基于S7-300PLC的铅酸蓄电池破碎分选自动控制系统

胡宏秋，范伟，黄化贤，贺炳魁（湖南江冶机电科技股份有限公司，湖南 湘潭 411300）

基于S7-300PLC的铅酸蓄电池破碎分选自动控制系统

胡宏秋，范伟，黄化贤，贺炳魁
（湖南江冶机电科技股份有限公司，湖南 湘潭 411300）

为了满足废旧铅酸蓄电池破碎分选设备自动控制的要求，减少环境对操作人员的伤害，提高生产效益和工作效率，设计了基于西门子 S7-300 PLC 的铅酸蓄电池破碎分选设备自动控制系统。本文介绍了西门子 S7-300 PLC、研华工控机、组态王在系统中的应用，包括系统硬件设计、软件设计、上位机设计等。

S7-300PLC；IPC；工控机；组态王；铅酸蓄电池；破碎分选设备

0　引言

随着国家环保政策的不断加强，近年来，国内废旧铅酸蓄电池传统的手工拆解工艺正逐步被淘汰，取而代之的是自动化程度较高的自动破碎分选设备。国际上比较具有代表性的自动破碎分选系统有 3 种：俄罗斯的重介质分选技术、意大利的 CX破碎分选系统和美国的 M. A 破碎分选系统［1］。2013年以前，这类设备基本上是进口的，价格较高，售后服务也存在问题，因此，我们着力开发出自动化程度较高的国产 JYPF10（年处理能力为 10 万吨）型废旧铅酸蓄电池破碎分选成套设备。本文主要介绍了基于 S7-300PLC 的 JYPF10 自动控制系统。

1　系统工艺流程

破碎分选系统要求把废旧铅酸蓄电池先破碎，然后分选成各类物料，控制系统按工艺流程要求进行控制，要求动作准确、性能可靠、环境安全。设备的工艺流程如图1 所示，主要有 3 个流程段：上料、破碎和分选。

1.1上料

液压抓斗行车把原料地坑内的废旧铅酸蓄电池抓送到振动给料机上方的料仓内，料仓下方的震动给料机（通过改变电机的频率来确定给料速度，从而保证均匀送料）把蓄电池输送至皮带输送机上，皮带输送机上物料进入破碎机入口。

1.2破碎

皮带输送机将废旧铅酸蓄电池输送至破碎机内进行破碎，破碎机内有 4 组共 20 个锤头对蓄电池进行捶打、研磨。当蓄电池碎片小于破碎机锤头下方的篦条孔时，就会从篦条孔中掉下，进入一级振动筛进行清洗和分离。

1.3分选

在振动筛中，在振动和水流的双重作用下，将铅泥和固体物分离，铅泥流入沉淀池（通过搅拌、压滤形成铅膏），固体物进入水力分离器。在水力分离器中，在气流和水流的双重作用下，固体物按密度大小进行分离。最后，将蓄电池分选为铅膏、铅栅、重塑料、聚丙烯四类产品。

2　系统设计

对于工业领域或其它领域的被控对象来说，电气控制的目的是在满足其生产工艺要求的情况下，最大限度地提高生产效率的产品质量，为达到此目的，控制系统设计时应遵循以下原则：

① 最大限度地满足被控对象的要求；

② 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单；

③ 保证系统安全可靠；

④ 考虑生产发展和工艺改进的要求，在选型时应留有适当余量［2］。

为了圆满地完成上面所述工艺流程，自动破碎分选废旧铅酸蓄电池，在设计前，我们认真地研究了意大利的 CX 破碎分选系统，吸取了它的优点（系统结构等），改善了它的不足之处（自适应控制、动态界面等）。系统设计包括硬件设计和软件设计两部分。硬件设计主要内容是系统结构、主要元器件选型、原理图等；软件设计主要内容是 PLC程序设计和上位机程序设计。

