廢舊鋼桶翻新自動化生產線系統設計（1）-緒論

文/解俊強

【摘要】

本文研究的油桶為200L鋼制油桶，常作為儲存化工原料的運輸容器。這類廢舊油桶屬于危險廢棄物，常用的處理方式是翻新后進行二次利用。這樣的處理方式符合低碳經濟節能減排的目標，有利于經濟發展過程中的環境保護，提高生態資源利用率。本文設計開發了一條廢舊油桶翻新生產線，以提高油桶翻新效率和資源利用率，減輕油桶翻新過程中產生的污染為目標，實現生產線的自動化控制。論文主要研究工作如下：

1、闡述本文的研究目的和意義。詳細闡述了油桶行業背景需求和目前油桶翻新方法，并深入分析了油桶翻新生產線的功能要求和工藝流程，針對油桶翻新存在的設備功能單一、生產效率低等問題提出了模塊化解決方案，包括系統框架組成、系統設計及實現等。

2、設計了廢舊油桶翻新生產線控制系統總體方案。基于DCS系統“集中管理，分散控制”思想進行油桶翻新生產線控制系統層級搭建；利用MPIPROFIBUS-DP、PROFINET等通信技術實現系統層級之間的信息交互，提高系統通信效率；采用上位機+PLC為控制模型，實現控制系統可視化操作。

3、設計了該自動化生產線的控制系統。以模塊為單元對工藝流程進行深入研究，根據控制流程分配了系統的I/O點，設計了控制柜的整體結構，完成控制柜硬件設計；開發了基于PLC的控制系統和監控系統：利用STEP7設計PLC梯形圖程序，二次開發WinCC組態軟件設計了該生產線的人機交互界面。

4、系統調試與試驗測試研究。基于PLCSIM仿真軟件對該生產線進行了仿真分析，對生產線設備進行了現場調試，通過對生產線油桶翻新測試試驗的設計與研究，試驗結果表明該生產線的工作效率可以達到每支桶1.5min，相比于人工每支桶15min，可以提高10倍的生產效率，而且提高了油桶的翻新質量。

關鍵詞：油桶翻新，控制系統，可視化，模塊化，PLC

第1章 緒論

1.1 課題來源

隨著科學技術的迅速發展和生產力水平的不斷提高，各行業手工作業的弊端越來越明顯，人們越來越重視如何降低勞動強度、提高設備自動化程度。廢舊油桶翻新生產線可以提高油桶翻新生產效率，有利于提高資源利用率。本文來源于天津瑞馳船舶機械有限公司委托天津職業技術師范大學共同研發的廢舊油桶翻新生產線項目。

1.2 研究背景及意義

中國已經成為世界上原材料生產品種最多、規模最大的原材料工業制造大國，面臨的主要問題是能耗高、資源消耗大、高附加值產品少、環境污染大。因此，工業生產必須實現高效化與綠色化，向低碳經濟模式轉型。低碳經濟模式提倡的是一種人與自然和諧相處的智慧經濟模式，需要我們建立低碳思維；引進先進的低碳技術；重視低碳經濟的轉型發展。在工業包裝行業，我國每年都會有大量的廢舊油桶需要進行回收、翻新、再利用。廢舊油桶翻新生產線目的是實現油桶翻新自動化生產，具有以下兩方面優勢：一方面符合社會發展要求，必須堅持綠色、可持續發展的原則；另一方面符合工業生產面向工業自動化控制的發展趨勢。工業上實現自動化主要技術有PLC（Programmable Logic Controller）控制系統、DCS（Distributed Control System）控制系統、FCS（Fieldbus Control System）控制系統、工業PC控制系統等，而伴隨著計算機和網絡技術的發展，系統變得更具開放 性，系統之間可以通過融合實現信息技術與控制技術的無縫連接，向測、控、管一體化方向發展。實現生產線自動化控制的本質是實現生產線機電一體化，通過開發相關軟件使機械與電氣相結合，構成一個控制系統。本文設計的廢舊油桶翻新生產線控制系統以DCS系統思想搭建控制系統的層級架構，以PLC技術作為該系統控制核心，通過應用現場總線技術和工控機實現系統通信和可視化控制管理。因此，本文的總體研究內容為控制系統設計，控制對象為廢舊油桶翻新生產線，生產線加工對象為200L全開口鋼桶，如圖1-1所示，鋼桶規格型號詳見 GB/T 325.3-2010《包裝容器：鋼桶》。

