基于CAN總線的破碎機控制系統設計

張海英，林桂娟

(寧波職業技術學院 機電工程系，浙江 寧波 315800)

如今，大型廢鋼破碎機生產線集多種傳感器、執行機構和控制器于一身，朝著系統大型化和作業流程自動化的方向發展，操作智能化全過程得到全面監控，提高了生產精度和工作效率。廢鋼破碎機生產線噪音大、飛塵多，現場操作存在一定的危險性，如何提高破碎機自動控制系統的工作效率，保證安全性，保證電氣和機械設備的使用壽命，對控制系統的性能和通信要求較高。

本文采用基于CAN總線實現控制系統的通信要求，通過CAN總線將遍布廢鋼破碎機車身各處的傳感器、控制器和執行設備連接成車載測控網絡，使得系統中各模塊之間數據通信準確、快速，保證了系統結構的簡單化和高可靠性，符合現代工程機械控制技術的發展方向。

1 CAN總線及工作原理

控制器局域網CAN(Controller Area Network)，數據傳輸系統由若干個CAN節點和數據總線構成。每個CAN節點中除了必須的微處理器外，還增加了一個CAN控制器，一個CAN收發器，節點之間通過兩條CAN數據總線連接。各部分功能如下[1]：

(1)CAN控制器接收并處理控制單元中微處理器發出的數據，傳給CAN收發器。同時CAN控制器也接收并處理收發器收到的數據，傳給微處理器。

(2)CAN收發器是一個發送器和接收器的組合，它將CAN控制器提供的數據轉化成電信號并通過數據總線發送出去，同時，它也將接收的總線數據傳到CAN控制器。

(3)數據傳送終端實際是一個電阻器，作用是避免數據傳輸到終端后反射回來，產生反射波而使數據遭到破壞。

(4)CAN數據總線是傳輸數據的雙向數據線，分為CAN高位和低位數據線。

CAN為開放式結構，主要采用全網廣播為基礎，各接收站根據報文中反映數據性質的標識符過濾報文，相符的就收下，不相符就忽略。其優點是可在線上網下網、即插即用和多站接收；其次強化了對數據安全性的關注，滿足控制系統及其他較高數據要求的系統需求。CAN具有以下主要技術特點：

(1)CAN遵從ISO/OSI模型，采用了其中的物理層、數據鏈路層與應用層。采用雙絞線，通信速率最高可達到1 Mb/s，直接傳輸距離最遠可達10 km。同一段CAN總線最多可掛接110個設備。

(2)CAN的信息傳輸采用短幀結構，每一幀有效字節數為8個。因此傳輸時間短，不容易受干擾。發送的信息遭破壞后，可自動重發，具有很強的抗干擾能力。

(3)CAN總線支持多主工作模式，網絡上任一節點均可在任何時候主動向其他節點發送信息，根據優先級別排序發送，從而避免總線沖突問題。

由于具備以上的性能與特點，所以CAN可以用于構建可靠的監控系統。如在航空工業、汽車工業、工業控制、安全防護等領域中得到廣泛應用[1-5]。本文就是研究CAN總線在廢鋼破碎機生產線的控制系統中的應用。

2 廢鋼破碎機生產線的控制系統

2.1 控制系統工作原理及控制策略

廢鋼破碎生產線的工作原理是利用錘子擊打的原理，在高速、大扭矩高壓電機的驅動下，主機轉子上的錘頭輪流擊打進入容腔內的待破碎物，通過襯板與錘頭之間形成的空間，將待破碎物撕裂成合乎規格的破碎物，再在分選設備的作用下，得到純度較高的優質破碎鋼。廢鋼破碎生產線主要包括履帶式鏈板輸送機、加料機、破碎機、分選除塵系統、輸送機等。

廢鋼破碎生產線工作流程如圖1所示。由運輸機械(如行車、落地吊、電磁吸盤、液壓抓吊等)將物料加載到履帶式鏈板輸送機上，物料經其提升，進入雙滾筒進料碾壓機，物料經擠壓整形，能順利進入破碎機。破碎機內設有噴水口，噴出的水可避免塵揚和降低錘頭溫度，對于大而厚不可破碎的廢鋼可經破碎機的排料門彈出。可破碎的物料，經破碎后自柵格孔落入到振動輸送機，然后送至出料帶式輸送機，再到磁選系統。在磁選系統中，破碎鋼被吸起送到出料輸送機上，其他物料經磁選系統下部的料斗落入非磁性物質輸送機上歸堆。堆料輸送機可圍繞固定軸心移動，破碎鋼可在一較大扇形區域歸堆堆放。在非磁性物質輸送機上方設置一懸掛式磁選機，可將非磁性物質輸送機上的游離黑色金屬吸出，減少磁選系統的電磁滾筒漏選的廢鋼量，提高鋼的回收率。非磁性物質輸送機上單側有站臺，可供分揀人員在其上進行人工挑選，將夾在非磁性物質中的銅、鋁等有色金屬挑選出來，提高回收效益。

圖1 廢鋼破碎生產線工作流程

極限載荷控制系統使鏈板輸送機、振動送料器和破碎機電機電流自適應匹配。當破碎機電機電流超過了上限值時，極限載荷控制系統自動減小鏈板輸送機的頻率，以減小輸送機的速度，減少進料從而減少破碎機的載荷；當破碎機電機電流小于下限值時，極限載荷控制系統自動增大鏈板輸送機的頻率，以提高輸送機的速度，在破碎機電機允許范圍內使破碎機效率提高。

