基于Profibus-DP的廢鋼破碎線控制系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

季宏斌，劉培艷，楊曉敏，王向陽

（江蘇鼎豪再生資源設(shè)備有限公司，江蘇南通226002）

基于Profibus-DP的廢鋼破碎線控制系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

季宏斌，劉培艷，楊曉敏，王向陽

（江蘇鼎豪再生資源設(shè)備有限公司，江蘇南通226002）

江蘇鼎豪再生資源設(shè)備有限公司2012年成功開發(fā)了大型廢鋼破碎線，采用PLC并基于Profibus-DP總線構(gòu)成監(jiān)督控制與采集（SCADA）系統(tǒng)。用模糊控制思想實(shí)現(xiàn)了破碎機(jī)的自動加料控制，并采用組態(tài)軟件WINCC開發(fā)了操作、監(jiān)控界面，在控制室實(shí)現(xiàn)了對整條破碎生產(chǎn)線進(jìn)行控制與監(jiān)控。

廢鋼破碎線；Profibus-DP；監(jiān)督控制與采集；模糊控制；WINCC

廢鋼是鋼鐵生產(chǎn)、消費(fèi)中產(chǎn)生的可再生的原料資源。廢鋼作為鋼鐵生產(chǎn)所必需的資源，是唯一可替代鐵礦石的原料?！拌F鋼產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策”和“鋼鐵產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興計劃”都要求我國廢鋼產(chǎn)業(yè)樹立科學(xué)發(fā)展觀，向精品廢鋼轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)廢鋼精料入爐[1]。

廢鋼破碎生產(chǎn)線是當(dāng)今最先進(jìn)的廢鋼加工設(shè)備。經(jīng)過廢鋼破碎生產(chǎn)線加工處理的廢鋼是潔凈的優(yōu)質(zhì)鋼，其自然堆積密度為1.2～2.2 t/m3，是理想的煉鋼爐料。江蘇鼎豪再生資源設(shè)備有限公司（以下簡稱江蘇鼎豪）2010年開始自主研發(fā)廢鋼破碎生產(chǎn)線，并于2012年成功開發(fā)出1 500 kW的大型破碎線。

目前國內(nèi)生產(chǎn)的破碎線控制系統(tǒng)有兩個不足之處，一是采用PLC與各種傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用多個點(diǎn)對點(diǎn)控制，MPI通訊方式，使得控制系統(tǒng)布線復(fù)雜，維修維護(hù)費(fèi)用高，不能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的全部狀態(tài)監(jiān)控及網(wǎng)絡(luò)集中管理；二是采用人工調(diào)整方式控制破碎機(jī)的廢鋼處理量，當(dāng)進(jìn)入破碎機(jī)的廢鋼給料不均，往往造成破碎機(jī)負(fù)荷波動很大，表現(xiàn)為運(yùn)行電流大幅度擺動，且經(jīng)常處于超載狀態(tài)。這時要靠操作員憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作，首先停止上料輸送機(jī)送料，等破碎機(jī)容腔內(nèi)廢鋼料全部破碎后，電流穩(wěn)定，上料輸送機(jī)再動作，進(jìn)行喂料。當(dāng)有不可破碎物進(jìn)入破碎機(jī)腔內(nèi)時，只能停止電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，打開破碎機(jī)上蓋，清除不可破碎物，再進(jìn)行生產(chǎn)。因此人工調(diào)節(jié)無法準(zhǔn)確和動態(tài)地控制最佳下料量，整條破碎線會出現(xiàn)停停喂喂的低效率運(yùn)行狀態(tài)。

