基于OPC的烧结炉温度控制技术探讨

基于OPC的烧结炉温度控制技术探讨

王卫国

（中核龙瑞科技有限公司甘肃酒泉市735000）

摘要：OPC技术作为一项崭新的开放式数据交换技术给工业控制软硬件的发展带来了巨大的影响，给自控设备制造业的产品开发带来了新机遇和挑战。本文从烧结炉温度控制领域中涉及到的OPC应用技术角度展开了研究与探讨。

关键词：OPC；烧结炉；温度控制

1烧结炉温度场控制

1.1概述

粉末冶金材料起源于20世纪50年代末期，经过七十多年的发展，粉末冶金材料逐渐地从军事国防向民用等各个领域渗透，如今已经在医学、生物、运输、铁路、工业等诸多领域实现了商业化的应用。

烧结炉是粉末冶金行业的主要设备，它在粉末冶金行业中扮演着非常重要的角色，它是一种高能耗设备，这就对烧结炉的研究与设计提高了要求。烧结炉是一种在高温下，使粉末材料颗粒相互键联，粒子间空隙（气孔）减少，其锻造的复合材料总体积收缩，合金密度增加，最后成为具有某种特定效用的复合材料的炉具。粉末冶金，顾名思义，将粉末状的原材料进行某种加工使其形成一种致密性的复合材料，并赋予复合材料特有的性能，其应用价值更高。

我国是一个粉末合金生产大国，冶金行业经过二十多年的发展，在复合材料及其制品的研究开发与规模化生产等方面取得了重大成就，然而，我国粉末合金行业在降低能耗，实现可持续发展等方面还有大量的工作要做。在粉末冶金的生产过程中，主要分为混料、成形、烧结、整形等基本工序，其中，烧结这一道工序耗能最大，约占总耗能的60%。烧结炉在进行产品烧结时的温度分布会直接影响产品烧结的质量。因此，对烧结炉内温度的精确控制是保证粉末冶金烧结成功的重要前提。国内烧结炉的热效率不到40%，而国际水平已达到60%以上。在烧结炉节能方面，我国具有相当大的提升空间。在这个背景条件的基础上，本文引进了OPC技术的思想，对基于OPC技术的烧结炉温度控制技术进行了探讨。

1.2烧结炉结构

烧结炉的炉体结构主要包括炉顶、炉底、炉墙、炉壳以及加热元件等。其中加热元件采用石墨加热体，石墨可耐高温，一般在较高温度下使用，在还原性气氛（即惰性气体）中温度值可进一步升高，而且其加工容易，价格便宜；炉墙及炉顶均为三层，选用相同的隔热层材料，从内至外分别为电极石墨（或硬质碳毡）、碳毡、硅酸铝纤维；炉壳为两层中间夹有循环水不锈钢钢板；隔热层（电极石墨层或硬质碳毡层）并未与加热元件直接接触，它们之间还隔有用于绝缘的氮气层；炉底为莫来石捣打层。

2基于OPC的烧结炉温度控制设计

2.1OPC标准

OPC是由OPC基金会提出的工业控制软件接口标准，该标准基于OLE/COM/DCOM技术，说明了工业控制系统应用程序之间如何才能交互作用和共享数据，为工业控制领域提供了一种标准的数据访问机制。采用客户机／服务器（C/S）模式，提供了OPC服务器和OPC客户应用程序间进行数据通信和交换的通用标准机制。OPC的设计目标是为现场设备、自动控制应用、企业管理应用软件之间提供开放、一致的接口规范。当现场设备、应用软件都具备标准的OPC接口时，便可集成来自不同数据源的数据，使运行在不同平台上、不同语言编写的各种应用软件顺利集成，提高了系统的开放性和互操作性。

OPC为工业实时控制提供了一种支持分布式应用和异构环境下软件的无缝集成的数据通信标准，实现了客户程序对硬件设备访问的透明性，解决了应用程序对硬件固有数据类型的依赖性，因此已经广泛的被各种数控系统所支持。目前通用的标准主要有数据访问标准、数据交换标准、时间和报警标准、历史数据访问标准等。

