基于S7-300PLC的鉛酸蓄電池破碎分選自動控制系統(tǒng)

胡宏秋，范偉，黃化賢，賀炳魁（湖南江冶機電科技股份有限公司，湖南 湘潭 411300）

基于S7-300PLC的鉛酸蓄電池破碎分選自動控制系統(tǒng)

胡宏秋，范偉，黃化賢，賀炳魁
（湖南江冶機電科技股份有限公司，湖南 湘潭 411300）

為了滿足廢舊鉛酸蓄電池破碎分選設備自動控制的要求，減少環(huán)境對操作人員的傷害，提高生產(chǎn)效益和工作效率，設計了基于西門子 S7-300 PLC 的鉛酸蓄電池破碎分選設備自動控制系統(tǒng)。本文介紹了西門子 S7-300 PLC、研華工控機、組態(tài)王在系統(tǒng)中的應用，包括系統(tǒng)硬件設計、軟件設計、上位機設計等。

S7-300PLC；IPC；工控機；組態(tài)王；鉛酸蓄電池；破碎分選設備

0　引言

隨著國家環(huán)保政策的不斷加強，近年來，國內廢舊鉛酸蓄電池傳統(tǒng)的手工拆解工藝正逐步被淘汰，取而代之的是自動化程度較高的自動破碎分選設備。國際上比較具有代表性的自動破碎分選系統(tǒng)有 3 種：俄羅斯的重介質分選技術、意大利的 CX破碎分選系統(tǒng)和美國的 M. A 破碎分選系統(tǒng)［1］。2013年以前，這類設備基本上是進口的，價格較高，售后服務也存在問題，因此，我們著力開發(fā)出自動化程度較高的國產(chǎn) JYPF10（年處理能力為 10 萬噸）型廢舊鉛酸蓄電池破碎分選成套設備。本文主要介紹了基于 S7-300PLC 的 JYPF10 自動控制系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)工藝流程

破碎分選系統(tǒng)要求把廢舊鉛酸蓄電池先破碎，然后分選成各類物料，控制系統(tǒng)按工藝流程要求進行控制，要求動作準確、性能可靠、環(huán)境安全。設備的工藝流程如圖1 所示，主要有 3 個流程段：上料、破碎和分選。

1.1上料

液壓抓斗行車把原料地坑內的廢舊鉛酸蓄電池抓送到振動給料機上方的料倉內，料倉下方的震動給料機（通過改變電機的頻率來確定給料速度，從而保證均勻送料）把蓄電池輸送至皮帶輸送機上，皮帶輸送機上物料進入破碎機入口。

1.2破碎

皮帶輸送機將廢舊鉛酸蓄電池輸送至破碎機內進行破碎，破碎機內有 4 組共 20 個錘頭對蓄電池進行捶打、研磨。當蓄電池碎片小于破碎機錘頭下方的篦條孔時，就會從篦條孔中掉下，進入一級振動篩進行清洗和分離。

1.3分選

在振動篩中，在振動和水流的雙重作用下，將鉛泥和固體物分離，鉛泥流入沉淀池（通過攪拌、壓濾形成鉛膏），固體物進入水力分離器。在水力分離器中，在氣流和水流的雙重作用下，固體物按密度大小進行分離。最后，將蓄電池分選為鉛膏、鉛柵、重塑料、聚丙烯四類產(chǎn)品。

2　系統(tǒng)設計

對于工業(yè)領域或其它領域的被控對象來說，電氣控制的目的是在滿足其生產(chǎn)工藝要求的情況下，最大限度地提高生產(chǎn)效率的產(chǎn)品質量，為達到此目的，控制系統(tǒng)設計時應遵循以下原則：

① 最大限度地滿足被控對象的要求；

② 在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單；

③ 保證系統(tǒng)安全可靠；

④ 考慮生產(chǎn)發(fā)展和工藝改進的要求，在選型時應留有適當余量［2］。

為了圓滿地完成上面所述工藝流程，自動破碎分選廢舊鉛酸蓄電池，在設計前，我們認真地研究了意大利的 CX 破碎分選系統(tǒng)，吸取了它的優(yōu)點（系統(tǒng)結構等），改善了它的不足之處（自適應控制、動態(tài)界面等）。系統(tǒng)設計包括硬件設計和軟件設計兩部分。硬件設計主要內容是系統(tǒng)結構、主要元器件選型、原理圖等；軟件設計主要內容是 PLC程序設計和上位機程序設計。