江蘇鼎豪生產(chǎn)的1 500 kW廢鋼破碎線的控制系統(tǒng)，基于Profibus-DP現(xiàn)場總線，采用SIEMENS S7-300系列PLC與ET200遠(yuǎn)程分布式I/O設(shè)備相結(jié)合的控制方式，使用一根總線完成對整個系統(tǒng)的信號采集、設(shè)備控制、故障診斷及數(shù)據(jù)管理，不但節(jié)省了大量電纜敷設(shè)，而且便于系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)；采用工控機(jī)利用組態(tài)軟件WINCC開發(fā)了操作、監(jiān)控、報警界面，實(shí)現(xiàn)了對整個控制系統(tǒng)的控制與監(jiān)控。江蘇鼎豪更是創(chuàng)新地利用模糊控制思想實(shí)現(xiàn)了破碎機(jī)的自動加料控制，可最佳地控制廢鋼進(jìn)料量，使破碎機(jī)內(nèi)的填充率達(dá)到最佳值，產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)最大化。

1 Profibus-DP的控制系統(tǒng)特點(diǎn)

現(xiàn)場總線作為當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動化領(lǐng)域的計算機(jī)局域網(wǎng)。其本質(zhì)是一種數(shù)字通訊協(xié)議，是連接現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、全分散、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通訊協(xié)議。

Profibus（Process Fieldbus）是一種國際化的、開放式的、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)廠商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。目前世界上許多自動化設(shè)備生產(chǎn)廠家都為它們生產(chǎn)的設(shè)備提供Profibus接口，Profibus是目前國際上推廣速度最快、用戶最多、應(yīng)用范圍最廣、最有發(fā)展前景的現(xiàn)場總線之一[2]。

根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)，Profibus可分為 Profibus-DP，Profibus-FM，Profibus-PA 3個兼容版本。Profibus-DP用于設(shè)備間的高速數(shù)據(jù)傳輸，中央控制器通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設(shè)備（如I/O、驅(qū)動器、閥門等）進(jìn)行通信；數(shù)據(jù)交換采用周期方式，允許構(gòu)成單主站和多主站系統(tǒng)，在一條總線上最大可以連接126個站點(diǎn)（主站和從站），系統(tǒng)傳輸速率可達(dá)12 Mbit/s；其DP從站是專門輸入和輸出信息采集發(fā)送的外圍設(shè)備。

2 基于Profibus-DP的廢鋼破碎線控制系統(tǒng)

2.1 破碎生產(chǎn)線工作原理及組成

破碎生產(chǎn)線的工作原理是破碎機(jī)在高速、大扭矩的高壓電機(jī)驅(qū)動下，主機(jī)轉(zhuǎn)子上的錘頭擊打進(jìn)入容腔內(nèi)的廢鋼，通過襯板與錘頭間形成的空隙，將待破碎物撕裂成合乎要求的破碎物，再在分選設(shè)備的作用下，得到純度較高的優(yōu)質(zhì)破碎鋼。廢鋼破碎線包括上料輸送機(jī)、喂料機(jī)、破碎機(jī)、分選除塵系統(tǒng)、磁選滾筒、輸送帶等，如圖1所示。

破碎線的工作流程是：由運(yùn)輸機(jī)械（如行車、落地吊、電磁吸盤、液壓抓斗等）將物料加載到上料輸送機(jī)上，物料經(jīng)提升，進(jìn)入雙滾筒喂料機(jī)，物料經(jīng)擠壓整形，能順利進(jìn)入破碎機(jī)。破碎機(jī)內(nèi)設(shè)有噴水口，噴出的水可避免塵揚(yáng)和降低錘頭溫度，對于大而厚、不可破碎的廢鋼經(jīng)過破碎機(jī)的排料門彈出?？善扑榈奈锪希?jīng)破碎后自柵格孔落入振動輸送帶上，然后送至出料輸送帶，再到磁選系統(tǒng)。在磁選系統(tǒng)中，破碎鋼被吸起送到堆料輸送帶上，其他物料經(jīng)磁選系統(tǒng)下的料斗落入非磁性物質(zhì)輸送帶上歸堆。堆料輸送機(jī)可圍繞固定軸心移動，破碎鋼可在一個較大扇形區(qū)域內(nèi)歸堆堆放。

