论文基于以太网和OPC技术的粉尘着火温度测定系统.docx
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论文基于以太网和OPC技术的粉尘着火温度测定系统
基于以太网和OPC技术的粉尘着火温度测定系统
DustIgnitionTemperatureTestSystemBasedonEthernetandOPCTechnology
毕业设计（论文）任务书
毕业设计（论文）题目：
基于以太网和OPC技术的粉尘着火温度测定系统
基本内容：
（1）加工粉尘层和粉尘云测试炉，实现控制系统和恒温炉一体化并采用PLC自动控温、计算机自动记录实验数据；
（2）用MicrosoftVisualStudio.Net2008编写着火温度测试系统软件；
（3）粉尘最低着火温度测试系统的调试。
毕业设计（论文）专题部分：
题目：
基本内容：
学生接受毕业设计（论文）题目日期
第5周
指导教师签字：
2010年 3月 31日
摘要
工业粉尘爆炸始终是可燃粉体生产过程的威胁，给人民财产和生命造成损失，还严重污染环境。
粉尘最低着火温度包括粉尘层最低着火温度和粉尘云最低着火温度。
粉尘最低着火温度是防爆电气设备选型和确定现场热设备温度限值的重要参数，对防止粉尘的着火和爆炸有重要意义。
测定粉尘着火温度的标准主要有国际低昂委员会标准IEC61241-2-1、美国材料与试验协会标准ASTME2021和ASTME1491标准、以及我国的国家标准GB/T16430和GB/T16429。
根据以上标准设计制造了粉尘层着火温度测试热板炉和粉尘云着火温度测试炉，并编写了相应的控制和数据采集软件。
使用K型热电偶测温。
用可编程逻辑控制器（PLC）和可控硅，通过PID算法进行自动温度控制。
用MicrosoftVisualC#.Net2008为平台编写了粉尘着火温度测试软件。
通过计算机和PLC之间的以太网实现实验数据的自动记录，并可以实现远程控制。
用TeeChart图形控件实现温度实时曲线和历史曲线的显示、图形存储与打印。
实验表明，两台测试装置均符合相关IEC标准、ASTM标准和国家标准，温控精度及设备稳定性能良好。
关键词：
粉尘爆炸，最低着火温度，测试，控制，数据采集
Abstract
IndustrialExplosionsarealwaysthreatenstocombustiblepowderprocesses,whichbringdamagestopropertiesandpeople,andenvironmentalpollution.
Minimumignitiontemperature（MIT）includesminimumignitiontemperatureofdustlayer（MITL）andminimumignitiontemperatureofdustcloud（MITC）.MITisanimportantparameterforselectionofdustignitionproofelectricalapparatusanddeterminationofmaximumallowablesurfacetemperatureofheatdevices,whichisessentialforpreventionoffireandexplosions.
ThestandardsfordeterminationMITareInternationalElectricalCommissionStandardIEC61241-2-1,AmericanSocietyforTestingandMaterialstandardsASTME2021andASTME1491andChineseNationalStandardsGB/T16430andGB/T16429.Accordingtoabovementionedstandards,ahotplateapparatusformeasurementofMITLandafurnaceformeasurementofMITCweredesignedandmanufactured,andthecorrespondingcontrolanddataacquisitionsystemweredeveloped.TypeKthermalcoupleswereusetomeasuretemperatures.ProgrammableLogicController（PLC）andSiliconControllableRectifier（SCR）wereusedtocontrolthetemperatures,byPIDalgorithm..
ThesoftwareformeasurementofMITwasdevelopedbyMicrosoftVisualC#.Net.DataacquisitionandremotecontrolwererealizedbyEthernetbetweenpersonalcomputerandPLC.TeeChartgraphicscontrolwasusedforthevisualization,graphicsexportingandprintingofreal-timetemperaturecurvesandhistoricaltemperaturecurves.