2.1系统硬件设计

如图2 所示，自动控制系统主要由 PLC 控制单元、上位机、动力系统、现场设备组成。PLC 控制单元采用西门子 S7-300 系列 PLC 扩展机架组态方式，由三个机架组成，详见图3。上位机由工控机、显示器和组态软件组成。工控机采用研华 IPC-610-L（WIN 7 操作系统），组态软件采用组态王6.55。通过以太网与 PLC 进行数据通讯。动力控制系统由 8 个控制柜组成，包括 2 个电源柜（一备一用）和 6 个动力控制柜，每个动力控制柜设计成 GCK 模式，每个动力元件有单独的抽屉，结构清晰，方便调试和维修。动力控制的方式有软启动、变频、接触器控制。PLC 从此采集相关的工作参数，包括电流、电压、频率、功率、故障信息等。现场设备主要包括传感器、执行元件、就地控制箱。传感器有温度、液位、流量、压力、重量传感器等。执行元件有电机、电磁阀等。为了调试和检修方便，设置了就地控制箱，是现场控制单元，有远程和就地选择开关，只有当选择开关置于就地时，上面的开关才能生效。

设计一栋二层专用控制楼：一楼为动力控制系统，以上所述的 8 个控制柜摆放在此，总装机容量 800 kW；二楼为控制指挥中心，包括工控机和PLC 控制柜，PLC 的输入、输出信号通过桥架及电缆从二楼引入一楼，总装机容量 15 kW。

2.2系统软件设计

软件设计包括 PLC 程序设计和上位机程序设计。PLC 程序设计采用西门子 STEP7 V5.4+SP5+HF3 Chinese 开发平台。设计过程，按工艺控制要求模块化设计，思路清晰、结构简单，比如：数据采集与处理、手动控制、自动控制、PID控制、称重与统计等。上位机程序设计采用组态王6.55 开发平台。画面包括监控界面、开机集控、参数设置、趋势查询、报警查询、用户登录。监控画面设置为主画面，如图4 所示。

3　系统主要功能及模块设计

根据国家相关环保政策，以及国内废旧铅酸蓄电池处理企业的实际工艺要求，在充分研究了国内外相关产品的技术状况下，进行了了一系列创新设计，以下介绍主要的功能及模块。

3.1远程操作和就地操作

由于现场存在酸雾和重金属粉尘等有害物质，要求操作人员要远离现场操作即远程操作，确保人身安全，远程操作设计在控制指挥中心，在上位机的显示器上操作完成。但有些情况必须在现场操作即就地操作，比如检修和调试等。因此，设计了多个现场控制盒，安装在设备现场，每个盒上有远程操作和就地操作转换开关，以及现场控制的按钮、仪表、指示灯等。正常运行时，现场控制盒的转换开关置于远程，操作人员在控制指挥中心上位机上操控设备；检修和调试时，转换开关置于就地，在现场操作设备相关部件或整个设备。远程和就地是互锁控制，也就是说只有一个功能有效，以确保设备和人身安全。

3.2手动和自动控制

根据工艺的控制要求，设备的远程操作分手动和自动两种工作模式，模式的切换与各模式的操作都在上位机上操作完成。手动模式下，人为自由启停各设备，不受相关条件限制，各部分按启动停止命令单独运行，可单独手动调整运行参数。其优点是不受工作参数及其它部分设备运行情况影响，操作自由。缺点是要求操作员要熟练掌握工艺要求和操作顺序，如果操作不当，可能引起设备事故。自动模式下，设备启停一键控制，各部分设备启动停止均按工艺要求顺序进行，某个环节出现故障，启动或停止将无法完成。运行过程中，设备的参数自动调整，比如：振动给料机和皮带输送机的速度是以破碎机的工作电流为目标值自动调整（PID）；水分离泵（1-2）的转速是以水分离器（1-2）管道流量为目标值进行自动调整 （PID），保证破碎机在一个高效、经济、安全状态。其优点是操作简单，工作参数自动调整，系统高效、安全。缺点是单个故障引起系统停机，对控制程序要求高。运行过程中也自动按条件启停相关设备，相关设备启停条件可在上位机相关页面中设置。PLC 控制流程如图5 所示。

