【文章內容簡介】 成 OPC 語言傳給 OPC 客戶端，用戶再通過客服端應用程序對數(shù)據(jù)進行處理的一個過程。圖 OPC 通訊原理其中最主要的就是 OPC 服務器，OPC 服務器作為連接器，可以被當作 OPC 界面和數(shù)據(jù)發(fā)送端本地通訊協(xié)議或接口之間的“翻譯員”。因為 OPC 是雙向的，這意味著OPC 服務器既可以從數(shù)據(jù)發(fā)送端中讀出數(shù)據(jù)也可以向數(shù)據(jù)發(fā)送端寫入數(shù)據(jù)。OPC 客戶端/OPC 服務器的關系為主仆關系，這意味著如果 OPC 客戶端命令 OPC 服務器將數(shù)據(jù) 9 傳輸?shù)綌?shù)據(jù)發(fā)送端或從數(shù)據(jù)發(fā)送端回傳，OPC 服務器只能按照命令執(zhí)行。OPC 服務器幾乎能夠與所有的數(shù)據(jù)發(fā)送端通訊，只要這些數(shù)據(jù)發(fā)送端的輸出能夠通過電子手段被讀取或寫入?？赡艿臄?shù)據(jù)發(fā)送端包括：設備、PLCs,、DCSs ,、RTUs、電子秤、數(shù)據(jù)庫、Historians、網(wǎng)頁、以及自動更新的 CSV 文件。要與這些設備通訊，只需要使用一個能夠翻譯其本地協(xié)議或接口的 OPC 服務器。一旦這樣的 OPC 服務器得到配置，任何支持 OPC 的應用程序（在允許的情況下）都可以開始與數(shù)據(jù)發(fā)送端發(fā)生通訊，不需要了解數(shù)據(jù)發(fā)送端的本地通訊協(xié)議如何工作。OPC 服務器由三個模塊組成：OPC 通訊模塊：OPC 服務器的該部分主要負責與指定的 OPC 客戶端進行適當?shù)耐ㄓ崱＞帉懙暮芎玫?OPC 服務器必須完全符合 OPC 規(guī)范，以確保服務器適當?shù)嘏cOPC 客戶端進行通訊。翻譯/映射模塊：這個模塊正是 OPC 服務器中“奇跡 ”發(fā)生的地方。這個模塊的任務是適當?shù)胤g來自 OPC 客戶端的 OPC 請求，并且將這些請求轉換為要被送達的數(shù)據(jù)發(fā)送端的本地請求，反之同樣的道理。如果有效地做到了這一點，OPC 供應商能夠將數(shù)據(jù)發(fā)送端的負荷保持在最小，同時使數(shù)據(jù)吞吐量達到最大值。本地通訊模塊：在該模塊中，OPC 服務器需要使用最有效的與數(shù)據(jù)發(fā)送設備通訊的方法。在某些情況下這意味著通過其本地協(xié)議直接連接到數(shù)據(jù)發(fā)送設備；在另外的情況下也可通過 API 實現(xiàn)與數(shù)據(jù)發(fā)送設備的通訊。所以說，OPC 服務器供應商對設備的現(xiàn)場經(jīng)驗越豐富，OPC 服務器就能越好地利用設備本身的通訊性質從而提供更優(yōu)質的通信質量。 OPC 規(guī)范介紹由 OPC Task Force 制定的 OPC (OLE for Process Control) 規(guī)范于 1996 年 8 月正式誕生了，隨著 1997 年 2 月 Microsoft 公司推出 Windows95 支持的 DCOM 技術，1997年 9 月新成立的 OPC Foundation 對 OPC 規(guī)范進行修改，增加了數(shù)據(jù)訪問等一些標準，OPC 規(guī)范得到了進一步的完善?！癘PC 基于 Microsoft 公司的 Distributed inter Application 構架和 Component Object Model (COM) 技術的，根據(jù)易于擴展性而設計的。OPC 規(guī)范定義了一個工業(yè)標準接口，這個標準使得 COM 技術適用于過程控制和制造自動化等應用領域。OPC 基礎委員會主席 Dave Rehbein 是這樣描述的。 10 OPC 是以 OLE/COM 機制作為應用程序的通訊標準。OLE/COM 是一種客戶/服務器模式，具有語言無關性、代碼重用性、易于集成性等優(yōu)點。OPC 規(guī)范了接口函數(shù)，不管現(xiàn)場設備以何種形式存在，客戶都以統(tǒng)一的方式去訪問，從而保證軟件對客戶的透明性，使得用戶完全從低層的開發(fā)中脫離出來。