基于以太網的廢舊電纜自動剝線裝置設計

韓慧彥

（山西省財政科學研究院，山西 太原 030006）

引言

隨著工業高速發展，電力、通信等行業對電纜的需求與日俱增，對銅、鋅等有色金屬需求越來越大，廢舊電纜回收也逐年遞增[1]。電纜種類較多，對于工程電纜，根據結構的不同可分為無鎧裝電纜、鋼絲編織電纜、鋼絲鎧裝電纜、鉛包電纜及金屬包層鎧裝電纜等[2-3]，其形狀各異，這對電纜回收帶來難度。工程中常用的一種鎧裝電纜，其結構包括外護套、鋼鎧層、內層護套、鋼帶層、導電屏蔽層和主絕緣層，最內部是銅線層，結構相對復雜，靠人工剝線費時費力，同時剝線過程中聚氟乙烯材料的護套、橡膠絕緣層等切削不連貫，回收困難，會對環境造成一定的污染。

本文以工程用電纜為研究對象，設計一種電纜自動剝線裝置，解決工程電纜人工剝線困難、效率低、回收難等問題，對工程應用具有較好的意義。

1 自動剝線裝置系統組成

針對不同類型的廢舊電纜，其剝線工藝各不相同，本文以工程中常用多芯電纜為研究對象，設計一種廢舊電纜自動剝線裝置。目前多芯電纜常見的剝線方法為剝離橡膠外套，對多芯進行分離，然后依次逐步剝離單芯電纜外的PVC 或PE 類護套，隨后才能收集單芯內部銅芯，最后對銅芯進行收集。在剝線過程中需有效解決廢舊電纜送料、剝離多芯外層護套及單芯護套收集、銅芯電纜回收等工程問題，并充分考慮環境和自動化等問題。

結合剝線工藝，本文所設計自動剝線裝置包含執行部分、驅動部分、傳感部分、動力部分、控制系統、手持式操作系統、數采系統及視頻監控等部分，組成示意圖如圖1 所示。控制系統以西門子1200 系列PLC為主控制器，數據采集系統以工控機為主，和手持式觸摸屏、現場伺服電機組成基于Profinet 總線以太網網絡。以通信的方式實現剝線工藝的自動化控制和執行機構運行參數及數據的實時監控。

圖1 組成示意圖

執行部分包括存料機構、壓料機構、傳輸機構、護套切割機構、分離機構、單芯護套切割機構、繞線機構及對應的驅動電機。傳感部分包含檢測各運動機構運動參數的傳感器，實時獲得各執行機構的運行參數，以便操控。控制系統為剝線裝置執行層的下位機控制，通過以太網口遠程控制各執行機構電機。數據采集系統采用工控機作為控制器，配置采集卡，對現場傳感器數據進行實時采集，數據處理后顯示到顯示器上以便實時監控，并通過以太網與電控箱內PLC 進行通信，可遠程控制各執行機構的運動。手持式操作盒內部有觸摸屏、急停按鈕和指示燈，其中觸摸屏與現場1200 系列控制器以以太網形式進行通信，可實現剝線裝置各運動機構的現場控制。為實時監控剝線設備和作業人員的工況，現場設計有高清攝像機，可將現場情況顯示到操作間顯示器上，并具有數據上傳網絡的功能。動力部分為各執行機構提供電源動力，設計有斷路器、接觸器、隔離變壓器及穩壓電源等模塊，實現供電回路的濾波、穩壓及變壓等處理，保證系統供電的穩定性和安全性。

2 電氣系統設計

2.1 執行層控制系統

執行層控制系統以西門子1200 系列PLC 為主控制器，通過交換機與現場執行元件通信。為提高系統精度和保證各執行機構的同步性，驅動電機采用伺服電機，與傳感器形成閉環控制，實現電纜剝線的精確控制。現場傳感器數量較多，采用采集卡采集傳感器數據，經板卡傳輸給工控機，由工控機通過profinet總線網絡與西門子1200 PLC 進行通信。同時，設計了急停按鈕和指示燈，出現緊急情況下可緊急停機，同時指示燈可實現工作狀態實時顯示。執行控制系統框圖，如圖2 所示。

圖2 執行控制系統框圖

2.2 數據采集系統

數據采集系統采用研華PCI 工控機為主控制器，采用了12 位32 路模擬量采集卡對多種傳感器數據進行采集，AD 轉換精度高，可滿足控制系統精度要求。采用18 路I/O 采集卡對數字量進行采集，IO 口方向可靈活設置，方便系統數字量信號的處理。系統通過Labview 軟件實現監控系統設計，可顯示各個模塊的狀態信息及工作狀態。通過profinet 總線與西門子PLC 進行通信，可實現數據傳輸和現場執行機構的遠程控制。數據采集系統框圖，如圖3 所示。