3.3自动过程控制

在自动工作模式下，振动给料机、皮带输送机、水分离器泵的转速根据相应的目标值进行自动过程控制。振动给料机和皮带输送机的速度是以破碎机的工作电流为目标值自动过程控制。水分离泵的转速是以水分离器的管道流量为目标值进行自动过程控制。

自动过程控制的算法有很多，如 PID 控制、Fuzzy 模糊控制、Robust 控制、神经网络控制等，每种算法有各自的优缺点，也适应不同的场合。根据本系统的工艺过程和控制要求，选用 PID 控制比较合适。本系统共设计 4 个 PID 控制器，分别是振动给料机 PID 控制器、皮带输送机 PID 控制器、水分离泵 1 PID 控制器和水分离泵 2 PID 控制器。

PID 控制器是工业控制中应用最广泛、技术最成熟的一种控制方法，其基本控制原理如图6 所示。PID 控制器是一种线形控制，它根据给定值r（t） 与实际输出值 y（t） 构成控制偏差，将偏差进行比例、积分、微分运算并通过一定规律的线性组合构成控制量 u（t） 对被控量进行控制，见式（1）。

式中：Kp是比例系数；KI=Kp/TI，是积分系数；KD=Kp×TD，是微分系数。

在实际的控制过程中，PID 控制器分为位置式和增量式两种，根据系统的特点和工艺的要求，本设计采用增量式 PID 控制算法。要用 PLC 实现以上的控制，必须进行离散化处理，得到如式（2）所示的数量 PID 控制算法：

式中：T 为采样周期；Δu（k） 是本执行周期的调整量，可正可负。控制量是前一个执行周期的控制量加上本周期的调整量，即 u（k）=u（k-1）+Δu（k）。在本设计中控制量就是振动给料机、皮带输送机、水分离器泵（包括 1 和 2）变频电机的工作频率。通过控制振动给料机的频率控制皮带机上蓄电池的供给量；通过控制皮带机的频率控制破碎机上蓄电池的供给量，从而控制了破碎机的工作负荷，控制了工作电流，防止了电机过载；通过控制水分离器泵（包括 1 和 2）的频率，控制了管道介质流量，保证分选过程的工艺要求。

Kp、KI、KD参数整定是 PID 控制设计的重要内容，但没有固定的计算公式，需要用工程的方法完成，一般有临界曲线响应法、衰减法、经验法等，需要反复实验和修正，本设计采用临界曲线响应法，达到了比较好的效果。

通过对振动给料机、皮带输送机、水分离器泵（包括 1 和 2）的转速的自动过程控制，能很好地满足系统的工艺要求，工作质量得到很大提高，铅栅杂质含量降低 2 %，同时工作效率提高了 15 %左右。

3.4工作重量自动统计、报表

传统的重量统计是人工称量、记录、统计的工作模式，为了加强生产管理、减轻操作员的劳动强度，因此，设计了工作重量自动统计、报表功能。

硬件部分设计中，在振动给料机的 4 个支撑点各安装了 1 个重量传感器，传感器重量信息通过专用的处理器处理，输入到 PLC 的模拟量模块。为了保证重量的准确性，振动给料机的各个支撑点一定处于悬浮状态，不能与周围结构件刚性连接。

软件部分设计中，由于一方面行车在给振动给料机加料，另一方面振动给料机又在减料，所以，必须设计一个合理的方式才能准确统计传送到皮带机上蓄电池的重量。根据现场实际的工作情况，设计如下：以 5 s 为周期，周期内前后的重量相减，若大于 0 说明振动给料机正常向皮带机送料，进行送料统计，若小于 0 说明行车正在加料，不进行重统计。在这种情况下，还是要累加一个经验重量（一般是 80 kg），因为这 5 s 内还是有蓄电池输送到皮带机上。