圖1-1 200L全開口鋼桶

1.2.1 控制系統的發展現狀

隨著計算機技術特別是微型計算機和網絡技術的飛速發展，現代工業的自動化水平得到了極大提高。工業生產中常用的控制系統有DCS系統、PLC系統和 FCS系統，三者有各自的優勢和不足，但隨著系統更具開放性，可以通過開發軟件及通信技術予以彌補。

DCS控制系統集4C技術（Communication，Computer，Control，CRT）于一體，架構包括現場層、監控層、管理層三層結構，應用于現場、工作站、設施與服務器，具有組態方便、分級管理、集中操作、分散控制等特點。DCS在復雜的過程控制中占有很大的優勢，例如中小規模控制系統可采用雙冗余，即主控制器冗余+通信網絡冗余，提高系統可靠性，在制糖生產線等大規模的化工生產中，以DCS控制系統作為制糖生產線的中控系統，可實現對各生產環節進行集中管理以及分布式冗余控制。但是傳統的DCS其系統連線復雜、可靠性降低、維護量大、通信速率慢等弊端，而且成本高，各公司產品不能互換，不能互操作；PLC是一種自動控制裝置，它的控制方式主要是開關量的邏輯控制、模擬量控制、運動控制、過程控制等四種控制方式，其特點是抗干擾能力強，系統靈活性，通用性強，軟件功能強，使用維護方便且成本經濟。因此，PLC在國內外應用廣泛，不僅常用于在化工、電網、水利等控制系統，在農業、養殖業等行業也常用于控制分揀、包裝等。PLC可以作為DCS體系的現場層控制裝置，PLC相對于DCS有更好的順序連鎖功能和更開的邏輯執行速度，而且PLC基于現場總線的遠程分布式I/ O，體積小 更靈活易用，能有效地節省接線成本。通過系統集成將PLC與DCS有點集于一體，即可以實現更好的邏輯及順序控制，又能兼具管理功能、體積小、成本低等優點；FCS是在DCS/PLC基礎上發展起來的新技術，是3C技術（Communication，Computer，Control）的融合，它最深刻的改變是現場設備的數字化、智能化和網絡化，FCS系統比DCS系統更好地體現了“信息集中，控制分散”的思想，而且FCS相對于DCS組態簡單，由于結構、性能標準化，更加便于安裝、運行、維護。

進入二十一世紀以來，可編程序控制器己成為工業自動化領域中主導控制裝置，已躍居工業生產自動化四大支柱（可編程序控制器、機器人、數控機床、計算機輔助設計與制造）的首位。本文總體方案以DCS控制理念搭建生產線控制系統基本架構，即搭建現場層、監控層和管理層的總體結構，采用上位機+PLC 控制模型，并融合FCS總線技術，實現生產線的可視化監控與管理，具體系統設計實現是把PLC、WinCC和PROFIBUS三者結合在一起，實現控制系統三層結構之間的通訊和監控。選用PLC為控制核心因為PLC有很好的應用前景：

1）人機界面更加友好。目前，廣泛被應用的是PLC+IPC（Industrial Process Control）+網絡的模式。

2）開放性和操作性的發展。系統構成靈活、擴展容易。以開關量控制為核心，能與上位機構成復雜控制系統，也能進行連續過程的 PID 回路控制，實現生產過程的綜合自動化。

3）使用方便、編程簡單，采用簡明的梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言，而無需專業計算機知識，具備系統開發周期短、現場調試容易的優點，另外可在線修改程序，改變控制方案而無需更新硬件。

4）能適應各種惡劣的工作環境，抗干擾能力強，可靠性高。PLC一般應用于工業環境，工業環境具有電磁環境復雜，許多工作環境具有高溫、高濕、振動沖擊、電磁干擾、電源電壓不穩定、低大氣壓等極限環境下，PLC必須在各種極限的環境下穩定工作。