2.1系統(tǒng)硬件設計

如圖2 所示，自動控制系統(tǒng)主要由 PLC 控制單元、上位機、動力系統(tǒng)、現(xiàn)場設備組成。PLC 控制單元采用西門子 S7-300 系列 PLC 擴展機架組態(tài)方式，由三個機架組成，詳見圖3。上位機由工控機、顯示器和組態(tài)軟件組成。工控機采用研華 IPC-610-L（WIN 7 操作系統(tǒng)），組態(tài)軟件采用組態(tài)王6.55。通過以太網(wǎng)與 PLC 進行數(shù)據(jù)通訊。動力控制系統(tǒng)由 8 個控制柜組成，包括 2 個電源柜（一備一用）和 6 個動力控制柜，每個動力控制柜設計成 GCK 模式，每個動力元件有單獨的抽屜，結構清晰，方便調試和維修。動力控制的方式有軟啟動、變頻、接觸器控制。PLC 從此采集相關的工作參數(shù)，包括電流、電壓、頻率、功率、故障信息等?，F(xiàn)場設備主要包括傳感器、執(zhí)行元件、就地控制箱。傳感器有溫度、液位、流量、壓力、重量傳感器等。執(zhí)行元件有電機、電磁閥等。為了調試和檢修方便，設置了就地控制箱，是現(xiàn)場控制單元，有遠程和就地選擇開關，只有當選擇開關置于就地時，上面的開關才能生效。

設計一棟二層專用控制樓：一樓為動力控制系統(tǒng)，以上所述的 8 個控制柜擺放在此，總裝機容量 800 kW；二樓為控制指揮中心，包括工控機和PLC 控制柜，PLC 的輸入、輸出信號通過橋架及電纜從二樓引入一樓，總裝機容量 15 kW。

2.2系統(tǒng)軟件設計

軟件設計包括 PLC 程序設計和上位機程序設計。PLC 程序設計采用西門子 STEP7 V5.4+SP5+HF3 Chinese 開發(fā)平臺。設計過程，按工藝控制要求模塊化設計，思路清晰、結構簡單，比如：數(shù)據(jù)采集與處理、手動控制、自動控制、PID控制、稱重與統(tǒng)計等。上位機程序設計采用組態(tài)王6.55 開發(fā)平臺。畫面包括監(jiān)控界面、開機集控、參數(shù)設置、趨勢查詢、報警查詢、用戶登錄。監(jiān)控畫面設置為主畫面，如圖4 所示。

3　系統(tǒng)主要功能及模塊設計

根據(jù)國家相關環(huán)保政策，以及國內廢舊鉛酸蓄電池處理企業(yè)的實際工藝要求，在充分研究了國內外相關產(chǎn)品的技術狀況下，進行了了一系列創(chuàng)新設計，以下介紹主要的功能及模塊。

3.1遠程操作和就地操作

由于現(xiàn)場存在酸霧和重金屬粉塵等有害物質，要求操作人員要遠離現(xiàn)場操作即遠程操作，確保人身安全，遠程操作設計在控制指揮中心，在上位機的顯示器上操作完成。但有些情況必須在現(xiàn)場操作即就地操作，比如檢修和調試等。因此，設計了多個現(xiàn)場控制盒，安裝在設備現(xiàn)場，每個盒上有遠程操作和就地操作轉換開關，以及現(xiàn)場控制的按鈕、儀表、指示燈等。正常運行時，現(xiàn)場控制盒的轉換開關置于遠程，操作人員在控制指揮中心上位機上操控設備；檢修和調試時，轉換開關置于就地，在現(xiàn)場操作設備相關部件或整個設備。遠程和就地是互鎖控制，也就是說只有一個功能有效，以確保設備和人身安全。

3.2手動和自動控制

根據(jù)工藝的控制要求，設備的遠程操作分手動和自動兩種工作模式，模式的切換與各模式的操作都在上位機上操作完成。手動模式下，人為自由啟停各設備，不受相關條件限制，各部分按啟動停止命令單獨運行，可單獨手動調整運行參數(shù)。其優(yōu)點是不受工作參數(shù)及其它部分設備運行情況影響，操作自由。缺點是要求操作員要熟練掌握工藝要求和操作順序，如果操作不當，可能引起設備事故。自動模式下，設備啟停一鍵控制，各部分設備啟動停止均按工藝要求順序進行，某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，啟動或停止將無法完成。運行過程中，設備的參數(shù)自動調整，比如：振動給料機和皮帶輸送機的速度是以破碎機的工作電流為目標值自動調整（PID）；水分離泵（1-2）的轉速是以水分離器（1-2）管道流量為目標值進行自動調整 （PID），保證破碎機在一個高效、經(jīng)濟、安全狀態(tài)。其優(yōu)點是操作簡單，工作參數(shù)自動調整，系統(tǒng)高效、安全。缺點是單個故障引起系統(tǒng)停機，對控制程序要求高。運行過程中也自動按條件啟停相關設備，相關設備啟停條件可在上位機相關頁面中設置。PLC 控制流程如圖5 所示。