智能故障診斷系統主要實現對各執行設備工作狀態的監視，包含各電子單元總線狀態的判斷，利用已有的單元和傳感器對設備的運行狀態進行監控和故障的判斷，使對系統的故障查詢和維修過程簡單化、快速化。

除塵降溫系統主要是根據破碎機主軸兩端的軸承溫度，以及破碎機箱體內的飛塵，通過除塵降溫系統控制，進行系統的溫度調節與飛塵去除。

2.2 基于CAN總線控制系統

為了保證破碎機生產線的使用效率與可靠性，必須做到使用時少出故障，出了故障能迅速查明原因，及時排除故障。對破碎機生產線各執行設備進行狀態監測與故障診斷，可了解和掌握整個運行過程中的狀態特征，便于早期發現故障，查明原因，提高廢鋼破碎工作的安全性和可靠性。控制系統將破碎機生產線的多個設備控制站通過CAN現場總線連接起來。溫度、壓力、轉速、流量、頻率等模擬量和各類電動執行機構的啟動、停止控制開關量等都可按工藝流程在中央控制室的主控計算機進行監控。現場遠程控制站能獨立監控所屬設備工作參數、運行狀態等工況，并進行故障處理和聲光報警。可由現場操作員進行自動或手動控制。實現廢鋼破碎機生產線的破碎、磁選、分揀等以下自動控制策略：

(1)通過觸摸屏進行遠程的監控，在生產車間通過操作觸摸屏對破碎機生產線進行監控；

(2)監測和顯示數據通信：破碎機生產線的各傳感器、破碎機的工作電流、破碎機的轉速、鏈板輸送機的頻率、各執行機構的運行狀態的監測與顯示，要求在控制器與主站CPU間實現數據實時通信；

(3)參數調節：為了實現發動機功率參數和傳感器的標定參數的在線調節，要求在HMI的設定參數與控制器間實現數據實時通信；

(4)系統模塊間的數據通信：系統各機構間的控制設計中，要求在控制器間實現數據實時通信。

根據以上控制要求，本文設計并構造的控制系統結構如圖2所示。用一臺工控機IPC1對破碎機整個生產線進行故障監控與診斷分析，選用三菱的Q00CPU PLC、CAN總線。遠程監控使用三菱GT1575-VNBA觸摸屏。在CAN總線上，Q00CPU PLC是主控制器，一類是遠程節點站，共有11個節點，每個節點主要實現對遠程設備的電機啟動停止、切換、聯鎖、故障等控制和檢測；另一類由遠程智能模塊構成，主要對遠程的設備的溫度、速度、頻率等傳感信號進行測試。所有的遠程設備的輸入輸出信號都通過CAN總線與主控制器通信，通過遠程工控機對整個破碎機生產線進行遠程監控，便于遠程控制和維護、故障診斷分析，實現了控制與管理于一體的網絡控制技術。

圖2 基于CAN總線廢鋼破碎機生產線控制系統機構圖

2.3 系統特性

采用CAN總線的廢鋼破碎機生產線的控制系統，主控制器周期性地與節點及遠程設備站的數據進行通信，也可用專用指令對智能設備站和節點進行瞬間通信。系統具有以下顯著特點：

(1)采用CAN現場總線，將現場數據高速地傳至主控制器進行管理。

(2)采用一臺三菱Q系列PLC負責CAN網絡的管理，負責將數據送到工控機進行分析，并將中控室發出的指令送至現場總站。工控機將操作指令通過從站PLC傳送給指令執行單元執行操作，遠程執行單元將工作狀態通過從站PLC傳送給工控機。

(3)觸摸屏將車間中所有控制的工作狀態(開、關、報警)信息顯示出來，供操作人員監控。工控機接到報警和停線信息后，立即打印故障信息并計時，統計停線時間，并通過聲卡驅動音箱進行語音提示。

(4)為保證系統內大量的數據傳輸，每一條生產線的參數采集和控制都由CAN節點站完成。所有測控參數測量值通過CAN與主控制器通信。

基于CAN總線的遠程監控的執行機構，能實現對現場設備遠程監控的要求。通過CAN總線，用計算機控制系統對整個廢鋼破碎機生產線實現遠程監控和管理，減少了系統線纜敷設，減少了系統故障和現場工作人員，提高了生產的安全和可靠性，提高了生產效率和管理水平。本系統的可靠運行為CAN總線在其他領域的應用提供了有力的技術基礎。

[1]席亞娟，周家磊.CAN總線系統原理及在鉆井儀表中的應 用[J].江 漢 石 油 科 技 ，2010(3)：67-70.

[2]王勇，侯國強.CAN總線在火力發電廠翻車機控制系統中的應用[J].電站系統工程，2010(7)：57-58.

[3]王麗君，盧博友.基于CAN總線的酒窖溫濕度監控系統[J].農機化研究，2009(2)：172-174.

[4]沈瑤，李小清，周云飛.基于CAN總線的電動車控制系統 設 計[J].電 子 設 計 工 程 ，2010(11)：143-145.

[5]劉斌，周萬勇，張楊.基于CAN總線的數字智能伺服控制器開發[J].機電控制，2010(23)：109-113.