基于PLC與組態軟件的廢舊輪胎回收生產線控制系統開發

陳新準,陶 韜,陳宏森,黃偉杰,劉浩軍,姚錫凡,施 汶

1.廣東雋諾環保科技股份有限公司,廣東 廣州 511453

2.華南理工大學機械與汽車工程學院,廣東 廣州 510640

隨著汽車擁有量的爆炸性增長，廢舊輪胎的數量也相應增多，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，具有很強的抗熱性、抗機械性[1]，若不對其進行合理的處理，將會變成黑色垃圾[2]，對我們賴以生存的環境造成不亞于白色污染的黑色污染。目前總體來說，對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，具體過程是將廢舊輪胎經過局部修補、加工、重新貼附胎面膠等工藝過程，最后進行硫化處理，使其恢復使用價值；（2）裂解廢舊輪胎，即將廢舊輪胎通過熱解方法轉化為再生能源；（3）廢舊輪胎生產橡膠粉，即將廢舊輪胎切碎，分離其中的鋼絲后進一步破碎為橡膠顆粒并加以回收利用。其中廢舊輪胎生產膠粉是目前目前廢舊輪胎資源化處理的主要手段，對橡膠輪胎如何進行回收是我們必要面對的嚴峻問題，一方面既要對現代社會產生的大量廢舊輪胎進行回收利用，另一方面不至于消耗過多人力物力，也不能造成“二次污染”，否則“得不償失”。為此，我們在前期對廢舊輪胎回收生產線模塊化生產基礎上，實現了硬件的可重構，而且還探討了軟件的可重構問題[5]。這里著重探討廢舊輪胎回收生產線軟件實現問題，也即采用組態軟件和PLC（Programmable Logic Controller）來實現廢舊輪胎回收生產線的控制。因此，本文先對回收生產線所要實現的自動化功能進行分析，再根據其要求設計出相應的PLC控制程序，然后在上位機中采用組態軟件設計控制界面，最后，利用組態軟件和PLC的通訊功能把二者連接起來，實現最終的人機交互控制系統。

1 廢舊輪胎回收生產線控制系統需求分析

本研究所要實現的目標是利用PLC和組態軟件設計適用于廢舊輪胎回收生產線的控制系統，從而提升廢舊輪胎的回收效率同時降低生產成本，這樣資源能得到充分利用又能減少污染。要實現生產線控制，必須對其組成和工作過程進行深入需求分析，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線的組成如圖1所示，包括雙軸機、鋼絲分離機、破碎機、風選系統、螺旋輸送機、磨粉機、離心篩和脈沖除塵系統。

圖1 廢舊輪胎回收生產線組成結構圖Fig.1 The component structure of a waste tire recycling production line

圖中M表示生產線中的驅動電機，該生產線各組成部分所包含的電機如下：

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

廢舊輪胎回收生產線工作流程如下：首先將廢舊輪胎通過輸送帶輸送到雙軸機中進行預破碎，將不符合要求的輪胎顆粒重新送回雙軸機中再破碎，方便后續進一步破碎加工；然后將符合要求的輪胎顆粒輸送至立式破碎機中進行進一步的破碎加工，使橡膠顆粒更加的均勻細化；完成后再把輪胎顆粒輸送到鋼絲分離機中進行分離，以得到純的橡膠顆粒和完成對鋼絲的分離和采集；之后再把得到的橡膠顆粒由螺旋輸送裝置輸送至風選系統，以分離出橡膠顆粒中的纖維；之后再其轉移到磨粉機里面進行磨粉處理；最后通過離心篩和脈沖除塵器清理出橡膠粉中的雜質，并把橡膠粉進行袋裝處理。其中在生產線關鍵部位裝有電流傳感器，實時監控電機運行情況避免過載。

2 PLC選用與編程

PLC目前在工業控制領域內是應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器用以存儲執行邏輯運算、順序控制等操作指令，并通過數字、模擬的I/O接口按照所編寫的程序邏輯來控制生產過程[6]。其靈活出色的控制性能以及不可代替的穩定性都使得它在工控領域內有著極高的性價比，并且它能夠在各種處理過程和工況環境下執行離散或連續的控制[7]。PLC控制系統具有穩定性高、適應性強、抗干擾能力強等優點。因此，廢舊輪胎回收生產線現場控制也采用PLC控制。在PLC控制中，通過修改程序就可實現傳統繼電器難以實現的復雜控制邏輯，控制靈活，穩定可靠，同時還可以實現對模擬量和過程量的控制，除此之外還具備了數據運算和聯網通訊的能力。這里選用型號S7-200 CN的西門子PLC，西門子公司生產的S7系列PLC體積小，運算速度快，具有網絡通信能力，功能強大，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線系統設計將使用PLC與組態軟件結合的方式實現，其中PLC作為控制系統的核心組件，實現對現場設備的控制，組態軟件作為人機交互界面，實現對現場控制狀況的監控以及下達控制命令，二者的結合就組成了整個生產線控制系統。

3 組態軟件選用與人機界面

組態軟件作為控制系統的監控軟件除了提供簡易直觀的人機交互界面、實時地呈現出現場的控制狀態外，同時作為系統的上位機它還能給下位機例如PLC傳達控制命令，以滿足生產線管控的要求[8]。本次設計選用組態王軟件作為系統上位機，它包含的硬件設備驅動程序種類齊全，具有使用方便、靈活并且運行速度快等特點[9]。筆者利用其內置圖庫來建立界面，進入組態王的圖庫后通過找到所需要的圖形，并把它拖到開發界面的合適位置上來，然后對圖形進行縮放以及位置移動等操作，再通過工具箱來創建相應的文字和線條以及對圖形作合理布局，最后得到如圖3所示圖形界面。

圖3 創建的圖形界面Fig.3 The established graphical interface

圖形界面建立完畢之后開始進行動畫連接，即將PLC與組態軟件進行通信連接，這樣在交互界面中就能顯示當前控制系統中各設備的狀態，并且能通過組態軟件對PLC下達控制指令。其中PLC與組態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單而且能滿足本系統的控制要求，故本系統采用串行PPI通信方式實現組態王與PLC的通訊，將通信參數設定為波特率9600 bps，數據位8位，停止位1位，偶校驗。

為了證明了所建立的控制系統是否滿足預期的工作需求，系統搭建完畢之后，需要通過模擬仿真來測試其運行情況。實驗表明，該系統既可以聯機按順序啟動，也可以解鎖任意啟動，既可以在人機界面上控制，也可以在PLC上控制，同時還具有短路重載保護功能。

4 結 語

本次控制系統設計選用西門子S7-200 PLC作為生產線控制系統的底層設備控制裝置，在上位機中人機交互界面的開發套件選用組態王軟件，二者通過PPI通訊實現連接，最終實現廢舊輪胎回收生產線的控制系統開發，并通過驗證達到預期的需求。利用組態軟件可以快速開發出PLC的監控界面，同時支持多種廠家所生產的PLC和外部I/O設備，這使搭建和改造控制系統監控界面變得非常便捷，并且很直觀實現人機交互功能。