基于OPC通讯的真空回火炉控制系统

王　斌，常英明，赵　倩

(1.中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原030024；2.山西省煤炭职工培训中心，山西太原030024)



基于OPC通讯的真空回火炉控制系统

王斌1，常英明1，赵倩2

(1.中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原030024；2.山西省煤炭职工培训中心，山西太原030024)

摘要：利用OPC技术建立了真空回火炉的通讯系统，解决了由于通讯协议的不兼容和设备驱动的缺失给控制系统带来的问题，并为真空设备的发展提出了一些建议。

关键词：过程控制中对象的连接与嵌入；真空回火炉；设备驱动；真空设备

在工控行业间，各大厂商通常都有自己的通讯标准，如三菱的CC-Link，西门子的Profibus，欧姆龙的DeviceNET。在一个复杂的控制系统中，往往有很多时候因为通讯协议的兼容问题，导致很多性价比高的仪表或者控制器不能使用，从而使设计者们不得不选择价格更高但满足协议要求的仪表或控制器，甚至更改设计方案，这在一定程度上构成了“协议垄断”，给工控系统的设计者带来了很多麻烦；另一方面，在一个复杂的工控系统中，往往会有很多不同厂家的设备，当各种不同的上位应用软件与不同的设备通讯时，需要编写设备的驱动程序，且当设备的系统升级时，往往驱动也会升级，这样对软件开发商需要对很多不同的设备，甚至同种设备的不同版本都得去开发他们的驱动程序，成千上万种不同设备的驱动给软件开发商带来了很大的挑战。

在此背景下，OPC技术应运而生。

1　OPC的原理

OPC的全称为Object Linking and Embedding （OLE）for Process Control，即用于过程控制的OLE，也就是针对现场控制系统做的一个工业标准接口，即工业控制和生产自动化领域中所使用的软件和硬件的接口标准，它的出现给现场过程控制和Windows的应用程序之间建立了桥梁。

在以前，过程监控中软件和硬件的设置情况通常如图1所示。在本系统中含有A、B、C三种设备，如果PC、PLC、DCS、SCADA这些应用软件需要访问那些设备，那它们必须提供这三种设备的驱动程序，共计12个驱动程序，才能维持系统的正常运行，而且各软件之间还不能互相通信。另外，由于各个软件均来自不同的开发商，对于同一设备的驱动程序各不相同，所以多个软件也不能同时对同一个设备存取数据，否则可能造成系统的瘫痪。同时，有可能因某一设备的升级而要求所有驱动程序升级，否则会隐患无穷。可以想象，若要长期维护这样的一个系统，工作量不敢想象。

图1　传统控制系统中软件硬件设置

OPC的技术结构是客户机-服务器的模式，如图2所示。各个OPC的客户机程序并不需要关心设备内部具体的工作细节以及服务器的实现模式，而是直接通过OPC的标准接口对各个OPC服务器所管理的系统进行操作。更重要的一点是，OPC规范要求硬件生产厂家或第三方厂家开发访问接口，并最终以OPC服务器的形式提供给用户，解决了硬、软件厂商的矛盾，完成了系统的集成，大大提高了系统的可互操作性和开放性。

图2　OPC客户机与OPC服务器

OPC标准规范的引进，使得过程控制的软、硬件配置可以用图3来表示。在这样的控制系统中，设备驱动由厂家或者第三方以服务器的形式提供给工控系统，PC机、DCS、PLC、SCADA等应用软件可以分别通过各自的客户端来访问设备A、B、C。对于工控系统的设计者来说，不必关心通讯系统总线的兼容问题，可以任意选择性价比高的设备；对于软件开发商来说，可以避免开发各种设备驱动的繁琐，把更多地精力投入软件系统的完善性上。

OPC技术规范了系统的接口函数，不管现场设备以什么样的状态或形式存在，客户机都可以用统一的方式去访问它，这样就保证了软件对客户的透明性，使得软件开发商以及用户完全从低层驱动的开发中脱离出来。如此，对于软件开发商而言，可以把精力和时间集中在增加和完善软件的功能上，使自己的软件更易被用户接受和使用，而不是费神于开发各种硬件设备的驱动程序。对于硬件设备制造商而言，再也不必担心自己的产品因为没有为某些软件提供驱动程序而被用户所忽视或放弃。一次编写的驱动程序（OPC服务器），可以被所有的应用软件所用，不仅节省了各种I/O驱动程序的开发费用，而且可以让制造商集中精力生产更易于用户使用、功能完善的硬件。

OPC规范包括数据访问服务器接口规范、事件与报警服务器接口规范、历史数据访问服务器接口规范、批处理服务器接口规范等一系列标准规范。现在成熟并发布的OPC规范主要包括数据存取、报警和事件处理以及历史数据存取规范。

在控制领域中，系统往往是由分散的各个子系统构成；并且各子系统往往都采用不同厂家的设备和方案。用户需要将这些形形色色的子系统集成，并且架构统一的实时监控系统。这样统一的实时监控系统需要解决分散子系统间的数据共享问题，并且各子系统之间需要统一协调相应的控制指令。OPC就是通过规范不同供应厂商的设备和应用程序之间的接口标准使得数据交换更加简单、方便。

图3　OPC控制系统中软件硬件设置

2　应用

在某飞机集团的真空回火炉项目中，需方指定上位机的品牌为西门子公司的WINCC，而下位机为欧姆龙的PLC，还有欧陆、WEST、正华等不同品牌的仪表。可能是出于对自己产品的自我保护，不同于组态王和昆仑通态等组态软件，WINCC并不为第三方产品提供驱动程序，但是他可以与西门子的产品进行Profibus总线通讯，这为大多数不支持Profibus的第三方仪表或设备嵌入到西门子Profibus系统中提出了一个很大的难题。