Experimentsshowedthat,thedevelopedsystemagreedwithrelatedIEC,ASTMandGBstandardsintheaspectsofaccuracyandreliability.
Keywords：
dustexplosion，minimumignitiontemperature，measurement，control，dataacquisition
目录
摘要I
AbstractII
第一章绪 论1
1.1课题背景及国内外研究现状1
1.1.1粉尘爆炸及其相关研究概述1
1.1.2粉尘爆炸的机理和特点2
1.1.3粉尘爆炸危险场所的划分及温度组别的确定3
1.2粉尘着火温度及防爆电气设备选型4
1.2.1粉尘着火温度与粉尘爆炸的关系4
1.2.2粉尘外壳允许最高表温度5
1.2.3防爆电气设备如何选型5
1.2.4粉尘着火温度的测定方法5
1.3OPC通讯技术7
1.3.1什么是OPC7
1.3.2OPC通讯原理8
1.3.3OPC规范介绍9
1.3.4采用OPC规范设计系统的好处10
1.3.5OPC技术在工业控制领域的应用11
1.4研究目的和现实意义12
1.5本论文工作14
第二章粉尘着火温度测试硬件设计15
2.1总体设计15
2.1.1粉尘层着火温度测试炉15
2.1.2粉尘云着火温度测试炉15
2.2机械设计16
2.2.1粉尘层着火温度测试炉16
2.2.2粉尘云着火温度测试炉17
2.3控制设计19
2.3.1热电偶19
2.3.2可编程逻辑控制器21
2.3.3固态继电器31
2.3.4触摸屏33
2.3.5可控硅模块36
第三章粉尘着火温度数据采集系统设计40
3.1欧姆龙PLC的OPC通讯40
3.2温度实时曲线的显示40
3.2.1软件功能40
3.2.2数据采集与控制42
3.2.3绘图43
第四章粉尘着火温度测试44
4.1粉尘层着火温度测试44
4.2粉尘云着火温度测试45
4.3实验设备测试45
第五章结论50
参考文献51
结束语53
附录54
第一章绪 论
1.1课题背景及国内外研究现状
1.1.1粉尘爆炸及其相关研究概述
在工业生产中，爆炸事故时有发生。
粉尘爆炸的发生严重危及着人类生命和生产安全，造成巨大的人员伤亡和财产损失并恶化环境。
由于粉尘爆炸（如煤粉、粮食粉尘等）比气相爆炸现象要复杂得多，因此，人们对它的认识经历了一个相当长的历史过程。
历史上第一次有记载的粉尘爆炸事故，是在1785年12月14日，发生于意大利都灵（Turin）面粉厂，爆炸使得仓储楼遭受严重破坏[1,2]。
在1844年，Faradell与Lyell发现在煤矿爆炸事故中，煤粉的爆炸大大增加了甲烷空气的爆炸威力。
但各国大量有关粉尘爆炸的实验研究的兴起，还是在20世纪初期1906年法国Courriers矿爆炸1096人死亡之后。
人们在生产和事故中认识到很多粉尘都能引起爆炸，因此，很自然就会想要知道各种粉尘的爆炸的性质及其相对危险性的比较[3]。
但最早进行系统研究的还首推美国，由Nagy和Verakis[4]所著的《粉尘爆炸的发展与控制》一书，详细叙述了美国矿山局近百年来对粉尘爆炸的研究。
它对粉尘爆炸的研究方法、装置、粉尘点火、压力发展及防止爆炸都作了详尽的介绍。
继美国之后，英国、法国、德国、日本、挪威以及许多其他欧洲国家也相继开展了这方面的研究。
研究领域涉及染料、药物、粮食、饮料、金属、塑料、织物、木材等粉尘。
