OPC技术在连铸坯凝固传热过程仿真中的应用

纪振平，刘喜雨

(沈阳理工大学 自动化与电气工程学院，沈阳 110159)

OPC技术在连铸坯凝固传热过程仿真中的应用

纪振平，刘喜雨

(沈阳理工大学 自动化与电气工程学院，沈阳 110159)

搭建连铸坯凝固传热过程的仿真系统,建立连铸坯的凝固传热的数学模型。使用第三方服务软件 KepServer作为OPC服务器，详细说明了KepServer 的配置方法，完成了上位机读取PLC控制系统的数据，通过该仿真系统可以对连铸凝固传热过程进行在线仿真，模拟现场生产环境，仿真连铸坯实际工艺过程。仿真结果表明：该仿真系统运行可靠，计算精度和实时性满足要求。

连铸坯仿真系统；凝固传热数学模型；OPC

连铸过程复杂而且环境较差,在连铸现场如果采用比较传统的经验法来确定生产工艺的话，已经早已不能够满足现代化连铸生产的需求。为此,采用计算机数值模拟技术对连铸过程进行模拟仿真,已经成为现如今很多冶金工作者努力工作的方向[1]，本文通过搭建连铸坯凝固传热过程仿真系统，建立连铸坯的凝固传热的数学模型，其主要功能是利用计算机和编程语言(VB.NET)代替实际现场的连铸生产装置，模拟出现场的生产环境，实时仿真连铸坯的实际生产工艺过程。在实际现场生产环境不具备的条件下，运用此系统能够对连铸坯凝固传热过程进行在线仿真。

由于在整个仿真过程中要完成读取PLC控制系统的数据工作，在与PLC控制系统进行数据读取时，需要编写接口程序，然而用户自己编写接口程序比较复杂,如今比较好的解决办法是运用OPC技术实现数据的读取。由于OPC技术通讯比较稳定,传输数据的速度比较快,适用于大批量数据之间的交换,现如今已经变成新的工业通讯标准[2]，通过 OPC 技术能够实现异构系统的无缝集成[3]。

KEPServer是由KEPware公司开发而提供的第三方OPC服务器。KEPServer提供良好的工业通讯能力，基本上支持现在所有常见PLC，已经成为一款在工业控制界中被广泛认的OPC服务器软件之一[4]。

本文使用第三方服务软件 KepServer作为OPC服务器，完成了上位机模拟连铸软件读取PLC控制系统中的数据，实现了系统的在线仿真。

1 连铸坯凝固传热过程仿真系统组成

连铸坯凝固传热过程仿真系统，如图1所示，该系统是由触摸屏、PLC控制系统和上位机模拟连铸软件三部分组成的。触摸屏模拟产生连铸过程铸坯的拉速和钢水中间包的温度，PLC控制系统实现二冷区的各区的冷却水量计算，上位机模拟连铸软件与PLC控制系统之间要完成拉速，钢水中间包铸温度，各区水量等参数的读取工作，并且计算出各区末的温度和坯壳厚度等参数。其中上位机连铸模拟软件读取PLC控制系统中的数据是基于OPC技术，通过以太网实现的。

图1 连铸坯凝固传热过程仿真系统结构图

2 连铸坯凝固传热模型

2.1 连铸坯凝固传热模型的建立

连铸坯的凝固传热过程通常是一个很复杂的三维热传导过程,并且同时还伴有以一定的速度连续移动存在,在钢水的凝固过程中包括了从液态到混合态再到固态的相变过程[5]。如果将很复杂的凝固过程中含有相变的传热问题转化为纯导热问题，使方程中只包括单一的温度变量，这样有利于问题的求解。对于方坯，采用直角坐标系，式(1)是本文推导出的连铸坯凝固传热过程的控制方程微分形式。它忽略了沿拉坯方向(即z方向)的传热，连铸坯传热过程从而可进一步简化为二维传热问题。

(1)

式(1)求解连铸坯凝固传热偏微分方程需要给出相应的初始条件和边界条件。

二维方程的初始条件为

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

(2)

式中Tc为浇注温度，即中间包钢水温度。

结晶器冷却边界条件：

(3)

