OPC技術(shù)在氯乙烯聚合過程軟測量中的應(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)

軟測量技術(shù)為解決現(xiàn)代復(fù)雜工業(yè)過程中較難或無法由硬件在線測量參數(shù)的檢測問題提供了一種有效手段，目前已經(jīng)成為過程控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。在線軟測量技術(shù)的應(yīng)用基于對現(xiàn)場數(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)提供了一個標(biāo)準(zhǔn)、開放的多供應(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)到讀寫硬件設(shè)備信息的要求[1]。

OPC技術(shù)已在工業(yè)自動化系統(tǒng)設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用，如人機(jī)界面(HMI)和監(jiān)控數(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)了西門子S7-300 PLC與組態(tài)軟件IFix的通信。與采用驅(qū)動程序和硬件設(shè)備通信的方法相比，OPC方法的系統(tǒng)開放性更強(qiáng)，為先進(jìn)控制算法、軟測量建模的實(shí)現(xiàn)提供了平臺。文獻(xiàn)[4]設(shè)計了模糊PID控制算法，通過軟件OPC接口將工業(yè)控制工程中的實(shí)時數(shù)據(jù)采集到MATLAB中，經(jīng)過MATLAB處理的數(shù)據(jù)再通過OPC傳送給DCS進(jìn)行控制。文獻(xiàn)[5]用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了青霉素發(fā)酵過程軟測量儀表，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)的軟測量技術(shù)應(yīng)用方案，并將該方案應(yīng)用到氯乙烯聚合過程聚合速率與單體轉(zhuǎn)化率的在線檢測中。該方法解決了軟測量模塊與PLC控制系統(tǒng)硬件之間的通信問題。氯乙烯聚合過程軟測量模塊通過反應(yīng)釜的熱平衡模型計算出聚合速率與轉(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

軟測量技術(shù)基于工業(yè)現(xiàn)場過程中比較容易測得的輔助變量，通過軟測量模型，推導(dǎo)出難以測量或暫時不能測量的目標(biāo)變量。工業(yè)過程的實(shí)際應(yīng)用，特別是在線計算的要求，需從工業(yè)控制系統(tǒng)中獲取運(yùn)行信息。然而，進(jìn)行軟測量計算的軟件通常無法直接從中讀取數(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)。軟測量技術(shù)的本質(zhì)是一個建模問題，現(xiàn)代控制理論和人工智能的發(fā)展推動了軟測量技術(shù)的發(fā)展。然而，這些技術(shù)的應(yīng)用需要大量運(yùn)算，同時需要消耗一定時間。如果將其程序編入控制系統(tǒng)中，會增加控制系統(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)時數(shù)據(jù)通過OPC服務(wù)器發(fā)送，服務(wù)器計算機(jī)運(yùn)行軟測量模塊程序，計算出目標(biāo)變量，反饋到控制系統(tǒng)，再由OPC服務(wù)器發(fā)送。服務(wù)器站與操作站通過工業(yè)以太網(wǎng)組成通信網(wǎng)絡(luò)。操作站計算機(jī)運(yùn)行組態(tài)軟件，通過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 氯乙烯聚合過程軟測量模型

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)放熱過程，若反應(yīng)熱不能及時移走，容易發(fā)生爆聚。出于對產(chǎn)品質(zhì)量、優(yōu)化生產(chǎn)和安全方面的考慮，需對聚合速率及轉(zhuǎn)化率等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。雖然采用膨脹計法及稱重法等離線分析方法可以測量聚合速率和轉(zhuǎn)化率，但這種離線取樣分析方法存在較大測量時滯，且耗費(fèi)大量人力，導(dǎo)致其實(shí)時性差，難以適用工業(yè)現(xiàn)場。

通過對熱平衡參數(shù)(如流量、溫度)的在線測量，基于聚合釜的熱平衡動態(tài)模型計算出反應(yīng)熱，可以進(jìn)一步估算出聚合過程的反應(yīng)速率及轉(zhuǎn)化率等過程參數(shù)，使反應(yīng)過程可觀測化，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)，可忽略夾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 氯乙烯聚合過程監(jiān)控設(shè)計

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。Siemens S7-300系列PLC，采用模塊化結(jié)構(gòu)，可靠性高。強(qiáng)大的功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行或相連成網(wǎng)絡(luò)時皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。Simatic Net是西門子在工業(yè)控制層面上提供給用戶的一個開放、多元的通信系統(tǒng)。如果上位計算機(jī)運(yùn)行的軟件不支持西門子的通信協(xié)議，就不能直接訪問PLC，需借助Simatic Net的OPC功能。通過Simatic Net建立OPC服務(wù)器收集現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)信息，從而為OPC客戶端程序提供現(xiàn)場數(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OPC Server和PLC的通信進(jìn)行測試。