2.2 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

廢鋼破碎線的控制系統(tǒng)根據(jù)集中管理分散控制的思想，將整個控制結(jié)構(gòu)分為中央控制室和5個現(xiàn)場控制站，并且控制室和5個現(xiàn)場控制站之間以PROFIBUS總線連成一個有線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場控制站1可實(shí)現(xiàn)下游電動機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的啟動、停止的控制，并且獲得下游設(shè)備動作狀態(tài)；現(xiàn)場控制站2實(shí)現(xiàn)潤滑液壓的控制，并監(jiān)控潤滑和液壓的溫度、流量、壓力等模擬量信號，并用于反饋控制；現(xiàn)場控制站3實(shí)現(xiàn)對除塵及噴淋系統(tǒng)控制并檢測運(yùn)行信號；現(xiàn)場控制站4實(shí)現(xiàn)對喂料機(jī)變頻器控制，監(jiān)控上料輸送機(jī)電流，電壓等信號；現(xiàn)場控制5對上料輸送機(jī)變頻器實(shí)現(xiàn)控制及檢測電流、電機(jī)頻率等模擬信號。

中央控制站采用西門子S7 300 PLC，CPU采用中檔的315-2DP，具有運(yùn)算速度快，資源豐富等優(yōu)點(diǎn)。計算機(jī)監(jiān)控軟件采用西門子WINCC，它具有畫面顯示、趨勢曲線、報警處理、報表處理、數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)上瀏覽等功能。整個自控系統(tǒng)體現(xiàn)了西門子全廠一體化的先進(jìn)自控理念，并且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完全符合現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3 控制網(wǎng)絡(luò)硬件實(shí)現(xiàn)

2.3.1 自動化系統(tǒng)的主要硬件配置

江蘇鼎豪廢鋼破碎線控制系統(tǒng)中，參照西門子公司提供的產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)，以S7-300系列中的CPU315-2DP實(shí)現(xiàn)控制功能，由于該系統(tǒng)模擬及數(shù)字輸入輸出量較多，采用接口模塊IM153-1，連接擴(kuò)展的信號模塊滿足系統(tǒng)要求，其中信號模塊包括若干數(shù)字量輸入模塊 SM321，數(shù)字量輸出模塊 SM322，模擬量輸入模塊SM331，采用4～20 mA電流輸入連接到傳感器上，采集系統(tǒng)模擬量數(shù)據(jù)。

為實(shí)現(xiàn)最佳加料控制系統(tǒng)，現(xiàn)場采用西門子MicroMaster440變頻器控制喂料機(jī)、上料輸送機(jī)。MMX440系列變頻器有Profibus通訊接口選件，可以通過此接口模塊實(shí)現(xiàn)變頻器設(shè)備與Profibus的數(shù)據(jù)交換。

2.3.2 自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)

利用上面提到的設(shè)備，使用標(biāo)準(zhǔn)的總線連接器（Connector）和標(biāo)準(zhǔn)的屏蔽雙絞線電纜，采用Profibus-DP的方式，將所有的設(shè)備相連接，其通訊速率最大可達(dá)1.5 Mbit/s。

CPU315-2DP作為整個系統(tǒng)的中央控制器（Master），PC Adapter連接PC與PLC，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)配置和對PLC編程的下載以及對設(shè)備的監(jiān)控功能。

PS307 2A的電源模塊，供給S7-300所需要的24VDC電源，另一個PS307 2A電源模塊供給ET200M及所連接的DI和AI，以及DO設(shè)備所需的24VDC電源。

SM321數(shù)字輸入（DI）模塊、SM331模擬量輸入（AI）模塊、數(shù)字量輸出（DO）模塊、SM322的數(shù)據(jù)都通過IM153-1模塊與總線交換數(shù)據(jù)。另外，就是變頻器通過Profibus通訊接口選件，與Profibus網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