根据统计的重量以用交班情况（上位主界面有交班按钮），程序进行相关交班处理，以便进行每班、每日的重量累计，控制流程图如图7 所示。

工作重量的统计数据通过通讯从 PLC 传递到工控机，一方面在监控界面上直接显示当日各班的重量和历史的总重量，另一方面，通过组态王的报表功能形成相应的报表，比如日报表、月报表等，可按时间下载到外接存储设备（EXCEL 格式），进行生产统计和管理。

3.5动态监控界面

借助组态王强大的组态功能、画面功能，设计了与工艺流程一致的监控画面（如图4 所示），所有参数和动作与现场保持同步动态变化，比如电流、频率、温度等参数实时显示在画面上，电机运转、皮带机运转、管道中介质流动都与现场状态一致，栩栩如生，一目了然。这样，给操作员一个友好的工作界面，同时也可准确掌握设备运行状况，保证设备安全、稳定运行。

4　通讯设置

PLC 与上位机是通过以太网进行通讯的，为了保证通讯正常，必须做好通讯设置，这包括 PLC以太网地址设置和组态王通讯设置。

PLC 以太网地址设置：在硬件组态时，添加 CPU 317-2 PN/DP 时会弹出一个对话框，输入IP:192.168.0.1；输入子网掩码：255.255.255.0。程序下载后，网口地址生效［3］。

组态王通讯设置：在驱动设备配置中，驱动设备为：S7-300（TCP），设备地址为：192.168.0.1:0:2（冒号后的 0 和 2 分别代表机架号和槽号），其它按默认参数即可［4］。

5　持续改进

本系统动力柜中的变频器与 PLC 的控制命令和数据交换是采用端子接线的方式实现的。这样的方式有 3 个较大的缺陷：一是线路复杂；二是数据交换量有限，变频器中的大部分参数不能上传到PLC；三是系统扩展性较差，并麻烦 。为了解决以上问题，变频器与 PLC 之间可采用 RS485 通讯方式连接，但是 S7-300PLC 不支持 MODBUS 协议，需要增加一个第三方协议转换装置才能实现。

6　结束语

按废旧铅酸蓄电池破碎、分选工艺流程要求进行系统设计，实现过程控制的自动化、信息化，不仅减轻了工人的劳动强度，保证了工人的身体健康，而且运行效益和运行效率也明显得到了提高，实现了科学生产管理［5］。为了适应管理和维修的要求，通过第三方工业无线网关（包括软件）与 PLC的网口连接，借助 GPRS，可实现远程的系统升级、程序上传、程序下载、程序监控等，实现设备远程管理。

［1］ 高倩， 朱龙冠， 舒月红， 等. 废旧铅酸蓄电池破碎分选系统研究与探讨［J］. 蓄电池， 2013（1）: 3-7.

［2］ 陈建明. 电气控制与 PLC 应用［M］. 北京: 电子工业出版社， 2013.

［3］ 西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团. 西门子 S7-300 使用手册［Z］， 2010.

［4］ 北京亚控科技发展有限公司. 组态王 6.55 使用手册［Z］， 2011.

［5］ 王辉. 基于西门子 S7-300PLC 的水处理自动控制系统［J］. 科技与生活， 2013（2）: 90.

Automatic control system for crushing and separation equipment for lead-acid battery based on S7-300PLC

HU Hongqiu， FAN Wei， HUANG Huaxian， HE Bingkui
（Hunan Jiangye Electromechanical Science and Thchnology Corp.， Xiangtan Hunan 411300， China）

In order to meet the automatic control requirements of crushing and separation equipments for used lead-acid batteries， reduce environmental damage to the operators， improve production efficiency and work efficiency， the automatic control system was design based on Siemens S7-300 PLC. This paper introduced the application of Siemens S7-300 PLC， Advantech industrial computer and Kingview in the system， including system hardware design， software design， upper-computer design and so on.

S7-300PLC； IPC； industrial computer； Kingview； lead-acid battery； crushing and separation equipment

TM 912.9

B

1006-0847（2016）04-190-06

2016-05-07