OPC技术在天然气改质制气系统中的应用.pdf

自动化与仪器仪表2 0 1 2 年第6 期 总第1 6 4 期 O P C 技术在天然气改质制 气系统中的应用书 蒋 国睿 ，张俊 明 上海化工研究院上海，2 0 0 0 6 2 摘 要 本文以天然气改质工程为背景，介绍了利用O P C 技术实现西门子P L C 与D e l t a V D C S 系统的通讯。在满足生产 装置工艺及其安全性要求的前提下，将该项技术应用到节能减排优化中。 关键词 0 P C ； 城市煤气； s 7 2 0 0； D e l t a V Ab s t r a c t Wi t h t h e p r o j e c t o f C C R，the a r t i c l e i n t r o d u c e s the a c h i e v e me n t ， b y u t i l i z i n g the O P C， i n the c o mmu n i c a t i o n b e t we e n the S i e me n s S 7 - 2 0 0 P LC a n d the De l t a V DCS ． Un d e r the p r e s u p p o s i t i o n o f s ati s f y i n g the r e q u i r e me n t s o f t e c h n o l o g i c a l p r o c e s s a n d s a f e t y p r o d u c t i o n ， the OP C t e c hn o l o g y a p p l i e d t o the o p t i mi z a t i o n o f t h e e n e r g y s a v i n g ． Ke y wo r d s OP C，c i ty g a s ，S 7 - 2 0 0，De l t a V 中图法分类号 T P 2 7 1 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 1 - 9 2 2 7 2 0 1 2 - 0 6 - 0 0 8 9 - 0 3 0 引言 天然气改质制气系统是上海浦东煤气制气有限公司供气系 统的主要生产装置，天然气改质采用的是常压循环催化裂解法 C y c l i c C a t a l y t i c R e f o r m i n g ，简称C C R 法 制气工艺，该工 艺利用天然气为原料生产城市煤气 。 随着企业生产管理水平的提升，为提高天然气转化率、降 低能源消耗、减少碳化合物排放方面的需求，提出了生产过程 中气体组分在线分析的要求，通过对气体组分、产气率等数据 的分析来优化生产。由于原系统采用的是D e l t a V D C S 系统，在 线气体采样分析装置使用的是西门子的 7 - 2 0 0 P L C 系统，要将 两者结合起来，通过专家系统的数据处理分析后来优化生产， 考虑到煤气生产的实际情况，不可能有时间大规模修改原有的 控制程序，因此选用O P C 技术来完成系统间的数据互连，本文 主要是介绍如何利用该项技术。 1 O P C 技术的概念 O P C 是O L E f o r P r o c e s s C o n t r o l 的缩写，全称是O b j e c t L i n k i n g a n d E m b e d d i n g O L E f o r P r o c e s s C o n t r o l 。即把 O L E 技术应用于工业控制领域。它是以微软公司的C O M 、D C O M 技 术为基础，创建 出的一种应用于控制领域的 、开放式的工业 标准，是世界上技术领先的自动化软硬件厂商与微软公司通力 合作开发的。在O P C 技术出现之前，由于现场仪表设备五花八 门，各不相同，各系统采用各种不同协议的通信方式，要把不 同厂家的设备和控制系统连接到一起是非常困难的，需要花费 很多时间为不同的系统开发各 自的驱动程序和服务软件。O P C 就是在这种情况下产生的，它在自动化工程中具有革命化的数 据交换功能，提供了一个标准接口，不管现场设备以何种形式 存在，客户都以统一的方式去访问，解决了由于通信规范的制 约造成信息孤岛的瓶颈问题 J 。 收稿 日期 2 0 1 2 - 9 - 1 0 课题项目 上海市科委员资助 1 O D Z 1 1 2 2 3 0 0 O P C 协议接 口的应用程序是基于客户机和服务器概念实 现的。