2.4 自動化系統(tǒng)的軟件設(shè)計

該生產(chǎn)線控制內(nèi)容包括下游設(shè)備一鍵啟停，液壓與潤滑系統(tǒng)啟動與溫度檢測及反饋控制；信號檢測及報警處理程序；生產(chǎn)線過程控制；破碎機(jī)自動加料控制等。

2.4.1 控制對象概述

破碎機(jī)集各種傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)于一身，輸入輸出信號主要分成4類，分布在5個現(xiàn)場控制站上。

模擬量輸入：潤滑流量、液壓油溫、破碎機(jī)軸承溫度、破碎機(jī)轉(zhuǎn)速、破碎機(jī)電流、喂料機(jī)電流、上料輸送機(jī)電流等。

模擬量輸出：喂料機(jī)、上料輸送機(jī)的頻率調(diào)整信號。

數(shù)字量輸入：下游設(shè)備電機(jī)啟動運(yùn)行，運(yùn)行及故障反饋信號，手/自動選擇信號；各個閥門的手動開、關(guān)控制信號，故障反饋信號和手/自動選擇信號。

數(shù)字量輸出：下游設(shè)備電機(jī)的開、關(guān)、復(fù)位的輸出控制信號；各個閥門的開、關(guān)輸出控制信號；變頻器的啟動、復(fù)位控制信號等。

2.4.2 控制模式

2.4.2.1 遠(yuǎn)程控制

當(dāng)控制柜選擇開關(guān)被切換到遠(yuǎn)程控制后，操作人員可選擇自動或手動控制方式。在自動方式下，PLC可實(shí)現(xiàn)破碎線控制系統(tǒng)一鍵啟停、自動加料等功能。

2.4.2.2 就地控制

當(dāng)控制柜上選擇開關(guān)被切換到就地控制，控制中心的調(diào)度控制指令被封鎖，現(xiàn)場操作人員通過控制箱上手動按鈕啟動停止設(shè)備，控制箱提供基本控制聯(lián)鎖。

2.4.3 軟件實(shí)現(xiàn)

程序中編程采用STEP 7軟件。這套軟件不僅是一個簡單的程序編寫軟件，還集成了硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、系統(tǒng)調(diào)試、項(xiàng)目管理等各種功能，使項(xiàng)目的實(shí)施更加方便。在本控制系統(tǒng)的完成過程中，采用模塊化程序設(shè)計思想，主要進(jìn)行了以下幾部分的程序設(shè)計（圖3）。

FC1：開機(jī)運(yùn)行檢測信號處理及報警；

FC2：遠(yuǎn)程模式下，電機(jī)啟停；

FC3：模擬量處理程序；

FC4：就地控制模式下，下游電機(jī)動作；

FC5：遠(yuǎn)程模式下，破碎機(jī)自動加料程序；

FC6：就地模式下，破碎機(jī)開蓋、換錘動作；

編寫具體程序時首先要先用STEP7進(jìn)行硬件組態(tài)，組態(tài)結(jié)果圖略。

2.4.4 破碎機(jī)自動加料程序

破碎機(jī)自動加料程序是整個程序設(shè)計中的核心，也是江蘇鼎豪再生資源設(shè)備有限公司開發(fā)的廢鋼破碎線控制系統(tǒng)中的創(chuàng)新部分，填補(bǔ)了國內(nèi)破碎機(jī)的空白。

對于破碎機(jī)的自動控制系統(tǒng)，主要控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)破碎機(jī)的工作負(fù)荷穩(wěn)定，即控制驅(qū)動電動機(jī)的功率恒定。而影響破碎機(jī)電機(jī)功率可控的主要因素是破碎機(jī)的上料輸送機(jī)與喂料機(jī)。本系統(tǒng)主要是通過調(diào)整破碎機(jī)的給料量來控制電機(jī)恒功率狀態(tài)下工作。對于破碎機(jī)復(fù)雜的工況，采用常用的PID控制效果不佳，因此本系統(tǒng)采用模糊控制，系統(tǒng)的模糊控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

