0 引言

　　廢金屬破碎生產(chǎn)線主要用于破碎廢舊汽車、家電等鋼鐵材料制品使之成為上等的制鋼原料。廢金屬破碎生產(chǎn)線主要由廢料輸送機(jī)構(gòu)、破碎主機(jī)系統(tǒng)、破碎料輸送分選機(jī)構(gòu)及生產(chǎn)線除塵、噴淋系統(tǒng)組成，集傳感器、執(zhí)行器與控制器于一體，是典型的機(jī)電一體化設(shè)備。

　　在廢金屬破碎生產(chǎn)線監(jiān)控技術(shù)方面，國內(nèi)同濟(jì)大學(xué)的林桂娟等學(xué)者研究了基于CC-Link總線的廢金屬破碎生產(chǎn)線監(jiān)控技術(shù)，開發(fā)了基于CCLink的監(jiān)控系統(tǒng)，其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線的遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷；江蘇某公司的季宏斌等多位工程師研究了基于Profibus-DP總線的監(jiān)控技術(shù)，提出了用模糊控制思想實(shí)現(xiàn)破碎機(jī)的自動加料控制[2]。國外廢金屬破碎技術(shù)以美國紐維爾公司為代表，其在破碎線監(jiān)控技術(shù)方面開發(fā)了“Smart ShreddingSystem”，實(shí)現(xiàn)了廢金屬破碎線的智能監(jiān)控，在進(jìn)料負(fù)荷上達(dá)到了毫秒級的控制。與國外技術(shù)相比，國內(nèi)在廢金屬破碎生產(chǎn)線監(jiān)控技術(shù)方面的研究還有較大差距，特別是在生產(chǎn)線負(fù)荷平衡方面。因此，本系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線可靠控制的同時，重點(diǎn)研究了生產(chǎn)線負(fù)荷平衡控制方法。

1 廢金屬破碎生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)與原理

　　廢金屬破碎生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括廢料輸送設(shè)備、破碎主機(jī)、分選設(shè)備和輔助設(shè)備，廢金屬原料經(jīng)“給料、破碎、壓實(shí)、分類”四步完成金屬原料的破碎回收。生產(chǎn)線運(yùn)行過程中，廢金屬原料由機(jī)械抓舉臂放入鏈板輸送機(jī)，經(jīng)鏈板輸送機(jī)送至壓輥進(jìn)料機(jī)處，經(jīng)壓輥擠壓后進(jìn)入破碎主機(jī)，物料被擠壓破碎后經(jīng)主機(jī)格柵拋出，未破碎的物料撞擊格柵和反擊板，被反復(fù)壓實(shí)破碎直到破碎物料穿過格柵，由破碎主機(jī)出來的破碎物料，經(jīng)振動輸送機(jī)、皮帶輸送機(jī)、磁力分選系統(tǒng)把鐵金屬與有色金屬和非金屬分離，并由各自輸送機(jī)歸堆。

圖1 廢金屬破碎生產(chǎn)線結(jié)構(gòu) 

2 廢金屬破碎生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

　　2.1 廢金屬破碎生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)要求

　　廢金屬破碎生產(chǎn)線主要特點(diǎn)有：1) 占地面積廣，設(shè)備種類多且多為大型設(shè)備，設(shè)備安裝位置分散 ；2) 大功率設(shè)備多，大功率設(shè)備啟停過程較長；3) 生產(chǎn)原料種類復(fù)雜，在主機(jī)內(nèi)部進(jìn)行處理耗時不穩(wěn)定；4) 破碎主機(jī)工作噪聲大，環(huán)境差，有危險性。

　　廢金屬破碎生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)主要目的是提高生產(chǎn)線運(yùn)行的自動化智能化水平，提高生產(chǎn)效率，提高生產(chǎn)線運(yùn)行的可靠性，減輕工人工作強(qiáng)度。針對廢金屬破碎生產(chǎn)線的工藝特點(diǎn)，監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)滿足：1)對生產(chǎn)線設(shè)備運(yùn)行的可靠控制，達(dá)到秒級即能滿足生產(chǎn)控制要求；2)對生產(chǎn)線設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲；3)除需要人工干預(yù)的機(jī)械抓舉臂，其余設(shè)備應(yīng)能實(shí)現(xiàn)自動運(yùn)行控制；4)實(shí)現(xiàn)破碎主機(jī)系統(tǒng)負(fù)荷平衡智能控制；5)由于生產(chǎn)線輸送設(shè)備可能進(jìn)行調(diào)整，系統(tǒng)應(yīng)具有較好的擴(kuò)展性與適應(yīng)性。