3.3自動過程控制

在自動工作模式下，振動給料機、皮帶輸送機、水分離器泵的轉速根據(jù)相應的目標值進行自動過程控制。振動給料機和皮帶輸送機的速度是以破碎機的工作電流為目標值自動過程控制。水分離泵的轉速是以水分離器的管道流量為目標值進行自動過程控制。

自動過程控制的算法有很多，如 PID 控制、Fuzzy 模糊控制、Robust 控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等，每種算法有各自的優(yōu)缺點，也適應不同的場合。根據(jù)本系統(tǒng)的工藝過程和控制要求，選用 PID 控制比較合適。本系統(tǒng)共設計 4 個 PID 控制器，分別是振動給料機 PID 控制器、皮帶輸送機 PID 控制器、水分離泵 1 PID 控制器和水分離泵 2 PID 控制器。

PID 控制器是工業(yè)控制中應用最廣泛、技術最成熟的一種控制方法，其基本控制原理如圖6 所示。PID 控制器是一種線形控制，它根據(jù)給定值r（t） 與實際輸出值 y（t） 構成控制偏差，將偏差進行比例、積分、微分運算并通過一定規(guī)律的線性組合構成控制量 u（t） 對被控量進行控制，見式（1）。

式中：Kp是比例系數(shù)；KI=Kp/TI，是積分系數(shù)；KD=Kp×TD，是微分系數(shù)。

在實際的控制過程中，PID 控制器分為位置式和增量式兩種，根據(jù)系統(tǒng)的特點和工藝的要求，本設計采用增量式 PID 控制算法。要用 PLC 實現(xiàn)以上的控制，必須進行離散化處理，得到如式（2）所示的數(shù)量 PID 控制算法：

式中：T 為采樣周期；Δu（k） 是本執(zhí)行周期的調整量，可正可負。控制量是前一個執(zhí)行周期的控制量加上本周期的調整量，即 u（k）=u（k-1）+Δu（k）。在本設計中控制量就是振動給料機、皮帶輸送機、水分離器泵（包括 1 和 2）變頻電機的工作頻率。通過控制振動給料機的頻率控制皮帶機上蓄電池的供給量；通過控制皮帶機的頻率控制破碎機上蓄電池的供給量，從而控制了破碎機的工作負荷，控制了工作電流，防止了電機過載；通過控制水分離器泵（包括 1 和 2）的頻率，控制了管道介質流量，保證分選過程的工藝要求。

Kp、KI、KD參數(shù)整定是 PID 控制設計的重要內容，但沒有固定的計算公式，需要用工程的方法完成，一般有臨界曲線響應法、衰減法、經(jīng)驗法等，需要反復實驗和修正，本設計采用臨界曲線響應法，達到了比較好的效果。

通過對振動給料機、皮帶輸送機、水分離器泵（包括 1 和 2）的轉速的自動過程控制，能很好地滿足系統(tǒng)的工藝要求，工作質量得到很大提高，鉛柵雜質含量降低 2 %，同時工作效率提高了 15 %左右。

3.4工作重量自動統(tǒng)計、報表

傳統(tǒng)的重量統(tǒng)計是人工稱量、記錄、統(tǒng)計的工作模式，為了加強生產(chǎn)管理、減輕操作員的勞動強度，因此，設計了工作重量自動統(tǒng)計、報表功能。

硬件部分設計中，在振動給料機的 4 個支撐點各安裝了 1 個重量傳感器，傳感器重量信息通過專用的處理器處理，輸入到 PLC 的模擬量模塊。為了保證重量的準確性，振動給料機的各個支撐點一定處于懸浮狀態(tài)，不能與周圍結構件剛性連接。

軟件部分設計中，由于一方面行車在給振動給料機加料，另一方面振動給料機又在減料，所以，必須設計一個合理的方式才能準確統(tǒng)計傳送到皮帶機上蓄電池的重量。根據(jù)現(xiàn)場實際的工作情況，設計如下：以 5 s 為周期，周期內前后的重量相減，若大于 0 說明振動給料機正常向皮帶機送料，進行送料統(tǒng)計，若小于 0 說明行車正在加料，不進行重統(tǒng)計。在這種情況下，還是要累加一個經(jīng)驗重量（一般是 80 kg），因為這 5 s 內還是有蓄電池輸送到皮帶機上。