而我国开展这方面的研究则是在20世纪70、80年代数次恶性爆炸事故之后[5]。
例如：
1978年12月12日，东北某轻合金加工厂工人用铝线绑着碎布反复清除除尘器排气管内壁粘着的镁粉，使粉尘大量悬浮在空气中，由于在清理活动中管壁撞击钢制隔板产生火花，引发了镁粉粉尘爆炸，当场炸死5人，重伤2人，432m2厂房全部炸毁，直接损失22万元[6]。
1987年3月15日哈尔滨亚麻厂发生的粉尘大爆炸事故，损毁厂房1.3万平方米，职工伤亡253人，其中死亡8人，重伤5人，轻伤112人，直接经济损失1014万元。
近年来有关粉尘爆炸方面的研究也取得了长足的发展。
粉尘爆炸点火源是粉尘爆炸发生的必要条件，实际工业过程中引起爆炸的点火源是不同的。
据统计[1]，粉尘爆炸的点火方式按事故发生频率多少依次排序为：
冲击或摩擦、静电火花、熔接或熔断火花、自燃火花、原因不明、明火、金属过热、电气设备及其它（见表1.1）。
表1.1各类点火源引发的粉尘爆炸事故统计[6]
点火源
次数
所占比例（%）
机械火花
61
29.19
静电火花
37
17.70
熔接或熔断火花
25
1.96
自燃火花
23
11.00
原因不明
21
10.05
明火
14
6.70
金属过热
10
4.78
电气设备
10
4.78
其他
8
3.83
总计
209
100
根据我国的能源政策及燃料利用原则，现代锅炉广泛采用煤粉炉，因为煤粉炉的悬浮燃烧方式具有显著的优点：
可有效燃烧劣质煤（如无烟煤、褐煤）；燃烧着火前的准备阶段（即预热时间）较短，可提高炉膛温度与传热效率；机械不完全燃烧损失与排烟热损失较少；燃烧调节较方便，增减负荷的惰性小；燃烧迅速、完全。
但这些优点都建立在煤粉本身具有的分散性、悬浮性及易燃性等特点之上，而煤粉在大量制造及使用过程中容易发生自燃甚至闪爆，造成巨大的经济损失和人员伤亡，后果十分严重。
其自燃发生的主要原因来自以下两个方面：
一方面是由于煤粉的比表面能量过大，处在一种不稳定状态，因此便有一种转变为稳定状态的自发趋势，当其在设备上沉积并达到一定的厚度，受空气中氧的作用以及周围环境温度的影响，容易氧化，放出热量，而表面能的自行释放又加剧了热量的产生，因此当散热条件不好时，容易发生自燃[7]；另一方面，煤粉在生产和运输过程中产生飞扬，而当环境温度达到了煤粉的最低着火温度时，引起煤粉自燃并进一步发生闪爆。
这样的例子如：
乌鲁木齐石化公司化肥厂煤粉锅炉制粉系统爆炸[8]，朝阳电厂煤粉制粉系统爆炸[9]、晶华集团大坝有限责任公司磨煤机燃爆[10]等。
1.1.2粉尘爆炸的机理和特点
粉尘爆炸首先是粉尘粒子从点燃源获得能量后（热传导、热辐射）表面受热，另外粉尘粒子获得能量后内外相继受热而产生熔融和气化进发出炽热微小质子颗粒或火花，也形成粉尘的点火源。
而由于粉尘表面积大，与空气能够充分接触，加之粉尘层的存在，故粉尘粒子表面温度急剧上升，使粉尘粒子加速分解或气化，当与空气混合接触时即可形成气相点火，这样粉尘中既有气相也有固相，两相同时存在燃烧时更加剧烈。
当然，静电的积聚摩擦也形成点火源。
当粉尘浓度与空气混合达到爆炸下限时遇到点火源即可燃烧，在初始燃烧时，由于粉尘与空气混合较充分，粉尘即可爆炸，并以压力波的方式释放能量，所以常常把机械装置中的粉尘吹出来，把地面上的粉尘层吹起，形成了飞扬的粉尘云。
这些粉尘云再被初始的爆炸的灼热残余物瞬间再次点燃，接着发生第二次爆炸，同时可产生空气湍流。