　　2.2 廢金屬破碎生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　Profibus是一種不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速度在9.6Kb/s-12Mb/s之間可選，其中Profibus-DP是專為工廠自動化控制與設(shè)備分散I/O之間通信而設(shè)計(jì)的，用于分布式控制系統(tǒng)設(shè)備間的高速數(shù)據(jù)傳輸。Profinet是Profibus國際組織推出的一種應(yīng)用于自動化的開放性實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng), 允許時鐘周期在 100 m s 量級至1ms量級之間變換, 可滿足不同的工業(yè)現(xiàn)場要求。

　　分布式控制系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、管理、分散控制的控制技術(shù)，具有控制能力強(qiáng)、可靠性高、適應(yīng)性擴(kuò)展性好等特點(diǎn)。PLC是工業(yè)控制系統(tǒng)中最常用的控制器，采用了多種硬件和軟件抗干擾措施，具有很高的抗干擾性能，可靠性高，且硬件配套全面能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)線各種電器的控制及設(shè)備監(jiān)測，采用PLC的分布式控制系統(tǒng)，能充分滿足生產(chǎn)線的監(jiān)控需求。

　　廢金屬破碎生產(chǎn)線分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示， 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為三層，第一層為西門子遠(yuǎn)程I/O從站，作為數(shù)據(jù)采集與設(shè)備控制終端設(shè)備，采用Profibus-DP總線技術(shù)與PLC主機(jī)進(jìn)行通信連接；中間層由PLC主機(jī)、現(xiàn)場上位機(jī)PC服務(wù)器和觸摸屏組成，觸摸屏與PLC主機(jī)通過Profibus-DP總線連接，提供生產(chǎn)線現(xiàn)場控制、顯示生產(chǎn)線運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)、報(bào)警記錄等；現(xiàn)場上位機(jī)PC服務(wù)器通過工業(yè)以太網(wǎng)Profinet與PLC主機(jī)連接，完成生產(chǎn)線運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲記錄，提供遠(yuǎn)程服務(wù)等。第三層為系統(tǒng)管理層，通過遠(yuǎn)程PC客戶端可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的遠(yuǎn)程監(jiān)控及生產(chǎn)管理工作。

圖2 廢金屬破碎生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　2.3 廢金屬破碎生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)通訊系統(tǒng)

　　廢金屬破碎生產(chǎn)線分布式監(jiān)控系統(tǒng)通訊采用了Profibus和Profinet兩種總線技術(shù)。在觸摸屏與PLC主機(jī)以及PLC主機(jī)與分布從站之間采用Profibus總線連接，現(xiàn)場PC機(jī)服務(wù)器和PLC主機(jī)之間采用Profinet總線連接。

　　監(jiān)控系統(tǒng)Profibus總線技術(shù)采用Profibus-DP通信協(xié)議，該協(xié)議用于分布式控制系統(tǒng)設(shè)備間數(shù)據(jù)的高速傳輸，是專為自動控制系統(tǒng)與設(shè)備級I/O之間的通信而設(shè)計(jì)。在監(jiān)控系統(tǒng)中從站采用西門子IM 153-1接口模塊通過RS485聯(lián)接線實(shí)現(xiàn)與PLC主站之間的通訊。

　　Profinet是基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的總線標(biāo)準(zhǔn)，可以完全兼容工業(yè)以太網(wǎng)和已有現(xiàn)場總線技術(shù)，在分布式控制系統(tǒng)中采用Profinet實(shí)時通信，其時鐘周期達(dá)到10ms量級，能夠滿足生產(chǎn)線的監(jiān)控要求。在現(xiàn)場PC上位機(jī)服務(wù)器上安裝CP1613工業(yè)通訊處理器，與PLC之間通過以太網(wǎng)線纜聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與PLC主機(jī)之間的Profinet通信。

