《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于CAN總線的破碎機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計
來源:微型機(jī)與應(yīng)用2011年第23期
張海英,林桂娟
(寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系,浙江 寧波 315800)
摘要: 提出的基于CAN總線監(jiān)控系統(tǒng),采用了三菱Q00CPU PLC、CAN總線,三菱GT1575-VNBA觸摸屏對生產(chǎn)線進(jìn)行控制,多種監(jiān)測信號通過分布式I/O組件經(jīng)過CAN總線傳送至PLC,實現(xiàn)了廢鋼破碎機(jī)生產(chǎn)線遠(yuǎn)程智能監(jiān)控與故障診斷。系統(tǒng)應(yīng)用表明,該系統(tǒng)簡潔、可靠、實時性強(qiáng),減少了現(xiàn)場操作人員,提高了安全性和生產(chǎn)效率。
Abstract:
Key words :

摘  要: 提出的基于CAN總線監(jiān)控系統(tǒng),采用了三菱Q00CPU PLC、CAN總線,三菱GT1575-VNBA觸摸屏對生產(chǎn)線進(jìn)行控制,多種監(jiān)測信號通過分布式I/O組件經(jīng)過CAN總線傳送至PLC,實現(xiàn)了廢鋼破碎機(jī)生產(chǎn)線遠(yuǎn)程智能監(jiān)控與故障診斷。系統(tǒng)應(yīng)用表明,該系統(tǒng)簡潔、可靠、實時性強(qiáng),減少了現(xiàn)場操作人員,提高了安全性和生產(chǎn)效率。
關(guān)鍵詞: CAN總線;集散控制;破碎機(jī)

 如今,大型廢鋼破碎機(jī)生產(chǎn)線集多種傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制器于一身,朝著系統(tǒng)大型化和作業(yè)流程自動化的方向發(fā)展,操作智能化全過程得到全面監(jiān)控,提高了生產(chǎn)精度和工作效率。廢鋼破碎機(jī)生產(chǎn)線噪音大、飛塵多,現(xiàn)場操作存在一定的危險性,如何提高破碎機(jī)自動控制系統(tǒng)的工作效率,保證安全性,保證電氣和機(jī)械設(shè)備的使用壽命,對控制系統(tǒng)的性能和通信要求較高。
本文采用基于CAN總線實現(xiàn)控制系統(tǒng)的通信要求,通過CAN總線將遍布廢鋼破碎機(jī)車身各處的傳感器、控制器和執(zhí)行設(shè)備連接成車載測控網(wǎng)絡(luò),使得系統(tǒng)中各模塊之間數(shù)據(jù)通信準(zhǔn)確、快速,保證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡單化和高可靠性,符合現(xiàn)代工程機(jī)械控制技術(shù)的發(fā)展方向。
1 CAN總線及工作原理
 控制器局域網(wǎng)CAN(Controller Area Network),數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由若干個CAN節(jié)點和數(shù)據(jù)總線構(gòu)成。每個CAN節(jié)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(fā)器,節(jié)點之間通過兩條CAN數(shù)據(jù)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(fā)出的數(shù)據(jù),傳給CAN收發(fā)器。同時CAN控制器也接收并處理收發(fā)器收到的數(shù)據(jù),傳給微處理器。
 (2)CAN收發(fā)器是一個發(fā)送器和接收器的組合,它將CAN控制器提供的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電信號并通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送出去,同時,它也將接收的總線數(shù)據(jù)傳到CAN控制器。
 (3)數(shù)據(jù)傳送終端實際是一個電阻器,作用是避免數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端后反射回來,產(chǎn)生反射波而使數(shù)據(jù)遭到破壞。
 (4)CAN數(shù)據(jù)總線是傳輸數(shù)據(jù)的雙向數(shù)據(jù)線,分為CAN高位和低位數(shù)據(jù)線。
CAN為開放式結(jié)構(gòu),主要采用全網(wǎng)廣播為基礎(chǔ),各接收站根據(jù)報文中反映數(shù)據(jù)性質(zhì)的標(biāo)識符過濾報文,相符的就收下,不相符就忽略。其優(yōu)點是可在線上網(wǎng)下網(wǎng)、即插即用和多站接收;其次強(qiáng)化了對數(shù)據(jù)安全性的關(guān)注,滿足控制系統(tǒng)及其他較高數(shù)據(jù)要求的系統(tǒng)需求。CAN具有以下主要技術(shù)特點:
 (1)CAN遵從ISO/OSI模型,采用了其中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層與應(yīng)用層。采用雙絞線,通信速率最高可達(dá)到1 Mb/s,直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km。同一段CAN總線最多可掛接110個設(shè)備。
 (2)CAN的信息傳輸采用短幀結(jié)構(gòu),每一幀有效字節(jié)數(shù)為8個。因此傳輸時間短,不容易受干擾。發(fā)送的信息遭破壞后,可自動重發(fā),具有很強(qiáng)的抗干擾能力。
 (3)CAN總線支持多主工作模式,網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點均可在任何時候主動向其他節(jié)點發(fā)送信息,根據(jù)優(yōu)先級別排序發(fā)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(gòu)建可靠的監(jiān)控系統(tǒng)。如在航空工業(yè)、汽車工業(yè)、工業(yè)控制、安全防護(hù)等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1-5]。本文就是研究CAN總線在廢鋼破碎機(jī)生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。
2 廢鋼破碎機(jī)生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)
2.1 控制系統(tǒng)工作原理及控制策略