圖3 數據采集系統框圖

2.3 手持式操作系統

手持式操作系統內置觸摸式顯示屏、電源模塊及急停按鈕，方便操作人員在現場對剝線設備進行操作。觸摸屏可與西門子1200 系列PLC 通過總線方式通信，操作人員可通過虛擬按鍵對剝線裝置各個機構進行控制，包括啟停、調速、切割參數、通信參數的設置，并對運行參數實時顯示，方便操作人員現場操作。

3 程序系統設計

3.1 PLC 程序設計

執行層控制程序以西門子1200 PLC 為主，設計PLC 主程序和各執行機構控制的子程序，并配置了總線網絡，完成剝線裝置的各種功能。為提高系統執行效率，設計了主程序和各模塊子程序，以電纜剝線裝置功能設計相應子程序，主要包括存料子程序、壓料子程序、傳輸子程序、護套切割子程序、分離子程序、單芯護套切割子程序、繞線子程序及通信設置子程序。主程序采用循環掃描的方式自上而下從左至右進行，并調用子程序[4]。

3.2 人機交互設計

采用手持式操作盒對現場剝線裝置進行操作，設計的人機交互界面包括操作選擇主界面和二級操作界面。二級操作界面按剝線裝置功能進行劃分，包含存料控制、壓料控制、傳輸控制、分離控制、切割控制和繞線控制等控制方式，并提供參數設置界面，如圖4 所示。

圖4 人機交互主界面

存料控制提供存料執行機構的電機啟停控制、點動控制、速度調節及連續運行等操作，并實時顯示存料電機的轉速及工作狀態；壓料控制界面實現對電動推桿的位移控制，包含啟停、點動及連續作業模式；傳輸控制界面可實現將整形后線纜傳輸控制，具有電機速度調節、點動控制及作業模式切換等功能；切割控制界面包含外護套切割控制和單芯電纜外皮切割控制，采用電機驅動絲杠帶動刀具移動完成護套的切割，通過精確控制電機轉動角度實現位移控制；分離機構界面提供單芯電纜分離裝置啟停控制及參數顯示；繞線控制界面可控制繞線電機的啟停、調速、點動及連續作業模式切換等控制按鈕，并實時顯示繞線裝置的工作狀態。

3.3 數據采集系統設計

采用工控機作為系統上位機，通過采集卡實時讀取各種傳感器數據，經板卡通過PCI 總線傳入工控機，由Labview 軟件對數據進行處理，同時通過所設計的監控畫面，可遠程監控現場數據。上位機和西門子1200 系列PLC 以以太網方式進行通信，通過Labview綁定OPC 變量對PLC 進行控制，實現對電纜剝線裝置各個執行單元遠程控制。

根據廢舊電纜剝線裝置的功能，通過前面板設計監控界面，顯示剝線裝置各執行機構的運行參數，并通過變量與下位機PLC 通信，監控相關執行元件的運行[5]。如圖5 所示，為“輸送裝置”控制界面的前面板，界面中數據顯示部分顯示執行單元運行參數，可顯示驅動電機運行速度和電纜線速度，以圖表形式顯示；控制部分提供虛擬按鈕、旋鈕，可通過下位機對輸送電機進行控制，同時狀態指示燈顯示運行狀態；數據部分將執行機構的關鍵數據以圖表形式進行顯示，繪制曲線表，可進行數據存儲，便于后期對數據進行分析。

圖5 輸送控制界面前面板

4 結語

本文從常用工程電纜回收過程中效率低、依靠人工作業、污染環境等問題出發，設計基于以太網的自動剝線裝置，可應用于工程廢舊電纜回收。本文設計了剝線裝置電氣系統的總體框架，該裝置由執行層控制部分、上位機控制部分、手持式控制部分及監控部分組成，控制器及執行元件以Profinet 工業總線網絡進行通信，形成總線式控制系統，并對PLC 程序、人機交互及數據采集系統進行詳細設計。執行層采用西門子1200 系列PLC 作為控制器，上位機采用工控機，利用Labview 實現數據采集及遠程監控；手持式操作系統采用觸摸屏，設計良好的人機交互界面，可實現對剝線裝置的現場操控。本文所設計廢舊電纜自動剝線裝置可應用于工程電纜的銅芯回收，具有自動化程度高、功能齊全及效率高等特點，為工程電纜回收再利用提供較好思路和方法。