OPC技術(shù)在連鑄坯凝固傳熱過程仿真中的應(yīng)用

紀振平，劉喜雨

(沈陽理工大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，沈陽 110159)

OPC技術(shù)在連鑄坯凝固傳熱過程仿真中的應(yīng)用

紀振平，劉喜雨

(沈陽理工大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，沈陽 110159)

搭建連鑄坯凝固傳熱過程的仿真系統(tǒng),建立連鑄坯的凝固傳熱的數(shù)學(xué)模型。使用第三方服務(wù)軟件 KepServer作為OPC服務(wù)器，詳細說明了KepServer 的配置方法，完成了上位機讀取PLC控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，通過該仿真系統(tǒng)可以對連鑄凝固傳熱過程進行在線仿真，模擬現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境，仿真連鑄坯實際工藝過程。仿真結(jié)果表明：該仿真系統(tǒng)運行可靠，計算精度和實時性滿足要求。

連鑄坯仿真系統(tǒng)；凝固傳熱數(shù)學(xué)模型；OPC

連鑄過程復(fù)雜而且環(huán)境較差,在連鑄現(xiàn)場如果采用比較傳統(tǒng)的經(jīng)驗法來確定生產(chǎn)工藝的話，已經(jīng)早已不能夠滿足現(xiàn)代化連鑄生產(chǎn)的需求。為此,采用計算機數(shù)值模擬技術(shù)對連鑄過程進行模擬仿真,已經(jīng)成為現(xiàn)如今很多冶金工作者努力工作的方向[1]，本文通過搭建連鑄坯凝固傳熱過程仿真系統(tǒng)，建立連鑄坯的凝固傳熱的數(shù)學(xué)模型，其主要功能是利用計算機和編程語言(VB.NET)代替實際現(xiàn)場的連鑄生產(chǎn)裝置，模擬出現(xiàn)場的生產(chǎn)環(huán)境，實時仿真連鑄坯的實際生產(chǎn)工藝過程。在實際現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境不具備的條件下，運用此系統(tǒng)能夠?qū)B鑄坯凝固傳熱過程進行在線仿真。

由于在整個仿真過程中要完成讀取PLC控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)工作，在與PLC控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)讀取時，需要編寫接口程序，然而用戶自己編寫接口程序比較復(fù)雜,如今比較好的解決辦法是運用OPC技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取。由于OPC技術(shù)通訊比較穩(wěn)定,傳輸數(shù)據(jù)的速度比較快,適用于大批量數(shù)據(jù)之間的交換,現(xiàn)如今已經(jīng)變成新的工業(yè)通訊標準[2]，通過 OPC 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)的無縫集成[3]。

KEPServer是由KEPware公司開發(fā)而提供的第三方OPC服務(wù)器。KEPServer提供良好的工業(yè)通訊能力，基本上支持現(xiàn)在所有常見PLC，已經(jīng)成為一款在工業(yè)控制界中被廣泛認的OPC服務(wù)器軟件之一[4]。

本文使用第三方服務(wù)軟件 KepServer作為OPC服務(wù)器，完成了上位機模擬連鑄軟件讀取PLC控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的在線仿真。

1 連鑄坯凝固傳熱過程仿真系統(tǒng)組成

連鑄坯凝固傳熱過程仿真系統(tǒng)，如圖1所示，該系統(tǒng)是由觸摸屏、PLC控制系統(tǒng)和上位機模擬連鑄軟件三部分組成的。觸摸屏模擬產(chǎn)生連鑄過程鑄坯的拉速和鋼水中間包的溫度，PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)二冷區(qū)的各區(qū)的冷卻水量計算，上位機模擬連鑄軟件與PLC控制系統(tǒng)之間要完成拉速，鋼水中間包鑄溫度，各區(qū)水量等參數(shù)的讀取工作，并且計算出各區(qū)末的溫度和坯殼厚度等參數(shù)。其中上位機連鑄模擬軟件讀取PLC控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)是基于OPC技術(shù)，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)的。

