浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院(310006杭州市環(huán)城西路89號)
李勇偉（國家注冊電氣師,國家注冊監(jiān)理師,高工）
摘 要：本文主要介紹了我國紙面石膏板生產(chǎn)的工藝流程，以及石膏板電氣控制系統(tǒng)的最新技術(shù)和發(fā)展動向
一、前言
自我國第一條年產(chǎn)400萬m2連續(xù)自動化紙面石膏板生產(chǎn)線1978年投入工業(yè)性生產(chǎn)以來，我國廣大紙面石膏板行業(yè)的技術(shù)人員經(jīng)過二十多年的努力，在實(shí)現(xiàn)我國紙面石膏板生產(chǎn)線系列化、大型化、自動化方面做了大量工作，又成功開發(fā)了年產(chǎn)3000萬m2的紙面石膏板生產(chǎn)線。本文從3000萬m2紙面石膏板生產(chǎn)線的電控系統(tǒng)方面作一介紹。
二、系統(tǒng)概述
年產(chǎn)3000萬m2紙面石膏板生產(chǎn)線（主線）電控系統(tǒng)按照生產(chǎn)工藝特點(diǎn)和生產(chǎn)線布置情況主要分為配料與成型工段、切斷與干燥工段、成品輸送工段和上位機(jī)四部分。各個工段的下位機(jī)PLC通過現(xiàn)場總線與變頻器、伺服控制器通訊。同時PLC、人機(jī)界面HMI與上位機(jī)部分通過工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)接，形成一個完整的生產(chǎn)控制系統(tǒng)。
配置圖例：
1.配料與成型工段
本工段主要包括配料、成型和主線速度三部分的控制，它們之間是相對獨(dú)立但又相互聯(lián)系的。控制系統(tǒng)由下位機(jī)PLC、人機(jī)界面HMI和變頻器組成。PLC系統(tǒng)由一套SLC5/05主機(jī)架及一套擴(kuò)展機(jī)架組成，PLC與變頻器之間通過現(xiàn)場總線Devicenet通訊，PLC與HMI和上位機(jī)之間通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。本控制裝置由兩個控制柜，六個現(xiàn)場操作箱及一些就地按鈕盒組成，即1C1成型控制柜、1C2配料控制柜、1B~3B皮帶和輸送輥道現(xiàn)場操作箱、4B板厚調(diào)節(jié)操作箱、1A1上接紙操作箱、1A2下接紙操作箱、及就地電機(jī)啟停按鈕盒和緊停按鈕盒。同時屬本控制系統(tǒng)但隨工藝設(shè)備附帶的電控設(shè)備有：1C3皮帶秤控制柜，609C1上糾偏操作箱，609C2下糾偏控制箱，CH2~4收塵控制箱等。
石膏板配料分為干料、濕料兩部分。干料配料控制部分主要是建筑石膏粉、添加劑、淀粉、促凝劑、發(fā)泡劑以及水和紙漿混合液的給定控制和自動調(diào)節(jié)，配料量與成型速度成比例，其配比保持不變。建筑石膏粉的給料控制是由螺旋閘板、葉輪給料機(jī)、螺旋輸送機(jī)、斗式提升機(jī)、計(jì)量皮帶秤完成的。配料系統(tǒng)啟動后，PLC按照工藝要求啟停和調(diào)節(jié)各個電機(jī)的速度，同時通過人機(jī)界面設(shè)定其給料量，PLC的模擬量輸出模塊輸出4~20mA的給定信號給計(jì)量皮帶秤，皮帶秤即按照給定信號控制給料速度，同時皮帶秤將給料的瞬時量和累計(jì)量傳送回PLC，通過通訊將它們在人機(jī)界面和上位機(jī)上顯示，使得操作人員和管理人員可以分別在線監(jiān)控，及時按照工藝要求調(diào)整給料量。添加劑、淀粉和促凝劑的給料控制基本一致，給料控制由調(diào)速螺旋輸送機(jī)、攪拌電機(jī)、葉輪給料機(jī)、斗式提升機(jī)等組成?？刂品绞脚c建筑石膏粉基本一致，只是PLC的模擬量輸出模塊輸出的4~20mA給定信號直接給調(diào)速螺旋輸送機(jī)，根據(jù)人機(jī)界面設(shè)定的配方PLC自動調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)的給料速度。以上經(jīng)過配比的粉料分別進(jìn)入螺旋輸送機(jī)、混合螺旋輸送機(jī)，通過輸送最后進(jìn)入立式攪拌機(jī)與漿料攪拌，充分?jǐn)嚢韬筮M(jìn)入下一步成型工序。