 廢鋼破碎生產(chǎn)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(jī)的驅(qū)動下,主機(jī)轉(zhuǎn)子上的錘頭輪流擊打進(jìn)入容腔內(nèi)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(guī)格的破碎物,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。 廢鋼破碎生產(chǎn)線主要包括履帶式鏈板輸送機(jī)、加料機(jī)、破碎機(jī)、分選除塵系統(tǒng)、輸送機(jī)等。
 廢鋼破碎生產(chǎn)線工作流程如圖1所示。由運輸機(jī)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(jī)上,物料經(jīng)其提升,進(jìn)入雙滾筒進(jìn)料碾壓機(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可經(jīng)破碎機(jī)的排料門彈出??善扑榈奈锪希?jīng)破碎后自柵格孔落入到振動輸送機(jī),然后送至出料帶式輸送機(jī),再到磁選系統(tǒng)。在磁選系統(tǒng)中,破碎鋼被吸起送到出料輸送機(jī)上,其他物料經(jīng)磁選系統(tǒng)下部的料斗落入非磁性物質(zhì)輸送機(jī)上歸堆。堆料輸送機(jī)可圍繞固定軸心移動,破碎鋼可在一較大扇形區(qū)域歸堆堆放。在非磁性物質(zhì)輸送機(jī)上方設(shè)置一懸掛式磁選機(jī),可將非磁性物質(zhì)輸送機(jī)上的游離黑色金屬吸出,減少磁選系統(tǒng)的電磁滾筒漏選的廢鋼量,提高鋼的回收率。非磁性物質(zhì)輸送機(jī)上單側(cè)有站臺,可供分揀人員在其上進(jìn)行人工挑選,將夾在非磁性物質(zhì)中的銅、鋁等有色金屬挑選出來,提高回收效益。