根據(jù)統(tǒng)計的重量以用交班情況（上位主界面有交班按鈕），程序進行相關交班處理，以便進行每班、每日的重量累計，控制流程圖如圖7 所示。

工作重量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)通過通訊從 PLC 傳遞到工控機，一方面在監(jiān)控界面上直接顯示當日各班的重量和歷史的總重量，另一方面，通過組態(tài)王的報表功能形成相應的報表，比如日報表、月報表等，可按時間下載到外接存儲設備（EXCEL 格式），進行生產(chǎn)統(tǒng)計和管理。

3.5動態(tài)監(jiān)控界面

借助組態(tài)王強大的組態(tài)功能、畫面功能，設計了與工藝流程一致的監(jiān)控畫面（如圖4 所示），所有參數(shù)和動作與現(xiàn)場保持同步動態(tài)變化，比如電流、頻率、溫度等參數(shù)實時顯示在畫面上，電機運轉、皮帶機運轉、管道中介質流動都與現(xiàn)場狀態(tài)一致，栩栩如生，一目了然。這樣，給操作員一個友好的工作界面，同時也可準確掌握設備運行狀況，保證設備安全、穩(wěn)定運行。

4　通訊設置

PLC 與上位機是通過以太網(wǎng)進行通訊的，為了保證通訊正常，必須做好通訊設置，這包括 PLC以太網(wǎng)地址設置和組態(tài)王通訊設置。

PLC 以太網(wǎng)地址設置：在硬件組態(tài)時，添加 CPU 317-2 PN/DP 時會彈出一個對話框，輸入IP:192.168.0.1；輸入子網(wǎng)掩碼：255.255.255.0。程序下載后，網(wǎng)口地址生效［3］。

組態(tài)王通訊設置：在驅動設備配置中，驅動設備為：S7-300（TCP），設備地址為：192.168.0.1:0:2（冒號后的 0 和 2 分別代表機架號和槽號），其它按默認參數(shù)即可［4］。

5　持續(xù)改進

本系統(tǒng)動力柜中的變頻器與 PLC 的控制命令和數(shù)據(jù)交換是采用端子接線的方式實現(xiàn)的。這樣的方式有 3 個較大的缺陷：一是線路復雜；二是數(shù)據(jù)交換量有限，變頻器中的大部分參數(shù)不能上傳到PLC；三是系統(tǒng)擴展性較差，并麻煩 。為了解決以上問題，變頻器與 PLC 之間可采用 RS485 通訊方式連接，但是 S7-300PLC 不支持 MODBUS 協(xié)議，需要增加一個第三方協(xié)議轉換裝置才能實現(xiàn)。

6　結束語

按廢舊鉛酸蓄電池破碎、分選工藝流程要求進行系統(tǒng)設計，實現(xiàn)過程控制的自動化、信息化，不僅減輕了工人的勞動強度，保證了工人的身體健康，而且運行效益和運行效率也明顯得到了提高，實現(xiàn)了科學生產(chǎn)管理［5］。為了適應管理和維修的要求，通過第三方工業(yè)無線網(wǎng)關（包括軟件）與 PLC的網(wǎng)口連接，借助 GPRS，可實現(xiàn)遠程的系統(tǒng)升級、程序上傳、程序下載、程序監(jiān)控等，實現(xiàn)設備遠程管理。

［1］ 高倩， 朱龍冠， 舒月紅， 等. 廢舊鉛酸蓄電池破碎分選系統(tǒng)研究與探討［J］. 蓄電池， 2013（1）: 3-7.

［2］ 陳建明. 電氣控制與 PLC 應用［M］. 北京: 電子工業(yè)出版社， 2013.

［3］ 西門子（中國）有限公司自動化與驅動集團. 西門子 S7-300 使用手冊［Z］， 2010.

［4］ 北京亞控科技發(fā)展有限公司. 組態(tài)王 6.55 使用手冊［Z］， 2011.

［5］ 王輝. 基于西門子 S7-300PLC 的水處理自動控制系統(tǒng)［J］. 科技與生活， 2013（2）: 90.

Automatic control system for crushing and separation equipment for lead-acid battery based on S7-300PLC

HU Hongqiu， FAN Wei， HUANG Huaxian， HE Bingkui
（Hunan Jiangye Electromechanical Science and Thchnology Corp.， Xiangtan Hunan 411300， China）

In order to meet the automatic control requirements of crushing and separation equipments for used lead-acid batteries， reduce environmental damage to the operators， improve production efficiency and work efficiency， the automatic control system was design based on Siemens S7-300 PLC. This paper introduced the application of Siemens S7-300 PLC， Advantech industrial computer and Kingview in the system， including system hardware design， software design， upper-computer design and so on.

S7-300PLC； IPC； industrial computer； Kingview； lead-acid battery； crushing and separation equipment

TM 912.9

B

1006-0847（2016）04-190-06

2016-05-07