图1OPC服务器结构

2.2OPC服务器

OPC服务器是由硬件供应商提供的用于提供OPC标准化接口和过程数据的专用软件，由服务器对象（OPCServer）、组对象（OPCGroup）数据项对象（OPCItem）与I/O驱动部分组成，如图1所示。OPC服务器对象负责维护服务器内部的状态信息、提供OPC客户程序与服务器通信的访问接口，并作为OPC组对象的容器向OPC客户程序提供创建和管理组对象的接口。OPC组对象负责管理ＯＰＣ组对象的内部信息，创建和管理OPC项对象并提供OPC服务器内部实时数据的存取服务。OPC项对象用于描述实时数据，是OPC对象里最基本的单位，表示OPC服务器到数据源的连接。I/O驱动负责实现从硬件设备中读取数据，并因硬件设备的不同而不同。

2.3基于OPC的烧结炉温度控制技术应用举例

基于监控组态软件设计烧结炉温度监控系统，通过对数据采集卡的设备组态实现烧结炉温度的采集，以及对SSR调压器的控制；通过人机界面设置温度给定值，以及控制器的相关参数，并通过曲线及历史曲线窗口观察温度的变化趋势。在对数据采集卡进行组态之前，对由数据采集卡模拟量输入通道采集到的温度变送器的转换电压增益x与被测温度之间的关系进行了测试，根据测试结果得到二者之间的标度变换关系，写入在监控组态软件监控工程的循环脚本，从而将A/D通道采集到的数据转化为温度信号。影响系统性能的参数有采样周期T、模型长度N、预测时域P及控制时域M，误差加权矩阵Q以及控制量的加权矩阵R，误差修正权值等。为了提高动态矩阵控制的性能，对这些参数的选取作了研究，对于对性能影响比较大的参数进行了分析。在此基础上，为了增加温度控制系统的数据实时性，本文借助于工业过程控制领域的OPC技术，以监控组态软件作为OPC服务器，在MATLAB作为OPC客户端，借助于MATLAB的OPC工具箱实现了监控组态软件和MATLAB的数据通信，在MATLAB中编写算法程序，从而完成了对烧结炉温度的实时监控系统。图2为监控系统图

图2基于OPC技术的烧结炉温度监控系统

根据OPCDA的组织结构，在监控组态软件监控工程中添加OPC设备，将监控组态软件设置为OPC务器，在MATLAB程序中通过语句：

“da＝opcda（'localhost'，'MCGS.OPC.Server'）；connect（da）”

建立与监控组态软件的联系，然后分别添加组（Group），项（Item），通过对Item的读取可以得到监控组态软件中各监控变量的数据，如温度，设定值，控制时域长度，优化时域长度，误差加权值，控制量加权值，误差修正系数等，根据这些变量的数据组织算法计算控制量并送回监控组态软件，通过对数据采集卡中DA通道的处理来完成对SSR的控制。基于OPC技术的烧结炉温度实时控制，以监控组态软件为OPC服务器，MATLAB作为OPC的客户端实现了MATLAB与监控组态软件的实时数据交换。借助组态工程测试了烧结炉温度对象的阶跃响应模型，并基于该模型在MATLAB中设计了动态矩阵控制算法实现了烧结炉温度的动态矩阵控制。

结束语

本文首先介绍了烧结温度控制的基本概念以及烧结炉的一般结构，其次对于OPC技术的基本工作原理及其特点做着重分析，重点突出OPC技术在工业控制系统中的应用价值，其次以具体案例对基于OPC的烧结炉温度控制技术做了探讨。

参考文献：

[1]王莹.基于蚁群算法与OPC技术的真空烧结炉温控系统[D].湖南工业大学，2010.

[2]高.温度梯度烧结炉[J].红外，1998（11）：26.

[3]马德民.中频烧结炉的温度自动控制[J].工业加热，1998（04）：50-51.