 極限載荷控制系統(tǒng)使鏈板輸送機(jī)、振動送料器和破碎機(jī)電機(jī)電流自適應(yīng)匹配。當(dāng)破碎機(jī)電機(jī)電流超過了上限值時,極限載荷控制系統(tǒng)自動減小鏈板輸送機(jī)的頻率,以減小輸送機(jī)的速度,減少進(jìn)料從而減少破碎機(jī)的載荷;當(dāng)破碎機(jī)電機(jī)電流小于下限值時,極限載荷控制系統(tǒng)自動增大鏈板輸送機(jī)的頻率,以提高輸送機(jī)的速度,在破碎機(jī)電機(jī)允許范圍內(nèi)使破碎機(jī)效率提高。
 智能故障診斷系統(tǒng)主要實現(xiàn)對各執(zhí)行設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)視,包含各電子單元總線狀態(tài)的判斷,利用已有的單元和傳感器對設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和故障的判斷,使對系統(tǒng)的故障查詢和維修過程簡單化、快速化。
除塵降溫系統(tǒng)主要是根據(jù)破碎機(jī)主軸兩端的軸承溫度,以及破碎機(jī)箱體內(nèi)的飛塵,通過除塵降溫系統(tǒng)控制,進(jìn)行系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)與飛塵去除。
2.2 基于CAN總線控制系統(tǒng)
 為了保證破碎機(jī)生產(chǎn)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(jī)生產(chǎn)線各執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷,可了解和掌握整個運行過程中的狀態(tài)特征,便于早期發(fā)現(xiàn)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(tǒng)將破碎機(jī)生產(chǎn)線的多個設(shè)備控制站通過CAN現(xiàn)場總線連接起來。溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、流量、頻率等模擬量和各類電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的啟動、停止控制開關(guān)量等都可按工藝流程在中央控制室的主控計算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。現(xiàn)場遠(yuǎn)程控制站能獨立監(jiān)控所屬設(shè)備工作參數(shù)、運行狀態(tài)等工況,并進(jìn)行故障處理和聲光報警??捎涩F(xiàn)場操作員進(jìn)行自動或手動控制。實現(xiàn)廢鋼破碎機(jī)生產(chǎn)線的破碎、磁選、分揀等以下自動控制策略:
 (1)通過觸摸屏進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)控,在生產(chǎn)車間通過操作觸摸屏對破碎機(jī)生產(chǎn)線進(jìn)行監(jiān)控;
 (2)監(jiān)測和顯示數(shù)據(jù)通信:破碎機(jī)生產(chǎn)線的各傳感器、破碎機(jī)的工作電流、破碎機(jī)的轉(zhuǎn)速、鏈板輸送機(jī)的頻率、各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運行狀態(tài)的監(jiān)測與顯示,要求在控制器與主站CPU間實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時通信;
 (3)參數(shù)調(diào)節(jié):為了實現(xiàn)發(fā)動機(jī)功率參數(shù)和傳感器的標(biāo)定參數(shù)的在線調(diào)節(jié),要求在HMI的設(shè)定參數(shù)與控制器間實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時通信;
 (4)系統(tǒng)模塊間的數(shù)據(jù)通信:系統(tǒng)各機(jī)構(gòu)間的控制設(shè)計中,要求在控制器間實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時通信。
 根據(jù)以上控制要求,本文設(shè)計并構(gòu)造的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。用一臺工控機(jī)IPC1對破碎機(jī)整個生產(chǎn)線進(jìn)行故障監(jiān)控與診斷分析,選用三菱的Q00CPU PLC、CAN總線。遠(yuǎn)程監(jiān)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(yuǎn)程節(jié)點站,共有11個節(jié)點,每個節(jié)點主要實現(xiàn)對遠(yuǎn)程設(shè)備的電機(jī)啟動停止、切換、聯(lián)鎖、故障等控制和檢測;另一類由遠(yuǎn)程智能模塊構(gòu)成,主要對遠(yuǎn)程的設(shè)備的溫度、速度、頻率等傳感信號進(jìn)行測試。所有的遠(yuǎn)程設(shè)備的輸入輸出信號都通過CAN總線與主控制器通信,通過遠(yuǎn)程工控機(jī)對整個破碎機(jī)生產(chǎn)線進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控,便于遠(yuǎn)程控制和維護(hù)、故障診斷分析,實現(xiàn)了控制與管理于一體的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。

 

 

2.3 系統(tǒng)特性
 采用CAN總線的廢鋼破碎機(jī)生產(chǎn)線的控制系統(tǒng),主控制器周期性地與節(jié)點及遠(yuǎn)程設(shè)備站的數(shù)據(jù)進(jìn)行通信,也可用專用指令對智能設(shè)備站和節(jié)點進(jìn)行瞬間通信。系統(tǒng)具有以下顯著特點:
 (1)采用CAN現(xiàn)場總線,將現(xiàn)場數(shù)據(jù)高速地傳至主控制器進(jìn)行管理。
 (2)采用一臺三菱Q系列PLC負(fù)責(zé)CAN網(wǎng)絡(luò)的管理,負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)送到工控機(jī)進(jìn)行分析,并將中控室發(fā)出的指令送至現(xiàn)場總站。工控機(jī)將操作指令通過從站PLC傳送給指令執(zhí)行單元執(zhí)行操作,遠(yuǎn)程執(zhí)行單元將工作狀態(tài)通過從站PLC傳送給工控機(jī)。
 (3)觸摸屏將車間中所有控制的工作狀態(tài)(開、關(guān)、報警)信息顯示出來,供操作人員監(jiān)控。工控機(jī)接到報警和停線信息后,立即打印故障信息并計時,統(tǒng)計停線時間,并通過聲卡驅(qū)動音箱進(jìn)行語音提示。
 (4)為保證系統(tǒng)內(nèi)大量的數(shù)據(jù)傳輸,每一條生產(chǎn)線的參數(shù)采集和控制都由CAN節(jié)點站完成。所有測控參數(shù)測量值通過CAN與主控制器通信。
 基于CAN總線的遠(yuǎn)程監(jiān)控的執(zhí)行機(jī)構(gòu),能實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求。通過CAN總線,用計算機(jī)控制系統(tǒng)對整個廢鋼破碎機(jī)生產(chǎn)線實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理,減少了系統(tǒng)線纜敷設(shè),減少了系統(tǒng)故障和現(xiàn)場工作人員,提高了生產(chǎn)的安全和可靠性,提高了生產(chǎn)效率和管理水平。本系統(tǒng)的可靠運行為CAN總線在其他領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有力的技術(shù)基礎(chǔ)。
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