式中：B0、B1为待定参数；x为铸坯表面到角部的距离；rx为x方向边长的一半。

二次冷却区边界条件为

(4)

式中：θ表示铸坯表面与冷却水之间的传热系数；i表示冷却段号；Tw、Tair分别表示水温、环境空气温度；ε为铸坯黑度；σ为斯蒂芬-波尔茨曼常数。

2.2 连铸坯凝固传热模型的求解

由于上面的连铸坯凝固传热模型物性参数的非线性和边界条件的复杂性，很难得到它的解析解，因此本文通过采用数值计算方法对该模型进行求解。对于连铸凝固传热模型，常用数值求解方法包括有限差分法、有限容积法及有限元法。从计算精度和计算实时性综合考虑，本文采用的是有限容积法对凝固传热模型的离散化求解。对于方坯，考虑到其对称性，因此取其1/4断面进行求解计算，图2是对方坯计算区域进行网格划分的示意图。

对于式(1)，通过对控制容积进行积分得到相应的离散方程：

(5)

图2 有限容积法单元

经过离散化后得到方程组，然后采用交叉隐式算法(alternating direction implicit algorithm，ADI)对其进行求解计算，本文采用的是Peaceman-Rachford ADI 格式进行求解计算，将二维隐式问题转化为两个串联的一维隐式问题，从而得到式(6)。

(6)

对于这个一维的隐式问题，本文采用三对角阵算法(tridiagonalmatrixalgorithm，TDMA)进行求解计算。

2.3 连铸坯凝固传热模型的计算结果分析

为了实现在线仿真的应用，连铸坯凝固传热模型应该同时满足计算精度和实时性的两方面要求，计算精度本文设置为3℃，实时性要求凝固传热模型的计算时间必须小于控制周期(在控制周期内要完成读取PLC控制系统的数据，并且使传热模型完成相应的计算)，控制周期本文设置为1s。而这两个方面受到切片距离和网格划分的影响，本文从切片距离和网格划分来分析。

2.3.1 切片距离变化计算精度和实时性的结果分析

当切片距离由0.01变化为0.1的时候，1区末、2区末、3区末、4区末的温度满足精度要求，本次计算时间随着切片距离的增大而减小，如表1所示。

表1 切片距离变化计算结果 ℃

2.3.2 网格划分数量变化计算精度和实时性的结果分析

当网格划分数量由40×40变化为160×160的时候，1区末、2区末、3区末、4区末的温度满足精度要求，本次计算时间随着网格划分数量的增加而增加，如表2所示。

表2 网格划分数量变化计算结果 ℃

对以上结果分析综合考虑，本文选择切片距离为0.01，网格划分数量选择40×40进行在线仿真。本仿真系统中要完成上位机模拟连铸软件(即利用VB.NET编写的运行在上位机上的软件)和PLC控制系统的数据读取工作，由于各个生产厂商之间互相没有一个统一的标准，相互之间互不兼容，导致了上位机和PLC之间的通讯存在一定的问题。在这种情况之下，OPC规范便产生了[6]。本文利用KepServerEX 软件作为OPC服务器，完成上位机模拟连铸软件和PLC控制系统的数据读取工作，从而实现连铸坯凝固传热系统在线仿真。OPC技术的主要有以下优点:1)快速的数据传输性能;2)基于分布式COM的安全性管理机制;3)开发成本低;4)实现具备柔软性功能高的系统;5)实现具备可靠性高的系统。近些年来,OPC技术出现在国内各种工业过程控制系统中，已经有了比较广泛的应用[7]。

3 连铸坯凝固传热在线仿真系统实现

3.1 KepServer 的配置

KepServerEX 软件是现如今比较高效的 OPC 服务器之一，也是一款基于OPC 技术的自动化控制方案实现软件,它能够支持多种不同的通信协议,已经被应用于各种分布式自动控制系统当中去。它采用了先进的驱动程序插件式的结构，在一个服务器中又同时嵌入了多种不同的通信协议。KepServer 能够实现对于不同种类 PLC 系统之间的OPC 通信，而且能够对数据项做到很详细的组态，实现由 KepServer 服务到 PLC 系统间的数据交换。本文设计主要西门子公司的 S7-400 系列 PLC，采取 TCP/IP 网络通信协议。配置 KepServer 是与 PLC 通信的一个很重要的步骤，主要目的就 是 在 KepServer 中 建 立 一 个 OPC Server，为OPC 客户端和需要读取 PLC 地址位之间建立连接关系[8]。OPC的服务器主要由3类对象组成：服务器(Server)、组(Group)、数据项(Item)[9],这就相当于3个层次上的接口，这里主要需要的设置项有通道、设备参数和需要采集的数据标签。OPC的最终配置图如图3所示，标签与变量之间对应关系如表3所示。

