基于Profibus-DP的廢鋼破碎線控制系統設計與實現

季宏斌，劉培艷，楊曉敏，王向陽

（江蘇鼎豪再生資源設備有限公司，江蘇南通226002）

基于Profibus-DP的廢鋼破碎線控制系統設計與實現

季宏斌，劉培艷，楊曉敏，王向陽

（江蘇鼎豪再生資源設備有限公司，江蘇南通226002）

江蘇鼎豪再生資源設備有限公司2012年成功開發了大型廢鋼破碎線，采用PLC并基于Profibus-DP總線構成監督控制與采集（SCADA）系統。用模糊控制思想實現了破碎機的自動加料控制，并采用組態軟件WINCC開發了操作、監控界面，在控制室實現了對整條破碎生產線進行控制與監控。

廢鋼破碎線；Profibus-DP；監督控制與采集；模糊控制；WINCC

廢鋼是鋼鐵生產、消費中產生的可再生的原料資源。廢鋼作為鋼鐵生產所必需的資源，是唯一可替代鐵礦石的原料。“鐵鋼產業發展政策”和“鋼鐵產業調整和振興計劃”都要求我國廢鋼產業樹立科學發展觀，向精品廢鋼轉變，實現廢鋼精料入爐[1]。

廢鋼破碎生產線是當今最先進的廢鋼加工設備。經過廢鋼破碎生產線加工處理的廢鋼是潔凈的優質鋼，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備有限公司（以下簡稱江蘇鼎豪）2010年開始自主研發廢鋼破碎生產線，并于2012年成功開發出1 500 kW的大型破碎線。

目前國內生產的破碎線控制系統有兩個不足之處，一是采用PLC與各種傳感器、執行機構采用多個點對點控制，MPI通訊方式，使得控制系統布線復雜，維修維護費用高，不能實現生產設備的全部狀態監控及網絡集中管理；二是采用人工調整方式控制破碎機的廢鋼處理量，當進入破碎機的廢鋼給料不均，往往造成破碎機負荷波動很大，表現為運行電流大幅度擺動，且經常處于超載狀態。這時要靠操作員憑借經驗進行操作，首先停止上料輸送機送料，等破碎機容腔內廢鋼料全部破碎后，電流穩定，上料輸送機再動作，進行喂料。當有不可破碎物進入破碎機腔內時，只能停止電動機運轉，打開破碎機上蓋，清除不可破碎物，再進行生產。因此人工調節無法準確和動態地控制最佳下料量，整條破碎線會出現停停喂喂的低效率運行狀態。

江蘇鼎豪生產的1 500 kW廢鋼破碎線的控制系統，基于Profibus-DP現場總線，采用SIEMENS S7-300系列PLC與ET200遠程分布式I/O設備相結合的控制方式，使用一根總線完成對整個系統的信號采集、設備控制、故障診斷及數據管理，不但節省了大量電纜敷設，而且便于系統調試和維護；采用工控機利用組態軟件WINCC開發了操作、監控、報警界面，實現了對整個控制系統的控制與監控。江蘇鼎豪更是創新地利用模糊控制思想實現了破碎機的自動加料控制，可最佳地控制廢鋼進料量，使破碎機內的填充率達到最佳值，產能實現最大化。

1 Profibus-DP的控制系統特點

現場總線作為當今自動化領域技術發展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。其本質是一種數字通訊協議，是連接現場設備和自動化系統的數字式、全分散、雙向傳輸、多分支結構的通訊協議。

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

根據應用特點，Profibus可分為 Profibus-DP，Profibus-FM，Profibus-PA 3個兼容版本。Profibus-DP用于設備間的高速數據傳輸，中央控制器通過高速串行線同分散的現場設備（如I/O、驅動器、閥門等）進行通信；數據交換采用周期方式，允許構成單主站和多主站系統，在一條總線上最大可以連接126個站點（主站和從站），系統傳輸速率可達12 Mbit/s；其DP從站是專門輸入和輸出信息采集發送的外圍設備。

