基于以太網(wǎng)的廢舊電纜自動(dòng)剝線裝置設(shè)計(jì)

韓慧彥

（山西省財(cái)政科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

引言

隨著工業(yè)高速發(fā)展，電力、通信等行業(yè)對(duì)電纜的需求與日俱增，對(duì)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(duì)于工程電纜，根據(jù)結(jié)構(gòu)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(duì)電纜回收帶來難度。工程中常用的一種鎧裝電纜，其結(jié)構(gòu)包括外護(hù)套、鋼鎧層、內(nèi)層護(hù)套、鋼帶層、導(dǎo)電屏蔽層和主絕緣層，最內(nèi)部是銅線層，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，靠人工剝線費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)剝線過程中聚氟乙烯材料的護(hù)套、橡膠絕緣層等切削不連貫，回收困難，會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的污染。

本文以工程用電纜為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一種電纜自動(dòng)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(duì)工程應(yīng)用具有較好的意義。

1 自動(dòng)剝線裝置系統(tǒng)組成

針對(duì)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(duì)象，設(shè)計(jì)一種廢舊電纜自動(dòng)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(duì)多芯進(jìn)行分離，然后依次逐步剝離單芯電纜外的PVC 或PE 類護(hù)套，隨后才能收集單芯內(nèi)部銅芯，最后對(duì)銅芯進(jìn)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(hù)套及單芯護(hù)套收集、銅芯電纜回收等工程問題，并充分考慮環(huán)境和自動(dòng)化等問題。

結(jié)合剝線工藝，本文所設(shè)計(jì)自動(dòng)剝線裝置包含執(zhí)行部分、驅(qū)動(dòng)部分、傳感部分、動(dòng)力部分、控制系統(tǒng)、手持式操作系統(tǒng)、數(shù)采系統(tǒng)及視頻監(jiān)控等部分，組成示意圖如圖1 所示?？刂葡到y(tǒng)以西門子1200 系列PLC為主控制器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以工控機(jī)為主，和手持式觸摸屏、現(xiàn)場(chǎng)伺服電機(jī)組成基于Profinet 總線以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。以通信的方式實(shí)現(xiàn)剝線工藝的自動(dòng)化控制和執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行參數(shù)及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖1 組成示意圖

執(zhí)行部分包括存料機(jī)構(gòu)、壓料機(jī)構(gòu)、傳輸機(jī)構(gòu)、護(hù)套切割機(jī)構(gòu)、分離機(jī)構(gòu)、單芯護(hù)套切割機(jī)構(gòu)、繞線機(jī)構(gòu)及對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。傳感部分包含檢測(cè)各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的傳感器，實(shí)時(shí)獲得各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行參數(shù)，以便操控?？刂葡到y(tǒng)為剝線裝置執(zhí)行層的下位機(jī)控制，通過以太網(wǎng)口遠(yuǎn)程控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用工控機(jī)作為控制器，配置采集卡，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，數(shù)據(jù)處理后顯示到顯示器上以便實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過以太網(wǎng)與電控箱內(nèi)PLC 進(jìn)行通信，可遠(yuǎn)程控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。手持式操作盒內(nèi)部有觸摸屏、急停按鈕和指示燈，其中觸摸屏與現(xiàn)場(chǎng)1200 系列控制器以以太網(wǎng)形式進(jìn)行通信，可實(shí)現(xiàn)剝線裝置各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)控制。為實(shí)時(shí)監(jiān)控剝線設(shè)備和作業(yè)人員的工況，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)有高清攝像機(jī)，可將現(xiàn)場(chǎng)情況顯示到操作間顯示器上，并具有數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)絡(luò)的功能。動(dòng)力部分為各執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供電源動(dòng)力，設(shè)計(jì)有斷路器、接觸器、隔離變壓器及穩(wěn)壓電源等模塊，實(shí)現(xiàn)供電回路的濾波、穩(wěn)壓及變壓等處理，保證系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性和安全性。

2 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 執(zhí)行層控制系統(tǒng)

執(zhí)行層控制系統(tǒng)以西門子1200 系列PLC 為主控制器，通過交換機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行元件通信。為提高系統(tǒng)精度和保證各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的同步性，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用伺服電機(jī)，與傳感器形成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)電纜剝線的精確控制?，F(xiàn)場(chǎng)傳感器數(shù)量較多，采用采集卡采集傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)板卡傳輸給工控機(jī)，由工控機(jī)通過profinet總線網(wǎng)絡(luò)與西門子1200 PLC 進(jìn)行通信。同時(shí)，設(shè)計(jì)了急停按鈕和指示燈，出現(xiàn)緊急情況下可緊急停機(jī)，同時(shí)指示燈可實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示。執(zhí)行控制系統(tǒng)框圖，如圖2 所示。

圖2 執(zhí)行控制系統(tǒng)框圖

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用研華PCI 工控機(jī)為主控制器，采用了12 位32 路模擬量采集卡對(duì)多種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，AD 轉(zhuǎn)換精度高，可滿足控制系統(tǒng)精度要求。采用18 路I/O 采集卡對(duì)數(shù)字量進(jìn)行采集，IO 口方向可靈活設(shè)置，方便系統(tǒng)數(shù)字量信號(hào)的處理。系統(tǒng)通過Labview 軟件實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可顯示各個(gè)模塊的狀態(tài)信息及工作狀態(tài)。通過profinet 總線與西門子PLC 進(jìn)行通信，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)程控制。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖，如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

