基于PLC與組態(tài)軟件的廢舊輪胎回收生產(chǎn)線控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

陳新準(zhǔn),陶 韜,陳宏森,黃偉杰,劉浩軍,姚錫凡,施 汶

1.廣東雋諾環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?廣東 廣州 511453

2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,廣東 廣州 510640

隨著汽車擁有量的爆炸性增長(zhǎng)，廢舊輪胎的數(shù)量也相應(yīng)增多，廢舊輪胎難以自然降解，屬于不熔或難熔的高分子彈性材料，具有很強(qiáng)的抗熱性、抗機(jī)械性[1]，若不對(duì)其進(jìn)行合理的處理，將會(huì)變成黑色垃圾[2]，對(duì)我們賴以生存的環(huán)境造成不亞于白色污染的黑色污染。目前總體來(lái)說(shuō)，對(duì)于廢舊輪胎的處理方法有以下幾種[3,4]：（1）輪胎翻新再利用，具體過(guò)程是將廢舊輪胎經(jīng)過(guò)局部修補(bǔ)、加工、重新貼附胎面膠等工藝過(guò)程，最后進(jìn)行硫化處理，使其恢復(fù)使用價(jià)值；（2）裂解廢舊輪胎，即將廢舊輪胎通過(guò)熱解方法轉(zhuǎn)化為再生能源；（3）廢舊輪胎生產(chǎn)橡膠粉，即將廢舊輪胎切碎，分離其中的鋼絲后進(jìn)一步破碎為橡膠顆粒并加以回收利用。其中廢舊輪胎生產(chǎn)膠粉是目前目前廢舊輪胎資源化處理的主要手段，對(duì)橡膠輪胎如何進(jìn)行回收是我們必要面對(duì)的嚴(yán)峻問(wèn)題，一方面既要對(duì)現(xiàn)代社會(huì)產(chǎn)生的大量廢舊輪胎進(jìn)行回收利用，另一方面不至于消耗過(guò)多人力物力，也不能造成“二次污染”，否則“得不償失”。為此，我們?cè)谇捌趯?duì)廢舊輪胎回收生產(chǎn)線模塊化生產(chǎn)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了硬件的可重構(gòu)，而且還探討了軟件的可重構(gòu)問(wèn)題[5]。這里著重探討廢舊輪胎回收生產(chǎn)線軟件實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，也即采用組態(tài)軟件和PLC（Programmable Logic Controller）來(lái)實(shí)現(xiàn)廢舊輪胎回收生產(chǎn)線的控制。因此，本文先對(duì)回收生產(chǎn)線所要實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化功能進(jìn)行分析，再根據(jù)其要求設(shè)計(jì)出相應(yīng)的PLC控制程序，然后在上位機(jī)中采用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)控制界面，最后，利用組態(tài)軟件和PLC的通訊功能把二者連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)最終的人機(jī)交互控制系統(tǒng)。

1 廢舊輪胎回收生產(chǎn)線控制系統(tǒng)需求分析

本研究所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是利用PLC和組態(tài)軟件設(shè)計(jì)適用于廢舊輪胎回收生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)，從而提升廢舊輪胎的回收效率同時(shí)降低生產(chǎn)成本，這樣資源能得到充分利用又能減少污染。要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線控制，必須對(duì)其組成和工作過(guò)程進(jìn)行深入需求分析，確定PLC控制的輸入量和輸出量。本研究的廢舊輪胎回收生產(chǎn)線的組成如圖1所示，包括雙軸機(jī)、鋼絲分離機(jī)、破碎機(jī)、風(fēng)選系統(tǒng)、螺旋輸送機(jī)、磨粉機(jī)、離心篩和脈沖除塵系統(tǒng)。

圖1 廢舊輪胎回收生產(chǎn)線組成結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The component structure of a waste tire recycling production line

圖中M表示生產(chǎn)線中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該生產(chǎn)線各組成部分所包含的電機(jī)如下：

1）雙軸機(jī)：M1～M8；2）鋼絲分離機(jī)：M9～M16，M60；3）破碎機(jī)：M17～M25；4）風(fēng)選系統(tǒng)：M26，M27，M30～M40；5）螺旋輸送機(jī)：M41～M43；6）磨粉機(jī)：M44～M51；7）離心篩：M52～M54；8）脈沖除塵：M28，M29，M55～M59。此外，還有2個(gè)電機(jī)，分別是用于鋼絲分離機(jī)的冷卻的M12和用于破碎機(jī)冷卻的M20。

廢舊輪胎回收生產(chǎn)線工作流程如下：首先將廢舊輪胎通過(guò)輸送帶輸送到雙軸機(jī)中進(jìn)行預(yù)破碎，將不符合要求的輪胎顆粒重新送回雙軸機(jī)中再破碎，方便后續(xù)進(jìn)一步破碎加工；然后將符合要求的輪胎顆粒輸送至立式破碎機(jī)中進(jìn)行進(jìn)一步的破碎加工，使橡膠顆粒更加的均勻細(xì)化；完成后再把輪胎顆粒輸送到鋼絲分離機(jī)中進(jìn)行分離，以得到純的橡膠顆粒和完成對(duì)鋼絲的分離和采集；之后再把得到的橡膠顆粒由螺旋輸送裝置輸送至風(fēng)選系統(tǒng)，以分離出橡膠顆粒中的纖維；之后再其轉(zhuǎn)移到磨粉機(jī)里面進(jìn)行磨粉處理；最后通過(guò)離心篩和脈沖除塵器清理出橡膠粉中的雜質(zhì)，并把橡膠粉進(jìn)行袋裝處理。其中在生產(chǎn)線關(guān)鍵部位裝有電流傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)運(yùn)行情況避免過(guò)載。