1.2.2 油桶翻新行業國內外現狀

200L鋼桶常用于化工產品包裝，本文是以用于石油、化工類包裝的鋼桶為翻新研究對象，整理的有關油桶行業的國內外現狀如下：

1）油桶翻新行業國外現狀

如圖1-1為2007年統計的國外鋼桶的平均每年產量。美國的新鋼桶生產量始終保持對穩定，從1985年開始，200L鋼桶的平均年產量為2740萬只，舊桶翻新量，從1985年的3810萬只下降到2003年的3070萬只；歐洲，200L鋼桶平均每年的生產量為3700萬只；在印度，鋼桶生產量以每年7%的速度增長，而舊桶翻新工業有小規模的生產經營者，每年的翻新量大部分只有30000只左右；在南美，阿根廷、巴西、智利和哥倫比亞等幾個國家是工業包裝容器和回收翻新工業包裝容器的主要生產國；在亞洲，日本200L鋼桶舊桶翻新業正以每年6%的速度在遞增。從圖1-1中可以看出工業越發達地區油桶的生產和使用量越大。

圖1-1 國外鋼制油桶平均每年產量

在歐洲，布萊格登包裝公司是歐洲第二大鋼桶制造商，在鋼桶及 IBC 容器翻新業務方面位居第一，已經把鋼桶制造業與舊桶翻新業聯合。把布萊格登建成了一個服務型的公司，為客戶提供解決方案，通過“閉路循環法”把工業廢桶加工成可再利用的產品或者用于回收再利用的鐵屑。

在美國，200L的鋼桶一直是化學工業包裝的主力，在許多類型的危險品和非危險品的運輸包裝中，應用最為廣泛的工業包裝是鋼桶。圖1-2為2010-2016年美國國內工業生產總值與工業產品和鋼桶產量的變化曲線，顯示了在美國工業產品對鋼桶產量的影響。

圖 1-2  年美國國內工業生產總值與工業產品和鋼桶產量的變化曲線（2010-2016 年）

日本將鋼桶作為回收再利用的最佳資源。使用過的鋼桶，一部分被舊桶回收商修復再利用，而其他部分則直接從消費者手中回收并運送到廢品處理站，該方法廣泛用于鋼桶的回收利用，被稱為是循環再造的典范。把直接回收到廢品處理站的桶排除在外，鋼桶的回收利用率為59.6%。實質上資源回收率是100%。表1-1為日本2011-2016年油桶的生產和回收利用率等數據。

表 1-1  日本 200L 油桶行業情況（2011-2016 年）

從自然資源的環境保護方面來看，日本的再生桶行業是受到歡迎的。通過日本鋼桶協會國際標準化的調查報告，鋼桶壁厚是影響鋼桶可再生次數的主要原因，1.0mm壁厚的鋼桶可再生約1次，1.2mm壁厚的鋼桶平均可再生約3.45次，1.6mm 壁厚的鋼桶平均可再生約5.2 次。如圖1-3為油桶厚度與翻新次數關系。需要注意的是影響油桶的回收翻新次數另外一個關鍵因素是翻新設備。

圖 1-3 油桶壁厚與翻新次數關系

圖1-4是日本2016年4月到2017年3月鋼桶回收利用流程圖。

圖1-4 日本2016年4月到2017年3月鋼桶回收利用流程圖（單位：千只）

綜上所述，可以看出油桶的產量與化工行業的產值有著密切關聯，在國外鋼制油桶行業越來越重視廢舊油桶資源的回收利用，日本對油桶的回收利用流程方式可以實現100%的回收利用，反映出油桶翻新研究的對油桶資源回收再利用重要性。

2）油桶翻新行業國內現狀

根據中國包裝聯合會的指示和國家統計局（2015）46號文件精神，2015年全國鋼桶產量統計情況如下：

調查中共統計了145家鋼桶包裝企業，從統計的情況看，包裝企業之間的相互滲透越來越多，鋼桶企業中生產200L、100L及中小型和大型（IBC）噸箱的企業越來越多。均采用多品種，多渠道的經營模式，雖然統計的145家企業占全國鋼桶企業總數的20%，但他們生產鋼桶的數量占全國鋼桶市場總量的70-80%。145家鋼桶企業共生產200L鋼桶8168.32萬只；中小鋼桶1185萬只；200L塑料桶2416萬只；40-100L塑料桶500萬只；16-20L的塑料桶450萬只；0.1-20L的塑料桶罐1176萬只；IBC塑料噸箱200萬只。根據行業專家分析，2016年全國200L鋼桶的總產量已經達到1.3億只。與2015年統計產量相比，200L鋼桶全國總產量均長了約 1000萬只。200L鋼桶的產量分布情況如表1-2 所示。