系统 中交付数据的O P C 元件被称为o P c 服务器。它们 在现有通讯系统上执行附件。除提供服务外，它们还从任何 数据来源向O P C 客户机提供信息； 这可能是硬件驱动的数据来 源或软件元件 。数据从接口、域总线卡 、测量设备或控制器 获取 。用作数据来源的O P C 元件称作O P C 客户机。O P C 客户机 可在市场上作为标准软件获取。亦可获得软件模块，将其组 装，建立 自己的客户机功能。系统的具体要求需要获得更多 功能和更佳性能，可以用各种不同的编程语言编写自己的0 P C 客户机 。 2 系统的O P C 通讯 天然气制城市煤气生产控制系统共有五个控制柜，分别 为L i n e O 至L i n e s 。四台操作员站和一个工程师站组成，分别为 O S 1 至0 S 4 和E s 。其中四个控制柜L i n e l 至L i n e 4 组成的控制单元 对应四条生产线，另一个控制柜L i n e O 组成的控制单元负责公 用系统部分。气体采样分析装置分别采样两部分气体，天然气 制城市煤气的产品气和烟囱排放的尾气。专家系统控制计算机 分别与城市煤气生产控制系统和气体采用分析装置通讯，完成 生产优化任务。 系统通讯结构图如 图1 在整个0 P C 通讯网络里，D e l t a V 生产系统和西门子气体采 样分析系统都作为o P c 服务器，专家系统程序作为0 P C 客户机。 本文主要以L i n e 3 的气体分析处理过程为例说明。 2 ． 1 I D e i t a V D C S 系统 O P C S e r v e r F o r D e l t a V 提供了两种产品供用户选择，一 种是应用于数据交换的D e l t a V O P C D a t a S e r v e r ，另一种是 D e l t a V O P C E v e n t S e r v e r 。前者主要为用户提供实时过程测 量数据 如 温度、压力、流量等 和控制参数以及系统状态信 息等； 后者主要为用户提供过程报警信息、设备状态信息、组 态信息、操作员操作信息等。 8 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m O P C 技术在天然气改质制气系统中的应用 蒋国睿，等 图l 系统通讯结构 D e l t a V O P C D a t a S e r v e r 又提供了两种产品供用户选 择，一种是D e i t a V O P C D a t a S e t v e t ，另一种是D e l t a V O P C R e m o t e S e t v e t． 两种的主要区别在于前者可以支持 2 5 0 - 3 0 0 0 0 个测量数据的读写操作，且必须安装在应用工作 站上，而后者只支持2 5 0 个测量数据的传输，但可安装在工程 师工作站上 ⋯。 在本方案实际应用中，我们需要从系统中每条生产线读写 的数据不超过5 0 点，因此在原D e l t a V D C S 系统的工程师工作站 E s 上安装D e l t a V O P C R e m o t e S e r v e r B 务授权，整个过程可以 不停生产，完全在线完成。然后在新增的专家系统计算机上安 装D e l t a V 应用站系统，并连入控制以太网络，在工程师工作站 上完成授权和组态下载。使用系统自带的O P C w a t c h i t 软件可以 测试O P C 连接状态是否正常。 专家系统程序也安装在D e l t a V 系统中的应用工作站，通过 以太网通讯与工程师工作站相连。应用工作站上的专家系统程 序通过读写D e l t a V O P C R e m o t e S e r v e r l- _ 的数据进行分析 】 。 2 ． 2 西 门子S 7 - 2 0 0 P L C 系统 西门子推出的P C A c c e s s软件是专用于s 7 2 0 0 P L C 的O P C S e r v e r 务器软件，它向O P C 客户端提供数据信息，可以与任何 标准的O PC C l i e n t 客户端通信。P C A c c e s s 可以用于同时连接8 个 西门子S 7 - 2 0 0 C P U ，或者第三方的支持O P C 技术的上位软件 。 