2 基于Profibus-DP的廢鋼破碎線控制系統

2.1 破碎生產線工作原理及組成

破碎生產線的工作原理是破碎機在高速、大扭矩的高壓電機驅動下，主機轉子上的錘頭擊打進入容腔內的廢鋼，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，再在分選設備的作用下，得到純度較高的優質破碎鋼。廢鋼破碎線包括上料輸送機、喂料機、破碎機、分選除塵系統、磁選滾筒、輸送帶等，如圖1所示。

破碎線的工作流程是：由運輸機械（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上，物料經提升，進入雙滾筒喂料機，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、不可破碎的廢鋼經過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振動輸送帶上，然后送至出料輸送帶，再到磁選系統。在磁選系統中，破碎鋼被吸起送到堆料輸送帶上，其他物料經磁選系統下的料斗落入非磁性物質輸送帶上歸堆。堆料輸送機可圍繞固定軸心移動，破碎鋼可在一個較大扇形區域內歸堆堆放。

2.2 控制系統的網絡結構

廢鋼破碎線的控制系統根據集中管理分散控制的思想，將整個控制結構分為中央控制室和5個現場控制站，并且控制室和5個現場控制站之間以PROFIBUS總線連成一個有線數據通信網絡。現場控制站1可實現下游電動機等執行機構的啟動、停止的控制，并且獲得下游設備動作狀態；現場控制站2實現潤滑液壓的控制，并監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；現場控制站3實現對除塵及噴淋系統控制并檢測運行信號；現場控制站4實現對喂料機變頻器控制，監控上料輸送機電流，電壓等信號；現場控制5對上料輸送機變頻器實現控制及檢測電流、電機頻率等模擬信號。

中央控制站采用西門子S7 300 PLC，CPU采用中檔的315-2DP，具有運算速度快，資源豐富等優點。計算機監控軟件采用西門子WINCC，它具有畫面顯示、趨勢曲線、報警處理、報表處理、數據管理、網上瀏覽等功能。整個自控系統體現了西門子全廠一體化的先進自控理念，并且網絡結構完全符合現場總線的國際標準。該網絡結構如圖2所示。

2.3 控制網絡硬件實現

2.3.1 自動化系統的主要硬件配置

江蘇鼎豪廢鋼破碎線控制系統中，參照西門子公司提供的產品技術參數，以S7-300系列中的CPU315-2DP實現控制功能，由于該系統模擬及數字輸入輸出量較多，采用接口模塊IM153-1，連接擴展的信號模塊滿足系統要求，其中信號模塊包括若干數字量輸入模塊 SM321，數字量輸出模塊 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，采集系統模擬量數據。

為實現最佳加料控制系統，現場采用西門子MicroMaster440變頻器控制喂料機、上料輸送機。MMX440系列變頻器有Profibus通訊接口選件，可以通過此接口模塊實現變頻器設備與Profibus的數據交換。

2.3.2 自動化系統的網絡架構實現

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

CPU315-2DP作為整個系統的中央控制器（Master），PC Adapter連接PC與PLC，實現網絡配置和對PLC編程的下載以及對設備的監控功能。

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設備所需的24VDC電源。

SM321數字輸入（DI）模塊、SM331模擬量輸入（AI）模塊、數字量輸出（DO）模塊、SM322的數據都通過IM153-1模塊與總線交換數據。另外，就是變頻器通過Profibus通訊接口選件，與Profibus網絡實現數據交換。