應用程序與 OPC 服務器之間必須有 OPC 接口，OPC 規(guī)范提供了兩套標準接口：Custom 標準接口， OLE 自動化標準接口。通常在系統(tǒng)設計中采用 OLE 自動化標準接口。OLE 自動化標準接口，及采用 OLE 自動化技術進行調用，其技術為上節(jié)所述的OLE 自動化技術。 OLE 自動化標準接口定義了以下三層接口，依次呈包含關系。OPC Server：OPC 啟動服務器，獲得其他對象和服務的起始類，并用于返回 OPC Group 類對象；OPC Group：存儲由若干 OPC 組成的 Group 信息，并用于返回 OPC Item 類對象。OPC Item：存儲具體 Item 的定義、數(shù)據(jù)值、狀態(tài)值等信息。由于 OPC 規(guī)范基于 OLE/COM 技術，同時 OLE/COM 的擴展遠程 OLE 自動化與DCOMTCP/IP 等多種，因此可以將 OPC 客戶、服務器在物理上分開，分布于網(wǎng)絡不同上。OPC 規(guī)范可以應用在許多應用程序中，如它們可以應用于從 SA 或者系統(tǒng)的物理設備中獲取原始數(shù)據(jù)的最低層，它們同樣可以應用于從 SCADA 或者 DCS 系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)到應用程序中。實際上，OPC 設計的目的就是從網(wǎng)絡上某節(jié)點獲取數(shù)據(jù)。圖 的客戶/服務器關系圖同樣描述了 OPC 在 SCADA 系統(tǒng)的應用。 采用 OPC 規(guī)范設計系統(tǒng)的好處在進行新型微機遠動系統(tǒng)的研制中，各個計算機以及各個模塊的數(shù)據(jù)交換應該按照 OPC 規(guī)范進行。這樣做有以下好處：OPC 規(guī)范以 OLE/DCOM 為技術基礎，而 OLE/DCOM 支持 TCP/IP 等網(wǎng)絡協(xié)議，因此可以將各個子系統(tǒng)從物理上分開，分布于網(wǎng)絡的不同節(jié)點上。OPC 按照的，將一個應用程序（OPC 服務器）作為一個對象封裝起來，只將接口方法暴露在外面，客戶以統(tǒng)一的方式去調用這個方法，從而保證軟件對客戶的透明性，使得用戶完全從低層的開發(fā)中脫離出來。 11 OPC 實現(xiàn)了遠程調用，使得應用程序的分布與系統(tǒng)硬件的分布無關，便于系統(tǒng)硬件配置以及，使得系統(tǒng)的應用范圍更廣。采用 OPC 規(guī)范，便于系統(tǒng)的組態(tài)化，將系統(tǒng)復雜性大大簡化，可以大大縮短軟件開發(fā)周期，提高軟件運行的可靠性和穩(wěn)定性，便于系統(tǒng)的升級與維護。OPC 規(guī)范了接口函數(shù)，不管現(xiàn)場設備以何種形式存在，客戶都以統(tǒng)一的方式去訪問，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的開放性，易于實現(xiàn)與其它系統(tǒng)的接口。 OPC 技術在工業(yè)控制領域的應用OPC 技術對工業(yè)控制系統(tǒng)的影響及應用是基礎性和革命性的，簡單地說，它的作用主要表現(xiàn)在以下幾個方面：首先，OPC 解決了設備驅動程序開發(fā)中的異構問題。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，用戶的不斷提高，以 DCS（集散控制系統(tǒng)）為主體的工業(yè)控制系統(tǒng)功能日趨強大，結構日益復雜，規(guī)模也越來越大，一套工業(yè)控制系統(tǒng)往往選用了幾家甚至十幾家不同公司的控制設備或系統(tǒng)集成一個大的系統(tǒng)，但由于缺乏統(tǒng)一的標準，開發(fā)商必須對系統(tǒng)的每一種設備都編寫相應的驅動程序，而且，當硬件設備升級、修改時，驅動程序也必須跟隨修改。同時，一個系統(tǒng)中如果運行不同公司的控制軟件，也存在著互沖突的。有了 OPC 后，由于有了統(tǒng)一的接口標準，硬件廠商只需提供一套符合 OPC 技術的程序，軟件開發(fā)人員也只需編寫一個接口，而用戶可以方便地進行設備的選型和功能的擴充，只要它們提供了 OPC 支持，所有的數(shù)據(jù)交換都通過 OPC 接口進行，而不論連接的控制系統(tǒng)或設備是哪個具體廠商提供。