2 PLC選用與編程

PLC目前在工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)是應(yīng)用最為廣泛的控制器，它以微處理器為核心，并采用可編程的存儲(chǔ)器用以存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制等操作指令，并通過(guò)數(shù)字、模擬的I/O接口按照所編寫的程序邏輯來(lái)控制生產(chǎn)過(guò)程[6]。其靈活出色的控制性能以及不可代替的穩(wěn)定性都使得它在工控領(lǐng)域內(nèi)有著極高的性價(jià)比，并且它能夠在各種處理過(guò)程和工況環(huán)境下執(zhí)行離散或連續(xù)的控制[7]。PLC控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、適應(yīng)性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，廢舊輪胎回收生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)控制也采用PLC控制。在PLC控制中，通過(guò)修改程序就可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)繼電器難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜控制邏輯，控制靈活，穩(wěn)定可靠，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量和過(guò)程量的控制，除此之外還具備了數(shù)據(jù)運(yùn)算和聯(lián)網(wǎng)通訊的能力。這里選用型號(hào)S7-200 CN的西門子PLC，西門子公司生產(chǎn)的S7系列PLC體積小，運(yùn)算速度快，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能強(qiáng)大，可靠性高，而PLC編程采用版本v4.0的STEP 7-Micro/Win v4.0。

圖2 PLC程序變量地址分配Fig.2Address allocation of variables in PLC program

為更直觀的了解，列出了程序中的變量地址分配，如圖2所示。本次的廢舊輪胎生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)將使用PLC與組態(tài)軟件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)，其中PLC作為控制系統(tǒng)的核心組件，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制，組態(tài)軟件作為人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制狀況的監(jiān)控以及下達(dá)控制命令，二者的結(jié)合就組成了整個(gè)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。

3 組態(tài)軟件選用與人機(jī)界面

組態(tài)軟件作為控制系統(tǒng)的監(jiān)控軟件除了提供簡(jiǎn)易直觀的人機(jī)交互界面、實(shí)時(shí)地呈現(xiàn)出現(xiàn)場(chǎng)的控制狀態(tài)外，同時(shí)作為系統(tǒng)的上位機(jī)它還能給下位機(jī)例如PLC傳達(dá)控制命令，以滿足生產(chǎn)線管控的要求[8]。本次設(shè)計(jì)選用組態(tài)王軟件作為系統(tǒng)上位機(jī)，它包含的硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序種類齊全，具有使用方便、靈活并且運(yùn)行速度快等特點(diǎn)[9]。筆者利用其內(nèi)置圖庫(kù)來(lái)建立界面，進(jìn)入組態(tài)王的圖庫(kù)后通過(guò)找到所需要的圖形，并把它拖到開(kāi)發(fā)界面的合適位置上來(lái)，然后對(duì)圖形進(jìn)行縮放以及位置移動(dòng)等操作，再通過(guò)工具箱來(lái)創(chuàng)建相應(yīng)的文字和線條以及對(duì)圖形作合理布局，最后得到如圖3所示圖形界面。

圖3 創(chuàng)建的圖形界面Fig.3 The established graphical interface

圖形界面建立完畢之后開(kāi)始進(jìn)行動(dòng)畫連接，即將PLC與組態(tài)軟件進(jìn)行通信連接，這樣在交互界面中就能顯示當(dāng)前控制系統(tǒng)中各設(shè)備的狀態(tài)，并且能通過(guò)組態(tài)軟件對(duì)PLC下達(dá)控制指令。其中PLC與組態(tài)軟件之間的通信方式通常采用串行通信方式[10]，這種通信方式操作簡(jiǎn)單而且能滿足本系統(tǒng)的控制要求，故本系統(tǒng)采用串行PPI通信方式實(shí)現(xiàn)組態(tài)王與PLC的通訊，將通信參數(shù)設(shè)定為波特率9600 bps，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，偶校驗(yàn)。

為了證明了所建立的控制系統(tǒng)是否滿足預(yù)期的工作需求，系統(tǒng)搭建完畢之后，需要通過(guò)模擬仿真來(lái)測(cè)試其運(yùn)行情況。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)既可以聯(lián)機(jī)按順序啟動(dòng)，也可以解鎖任意啟動(dòng)，既可以在人機(jī)界面上控制，也可以在PLC上控制，同時(shí)還具有短路重載保護(hù)功能。

4 結(jié) 語(yǔ)

本次控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用西門子S7-200 PLC作為生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的底層設(shè)備控制裝置，在上位機(jī)中人機(jī)交互界面的開(kāi)發(fā)套件選用組態(tài)王軟件，二者通過(guò)PPI通訊實(shí)現(xiàn)連接，最終實(shí)現(xiàn)廢舊輪胎回收生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，并通過(guò)驗(yàn)證達(dá)到預(yù)期的需求。利用組態(tài)軟件可以快速開(kāi)發(fā)出PLC的監(jiān)控界面，同時(shí)支持多種廠家所生產(chǎn)的PLC和外部I/O設(shè)備，這使搭建和改造控制系統(tǒng)監(jiān)控界面變得非常便捷，并且很直觀實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。