现场L i n e 3 生产线的气体采样分析系统 由天然气改质产 品气和改质排放烟气两个子系统组成，两个子系统的 7 - 2 0 0 P L C C P U 模块的编程 口通过P P I 通讯标准与控制室的专家系 统计算机相连。西门子O P c 服务器软件 7 - 2 0 0 P C A c c e s s 安 装在专家系统计算机上，通过该软件可以定义需要的数据项 目，并测试通讯状态。服务器设置完成后，专家系统程序就 可以进行数据交换。 两个系统与专家优化系统通讯结构关系如 图2 。 9 0 图2 0 P C 结构关系图 3 专家优化系统的O P C 通讯 专家优化系统使用微软公司的V i S u a l s t u d i o 编写。 V i s u a l S t u d i o 提供了高级开发工具、调试功能、数据库功能 和创新功能，帮助在各种平台上快速创建当前最先进的应用程 序。V i s u a l S t u d i o包括各种增强功能，例如可视化设计器 使用． N E T F r a m e w o r k 3 ． 5 加速开发 、对W e b 开发工具的大量 改进，以及能够加速开发和处理所有类型数据的语言增强功 能。V i s u a l S t u d i o 为开发人员提供 了所有相关的工具和框架 支持，帮助创建引人注目的、令人印象深刻的应用程序。开发 人员能够利用这些丰富的客户端和服务器端框架轻松构建以客 户为中心的应用程序。 通讯系统的作用是将P L C ／ D C S 采集到的数据快速、准确的 传输到显示系统与优化控制系统，其中数据采集方案的设计尤 为重要。对于数据来源来说，现在世面上的P L C ／ D C S 种类数以 千计，当系统需要连接不同控制器时，就需要一种能够有效进 行数据访问和管理的开放标准。O P C 就是为了解决应用软件和 各种设备驱动程序的通讯而产生的一项工业技术规范和标准。 O P C 访问对象是由服务器对象、组对象、项对象所组成 的。在一个服务器对象中可以添加多个组，在一个组对象 中可 以添加多个项。每个O P t 项代表了O P C H 务器到数据源的一个物 理连接，数据项是读写数据的最小逻辑单位。0 P C 客户端在连 接o P c 务器端时也要按这一顺序，具体步骤参见图3 图3 0 P C 客户端程序读取服务器数据流程图 C P U 是以时间片的方式为程序进程分配C U P 处理时间的，当 一 个进程以同步的方式去完成几件事情时，此进程必须完成了 第一件事情以后再做第二件事，如此按顺序地向C P U 请求完成 要做的事情。在此单线程的工作模式下，如果把C P U 看作是一 共有1 0 0 个时间片的话，C P U 可能一直都只是花了其中的1 o 个时 间片来处理当前进程所要做的事情，只是用到了C P U 的1 0 ％ 的时 间片，而其他时间都白白浪费了，为了提高C P U 的使用率，我 们在设计O P C 客户端程序时考虑到读取服务器数据需要大量的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 自动化与仪器仪表2 0 1 2 年第6 期 总第1 6 4 期 输入输出操作，需要花大量的时间，比如客户端向服务器端发 出读取请求，服务器端由于繁忙无法立即响应客户端的请求， 那么客户端就会一直处于等待状态，用户就会感觉整个界面像 死机一样，一动不动。所以我们选择采用多线程的方式，把客 户端与服务器的交互程序单独放在一个线程中去执行的，这样 做就使得主线程不会阻塞，计算机的资源利用率得以提升，减 少了用户的等待时间。 4 总 结 通过O P C 接 口技术实现了专家系统与生产装置和气体采样 分析装置的互联，其运行结果使得现场的数据准确快速地传到 专家系统的人机界面中，适合实时要求的专家系统模块，提高 了系统的控制水平，主要体现在以下几个方面 ● 系统具有 良好的实时性。 ● 系统具有很好的适应性。 ● 具有 良好的扩充性和开放性 ● 与实际操作调整相比，优化系统出现超调的几 率降低。 O P C 技术应用于工业控制领域已十分广泛，该项技术经 过几年的发展也已经十分成熟，主流 自控设备厂商基本也都 支持O P C 标准。在天然气制城市煤气生产装置中的应用，保证 了原有生产系统的完整性，生产装置和气体采样分析装置发 生故障时能够互不影响，大大降低了优化系统开发的难度， 为该厂节能减排的生产要求打好了坚实的技术基础。 参考文献 [ 1 ] 卢祥林 ． 天然气 改制技 术在城市燃 气转换 中的应用． 煤 气与热 力． 