2.3 手持式操作系統(tǒng)

手持式操作系統(tǒng)內(nèi)置觸摸式顯示屏、電源模塊及急停按鈕，方便操作人員在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)剝線設(shè)備進(jìn)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(duì)剝線裝置各個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，包括啟停、調(diào)速、切割參數(shù)、通信參數(shù)的設(shè)置，并對(duì)運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)顯示，方便操作人員現(xiàn)場(chǎng)操作。

3 程序系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PLC 程序設(shè)計(jì)

執(zhí)行層控制程序以西門子1200 PLC 為主，設(shè)計(jì)PLC 主程序和各執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制的子程序，并配置了總線網(wǎng)絡(luò)，完成剝線裝置的各種功能。為提高系統(tǒng)執(zhí)行效率，設(shè)計(jì)了主程序和各模塊子程序，以電纜剝線裝置功能設(shè)計(jì)相應(yīng)子程序，主要包括存料子程序、壓料子程序、傳輸子程序、護(hù)套切割子程序、分離子程序、單芯護(hù)套切割子程序、繞線子程序及通信設(shè)置子程序。主程序采用循環(huán)掃描的方式自上而下從左至右進(jìn)行，并調(diào)用子程序[4]。

3.2 人機(jī)交互設(shè)計(jì)

采用手持式操作盒對(duì)現(xiàn)場(chǎng)剝線裝置進(jìn)行操作，設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面包括操作選擇主界面和二級(jí)操作界面。二級(jí)操作界面按剝線裝置功能進(jìn)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(shù)設(shè)置界面，如圖4 所示。

圖4 人機(jī)交互主界面

存料控制提供存料執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)啟?？刂?、點(diǎn)動(dòng)控制、速度調(diào)節(jié)及連續(xù)運(yùn)行等操作，并實(shí)時(shí)顯示存料電機(jī)的轉(zhuǎn)速及工作狀態(tài)；壓料控制界面實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)推桿的位移控制，包含啟停、點(diǎn)動(dòng)及連續(xù)作業(yè)模式；傳輸控制界面可實(shí)現(xiàn)將整形后線纜傳輸控制，具有電機(jī)速度調(diào)節(jié)、點(diǎn)動(dòng)控制及作業(yè)模式切換等功能；切割控制界面包含外護(hù)套切割控制和單芯電纜外皮切割控制，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠帶動(dòng)刀具移動(dòng)完成護(hù)套的切割，通過精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度實(shí)現(xiàn)位移控制；分離機(jī)構(gòu)界面提供單芯電纜分離裝置啟停控制及參數(shù)顯示；繞線控制界面可控制繞線電機(jī)的啟停、調(diào)速、點(diǎn)動(dòng)及連續(xù)作業(yè)模式切換等控制按鈕，并實(shí)時(shí)顯示繞線裝置的工作狀態(tài)。

3.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用工控機(jī)作為系統(tǒng)上位機(jī)，通過采集卡實(shí)時(shí)讀取各種傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)板卡通過PCI 總線傳入工控機(jī)，由Labview 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)通過所設(shè)計(jì)的監(jiān)控畫面，可遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。上位機(jī)和西門子1200 系列PLC 以以太網(wǎng)方式進(jìn)行通信，通過Labview綁定OPC 變量對(duì)PLC 進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜剝線裝置各個(gè)執(zhí)行單元遠(yuǎn)程控制。

根據(jù)廢舊電纜剝線裝置的功能，通過前面板設(shè)計(jì)監(jiān)控界面，顯示剝線裝置各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行參數(shù)，并通過變量與下位機(jī)PLC 通信，監(jiān)控相關(guān)執(zhí)行元件的運(yùn)行[5]。如圖5 所示，為“輸送裝置”控制界面的前面板，界面中數(shù)據(jù)顯示部分顯示執(zhí)行單元運(yùn)行參數(shù)，可顯示驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)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(jī)對(duì)輸送電機(jī)進(jìn)行控制，同時(shí)狀態(tài)指示燈顯示運(yùn)行狀態(tài)；數(shù)據(jù)部分將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)以圖表形式進(jìn)行顯示，繪制曲線表，可進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，便于后期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖5 輸送控制界面前面板

4 結(jié)語

本文從常用工程電纜回收過程中效率低、依靠人工作業(yè)、污染環(huán)境等問題出發(fā)，設(shè)計(jì)基于以太網(wǎng)的自動(dòng)剝線裝置，可應(yīng)用于工程廢舊電纜回收。本文設(shè)計(jì)了剝線裝置電氣系統(tǒng)的總體框架，該裝置由執(zhí)行層控制部分、上位機(jī)控制部分、手持式控制部分及監(jiān)控部分組成，控制器及執(zhí)行元件以Profinet 工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，形成總線式控制系統(tǒng)，并對(duì)PLC 程序、人機(jī)交互及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。執(zhí)行層采用西門子1200 系列PLC 作為控制器，上位機(jī)采用工控機(jī)，利用Labview 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程監(jiān)控；手持式操作系統(tǒng)采用觸摸屏，設(shè)計(jì)良好的人機(jī)交互界面，可實(shí)現(xiàn)對(duì)剝線裝置的現(xiàn)場(chǎng)操控。本文所設(shè)計(jì)廢舊電纜自動(dòng)剝線裝置可應(yīng)用于工程電纜的銅芯回收，具有自動(dòng)化程度高、功能齊全及效率高等特點(diǎn)，為工程電纜回收再利用提供較好思路和方法。