这次爆炸由于把大量的沉积的粉尘再次吹起，其爆炸的威力比初始爆炸大得多。
粉尘的爆炸受到点火源的形成、最小点火能量和粉尘浓度等多种因素的影响，因此，粉尘爆炸是一个很复杂的过程。
1.1.3粉尘爆炸危险场所的划分及温度组别的确定
爆炸危险场所是根据爆炸性或可燃性粉尘环境出现的频度和持续时间而划分的。
根据我国标准GB12476.1—2000将粉尘爆炸危险场所划分为20区、21区、22区：
20区：
在正常运行过程中可燃性粉尘连续出现或经常出现，其数量足以形成可燃性粉尘与空气混合物和/或可能形成无法控制和极厚的粉尘层的场所及容器内部。
21区：
在正常运行过程中，可能出现粉尘数量足以形成可燃性粉尘与空气混合物但未划入20区的场所。
该区域包括，与充入或排放粉尘点直接相邻的场所、出现粉尘和正常操作情况下可能产生可燃浓度的可燃性粉尘与空气混合物的场所。
22区：
在异常条件下，可燃性粉尘云偶尔出现并且只是短时间存在、或可燃性粉尘偶尔出现堆积或可能存在粉尘层并且产生可燃性粉尘空气混合物的场所。
如果不能保证排除可燃性粉尘堆积或粉尘层时，则应划分为21区。
温度组别是根据爆炸性和可燃性粉尘的粉尘云的点燃温度和高温表面堆积粉尘层的点燃温度而确定的。
根据IEC标准，防爆电气设备最高表面温度不允许超过该粉尘云与空气爆炸性混合物点燃温度的2/3，防爆设备最高表面温度应低于粉尘层的粉尘闷燃温度75K，而粉尘闷燃温度在5mm的厚度测定的随着粉尘层厚度的加厚而温度随之增加。
为了安全则进一步降低设备表面的温度，粉尘层在金属外壳表面的厚度不应该曾经超过5mm，应经常清扫，见表1.2。
表1.2温度组别的确定
温度组别
点燃温度/℃
T1
T>450
T2
450≥T>300
T3
300≥T≥200
T4
200≥T≥135
T5
135≥T≥100
T6
100≥T>85
注：
确定粉尘温度组别时应取粉尘云的点燃温度和粉尘层的点燃温度两者中的低值
1.2粉尘着火温度及防爆电气设备选型
1.2.1粉尘着火温度与粉尘爆炸的关系
研究粉尘爆炸，确定危险程度，必须首先得到粉尘爆炸的特性参数。
以此作为依据，采取相应的措施使可能发生粉尘爆炸的几率降到最低。
粉尘爆炸是一个复杂的物理化学过程，它的机理尚未被人们完全了解，很多粉尘爆炸的特性参数还必须通过实验来测定。
粉尘爆炸特性参数一般包括[11-16]：
（a）爆炸上限及爆炸下限；
（b）最大爆炸压力及最大压力上升速率；
（c）爆炸指数；
（d）临界氧含量；
（e）粉尘层着火温度；
（f）粉尘云着火温度；
（g）最小点火能。
粉尘云着火温度和粉尘层最低着火温度都是粉尘爆炸中非常重要的特性参数，对研究和防止粉尘的燃烧、爆炸有重要意义。
粉尘层着火（粉尘层点火），是指受试粉尘层发生无焰燃烧或有焰燃烧，或其温度达450℃及以上，或其温升达到或超过热表面温度250℃时都视为着火。
粉尘云着火（粉尘云点火），是指由于能量传递的作用，空气中的粉尘云发生爆炸的初始现象。
1.2.2粉尘外壳允许最高表温度
防止粉尘点燃的主要因素之一就是限制粉尘外壳最高表面温度的形成，尽管用了“尘密”或“防尘”外壳的设备，有效的防止粉尘进人，避免电弧火花直接点燃粉尘，但电气元件发热是不可避免的。
必须限制该电气设备最高表面温度值范围，就能保证其安全性。
当然这就取决于粉尘的种类和粉尘的点燃温度及安全系数，因不同的物质有不同点燃温度，因此要求限制电气设备最高表面温度的范围也不同。