　　2.4 監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

　　為保障廢金屬破碎生產(chǎn)線的可靠高效運(yùn)行，監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對生產(chǎn)線設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時可靠控制，對設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時監(jiān)測，對生產(chǎn)線關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)能進(jìn)行實(shí)時調(diào)控。廢金屬破碎生產(chǎn)線正常運(yùn)行時除機(jī)械抓舉臂由工作人員控制外其余均由PLC自動控制，運(yùn)行過程中PLC實(shí)時采集生產(chǎn)線設(shè)備運(yùn)行關(guān)鍵數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳送到現(xiàn)場及遠(yuǎn)程監(jiān)控可視端，為操作人員提供實(shí)時可靠的生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)，現(xiàn)場操作系統(tǒng)主界面如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場操作系統(tǒng)主界面

3 廢金屬破碎生產(chǎn)線破碎主機(jī)負(fù)荷平衡問題研究

　　主機(jī)負(fù)荷不平衡問題出現(xiàn)的主要原因是廢金屬原料來源復(fù)雜，且加料過程由人工操縱加料機(jī)械臂完成，很難保證進(jìn)料量的穩(wěn)定。當(dāng)加料增加時，主機(jī)處理負(fù)載增大，可能出現(xiàn)主機(jī)過載情況，產(chǎn)生安全隱患；如果加料減少則可以保證主機(jī)不出現(xiàn)過載情況，但是會影響生產(chǎn)線效率，增加生產(chǎn)成本。

　　通過分析廢金屬破碎生產(chǎn)線工藝流程，發(fā)現(xiàn)主機(jī)負(fù)荷平衡狀態(tài)與鏈板輸送機(jī)輸送速度和雙壓輥進(jìn)料機(jī)進(jìn)料速度直接相關(guān)，為調(diào)節(jié)主機(jī)負(fù)荷平衡狀態(tài)，作者采用模糊PID控制算法對鏈板輸送機(jī)速度和雙壓輥進(jìn)料機(jī)進(jìn)料速度進(jìn)行雙閉環(huán)控制。PID控制具有簡單、方便、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，是廣泛應(yīng)用的一種控制方式，其控制性能取決于比例、積分、微分三個參數(shù)的設(shè)置，對于時變復(fù)雜的系統(tǒng)，參數(shù)在線調(diào)整困難，適應(yīng)性差，模糊控制對被控對象模型精度要求不高且魯棒性高解耦性強(qiáng)，能對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行簡單有效控制，但由于缺少積分控制過程，很難消除靜態(tài)誤差。 模糊PID控制將模糊理論與PID技術(shù)相結(jié)合，既具有模糊控制靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，又具有PID控制穩(wěn)定性好、精度高的特點(diǎn)，對復(fù)雜時變的控制系統(tǒng)具有良好的控制效果，改善了非線性系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)特性。

　　主機(jī)負(fù)荷平衡系統(tǒng)，以控制物料進(jìn)給量為目標(biāo)，調(diào)節(jié)鏈板輸送機(jī)和壓輥進(jìn)料機(jī)進(jìn)料速度；通過主機(jī)產(chǎn)能計(jì)算鏈板輸送機(jī)單位時間內(nèi)的進(jìn)料量，根據(jù)單位時間內(nèi)進(jìn)料量與鏈板輸送機(jī)安裝角度計(jì)算出輸送電機(jī)轉(zhuǎn)矩，設(shè)定轉(zhuǎn)矩波動調(diào)節(jié)范圍，以轉(zhuǎn)矩誤差e及誤差變化率ec為模糊控制器輸入變量，調(diào)節(jié)PID輸入?yún)��?shù)變化量ΔKp 、i ΔK 、d ΔK ，對鏈板輸送機(jī)速度及壓輥進(jìn)料機(jī)速度進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)物料進(jìn)料量，主機(jī)負(fù)荷平衡系統(tǒng)控制原理如圖4所示。

圖4 負(fù)荷平衡控制原理圖

4 結(jié)論

　　基于PLC的廢金屬破碎生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)，作者應(yīng)用Profibus及Profinet總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了廢金屬破碎生產(chǎn)線的可靠監(jiān)控，采用Profinet的實(shí)時通信也為Profinet總線技術(shù)在其他領(lǐng)域應(yīng)用提供了應(yīng)用實(shí)例，提出了廢金屬破碎主機(jī)負(fù)荷平衡的解決方案，有效的改善了破碎主機(jī)負(fù)荷平衡問題。系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行表明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，提高了廢金屬破碎生產(chǎn)線的自動化運(yùn)行水平，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。 

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本文標(biāo)題：基于PLC的廢金屬破碎生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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