图3 OPC配置图

3.2 上位机模拟连铸软件读取PLC控制系统软件的实现

在 VB.Net 新建项目之后，需要在菜单项目->添加引用对话框COM 组件中添加 OPC DA Automation Wrapper 2.02，添加之后才可以在VB.NET当中使用 OPC。然后通过编写客户端程序来实对服务器数据的操作。

表3 标签与变量之间对应关系

在VB.NET 环境中,编写通信程序,主要有以下 4个主要的任务要做:声明变量、连接 OPC 服务器、数据的读取、断开连接。

在完成了KepServer 的配置和VB.Net的编程操作之后，可以对连铸坯凝固传热过程仿真系统进行在线模拟仿真。

3.3 在线仿真过程及仿真结果

首先由触摸屏模拟产生温度和拉速，通过西门子MPI标准适配器和RS232完成触摸屏与S7-400的通信，将中间包温度和拉速输出到PLC的DB100块中，并且由PLC计算出1区水量、2区水量、3区水量、4区水量，同时运行在上位机模拟连铸软件(即利用VB.NET编写的运行在上位机上的软件)，基于 OPC 技术实现上位机通过以太网与 PLC 进行数据读取，读取PLC中DB100块中的温度和拉速，1区水量、2区水量、3区水量、4区水量等参数，通过模拟计算出结果，主要包括1区末温度、2区末温度、3区末温度、4区末温度，矫直点温度，出结晶器坯壳厚度，液芯长度，液相深度，末搅坯壳厚度等参数，并且实时绘制出凝固过程曲线(表面中心温度、内部中心温度、凝固坯壳厚度厚度)，从而完成了整个连铸坯凝固传热过程的在线仿真，仿真结果如图4所示。

图4 仿真结果图

4 结束语

搭建了连铸坯凝固传热过程仿真系统，建立了连铸坯的凝固传热过程模型，利用KepServerEX 软件作为OPC服务器，设置了OPC的相关参数，完成了上位机模拟连铸软件与PLC之间的数据读取工作，实现了连铸坯凝固传热过程的在线仿真，仿真结果表明该仿真系统运行可靠，计算精度及实时性满足要求。

[1]陈登福,孙明月,冯科,等.方坯连铸二次冷却数值仿真商用软件[J].重庆大学学报,2004,27(9):67-71.

[2]高德欣,张文武,杨清.利用OPC实现WINCC与监控系统的动态数据交换[J].中国海洋大学学报,2006,36(4):677-680.

[3]张晓杰,纪振平,汪灿容.基于 OPC 技术的二级配水系统的数据交换[J].微计算机信息,2008,24(6):301-303.

[4]刘 敏.KEPServer 在 PLC 和 VB.NET 通讯中的应用[J].大众科技,2012,14(7):42-45.

[5]次英,谢植,张华.中间包钢水连续测温的新方法[J].东北大学学报:自然科学版,2004,25(5):71-74.

[6]林萍.基于OPC接口技术的方坯连铸过程仿真[J].中国西部科技,2011,10(21):18-19,28.

[7]张 志,杜亚江,朱德桥.基于OPC技术的上位监控机与PLC的通信程序设计[J].兰州交通大学学报,2009,28(3):55-57.

[8]乔晓飞.基于OPC技术的炼钢实时数据监视系统的开发应用[J].自动化应用,2013,1(4):74-76.

[9]Hong Xu,Jianhua Wang.An extendable data engine based on OPC specification[J].Computer Standards and Interfaces,2004,26(6):515-525.

(责任编辑：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

国家自然科学基金资助项目(61273178)

纪振平(1964—),男,教授,博士,研究方向：复杂工业过程控制及监控。

1003-1251(2017)02-0001-04

TP277

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