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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(hào))
李勇偉（國(guó)家注冊(cè)電氣師,國(guó)家注冊(cè)監(jiān)理師,高工）

摘 要：本文主要介紹了我國(guó)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(dòng)向

一、前言
自我國(guó)第一條年產(chǎn)400萬(wàn)m2連續(xù)自動(dòng)化紙面石膏板生產(chǎn)線1978年投入工業(yè)性生產(chǎn)以來(lái)，我國(guó)廣大紙面石膏板行業(yè)的技術(shù)人員經(jīng)過(guò)二十多年的努力，在實(shí)現(xiàn)我國(guó)紙面石膏板生產(chǎn)線系列化、大型化、自動(dòng)化方面做了大量工作，又成功開(kāi)發(fā)了年產(chǎn)3000萬(wàn)m2的紙面石膏板生產(chǎn)線。本文從3000萬(wàn)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(wàn)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(gè)工段的下位機(jī)PLC通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與變頻器、伺服控制器通訊。同時(shí)PLC、人機(jī)界面HMI與上位機(jī)部分通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)接，形成一個(gè)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(duì)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線Devicenet通訊，PLC與HMI和上位機(jī)之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。本控制裝置由兩個(gè)控制柜，六個(gè)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(shí)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(dòng)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(dòng)后，PLC按照工藝要求啟停和調(diào)節(jié)各個(gè)電機(jī)的速度，同時(shí)通過(guò)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(hào)給計(jì)量皮帶秤，皮帶秤即按照給定信號(hào)控制給料速度，同時(shí)皮帶秤將給料的瞬時(shí)量和累計(jì)量傳送回PLC，通過(guò)通訊將它們?cè)谌藱C(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(shí)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(hào)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(dòng)調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)的給料速度。以上經(jīng)過(guò)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(guò)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(hào)給各種漿料的計(jì)量泵控制漿料的輸出，同時(shí)PLC根據(jù)各自的流量計(jì)信號(hào)反饋，自動(dòng)調(diào)節(jié)模擬量給定信號(hào)，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(hào)，按照工藝要求聯(lián)鎖控制各個(gè)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(tái)、紙卷提升裝置、上下紙的接紙臺(tái)、儲(chǔ)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(dòng)臺(tái)等組成。正常生產(chǎn)時(shí)，儲(chǔ)紙機(jī)的升降輥處于上部極限位置，儲(chǔ)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(dòng)把護(hù)面紙從儲(chǔ)紙機(jī)中拉引出來(lái)，在拉出裝置的補(bǔ)償輥邊裝有一套拉出張力檢測(cè)系統(tǒng)，它的信號(hào)作為張力反饋來(lái)調(diào)節(jié)拉出電機(jī)的速度。當(dāng)紙卷快要用完時(shí)，進(jìn)行接紙操作。接紙時(shí)，儲(chǔ)紙輥接紙電磁制動(dòng)器將入紙輥抱住，同時(shí)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(tái)主攪拌電機(jī)和兩臺(tái)硬邊攪拌電機(jī)組成，配料系統(tǒng)輸送來(lái)的混合料經(jīng)過(guò)充分?jǐn)嚢鑿臄嚢铏C(jī)出料口送入振動(dòng)臺(tái)，經(jīng)過(guò)振動(dòng)輥的高速振動(dòng)使?jié){料均勻鋪開(kāi)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(shí)，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(tái)中通過(guò)，石膏板濕板成型完成。板厚是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操作箱上的按鈕來(lái)調(diào)節(jié)，箱上裝有厚度顯示表來(lái)顯示成型板左右兩邊的產(chǎn)品厚度，操作工可手動(dòng)調(diào)節(jié)。
主線是由兩臺(tái)凝固皮帶和一段輸送輥道組成，這三臺(tái)設(shè)備需要線速度同步?？紤]到伺服驅(qū)動(dòng)成本太高，生產(chǎn)線控制精度要求也不是非常苛刻，所以采用交流變頻驅(qū)動(dòng)裝置閉環(huán)控制。PLC經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算得出每臺(tái)設(shè)備的給定值，然后通過(guò)Devicenet通訊將速度給定以數(shù)字量的型式傳送給每臺(tái)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?？刂葡到y(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(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線Devicenet通訊，PLC與HMI和上位機(jī)之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。本控制裝置由九個(gè)控制柜，一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)，一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)控制柜、2C8油泵控制柜、2C9切斷控制柜、2T現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)、2A切斷現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)切斷，切斷控制柜根據(jù)2T操作臺(tái)上的HMI設(shè)置的切斷長(zhǎng)度，自動(dòng)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(dòng)裝置、單獨(dú)控制切斷的PLC、測(cè)長(zhǎng)測(cè)速編碼器、角位移光電編碼器等。伺服驅(qū)動(dòng)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(shí)編程有限條凸輪曲線，不能完全實(shí)現(xiàn)任意切割長(zhǎng)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(gè)切斷的控制算法由單獨(dú)的PLC完成。這樣由測(cè)長(zhǎng)測(cè)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(dòng)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(wèn)題。同時(shí)切斷控制柜還要完成一些手動(dòng)干預(yù)的操作，比如手動(dòng)剪切、手動(dòng)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?？欤袛嗪蟮氖喟灞仨毎凑展に嚬?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(shí)，加速輥道變頻電機(jī)通過(guò)通訊按照配料與成型工段傳輸過(guò)來(lái)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(kāi)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(dòng)停車(chē)，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(lái)；同時(shí)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(chē)，等待下一個(gè)板組的到來(lái)。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(shí)動(dòng)作，將兩組石膏板同時(shí)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(shí)，對(duì)應(yīng)層的輸送電機(jī)啟動(dòng)，將石膏板輸送到恰當(dāng)位置后停車(chē)，隨后石膏板就由干燥窯主傳動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)緩緩進(jìn)入干燥窯；同時(shí)分配橋升降電機(jī)由軸后的絕對(duì)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(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)均通過(guò)導(dǎo)熱油經(jīng)熱交換器加熱循環(huán)空氣，再通過(guò)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(gè)區(qū)的循環(huán)空氣入口和出口溫度的測(cè)量值送到PLC，每個(gè)區(qū)的濕度測(cè)量值也送到PLC，經(jīng)過(guò)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(gè)區(qū)工藝參數(shù)要求。同時(shí)通過(guò)2T操作臺(tái)上的HMI，可以非常方便的集中修正各個(gè)調(diào)節(jié)閥的PID參數(shù)、手自動(dòng)運(yùn)行和手操器的動(dòng)作。干燥窯主傳動(dòng)電機(jī)的速度是根據(jù)生產(chǎn)線主線速度和干燥窯每個(gè)區(qū)的實(shí)際工藝運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)的。另外由于每臺(tái)風(fēng)機(jī)電機(jī)的功率都非常大，所以均采用軟啟動(dòng)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(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。本控制裝置由兩個(gè)控制柜，一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)，三個(gè)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)操作臺(tái)、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(gè)帶