表1-2 200L鋼桶的產量分布情況

國內油桶行業在回收處理方面還存在以下幾個問題：

a）缺少可靠的舊桶來源。國內的回收業發展極不平衡，至今沒有統一的鋼桶回收管理系統，沒有專門從事這項工作的管理機構，所以舊桶翻新業由于沒有穩定的舊桶來源而難以發展。

b）資源消耗量大。鋼桶包裝所使用的資源以鋼鐵為主。在產品的成本中，鋼鐵材料所占的比例達到70%-80%。所以說，鋼桶包裝業是資源消耗的大戶；鋼桶包裝業在生產中對能源的需求量也很大，比如在鋼桶的涂裝生產中，因為需要進行烘干，所以需要消耗大量的電能、天然氣、煤或油等。

c）缺少先進的舊桶翻新技術和設備。近年來新鋼桶生產設備技術發展很快，但少有人涉足舊桶翻新設備的開發和制造，不少有條件進行大規模舊桶翻新業務的企業，由于找不到先進的舊桶翻新設備而放棄回收。目前從事舊桶翻新設備生產的少數企業，由于設備技術落后，生產率低，難以滿足現代化生產的需要。沒有高效率的設備，舊桶翻新工作就難以產生效益。

d）環境污染比較大。在鋼桶包裝的生產過程中，還存在嚴重的環境污染問題，在鋼桶生產中，由于清洗磷化產生廢水而造成水的污染；在鋼桶涂裝和烘干中產生大量廢氣造成的污染等。

e）回收利用問題很多。薄型鋼桶包裝產品多為一次性使用，再利用率比較低；厚型鋼桶一般可多次使用，但在回收利用時都要進行再次的清洗和翻新，同樣要消耗大量的能源和造成污染。廢舊鋼桶包裝物回收后多數都是回爐重煉，這不符合節省資源和能源的原則。

1.2.3 油桶翻新設備研究現狀

關于油桶翻新生產線的研究現狀，經查閱相關文獻，1991年發表的一篇研究成果是為改變200L廢舊油桶的人工修復和涂覆作業方式，設計了油桶表面自動除銹噴漆生產線，研究成果主要包括桶壁的除銹和噴漆加工工藝分析和CCS實現的生產線自動控制；以及2004年的一篇研究成果，它簡要闡述了油桶翻新的主要工藝流程：油桶整形、桶內清洗、桶外清洗、表面烘干和表面噴漆；從2004年到現在，存在一些關于油桶清洗、油桶整形等方面的進一步研究成果，最新研究成果是 2012年的關于油桶清洗的研究，對本文的研究都有很重要的參考價值。

經過對以前的油桶翻新相關研究成果的整理發現，相關文獻資料有以下兩大特點：一是文獻多數過于陳舊；二是研究缺乏系統性。這導致關于油桶翻新生產線的研究不夠深入也是市場上的油桶翻新設備不夠成熟規范的重要因素。因而現在存在的翻新設備往往都是以單一功能的加工設備被設計出來使用的，如油桶傳送線、拋光機，整形機，卷邊機等，如圖1-3所示：a為一種油桶傳送線，b為一種拋光機，c和 d為兩種不同形式的整形機。這些設備也都受相關研究的匱乏的影響，雖然能滿足油桶翻新加工的功能需求，但是設備設計以及加工產品不規范，生產效率低，浪費生產資源而且對環境產生嚴重的二次污染。

圖 1-3 現有翻新設備

經過對相關資料調研，確定了油桶翻新生產線設計的必要性與可行性。本文研究的是廢舊油桶翻新生產線的控制系統設計：油桶翻新生產線作為一種現代工業設備產品，以綠色可持續設計原則，以節約資源、提高資源的利用率為研究目標，以實現自動化控制、降低成本提高效率，促進油桶翻新生產線規范化、標準化為研究方向，對整個生產線進行模塊劃分，將生產線系統設計標準化，保證生產線功能實現的同時利于生產線后期的優化升級。綜上所述，本文的研究意義有以下幾點：