所以在安装、使用粉尘防爆电气设备时，尽可能减少粉尘泄漏与飞扬，以使粉尘在空气中的浓度下降，减少粉尘层的积聚，并经常清扫以降低闷燃温度，这些都是降低电气设备表面温度的有效措施，在使用过程中，如果要打开设备外壳，必须使内部元件温度低于设备最高表面温度，否则须在外壳上设警告牌，加以明示，以防元件表面高温引起点燃爆炸。
当然，对其它可能出现的火花、电弧、高温等因素，仍要采取措施，以降低粉尘爆炸的危险性。
1.2.3防爆电气设备如何选型
研究粉尘爆炸的目的，就是要制定相应的防护措施，防止粉尘爆炸的发生或尽量减轻粉尘爆炸所造成的危害，减小因粉尘爆炸给环境带来的负面影响。
粉尘着火温度就是选型的一个重要参考因素。
首先识别粉尘防爆的标志是DIP，类别为DT（DP）。
温度组别为T12～T13然后根据使用场所及温度来选型，在正常加工生产过程中，能够产生粉尘云或粉尘层的爆炸性和可燃性物质，当与空气混合达到一定浓度时，这种环境就必须选择“尘密型”的外壳，以使粉尘不得进人壳内。
因为壳内电气元件有可能产生电弧、火花点燃粉尘而形成爆炸。
当非导电性的哪怕是可燃性物质，用在无粉尘云和粉尘层出现的场所，就可选择“防尘型”的外壳。
而温度组别的确定就要按温度组别的原则来确定了。
比如：
铝粉末，其点燃温度是230℃，经计算后再加安全系数，电气设备的允许最高表面温度只能选择T12。
所以说，铝粉车间选择防爆电气设备就应选择DIPDTT12。
防爆电气设备确定后，安装和使用也是防止粉尘爆炸的重要一环，一定要按安装规范要求的有关条款去执行，才能保证防爆电气设备起到防爆作用。
1.2.4粉尘着火温度的测定方法
粉尘层最低着火温度的实验室测试，大多采用了美国矿务局的烘箱实验和德国的热板实验[17]，其中热板实验作为一种标准方法被国际电工委员会IEC（InternationalElectrotechnicalCommission）所采用[18]。
粉尘云最低着火温度的测试装置和测试方法，国外已研究了很多年。
从实验装置看，美、英等国一直采用垂直炉管的高德伯尔格－格瑞瓦尔德（Godbert-Greenwald，简称G-G炉）恒温炉进行测试粉尘云的最低着火温度[19,20]。
在德国，则采用的是水平炉管的BAM炉来测定[21]。
对于BAM恒温炉，由于炉管水平放置，实验中未燃粉尘颗粒在炉管底部沉积，受热后会产生比粉尘云更易着火的发烟气体，并以发烟气体延迟着火判定粉尘云点火，因此，BAM炉所测值一般略低于G-G炉测试结果。
IEC31H-WG2工作组认为G-G炉比较合理，并作了进一步的改进。
IEC规定，改进后的G-G炉将作为粉尘云的标准测试装置，IEC1241-2-1中作了详细规定。
一般认为G-G炉测出的结果能够很好的反映实际情况[17]。
IEC粉尘标准IEC61241-1-1（1990年第2版）中有关粉尘外壳A、B两种设计型式的并存，是为了照顾欧洲、北美两种标准体系的一种典型的协调结果。
由粉尘云和粉尘层的着火温度及确定的安全系数，得出暴露于可燃性粉尘环境中的设备表面最高允许温度。
对此IEC内部有两种不同的解决方法：
欧洲国家：
防尘方法采取适宜的防尘级别，并采用5mm厚粉尘层进行试验的着火温度。
采取这种设计型式的设备被称为A型设备。
北美国家：
设备采用类似于隔爆面的防尘设计方法，并采用12.5mm厚粉尘层进行试验的着火温度。
采取这种设计型式的设备被称为B型设备。