圖1 連鑄坯凝固傳熱過程仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 連鑄坯凝固傳熱模型

2.1 連鑄坯凝固傳熱模型的建立

連鑄坯的凝固傳熱過程通常是一個很復(fù)雜的三維熱傳導(dǎo)過程,并且同時還伴有以一定的速度連續(xù)移動存在,在鋼水的凝固過程中包括了從液態(tài)到混合態(tài)再到固態(tài)的相變過程[5]。如果將很復(fù)雜的凝固過程中含有相變的傳熱問題轉(zhuǎn)化為純導(dǎo)熱問題，使方程中只包括單一的溫度變量，這樣有利于問題的求解。對于方坯，采用直角坐標系，式(1)是本文推導(dǎo)出的連鑄坯凝固傳熱過程的控制方程微分形式。它忽略了沿拉坯方向(即z方向)的傳熱，連鑄坯傳熱過程從而可進一步簡化為二維傳熱問題。

(1)

式(1)求解連鑄坯凝固傳熱偏微分方程需要給出相應(yīng)的初始條件和邊界條件。

二維方程的初始條件為

T(x,y,t=0)=Tc

(2)

式中Tc為澆注溫度，即中間包鋼水溫度。

結(jié)晶器冷卻邊界條件：

(3)

式中：B0、B1為待定參數(shù)；x為鑄坯表面到角部的距離；rx為x方向邊長的一半。

二次冷卻區(qū)邊界條件為

(4)

式中：θ表示鑄坯表面與冷卻水之間的傳熱系數(shù)；i表示冷卻段號；Tw、Tair分別表示水溫、環(huán)境空氣溫度；ε為鑄坯黑度；σ為斯蒂芬-波爾茨曼常數(shù)。

2.2 連鑄坯凝固傳熱模型的求解

由于上面的連鑄坯凝固傳熱模型物性參數(shù)的非線性和邊界條件的復(fù)雜性，很難得到它的解析解，因此本文通過采用數(shù)值計算方法對該模型進行求解。對于連鑄凝固傳熱模型，常用數(shù)值求解方法包括有限差分法、有限容積法及有限元法。從計算精度和計算實時性綜合考慮，本文采用的是有限容積法對凝固傳熱模型的離散化求解。對于方坯，考慮到其對稱性，因此取其1/4斷面進行求解計算，圖2是對方坯計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分的示意圖。

對于式(1)，通過對控制容積進行積分得到相應(yīng)的離散方程：

(5)

圖2 有限容積法單元

經(jīng)過離散化后得到方程組，然后采用交叉隱式算法(alternating direction implicit algorithm，ADI)對其進行求解計算，本文采用的是Peaceman-Rachford ADI 格式進行求解計算，將二維隱式問題轉(zhuǎn)化為兩個串聯(lián)的一維隱式問題，從而得到式(6)。

(6)

對于這個一維的隱式問題，本文采用三對角陣算法(tridiagonalmatrixalgorithm，TDMA)進行求解計算。

2.3 連鑄坯凝固傳熱模型的計算結(jié)果分析

為了實現(xiàn)在線仿真的應(yīng)用，連鑄坯凝固傳熱模型應(yīng)該同時滿足計算精度和實時性的兩方面要求，計算精度本文設(shè)置為3℃，實時性要求凝固傳熱模型的計算時間必須小于控制周期(在控制周期內(nèi)要完成讀取PLC控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并且使傳熱模型完成相應(yīng)的計算)，控制周期本文設(shè)置為1s。而這兩個方面受到切片距離和網(wǎng)格劃分的影響，本文從切片距離和網(wǎng)格劃分來分析。

