可以定時(shí)觸發(fā)，周期性地執(zhí)行指定的函數(shù)。Period觸發(fā)周期設(shè)置為300s，ExecutionMode是執(zhí)行的方式，TimerFcn指定觸發(fā)時(shí)所執(zhí)行函數(shù)的句柄，即為執(zhí)行從OPC服務(wù)器讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的程序onTimer，handles作為參數(shù)傳遞到onTimer中去。

至此建立了軟測(cè)量模塊與OPC服務(wù)器的通信，并且軟測(cè)量模塊能定時(shí)啟動(dòng)從OPC服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。由于計(jì)算軟件功能強(qiáng)大，并且集成了很多實(shí)用的先進(jìn)控制和優(yōu)化算法，為實(shí)現(xiàn)較高的控制目標(biāo)提供了平臺(tái)。并且，將大量數(shù)據(jù)運(yùn)算放到服務(wù)器計(jì)算機(jī)上，減小了控制系統(tǒng)CPU的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，有利于控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 操作站與服務(wù)器站通信

3.3.1DCOM設(shè)置

DCOM支持兩臺(tái)計(jì)算機(jī)上組件間的通信，從而客戶端程序?qū)ο竽軌蛟L問(wèn)網(wǎng)絡(luò)中另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上的服務(wù)器程序?qū)ο?。在服?wù)器站和操作站計(jì)算機(jī)上分別完成DCOM 整體屬性的配置，把默認(rèn)安全機(jī)制、訪問(wèn)權(quán)限和配置權(quán)限都設(shè)置為最低。在服務(wù)器站計(jì)算機(jī)DCOM組件服務(wù)中找到OPC.Simatic Net組件，對(duì)應(yīng)西門(mén)子的Simatic Net軟件，該服務(wù)的配置與DCOM整體屬性的配置一樣。完成DCOM組件的配置之后，OPC客戶端才能遠(yuǎn)程訪問(wèn)OPC服務(wù)器的數(shù)據(jù)。

3.3.2監(jiān)控設(shè)計(jì)

大多數(shù)組態(tài)監(jiān)控軟件，如InTouch、IFix及WinCC等都集成了OPC客戶端組件。IFix是當(dāng)今世界工業(yè)控制領(lǐng)域最為流行的監(jiān)控軟件之一，集控制技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一身，通過(guò)OPC I/O驅(qū)動(dòng)器OPC PowerTool可連接OPC服務(wù)器。OPC I/O驅(qū)動(dòng)器提供IFix訪問(wèn)服務(wù)器對(duì)象的接口，通過(guò)對(duì)服務(wù)器對(duì)象中組對(duì)象的操作，來(lái)存取設(shè)備寄存器單元的數(shù)據(jù)。在OPC PowerTool中增加OPCServcr，選擇遠(yuǎn)程O(píng)PC服務(wù)器站的OPC.SimaticNET，然后添加Group、Item和變量，如圖2所示。再在IFix實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中添加系統(tǒng)需監(jiān)控的I/O變量，即可顯示遠(yuǎn)程O(píng)PC服務(wù)器中目標(biāo)變量的數(shù)值。

至此建立了操作站與服務(wù)器站的通信，監(jiān)控軟件IFix能夠讀取遠(yuǎn)程O(píng)PC服務(wù)器的數(shù)據(jù)，從而軟測(cè)量模型的目標(biāo)變量可以像其他可測(cè)變量一樣在操作站監(jiān)控系統(tǒng)中顯示，并能充分利用監(jiān)控組態(tài)軟件在數(shù)據(jù)記錄、報(bào)警及聯(lián)鎖控制等方面的優(yōu)勢(shì)。

圖2 OPC PowerTool組態(tài)

4 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

軟測(cè)量模塊開(kāi)始運(yùn)行后，系統(tǒng)每隔5min獲取反應(yīng)釜內(nèi)溫度Tr、夾套進(jìn)口溫度Tji、夾套出口溫度Tjo、補(bǔ)充水溫度Tin、補(bǔ)充水流量Fin、夾套冷卻水流量FJ及壓力p等參數(shù)，其中Fin和FJ需折算成5min的累積量。計(jì)算出氯乙烯聚合過(guò)程的反應(yīng)速率與單體轉(zhuǎn)化率，并在IFix中完成數(shù)據(jù)顯示與記錄，系統(tǒng)運(yùn)行歷史趨勢(shì)如圖3所示。

圖3 氯乙烯聚合過(guò)程歷史趨勢(shì)

采用OPC技術(shù)的方法，實(shí)現(xiàn)了氯乙烯聚合過(guò)程控制系統(tǒng)在線運(yùn)行參數(shù)(溫度及壓力等)的檢測(cè)。通過(guò)對(duì)反應(yīng)釜熱平衡分析建立的軟測(cè)量模型，計(jì)算出聚合過(guò)程的反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化率，實(shí)現(xiàn)了聚合反應(yīng)過(guò)程的可觀測(cè)化。PLC控制系統(tǒng)、服務(wù)器站與操作站獨(dú)立運(yùn)行，使得整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的負(fù)荷小，運(yùn)行穩(wěn)定。反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)釜內(nèi)溫度基本保持恒定，反應(yīng)速率的大小主要取決于反應(yīng)溫度與引發(fā)劑的配方，聚合的終止轉(zhuǎn)化率約為90%。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者提出了基于OPC技術(shù)的軟測(cè)量技術(shù)應(yīng)用方案，并將其應(yīng)用到氯乙烯聚合過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)聚合速率與轉(zhuǎn)化率的在線監(jiān)控，取得了較好的效果。通過(guò)采用此方案，較好地解決了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不同廠家的軟硬件通信問(wèn)題，計(jì)算軟件和監(jiān)控組態(tài)軟件并行運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。服務(wù)器站與操作站獨(dú)立運(yùn)行，減輕了系統(tǒng)負(fù)荷，提高了系統(tǒng)整體的安全性。利用OPC技術(shù)提供的開(kāi)放平臺(tái)，有助于先進(jìn)控制算法和系統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。