濕料主要有紙漿、發(fā)泡劑、水及添加劑等。其控制裝置包括水力碎漿機(jī)、碎漿螺桿機(jī)、攪拌水泵、紙漿攪拌機(jī)、紙漿螺桿泵、發(fā)泡劑上料泵、發(fā)泡劑輸送泵、發(fā)泡劑螺桿泵、硅油上料泵、硅油輸送泵等。根據(jù)人機(jī)界面設(shè)定的配比，PLC的模擬量輸出模塊輸出的4~20mA給定信號給各種漿料的計(jì)量泵控制漿料的輸出，同時PLC根據(jù)各自的流量計(jì)信號反饋，自動調(diào)節(jié)模擬量給定信號，形成閉環(huán)控制。各種粉料和漿料都有料位或液位指示反饋信號，按照工藝要求聯(lián)鎖控制各個配料工序。
成型控制部分主要是石膏板濕板的成型，控制設(shè)備主要由成型臺、紙卷提升裝置、上下紙的接紙臺、儲紙機(jī)、拉出裝置、張緊裝置、切紙裝置、糾偏裝置、壓痕機(jī)、邊部加熱器、立式攪拌機(jī)、振動臺等組成。正常生產(chǎn)時，儲紙機(jī)的升降輥處于上部極限位置，儲紙機(jī)內(nèi)存有一定的護(hù)面紙，拉出裝置由變頻電機(jī)驅(qū)動把護(hù)面紙從儲紙機(jī)中拉引出來，在拉出裝置的補(bǔ)償輥邊裝有一套拉出張力檢測系統(tǒng)，它的信號作為張力反饋來調(diào)節(jié)拉出電機(jī)的速度。當(dāng)紙卷快要用完時，進(jìn)行接紙操作。接紙時，儲紙輥接紙電磁制動器將入紙輥抱住，同時接紙輥放下壓緊入紙輥將紙板夾住完成接紙。立式攪拌機(jī)由一臺主攪拌電機(jī)和兩臺硬邊攪拌電機(jī)組成，配料系統(tǒng)輸送來的混合料經(jīng)過充分?jǐn)嚢鑿臄嚢铏C(jī)出料口送入振動臺，經(jīng)過振動輥的高速振動使?jié){料均勻鋪開后再進(jìn)入成型裝置。成型裝置由一套成型機(jī)構(gòu)、板厚調(diào)節(jié)電機(jī)、位置光電編碼器組成。正常生產(chǎn)時，成型板下落在已經(jīng)調(diào)好的板厚高度上，上下紙和漿料從成型臺中通過，石膏板濕板成型完成。板厚是通過現(xiàn)場操作箱上的按鈕來調(diào)節(jié)，箱上裝有厚度顯示表來顯示成型板左右兩邊的產(chǎn)品厚度，操作工可手動調(diào)節(jié)。
主線是由兩臺凝固皮帶和一段輸送輥道組成，這三臺設(shè)備需要線速度同步。考慮到伺服驅(qū)動成本太高，生產(chǎn)線控制精度要求也不是非?？量蹋圆捎媒涣髯冾l驅(qū)動裝置閉環(huán)控制。PLC經(jīng)過PID運(yùn)算得出每臺設(shè)備的給定值，然后通過Devicenet通訊將速度給定以數(shù)字量的型式傳送給每臺變頻器，實(shí)現(xiàn)速度的同步控制。
2.切斷與干燥工段：
本工段主要包括切斷、橫向輸送、入窯和干燥窯四部分的控制。控制系統(tǒng)由PLC、HMI、變頻器和伺服控制器組成。PLC系統(tǒng)由一套SLC5/05主機(jī)架及兩套擴(kuò)展機(jī)架組成，PLC與變頻器和伺服控制器之間通過現(xiàn)場總線Devicenet通訊，PLC與HMI和上位機(jī)之間通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。本控制裝置由九個控制柜，一個現(xiàn)場操作臺，一個現(xiàn)場操作箱及一些就地按鈕盒組成，即2C1橫向及儀表控制柜、2C2翻板控制柜、2C3入窯控制柜、2C4~2C6風(fēng)機(jī)控制柜、2C7主傳動控制柜、2C8油泵控制柜、2C9切斷控制柜、2T現(xiàn)場操作臺、2A切斷現(xiàn)場操作箱及就地電機(jī)啟停按鈕盒和緊停按鈕盒。
切斷控制部分完成石膏板濕板經(jīng)初凝后的板長切斷，切斷控制柜根據(jù)2T操作臺上的HMI設(shè)置的切斷長度，自動完成石膏板的連續(xù)切割，精度要求正負(fù)1mm?？刂蒲b置包括裝有上下切割轉(zhuǎn)轂的切斷機(jī)、交流伺服驅(qū)動裝置、單獨(dú)控制切斷的PLC、測長測速編碼器、角位移光電編碼器等。伺服驅(qū)動裝置采用內(nèi)置電子凸輪的控制器，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜輪廓曲線的加工。但考慮到其只能同時編程有限條凸輪曲線，不能完全實(shí)現(xiàn)任意切割長度的工藝要求，所以將它作為精確的速度內(nèi)環(huán)控制，整個切斷的控制算法由單獨(dú)的PLC完成。這樣由測長測速編碼器、角位移光電編碼器構(gòu)成的位置控制外環(huán)，和由伺服控制器構(gòu)成的速度控制內(nèi)環(huán)就完全可以達(dá)到工藝精度要求，當(dāng)然主線的速度波動要控制在一定的范圍之內(nèi)，這牽涉到控制系統(tǒng)魯棒性的問題。同時切斷控制柜還要完成一些手動干預(yù)的操作，比如手動剪切、手動回零、采樣剪切及與進(jìn)板輥道控制的一些聯(lián)鎖控制要求。