2.3.1 切片距離變化計算精度和實時性的結(jié)果分析

當(dāng)切片距離由0.01變化為0.1的時候，1區(qū)末、2區(qū)末、3區(qū)末、4區(qū)末的溫度滿足精度要求，本次計算時間隨著切片距離的增大而減小，如表1所示。

表1 切片距離變化計算結(jié)果 ℃

2.3.2 網(wǎng)格劃分數(shù)量變化計算精度和實時性的結(jié)果分析

當(dāng)網(wǎng)格劃分數(shù)量由40×40變化為160×160的時候，1區(qū)末、2區(qū)末、3區(qū)末、4區(qū)末的溫度滿足精度要求，本次計算時間隨著網(wǎng)格劃分數(shù)量的增加而增加，如表2所示。

表2 網(wǎng)格劃分數(shù)量變化計算結(jié)果 ℃

對以上結(jié)果分析綜合考慮，本文選擇切片距離為0.01，網(wǎng)格劃分數(shù)量選擇40×40進行在線仿真。本仿真系統(tǒng)中要完成上位機模擬連鑄軟件(即利用VB.NET編寫的運行在上位機上的軟件)和PLC控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取工作，由于各個生產(chǎn)廠商之間互相沒有一個統(tǒng)一的標準，相互之間互不兼容，導(dǎo)致了上位機和PLC之間的通訊存在一定的問題。在這種情況之下，OPC規(guī)范便產(chǎn)生了[6]。本文利用KepServerEX 軟件作為OPC服務(wù)器，完成上位機模擬連鑄軟件和PLC控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取工作，從而實現(xiàn)連鑄坯凝固傳熱系統(tǒng)在線仿真。OPC技術(shù)的主要有以下優(yōu)點:1)快速的數(shù)據(jù)傳輸性能;2)基于分布式COM的安全性管理機制;3)開發(fā)成本低;4)實現(xiàn)具備柔軟性功能高的系統(tǒng);5)實現(xiàn)具備可靠性高的系統(tǒng)。近些年來,OPC技術(shù)出現(xiàn)在國內(nèi)各種工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，已經(jīng)有了比較廣泛的應(yīng)用[7]。

3 連鑄坯凝固傳熱在線仿真系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 KepServer 的配置

KepServerEX 軟件是現(xiàn)如今比較高效的 OPC 服務(wù)器之一，也是一款基于OPC 技術(shù)的自動化控制方案實現(xiàn)軟件,它能夠支持多種不同的通信協(xié)議,已經(jīng)被應(yīng)用于各種分布式自動控制系統(tǒng)當(dāng)中去。它采用了先進的驅(qū)動程序插件式的結(jié)構(gòu)，在一個服務(wù)器中又同時嵌入了多種不同的通信協(xié)議。KepServer 能夠?qū)崿F(xiàn)對于不同種類 PLC 系統(tǒng)之間的OPC 通信，而且能夠?qū)?shù)據(jù)項做到很詳細的組態(tài)，實現(xiàn)由 KepServer 服務(wù)到 PLC 系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換。本文設(shè)計主要西門子公司的 S7-400 系列 PLC，采取 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。配置 KepServer 是與 PLC 通信的一個很重要的步驟，主要目的就 是 在 KepServer 中 建 立 一 個 OPC Server，為OPC 客戶端和需要讀取 PLC 地址位之間建立連接關(guān)系[8]。OPC的服務(wù)器主要由3類對象組成：服務(wù)器(Server)、組(Group)、數(shù)據(jù)項(Item)[9],這就相當(dāng)于3個層次上的接口，這里主要需要的設(shè)置項有通道、設(shè)備參數(shù)和需要采集的數(shù)據(jù)標簽。OPC的最終配置圖如圖3所示，標簽與變量之間對應(yīng)關(guān)系如表3所示。

圖3 OPC配置圖

3.2 上位機模擬連鑄軟件讀取PLC控制系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)