至此建立了氯乙烯聚合過程控制系統(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)時讀寫數(shù)據(jù)。由于OPC技術(shù)的開放性，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，從而為軟測量模塊獲取工業(yè)現(xiàn)場在線數(shù)據(jù)掃除障礙。

3.2 軟測量模塊與OPC服務(wù)器通信

利用MATLAB開發(fā)氯乙烯聚合過程的聚合速率和單體轉(zhuǎn)化率的軟測量模塊。在服務(wù)器站上，軟測量模塊先通過OPC客戶端與OPC服務(wù)器建立通信，采集氯乙烯聚合過程的在線工藝數(shù)據(jù)，然后通過軟測量模型計算出聚合速率和轉(zhuǎn)化率。同時考慮到系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)擔(dān)與穩(wěn)定性，希望能定時啟動軟測量模塊。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，其定時器功能可以定時地觸發(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)交換和定時運(yùn)行軟測量模塊的部分程序。

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)

%軟測量模型運(yùn)算

…

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

disconnect(da)；%刪除組對象

delete(da)；%刪除客戶端對象對象

clear；%清除變量

定時運(yùn)行程序?yàn)椋?/p>

%建立一個定時器timer對象

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

定時器timer可以定時觸發(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)時所執(zhí)行函數(shù)的句柄，即為執(zhí)行從OPC服務(wù)器讀寫數(shù)據(jù)的程序onTimer，handles作為參數(shù)傳遞到onTimer中去。

至此建立了軟測量模塊與OPC服務(wù)器的通信，并且軟測量模塊能定時啟動從OPC服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。由于計算軟件功能強(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。并且，將大量數(shù)據(jù)運(yùn)算放到服務(wù)器計算機(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支持兩臺計算機(jī)上組件間的通信，從而客戶端程序?qū)ο竽軌蛟L問網(wǎng)絡(luò)中另一臺計算機(jī)上的服務(wù)器程序?qū)ο?。在服?wù)器站和操作站計算機(jī)上分別完成DCOM 整體屬性的配置，把默認(rèn)安全機(jī)制、訪問權(quán)限和配置權(quán)限都設(shè)置為最低。在服務(wù)器站計算機(jī)DCOM組件服務(wù)中找到OPC.Simatic Net組件，對應(yīng)西門子的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OPC服務(wù)器的數(shù)據(jù)。

3.3.2監(jiān)控設(shè)計

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)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一身，通過OPC I/O驅(qū)動器OPC PowerTool可連接OPC服務(wù)器。OPC I/O驅(qū)動器提供IFix訪問服務(wù)器對象的接口，通過對服務(wù)器對象中組對象的操作，來存取設(shè)備寄存器單元的數(shù)據(jù)。在OPC PowerTool中增加OPCServcr，選擇遠(yuǎn)程OPC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)時數(shù)據(jù)庫中添加系統(tǒng)需監(jiān)控的I/O變量，即可顯示遠(yuǎn)程OPC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OPC服務(wù)器的數(shù)據(jù)，從而軟測量模型的目標(biāo)變量可以像其他可測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、報警及聯(lián)鎖控制等方面的優(yōu)勢。

圖2 OPC PowerTool組態(tài)

4 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

軟測量模塊開始運(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。計算出氯乙烯聚合過程的反應(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)行歷史趨勢如圖3所示。

圖3 氯乙烯聚合過程歷史趨勢

采用OPC技術(shù)的方法，實(shí)現(xiàn)了氯乙烯聚合過程控制系統(tǒng)在線運(yùn)行參數(shù)(溫度及壓力等)的檢測。通過對反應(yīng)釜熱平衡分析建立的軟測量模型，計算出聚合過程的反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化率，實(shí)現(xiàn)了聚合反應(yīng)過程的可觀測化。PLC控制系統(tǒng)、服務(wù)器站與操作站獨(dú)立運(yùn)行，使得整個監(jiān)控系統(tǒng)的負(fù)荷小，運(yùn)行穩(wěn)定。反應(yīng)過程中，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

筆者提出了基于OPC技術(shù)的軟測量技術(shù)應(yīng)用方案，并將其應(yīng)用到氯乙烯聚合過程中，實(shí)現(xiàn)了對聚合速率與轉(zhuǎn)化率的在線監(jiān)控，取得了較好的效果。通過采用此方案，較好地解決了工業(yè)現(xiàn)場不同廠家的軟硬件通信問題，計算軟件和監(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)提供的開放平臺，有助于先進(jìn)控制算法和系統(tǒng)優(yōu)化過程的實(shí)現(xiàn)。