其次，OPC 解決了系統(tǒng)中異構網(wǎng)段之間數(shù)據(jù)交換的問題。現(xiàn)場總線系統(tǒng)仍然存在多種總線并存的局面，因此系統(tǒng)集成和異構控制網(wǎng)段之間的數(shù)據(jù)交換面臨許多困難。有了 OPC 作為異構網(wǎng)段集成的，只要每個總線段提供各自的 OPC 服務器，任一 OPC客戶端軟件都可以通過一致的 OPC 接口訪問這些 OPC 服務器，從而獲取各個總線段的數(shù)據(jù)，并可以很好地實現(xiàn)異構總線段之間的數(shù)據(jù)交互。而且，當其中某個總線的協(xié)議版本做了升級，也只需對相對應總線的程序作升級修改。第三，OPC 可作為訪問專有數(shù)據(jù)庫的中間件。實際應用中，許多控制軟件都采用專有的實時數(shù)據(jù)庫或歷史數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)庫由控制軟件的開發(fā)商自主開發(fā)。對這類數(shù)據(jù)庫的訪問不像訪問通用數(shù)據(jù)庫那么容易，只能通過調用開發(fā)商提供的函數(shù)或其它 12 特殊的方式。然而不同開發(fā)商提供的 API 函數(shù)是不一樣的，這就帶來和硬件驅動器開發(fā)類似的問題：要訪問不同監(jiān)控軟件的專有數(shù)據(jù)庫，必須編寫不同的代碼，這樣顯然十分繁瑣。采用 OPC 則能有效解決這個問題，只要專有數(shù)據(jù)庫的開發(fā)商在提供數(shù)據(jù)庫的同時也能提供一個訪問該數(shù)據(jù)庫的 OPC 服務器，那么當用戶要訪問時只需按照 OPC規(guī)范的要求編寫 OPC 客戶端程序而無需了解該專有數(shù)據(jù)庫特定的接口要求。第四，OPC 便于集成不同的數(shù)據(jù)，為控制系統(tǒng)向系統(tǒng)升級提供了方便。當前控制系統(tǒng)的趨勢之一就是網(wǎng)絡化，控制系統(tǒng)內部采用網(wǎng)絡技術，控制系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間也網(wǎng)絡連接，組成更大的系統(tǒng)，而且，整個控制系統(tǒng)與企業(yè)的管理系統(tǒng)也網(wǎng)絡連接，控制系統(tǒng)只是整個企業(yè)網(wǎng)的一個子網(wǎng)。在實現(xiàn)這樣的企業(yè)網(wǎng)絡過程中，OPC 也能夠發(fā)揮重要作用。在企業(yè)的信息集成，包括現(xiàn)場設備與監(jiān)控系統(tǒng)之間、監(jiān)控系統(tǒng)內部各組件之間、監(jiān)控系統(tǒng)與系統(tǒng)之間以及監(jiān)控系統(tǒng)與 Inter 之間的信息集成，OPC 作為連接件，按一套標準的 COM 對象、方法和屬性，提供了方便的通和交換。無論是管理系統(tǒng)還是控制系統(tǒng)，無論是 PLC（可編程控制器）還是 DCS，或者是 S（現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)），都可以通過 OPC 快速可靠的彼此交換信息。換句話說，OPC 是整個企業(yè)網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)接口規(guī)范，所以，OPC 提升了控制系統(tǒng)的功能，增強了網(wǎng)絡的功能，提高了企業(yè)管理的水平。最后，OPC 使控制軟件能夠與硬件分別設計、生產(chǎn)和發(fā)展，并有利于獨立的供應商產(chǎn)生與發(fā)展，從而形成新的社會分工，有更多的機制，為社會提供更多更好的產(chǎn)品。OPC 作為一項逐漸成型的技術已得到國內外廠商的高度重視，許多公司都在原來產(chǎn)品的基礎上增加了對 OPC 的支持。由于統(tǒng)一了數(shù)據(jù)訪問的接口，使控制系統(tǒng)進一步走向開放，實現(xiàn)信息的集成和共享，用戶能夠得到更多的方便。OPC 技術改變了原有的控制系統(tǒng)模式，給國內系統(tǒng)生產(chǎn)廠商提出了一個發(fā)展的機遇和挑戰(zhàn)，符合 OPC 規(guī)范的軟、硬件也已被廣泛應用，給工業(yè)自動化領域帶來了勃勃生機。 