橫向輸送控制部分主要完成切斷后的石膏板加速、進(jìn)板、翻板、橫向輸送和出板的控制。首先，由于主線的速度非?？?，切斷后的石膏板必須按照工藝節(jié)拍成組地經(jīng)加速輥道輸送到進(jìn)板輥道。加速輥道上的石膏板塊數(shù)在未達(dá)到板組數(shù)時，加速輥道變頻電機(jī)通過通訊按照配料與成型工段傳輸過來的主線速度同步運(yùn)行，在達(dá)到板組數(shù)后加速到高速狀態(tài)，與進(jìn)板輥道保持同步。等到當(dāng)前板組的最后一塊石膏板完全進(jìn)入進(jìn)板輥道后，加速輥道重新切換至與主線同步，開始新的一次板組循環(huán)。進(jìn)板輥道載有一組石膏板后，在指定位置制動停車，進(jìn)板輥道的輥架下落，由第一條輸送皮帶將石膏板橫向拉出，然后進(jìn)板輥道的輥架上升、輥道加速到高速，等待下一組石膏板的到來；同時翻板機(jī)構(gòu)將石膏板從第一條橫向輸送皮帶翻轉(zhuǎn)到第二條橫向輸送皮帶上，第二條皮帶再將石膏板輸送到指定位置抱閘停車，等待下一個板組的到來。當(dāng)下一組石膏板經(jīng)翻轉(zhuǎn)也在第二條皮帶上后，第二、三條橫向輸送皮帶同時動作，將兩組石膏板同時送入出板輥道，接著出板輥道輥架抬起，輥道加速至高速，經(jīng)靠攏輥道將兩組石膏板整齊地送入入窯部分，至此橫向輸送控制完成。
入窯部分是將成組的石膏板按照預(yù)定的順序送入干燥窯?？刂蒲b置由分配橋升降電機(jī)、分配橋輸送電機(jī)、干燥窯各層的輸送電機(jī)組成。首先分配橋升降電機(jī)停在預(yù)定的層上，當(dāng)石膏板經(jīng)分配橋輸送電機(jī)進(jìn)入干燥窯時，對應(yīng)層的輸送電機(jī)啟動，將石膏板輸送到恰當(dāng)位置后停車，隨后石膏板就由干燥窯主傳動電機(jī)帶動緩緩進(jìn)入干燥窯；同時分配橋升降電機(jī)由軸后的絕對值編碼器定位，精確停止于下一待進(jìn)板的層上。
干燥窯共分三個區(qū)，每個區(qū)均通過導(dǎo)熱油經(jīng)熱交換器加熱循環(huán)空氣，再通過循環(huán)空氣在干燥窯內(nèi)蒸發(fā)石膏板中的水分。在溫度控制方面，用PLC取代了傳統(tǒng)的儀表控制，干燥窯每個區(qū)的循環(huán)空氣入口和出口溫度的測量值送到PLC，每個區(qū)的濕度測量值也送到PLC，經(jīng)過一定的算法PLC控制各自的導(dǎo)熱油調(diào)節(jié)閥，以滿足每個區(qū)工藝參數(shù)要求。同時通過2T操作臺上的HMI，可以非常方便的集中修正各個調(diào)節(jié)閥的PID參數(shù)、手自動運(yùn)行和手操器的動作。干燥窯主傳動電機(jī)的速度是根據(jù)生產(chǎn)線主線速度和干燥窯每個區(qū)的實(shí)際工藝運(yùn)行參數(shù)自動調(diào)節(jié)的。另外由于每臺風(fēng)機(jī)電機(jī)的功率都非常大，所以均采用軟啟動器控制啟停。
3.成品輸送工段：
本工段主要包括出窯、成品輸送和堆垛三部分的控制，控制系統(tǒng)由PLC、HMI、變頻器組成。PLC系統(tǒng)由一套SLC5/05主機(jī)架及兩套擴(kuò)展機(jī)架組成，PLC與HMI和上位機(jī)之間通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。本控制裝置由兩個控制柜，一個現(xiàn)場操作臺，三個現(xiàn)場操作箱及一些就地按鈕盒組成。即3C1出窯控制柜、3C2輸送和堆垛控制柜、3T現(xiàn)場操作臺、3A1橫向機(jī)行走機(jī)構(gòu)操作箱、3A2切邊操作箱、3A3堆垛操作箱及就地電機(jī)啟停按鈕盒和緊停按鈕盒。
出窯部分控制烘干后的石膏板從干燥窯輸出的順序，控制裝置由各出板層的輸送電機(jī)、出窯擋板、電磁離合器及若干輸送皮帶組成。出窯部分主要控制要求是先到先出的原則，所以在PLC中要實(shí)現(xiàn)一個帶