经过协调，最终同意：
对于A型设备，其75K的安全系数采用于5mm粉尘层的着火温度试验中；对于B型设备，其25K的安全系数采用于12.5mm粉尘层的着火温度试验中；对于粉尘云安全系数由粉尘云2/3的着火温度决定。
因此，对于任一种型式的设备，粉尘云或粉尘层的着火温度考虑安全系数后的较低值被视为暴露在粉尘中的该型设备允许的最高表面温度[22]。
我国的国家标准有《GB/T16430-1996粉尘层最低着火温度测定方法》和《GB/T16429-1996粉尘云最低着火温度测定方法》。
1.3OPC通讯技术
1.3.1什么是OPC
O是ObjectLinkingandEmbedding（OLE）ForProcessControl的缩写，它是微软公司的对象链接和嵌入在过程方面的应用。
由一些世界上占领先地位的系统和硬件、软件公司与微软（Microsoft）紧密合作而建立的，OPC会负责OPC规范的制定和发布。
OPC提出了一套统一的标准，采用CLIENT/SERVER，针对硬件设备的由硬件厂商或专门的公司完成，提供具有统一OPC的SERVER程序，软件厂商按照OPC标准访问SERVER程序，即可实现与硬件设备的通信。
OPC全称是OLEforProcessControl，它的出现为基于Windows的和现场过程控制应用建立了桥梁。
在过去，为了存取现场设备的数据信息，每一个应用商都需要编写专用的接口函数。
由于现场设备的种类繁多，且产品的不断升级，往往给用户和软件开发商带来了巨大的工作负担。
通常这样也不能满足工作的实际需要，商和开发商急切需要一种具有高效性、可靠性、开放性、可互操作性的即插即用的设备驱动程序。
在这种情况下，OPC标准应运而生。
OPC标准以微软公司的OLE技术为基础，它的制定是通过提供一套标准的OLE/C接口完成的，在中使用的是OLE2技术，OLE标准允许多台微机之间交换文档、图形等对象。
COM是ComponentObjectModel的缩写，是所有OLE的基础。
COM是一种为了实现与语言无关的对象而制定的标准，该标准将Windows下的对象定义为独立单元，可不受程序限制地访问这些单元。
这种标准可以使两个应用程序通过对象化接口，而不需要知道对方是如何创建的。
例如，用户可以使用C++语言创建一个Windows对象，它支持一个接口，通过该接口，用户可以访问该对象提供的各种功能，用户可以使用VisualBasic，C，Pascal，Smalltalk或其它语言编写对象访问程序。
在WindowsNT4.0下，COM规范扩展到可访问本机以外的其它对象，一个应用程序所使用的对象可分布在网络上，COM的这个扩展被称为（DistributedCOM）。
通过DCOM技术和OPC标准，完全可以创建一个开放的、可互操作的控制系统软件。
OPC采用客户/模式，把开发访问接口的任务放在硬件生产厂家或第三方厂家，以OPC服务器的形式提供给用户，解决了软、硬件厂商的矛盾，完成了系统的集成，提高了系统的开放性和可互操作性。
OPC服务器通常支持两种类型的访问接口，它们分别为不同的编程语言提供访问机制。
这两种接口是：
自动化接口（AutomationInterface）；自定义接口（Custominterface）。
自动化接口通常是为基于编程语言而定义的标准接口
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