2.4 自動化系統的軟件設計

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

2.4.1 控制對象概述

破碎機集各種傳感器、執行機構于一身，輸入輸出信號主要分成4類，分布在5個現場控制站上。

模擬量輸入：潤滑流量、液壓油溫、破碎機軸承溫度、破碎機轉速、破碎機電流、喂料機電流、上料輸送機電流等。

模擬量輸出：喂料機、上料輸送機的頻率調整信號。

數字量輸入：下游設備電機啟動運行，運行及故障反饋信號，手/自動選擇信號；各個閥門的手動開、關控制信號，故障反饋信號和手/自動選擇信號。

數字量輸出：下游設備電機的開、關、復位的輸出控制信號；各個閥門的開、關輸出控制信號；變頻器的啟動、復位控制信號等。

2.4.2 控制模式

2.4.2.1 遠程控制

當控制柜選擇開關被切換到遠程控制后，操作人員可選擇自動或手動控制方式。在自動方式下，PLC可實現破碎線控制系統一鍵啟停、自動加料等功能。

2.4.2.2 就地控制

當控制柜上選擇開關被切換到就地控制，控制中心的調度控制指令被封鎖，現場操作人員通過控制箱上手動按鈕啟動停止設備，控制箱提供基本控制聯鎖。

2.4.3 軟件實現

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、網絡組態、系統調試、項目管理等各種功能，使項目的實施更加方便。在本控制系統的完成過程中，采用模塊化程序設計思想，主要進行了以下幾部分的程序設計（圖3）。

FC1：開機運行檢測信號處理及報警；

FC2：遠程模式下，電機啟停；

FC3：模擬量處理程序；

FC4：就地控制模式下，下游電機動作；

FC5：遠程模式下，破碎機自動加料程序；

FC6：就地模式下，破碎機開蓋、換錘動作；

編寫具體程序時首先要先用STEP7進行硬件組態，組態結果圖略。

2.4.4 破碎機自動加料程序

破碎機自動加料程序是整個程序設計中的核心，也是江蘇鼎豪再生資源設備有限公司開發的廢鋼破碎線控制系統中的創新部分，填補了國內破碎機的空白。

對于破碎機的自動控制系統，主要控制目標是實現破碎機的工作負荷穩定，即控制驅動電動機的功率恒定。而影響破碎機電機功率可控的主要因素是破碎機的上料輸送機與喂料機。本系統主要是通過調整破碎機的給料量來控制電機恒功率狀態下工作。對于破碎機復雜的工況，采用常用的PID控制效果不佳，因此本系統采用模糊控制，系統的模糊控制結構如圖4所示。

控制系統要求能自動調節上料輸送機、喂料機的頻率，能將破碎機主軸的電機功率、喂料機電流、上料輸送機頻率以及潤滑油溫等參數與電機運行狀態進行采集，并在現場及上位機監控界面上顯示出來。

根據功率變送器檢測的主驅動電機功率，將功率信號轉換成電信號送至模糊控制器，模糊控制器由CPU315-2DP編程實現，將檢測的功率值與設定的功率值進行比較，根據其差值及差值變化率，通過設計的模糊規則，推得一控制量，由該控制量控制變頻器，改變上料輸送機、喂料機的轉速，即實現調節破碎機的給料量。從而調整破碎機的驅動電機功率，實現對破碎機恒功率控制。

3 WINCC在破碎線控制系統中的應用

江蘇鼎豪破碎線控制系統的設計主要包括PLC控制系統部分，系統采集與執行器控制部分以及上位機的監控系統部分。

監控系統采用工控機，能夠適應破碎機惡劣的現場環境，監控軟件采用西門子WINCC，SIMATIC WINCC是西門子公司提供的基于Windows操作系統的強大HMI/SCADA應用軟件系統，用于實現它具有畫面顯示、趨勢曲線、報警處理、報表處理、數據管理、網上瀏覽等功能[3]。

系統可對廢鋼破碎線下游設備操作及模擬量數據等實時檢測，對整條破碎線全狀態監控并報警，并且生動直觀地反映在監控界面上。

4 結束語

江蘇鼎豪再生資源有限公司研究開發的大型廢鋼破碎線的控制系統基于S7-300 PLC基礎上，采用Profibus-DP網絡總線，采用WINCC開發了控制監控軟件，很好地實現了對整個破碎生產線的控制與監督功能；并且創新地開發了自動加料控制程序，克服了現有國產破碎機手動加料的弊端，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備生產使用概括[J].資源再生，2010(12)：28-33.

[2] 陽憲惠.現場總線技術及其應用[M].北京：清華大學出版社，1999.

[3] 甄立東.西門子WINCC V7基礎與應用[M].北京：機械工業出版社，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，副總經理，廢鋼破碎線項目總負責人，中國再生資源回收利用協會專家委員會委員。