控制系統(tǒng)要求能自動調(diào)節(jié)上料輸送機(jī)、喂料機(jī)的頻率，能將破碎機(jī)主軸的電機(jī)功率、喂料機(jī)電流、上料輸送機(jī)頻率以及潤滑油溫等參數(shù)與電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行采集，并在現(xiàn)場及上位機(jī)監(jiān)控界面上顯示出來。

根據(jù)功率變送器檢測的主驅(qū)動電機(jī)功率，將功率信號轉(zhuǎn)換成電信號送至模糊控制器，模糊控制器由CPU315-2DP編程實(shí)現(xiàn)，將檢測的功率值與設(shè)定的功率值進(jìn)行比較，根據(jù)其差值及差值變化率，通過設(shè)計的模糊規(guī)則，推得一控制量，由該控制量控制變頻器，改變上料輸送機(jī)、喂料機(jī)的轉(zhuǎn)速，即實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)破碎機(jī)的給料量。從而調(diào)整破碎機(jī)的驅(qū)動電機(jī)功率，實(shí)現(xiàn)對破碎機(jī)恒功率控制。

3 WINCC在破碎線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

江蘇鼎豪破碎線控制系統(tǒng)的設(shè)計主要包括PLC控制系統(tǒng)部分，系統(tǒng)采集與執(zhí)行器控制部分以及上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)部分。

監(jiān)控系統(tǒng)采用工控機(jī)，能夠適應(yīng)破碎機(jī)惡劣的現(xiàn)場環(huán)境，監(jiān)控軟件采用西門子WINCC，SIMATIC WINCC是西門子公司提供的基于Windows操作系統(tǒng)的強(qiáng)大HMI/SCADA應(yīng)用軟件系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)它具有畫面顯示、趨勢曲線、報警處理、報表處理、數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)上瀏覽等功能[3]。

系統(tǒng)可對廢鋼破碎線下游設(shè)備操作及模擬量數(shù)據(jù)等實(shí)時檢測，對整條破碎線全狀態(tài)監(jiān)控并報警，并且生動直觀地反映在監(jiān)控界面上。

4 結(jié)束語

江蘇鼎豪再生資源有限公司研究開發(fā)的大型廢鋼破碎線的控制系統(tǒng)基于S7-300 PLC基礎(chǔ)上，采用Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)總線，采用WINCC開發(fā)了控制監(jiān)控軟件，很好地實(shí)現(xiàn)了對整個破碎生產(chǎn)線的控制與監(jiān)督功能；并且創(chuàng)新地開發(fā)了自動加料控制程序，克服了現(xiàn)有國產(chǎn)破碎機(jī)手動加料的弊端，大大地提高了廢鋼的破碎效率。

[1] 林加沖.我國大型廢鋼加工設(shè)備生產(chǎn)使用概括[J].資源再生，2010(12)：28-33.

[2] 陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.

[3] 甄立東.西門子WINCC V7基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

Design and implementation of scrap steel crushing production line based on Profibus-DP

JI Hongbin,LIU Peiyan,YANG Xiaomin,WANG Xiangyang
（Jiangsu Dinghao Recycling Equipment Co.,Ltd.，Nantong 226002,China）

Jiangsu Dinghao Recycling Equipment Co.,Ltd.successfully developed a large scrap steel crushing production line.A supervisory control and data acquisition (SCADA)system based on Profibus-DP and PLC is used to control the full chamber feed rate of the crusher.The automatic control of crushers was realized with fuzzy control thought,and the line could be controlled and monitored in the control room through the operation and monitoring interface which was developed by the software WINCC.

scrap steel crushing production line;Profibus-DP;supervisory control and data acquisition;fuzzy control;WINCC

X75；TH6

A

1674-0912（2012）06-0040-04

2012－05－08）

季宏斌（1969-），男，高級工程師，副總經(jīng)理，廢鋼破碎線項(xiàng)目總負(fù)責(zé)人，中國再生資源回收利用協(xié)會專家委員會委員。