2 0 0 2 ，2 2 6 4 8 3 4 8 6 ． [ 2 ]赵 国玺． O P C 技术在D e l t a V 系统中的应用． 中国仪器仪 表，2 0 0 3 ， 1 ． [ 3 ] 张 宏，李含草，胡晓岚． O P C 技术在D e l t a V 系统中的实际应用． 微 计算机信息，2 0 0 4 ， 7 ． [ 4 ] F i s h e r R o s e m o u n t S y s t e m s I n c ． G e t t i n g S t a r t e d w i t h Y o u r D el t a V Au t o ma ti o n S of t w a re ． Fi s h er R os e m ou n t S ys t e ms I n c， 2 0 0 6 ． [ 5 ] F i s h e r R o s e m o u n t S y s t e m s I n c ． D e 1 t a r B o o k s O n l i n e O p e r a t o r G r a p h i c s ． F i s h e r R o s e m o u n t S y s t e m s I n c ， 2 0 0 6 ． [ 6 ]S I E M E N S ． S I M A T I C 7 - 2 0 0 P C A c c e s s联机帮助． 2 0 0 7 ． 上接第8 8 页 图9用户权 限指定选 项 4 比较与探讨 通过此次对该转底炉项目监控系统的设计，笔者认为，相 对于传统的W I N C C 等组态软件，G E N E S I S 6 4还是拥有以下优势 1 通用性更好。G E N E S I S 6 4 基于O P C U A ，对O P C 协议的完 善支持使得它可以利用于各种类型的工程项目中。爱康诺公司 针对不同的通讯协议，也提供 了多种类型的O P C 服务器，还有 各种通讯辅助用的组件，以确保G E N E S I S 6 4 在多种硬件配置与 通讯协议都能适用。 2 更直观的监控界面。通常来说，2 D 画面更简洁，操作 更方便，适合于有经验的操作人员 ； 3 D N更直观，可以准确判 断报警等情况的发生点，适合于对新的操作人员进行培训。三 维的组态画面非常适合于机械设备的动作监控，比如在加热炉 项 目中常见的进出料设备、炉内机械、炉门等，它们的动作过 程可以非常直观的在画面上展示。 不仅如此，在现场配备了摄像头的情况下，也不必再额外 添置监控用的工业电视，G E N E S I S 6 4 可以直接链接到该摄像头 的地址，并且可以随时切换多个摄像头的影像。这个功能配合 G E N E S I S 6 4 的报警使用是非常方便的，可以直接切换到报警点 的发生地，便于排查故障。这些新的特性传统的组态监控软件 W I N C C 等都无法提供，相当有实用价值。 当然， 目 前G E N E S I S 6 4 的应用还存在以下不足之处 1 6 4 位系统下的通讯问题。 2 构建模型时，若要使用到第三方建模软件，则需要设 计人员拥有一定程度的相关知识。可能还需要花费请专业的技 术人员建模，成本较高。 3 已经应用的工程项目范围较， J 、 ，缺少用于参考的资料。 5 结 语 经 由G E N E S I S 6 4 设计的转底炉监控系统即将投入使用， 经评估可 以满足现场要求 。综合看来，在加热炉项 目中， G E N E S I S 6 4 是值得尝试的一个新选择。 参考文献 [ 1 ]庄春华，王普，孙崇正． 虚拟现实组态软件的研究与开发[ J ] ． 仪 器仪表 学报 ， 2 0 0 6 ， S 3 2 5 8 7 - 2 5 8 8 ． [ 2 ] 马国华． 监控组态软件及其应用 [ M ] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 01 1 8。 1 01 1 0 5 ． [ 3 ] 西 门子 中国 有限公 司． S I E M E N S W i n C C 组态手册 [ z ] ． 北京 西门子 中国 有 限公司 自动化与驱动集 团。 1 9 9 9 ． [ 4 ] 孙 浩 ，薛兴 昌． 工业控制组态 软件 的发展现状及应用 [ J ] ． 冶金 自 动化 [ 5 ] 马国华． 监控组态软件的相关技术发展趋势[ J ] ． 自动化博览， 2 0 0 9． 2． 9 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m