1）油桶翻新行業翻新油桶需求量大，但自動化加工水平低，有必要進行自動化系統生產線設計。

2）PLC技術作為工業控制系統組成功能強大，集成度較高，技術成熟，控制系統穩定，而且相對其他控制技術成本更低。

3）符合社會發展要求，即建設資源節約型社會，因為油桶翻新利用的方法在一定程度上有利于提高資源利用率。

1.3 主要研究內容及關鍵問題

研究內容主要包括以下幾個方面：生產線工藝流程分析，PLC 系統總體方案設計，系統硬件設計，系統軟件設計以及系統調試與試驗。

1）生產線工藝流程分析

經過對油桶翻新生產線分析，這條生產線設計包括四個關鍵的加工工藝：加溫工藝、除銹工藝、整形工藝和拋光清洗工藝。加溫目的是使油桶桶壁附著物碳化，提高噴砂質量和噴砂效果；除銹工藝采用的的是噴砂除銹，是通將磨料(  噴丸玻璃珠、鋼砂、石英砂、金剛砂、鐵砂、海砂等)  高速噴射到待處理的桶壁表面，利用磨料本身的硬度、沖擊韌性和棱角，將桶壁表面的各種銹跡祛除，除銹等級可控制在Sa2.5到 Sa3之間；整形工藝是利用液壓系統讓壓輥對桶壁進行擠壓實現整形的目的；拋光清洗工藝是用電機帶動鋼刷對桶壁拋光，拋光之后的油桶還需要對油桶進行自動清洗和擦干。這四個工藝形成一個完整的油桶翻新工藝流程。

2）PLC系統總體方案設計

本文的廢舊油桶翻新生產線控制系統設計目的是實現生產線的機電一體化，實質是將機械技術與電子技術相結合，其結構組成要素包括生產線本體、計算機、傳感器、執行器和系統動力。系統總體設計之前要對整個方案的可行性進行論證，系統的設計首先要滿足用戶的基本要求，其次加強系統的可靠性，在此基礎上優化設計降低設計成本。因此，廢舊油桶翻新生產線的控制系統總體方案設計包括三個主要方面內容：控制系統總體架構、系統硬件設計、系統軟件設計。

3）系統硬件設計

系統硬件構成以DCS控制系統為架構搭建系統的現場層、監控層和管理層，以PLC為控制裝置搭建現場層級的PLC主控制系統，通過MPI、PROFIBUS以及工業以太網等通信技術實現三個層級的信息交互，在監控層開發WinCC組態軟件，實現生產線在線實時監控、分析和診斷線路故障。系統硬件設計主要包括四個方面內容：傳感器和執行器選型、PLC控制系統模塊選擇、控制柜的設計等。

4）系統軟件設計

系統軟件設計包括兩個主要方面：控制軟件和監控軟件。控制軟件是利用 STEP7軟件設計PLC的程序梯形圖，采用模塊化設計方法，根據生產線的功能模塊編寫模塊程序，通過主程序調用子程序方式簡化生產線邏輯；監控軟件是對WinCC組態軟件進行二次開發，搭建生產線組態，以PROFIBUS建立PLC與上位機之間的通信連接，達到廢舊油桶翻新生產線的可視化監控目的。

5）系統調試與試驗

對系統的I/O點調試，排除硬件上的故障，用PLCSIM軟件對PLC控制程序進行仿真調試排除軟件上的故障，通過現場調試測試控制系統，完成測試試驗。

綜合以上內容，本文基于PLC的廢舊油桶翻新生產線的控制系統設計需要完成以下工作內容： 

1）分析生產線的工藝流程與控制要求；

2）完成控制系統總體設計，包括：控制系統結構組成分析與設計；軟、硬件系統主要配置組成；給出系統評價方法；

3）完成系統硬件與軟件的設計，包括：硬件設計，包括工藝流程分析、硬件配置選型、編制I/O分配表及端子圖、卡件接線；軟件設計，包括編寫PLC梯形圖、操作站人機界面的設計等；

4）設計試驗，完成控制系統的調試。

1.4 本章小結

闡述了本文的研究背景及目的意義，概括了控制系統的發展、油桶翻新行業國內外現狀以及油桶翻新設備的研究現狀，總結了本文的研究內容。