研究目的和現(xiàn)實意義粉塵層和粉塵云最低著火溫度有各自確定的意義，它們不能互相取代，但兩者均能表明粉塵在熱環(huán)境下的著火特性，二者都是粉塵爆炸中得非常重要的特性參數(shù)，是對粉塵爆炸敏感度進行相對評價的重要指標，是選擇防爆電器設備的依據(jù)。在粉塵爆炸危險性評估和分級時，最低著火溫度通常取兩者當中較低的一個數(shù)值。 13 目前本實驗室的實驗設備大多已經(jīng)老化，設備陳舊，技術落后。當前溫度控制主要是通過 PID 運算調節(jié)加熱電壓的占空比進行自動溫度控制，主要問題是：(a) 實驗設備使用多年，許多技術參數(shù)達不到國家標準；(b) 實驗設備年久失修，并且部分儀器表面經(jīng)過高溫氧化，外部嚴重老化，個別零件已經(jīng)殘缺(見圖 和圖 )。(c) 在溫度控制方面，采用的是調節(jié)加熱電壓的占空比，導致溫度變化控制緩慢，同時對電阻絲的使用壽命造成了不可逆的損壞。(d) 在數(shù)據(jù)傳輸方面，原來的設備采用的是串行通信，設備調試比較麻煩，數(shù)據(jù)傳輸能力較低，已經(jīng)不能適應當今高數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊罅?。圖 現(xiàn)有粉塵層著火溫度測試爐 14 圖 現(xiàn)有粉塵云著火溫度測試爐本論文對現(xiàn)有的粉塵著火溫度測試系統(tǒng)進行改進，重新加工兩個實驗設備——粉塵層著火溫度測試儀和粉塵云著火溫度測試儀，通過可控硅實現(xiàn)更精確的溫度控制，并采用計算機自動記錄。希望得出的結果能在粉塵爆炸危險性評估、粉塵爆炸風險管理以及如何采取有效防爆措施方面起到參考性作用。 本論文工作本論文的工作包括：(a) 加工粉塵層和粉塵云測試爐，實現(xiàn)控制系統(tǒng)和恒溫爐一體化并采用 PLC 自動控溫、計算機自動記錄實驗數(shù)據(jù)；(b) 用 Microsoft Visual C.Net 2022 編寫著火溫度測試系統(tǒng)軟件；(c) 粉塵最低著火溫度測試系統(tǒng)的調試。 15 第二章 粉塵著火溫度測試硬件設計 總體設計 粉塵層著火溫度測試爐粉塵層著火溫度測試熱板爐使用 1500W 的電爐加熱，并使用 4 支 K 型熱電偶分別測定熱表面控制處溫度、熱表面記錄溫度、粉塵層溫度和環(huán)境溫度。通過可編程邏輯控制器(PLC)和固態(tài)繼電器進行自動溫度控制，溫度控制通過可控硅實現(xiàn)。通過以太網(wǎng)實現(xiàn)計算機自動記錄實驗數(shù)據(jù)，并可以實現(xiàn)遠程控制。Visual C.Net 2022 編寫的粉塵著火溫度測試軟件(MIT)進行數(shù)據(jù)采集。人機界面可以對 PLC 的參數(shù)進行設置，并具有控制啟動和停止功能，能夠顯示當前溫度曲線，不聯(lián)機狀態(tài)下可獨立工作控制測試爐。該系統(tǒng)結構圖如圖 所示。圖 粉塵層著火溫度測試系統(tǒng)結構圖 粉塵云著火溫度測試爐粉塵云著火溫度測試熱板爐爐管為高強內熱石英玻璃管，外壁繞有總電阻為 13Ω 16 的電熱絲，通過電熱絲加熱。使用 2 支 K 型熱電偶傳入到爐管中心處，分別測定爐體溫度和爐壁溫度。溫控裝置、數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)、測試軟件和人機界面具有與粉塵層著火溫度測試爐相同的原理及功能。進氣噴粉系統(tǒng)主要由儲粉室、兩個電磁閥、儲氣罐、氣源等組成。當電磁閥 1 打開時，空氣進入儲氣罐并由壓力表實時顯示，最終達到實驗要求壓力。當電磁閥 2 打開時，儲氣罐中的壓縮空氣將儲粉室的粉塵噴入恒溫爐中，形成粉塵云。該系統(tǒng)結構圖如圖 所示。 圖 粉塵云著火溫度測試爐結構圖 機械設計 粉塵層著火溫度測試爐本論文根據(jù)國家標準《GB/T 164301996 粉塵層最低著火溫度測定方法 》 ，并參考IEC 124121 標準 [18]，本著操作性好、經(jīng)濟實用的原則設計粉塵層著火溫度測試爐。該爐主要由恒溫爐和控制箱組成。加熱爐包括：金屬環(huán)、熱表面、熱表面支座、加熱器底座、電加熱器和石棉保溫層等，其示意圖如圖 所示。