廢鋼是鋼鐵生產(chǎn)、消費中產(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。“鐵鋼產(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，實現(xiàn)廢鋼精料入爐。
    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1.2～2.2t/m3，是理想的煉鋼爐料。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l 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)采用多個點對點控制，MPI通訊方式，使得控制系統(tǒng)布線復(fù)雜，維修維護(hù)費用高，不能實現(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行狀態(tài)。
    江蘇鼎豪生產(chǎn)的l 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)能實現(xiàn)最大化。
1、Profibus-DP的控制系統(tǒng)特點
    現(xiàn)場總線作為當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領(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。
    Pr06bus( 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—。
    根據(jù)應(yīng)用特點，Profibus可分為Profibus -DP，Proribus-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（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�，經(jīng)破碎后自柵格孔落人振動輸送帶上，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)下的料斗落人非磁性物質(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l可實現(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實現(xiàn)對除塵及噴淋系統(tǒng)控制并檢測運行信號；現(xiàn)場控制站4實現(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S7300PLC，CPU采用中檔的315-2DP，具有運算速度快，資源豐富等優(yōu)點。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)硬件實現(xiàn)
2.3.1  自動化系統(tǒng)的主要硬件配置
    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)。
    為實現(xiàn)最佳加料控制系統(tǒng)，現(xiàn)場采用西門子Mi-croMaster440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 MbWs。
    CPU315-2DP作為整個系統(tǒng)的中央控制器(Mas-ter)，PC Adapter連接PC與PLC，實現(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(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，操作入員可選擇自動或手動控制方式。在自動方式下，PLC可實現(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、項目管理等各種功能，使項目的實施更加方便。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。
FCl:開機(jī)運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，SIMATICWINCC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。
    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。