在 VB.Net 新建項目之后，需要在菜單項目->添加引用對話框COM 組件中添加 OPC DA Automation Wrapper 2.02，添加之后才可以在VB.NET當(dāng)中使用 OPC。然后通過編寫客戶端程序來實對服務(wù)器數(shù)據(jù)的操作。

表3 標簽與變量之間對應(yīng)關(guān)系

在VB.NET 環(huán)境中,編寫通信程序,主要有以下 4個主要的任務(wù)要做:聲明變量、連接 OPC 服務(wù)器、數(shù)據(jù)的讀取、斷開連接。

在完成了KepServer 的配置和VB.Net的編程操作之后，可以對連鑄坯凝固傳熱過程仿真系統(tǒng)進行在線模擬仿真。

3.3 在線仿真過程及仿真結(jié)果

首先由觸摸屏模擬產(chǎn)生溫度和拉速，通過西門子MPI標準適配器和RS232完成觸摸屏與S7-400的通信，將中間包溫度和拉速輸出到PLC的DB100塊中，并且由PLC計算出1區(qū)水量、2區(qū)水量、3區(qū)水量、4區(qū)水量，同時運行在上位機模擬連鑄軟件(即利用VB.NET編寫的運行在上位機上的軟件)，基于 OPC 技術(shù)實現(xiàn)上位機通過以太網(wǎng)與 PLC 進行數(shù)據(jù)讀取，讀取PLC中DB100塊中的溫度和拉速，1區(qū)水量、2區(qū)水量、3區(qū)水量、4區(qū)水量等參數(shù)，通過模擬計算出結(jié)果，主要包括1區(qū)末溫度、2區(qū)末溫度、3區(qū)末溫度、4區(qū)末溫度，矯直點溫度，出結(jié)晶器坯殼厚度，液芯長度，液相深度，末攪坯殼厚度等參數(shù)，并且實時繪制出凝固過程曲線(表面中心溫度、內(nèi)部中心溫度、凝固坯殼厚度厚度)，從而完成了整個連鑄坯凝固傳熱過程的在線仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 仿真結(jié)果圖

4 結(jié)束語

搭建了連鑄坯凝固傳熱過程仿真系統(tǒng)，建立了連鑄坯的凝固傳熱過程模型，利用KepServerEX 軟件作為OPC服務(wù)器，設(shè)置了OPC的相關(guān)參數(shù)，完成了上位機模擬連鑄軟件與PLC之間的數(shù)據(jù)讀取工作，實現(xiàn)了連鑄坯凝固傳熱過程的在線仿真，仿真結(jié)果表明該仿真系統(tǒng)運行可靠，計算精度及實時性滿足要求。

[1]陳登福,孫明月,馮科,等.方坯連鑄二次冷卻數(shù)值仿真商用軟件[J].重慶大學(xué)學(xué)報,2004,27(9):67-71.

[2]高德欣,張文武,楊清.利用OPC實現(xiàn)WINCC與監(jiān)控系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)據(jù)交換[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報,2006,36(4):677-680.

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(責(zé)任編輯：王子君)

OPC Technology Applied in the Simulation of Continuous Casting Solidification Heat Transfer

JI Zhenping,LIU Xiyu

(Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

The slab solidification heat transfer simulation system and slab solidification heat transfer mathematical model are set up.Using third-party software and services KepServer as an OPC server,describeing how to configure KepServer in detail,the PC reads the data from PLC control system.Through the simulation system,the slab solidification heat transfer process can be simulated online,field production environments and the actual simulation of continuous casting process can be simulated.Simulation results show that the simulation system is reliable,accuracy and timeliness meet the requirements.

slab solidification heat transfer simulation system;slab solidification heat transfer mathematical model;OPC

2016-06-16

國家自然科學(xué)基金資助項目(61273178)

紀振平(1964—),男,教授,博士,研究方向：復(fù)雜工業(yè)過程控制及監(jiān)控。

1003-1251(2017)02-0001-04

TP277

A