本系统采用OPC的通讯方式建立整个系统架构，其组成框图，如图4所示。

图4　某真空回火炉通讯系统的结构

在本真空回火炉设备中，上位机采用西门子的博图WINCC，下位机采用欧姆龙的PLC-CP1H，而支持MODBUS通讯协议的欧陆温控仪、真空计以及WEST控制器则通过板卡与工控机直接连接，由板卡采集数据到工控机。我们选择KEPServerEX作为它们的OPC服务器，美国Kepware公司作为世界一流的OPC技术和产品提供商，推出了一系列专业、高效的OPC产品，KEPServerEX便是其中优秀的产品之一，它采用了业界领先的驱动程序插件式结构，在一个服务器中嵌入了100多种通讯协议。它不仅支持工业市场上广泛采用的数百种设备型号，还能通过下载新的驱动程序插件进行扩展。而PLC的服务器则由欧姆龙官方提供。

在整个系统中，WINCC监控软件和系统管理PC机就可以通过KEPServerEX服务器来访问温控表、真空计、控制器，也可以通过欧姆龙提供的服务器来访问PLC。这样即使这些仪器仪表不支持Profibus总线通讯，也可以集成到由WINCC监控软件构成的监控系统中；即使PC机没有那些仪器仪表的驱动程序，也可以通过OPC技术来管理现场的这些仪器仪表。

3　对真空设备发展的几点建议

3.1真空设备与智能制造

目前，真空设备的控制系统大都采用PLC和组态软件，例如组态王、WINCC、昆仑等。我们知道，PLC和组态软件都是最基本的I/O控制，若想在这样的控制系统中集成高级算法实现设备的智能控制是一件非常困难的事情。利用OPC网络技术，可以在WINDOWS系统下实现现场传感器或者组态软件与诸如C++、MATLAB、LABVIEW等高级软件的动态数据交换，然后在这些高级软件中后台运行一些智能控制算法，便可实现设备的智能化。举个例子，在本真空回火炉设备中，温控表起着非常重要的作用，它可以根据实际温度来调节输出功率使得炉内一定区域内的温度恒定，并且整个区域内的温度自动跟随给定的工艺曲线的变化而变化。但是，该温控表采用的是传统的PID算法，当周围环境不可避免地发生变化时，例如更换炉胆、控温偶位置移动等，则需要重新整定PID的参数值，另外，若想实现一定区域温度的恒定，往往需要有好几个控温区，而每个控温区不同温度段的PID参数也不一样，这样即使给专业的工程师也带来了很多麻烦，行外人更是无从下手。如果用高级语言编写高级算法，例如模糊控制、遗传算法、神经网络等，来根据实际的情况动态地调整PID的参数，不但可以省去整定PID的时间和精力，还能用软件来代替温控表节省掉一笔不菲的开支，填补了组态软件的不足。

3.2真空设备与工业4.0

工业4.0的到来，不仅设备的智能化程度会越来越高，而且系统的集成度也会越来越高，不同设备间集成为一个工控体系变得不可避免。但是，当系统之间互联的时候，设备之间需要通讯的数据并没有按照一定的规范或者标准来排列，使得在设备互联的时候无从下手，如果我们设备的重要数据能按照一定的标准或者规范有规律的排放在一起，甚至按照OPC的标准规范来做，并提供服务器，那么一定会让我们的设备在现在和未来日益激烈的竞争中占有一定的优势。

3.3真空设备与大数据

大数据时代的到来，催生了我们对数据利用的重视。目前，大多数设备仅仅停留在采集数据的阶段，并没有对采集到数据进行处理。实际上，设备采集到的数据是一种非常宝贵的资源，利用这些数据可以建立系统的数学模型、可以做系统的故障诊断、可以优化系统的结构设计…甚至在数据分析处理过程中，衍生出来的一些产品和方法都能转化利润，产生经济效益。大数据处理是值得我们去深入研究的一个很有前景的领域。

4　结束语

OPC技术的出现给系统工程师、软件开发商、硬件设备厂商都带来了一定的方便和机遇，是通讯界的一场革命，为智能制造奠定了一定的基础。工控各界都应该积极利用各种先进技术改造和提升产品的功能和性能，只有这样才能保证在智能制造的浪潮中不被淘汰。

参考文献：

[1]阳宪惠. OPC技术及其对工控系统开放性的影响[J].工业控制计算机，2001，14(9)：83-87.

[2]徐成海等.真空工程技术[M].北京：化学工业出版社，2006.884.

[3] 2704 User Guide[M].英国：EUROTHERM LIMITED，Part No.HA026502，9_28-9_29.

王斌（1987-），男，山西吕梁，助理工程师，硕士，毕业于合肥工业大学，现从事真空电子工艺装备的研发工作。

Vacuum Tempering Furnace Control System Based on OPC Communication

WANG Bin1，CHANG Yingming1，ZHAO Qian2
(1.The Second Research Institute of CETC，Taiyuan 030024，China；2.Shanxi coal workers training center，Taiyuan 030024，China)

Abstract:The OPC technology is used to establish a vacuum tempering furnace communication system in the paper，so the control system problems caused by the incompatibility of communication protocol and lack of device drivers are solved，and give some advice for the development of vacuum equipment.

Keywords:OPC（The Object Linking and Embedding for Process Control technology）；Vacuum tempering furnace；Device drivers；Vacuum equipment

作者简介：

收稿日期：2016-02-23

中图分类号：TP2

文献标识码：B

文章编号：1004-4507(2016)04-0033-04