基于CAN總線的破碎機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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)

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(xiǎn)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(shí)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(gè)CAN節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)總線構(gòu)成。每個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)中除了必須的微處理器外，還增加了一個(gè)CAN控制器，一個(gè)CAN收發(fā)器，節(jié)點(diǎn)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(shí)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(gè)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(shí)，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(shí)際是一個(gè)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(bào)文中反映數(shù)據(jù)性質(zhì)的標(biāo)識符過濾報(bào)文，相符的就收下，不相符就忽略。其優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)：

(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(gè)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(gè)。因此傳輸時(shí)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(diǎn)均可在任何時(shí)候主動向其他節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，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(yùn)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(yáng)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?，經(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。

圖1 廢鋼破碎生產(chǎn)線工作流程

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(shí)，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(shí)，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(shí)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(yùn)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(shí)少出故障，出了故障能迅速查明原因，及時(shí)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(gè)運(yùn)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?？刂葡到y(tǒng)將破碎機(jī)生產(chǎn)線的多個(gè)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(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控?，F(xiàn)場遠(yuǎn)程控制站能獨(dú)立監(jiān)控所屬設(shè)備工作參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)等工況，并進(jìn)行故障處理和聲光報(bào)警?？捎涩F(xiàn)場操作員進(jìn)行自動或手動控制。實(shí)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(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測與顯示，要求在控制器與主站CPU間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通信；

(3)參數(shù)調(diào)節(jié)：為了實(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(jì)中，要求在控制器間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通信。

根據(jù)以上控制要求，本文設(shè)計(jì)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(gè)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(diǎn)站，共有11個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)主要實(shí)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(gè)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(shí)現(xiàn)了控制與管理于一體的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。

圖2 基于CAN總線廢鋼破碎機(jī)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)圖

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(diǎn)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(diǎn)進(jìn)行瞬間通信。系統(tǒng)具有以下顯著特點(diǎn)：

(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(bào)警)信息顯示出來，供操作人員監(jiān)控。工控機(jī)接到報(bào)警和停線信息后，立即打印故障信息并計(jì)時(shí)，統(tǒng)計(jì)停線時(shí)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(diǎn)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(shí)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對整個(gè)廢鋼破碎機(jī)生產(chǎn)線實(shí)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(yùn)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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