0 引言
目前，國(guó)內(nèi)大部分瓦楞紙板生產(chǎn)廠家還在使用傳統(tǒng)的人工制膠機(jī)，膠水的質(zhì)量全靠工人的熟練程度來(lái)保證，隨著企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)加劇，紙板生產(chǎn)線效率越來(lái)越高，人工制膠方法已越來(lái)越不能滿足生產(chǎn)的需要。本文介紹的該自動(dòng)控制系統(tǒng)的制膠設(shè)備主要用于瓦楞紙板制造生產(chǎn)線配套，它能夠?qū)崿F(xiàn)制膠、輸膠、用膠過(guò)程的全自動(dòng)化控制。由于按照預(yù)先設(shè)置的原料配比和工序制備膠水，故能避免因人工操作可能造成的膠水品質(zhì)的不穩(wěn)定，保證紙箱粘合的剝離強(qiáng)度穩(wěn)定的達(dá)到GB/T6544-2008國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，自動(dòng)化制膠系統(tǒng)的效率也大大高于人工制膠，可滿足高速生產(chǎn)線的配套要求，并使我國(guó)包裝工業(yè)自動(dòng)化水平得到大大提高。
1 工藝設(shè)備與流程概述
1.1 主要工藝設(shè)備
如圖1所示，膠水制備生產(chǎn)線的主要工藝設(shè)備由儲(chǔ)備罐（包括淀粉、堿液、樹(shù)脂三個(gè)罐）、中轉(zhuǎn)罐（包括硼砂、堿液、樹(shù)脂三個(gè)罐及其共用的稱量裝置）、一個(gè)主罐及其稱量裝置和四個(gè)成品罐及其計(jì)量裝置組成。
本膠水制備生產(chǎn)線設(shè)有化堿系統(tǒng)（采用碳鋼罐體）、攪拌裝置、堿液貯槽和2臺(tái)堿液泵，堿液中轉(zhuǎn)罐以及管道均采用不銹鋼。片堿化成液堿后，貯存在堿液貯槽里。堿液中轉(zhuǎn)罐的液位可以由PCC自動(dòng)控制，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定低限時(shí)，將自動(dòng)啟動(dòng)堿液泵從堿液貯槽進(jìn)行補(bǔ)給。
淀粉貯罐為碳鋼罐體，配備了螺旋輸送機(jī)、振動(dòng)給料器，裝設(shè)了高、低料位傳感器。主罐裝備了蒸氣加熱裝置和自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)，配置有溫度檢測(cè)元件、二次溫度儀表和蒸氣切斷閥，并采用PCC來(lái)控制溫度。
各用膠點(diǎn)貯罐設(shè)有液位檢測(cè)和攪拌裝置。各膠水儲(chǔ)罐的膠水重量可以在制膠房的觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)視。
1.2 工藝流程概述
在圖1中，首先從硼砂、樹(shù)脂以及堿液的存儲(chǔ)罐往中轉(zhuǎn)罐加料：上述三個(gè)中轉(zhuǎn)罐都固定在一個(gè)由3個(gè)傳感器支撐的架體上，它們共用一套稱量裝置。常溫下樹(shù)脂和堿液均為液體，它們的中轉(zhuǎn)儲(chǔ)罐都設(shè)有最高位和低位浮球。第一次只加樹(shù)脂，當(dāng)其液位到達(dá)高位浮球位置時(shí)停止加料，此時(shí)中轉(zhuǎn)罐稱量?jī)x表顯示的重量就是樹(shù)脂的重量，也是其最大值。第二次同樣也只加堿液，當(dāng)其液位到達(dá)高位浮球位置時(shí)停止加料，此時(shí)儀表顯示的重量減去第一次加的樹(shù)脂的重量，即為堿液的重量。把這個(gè)計(jì)算出來(lái)的值保存為堿液當(dāng)前重量。硼砂雖是固體，但也以同樣方式加料并計(jì)量。在淀粉的儲(chǔ)蓄罐中，設(shè)有高、低料位傳感器和振動(dòng)器，當(dāng)?shù)竭_(dá)高料位時(shí)，不能再往儲(chǔ)罐中加淀粉，低料位信號(hào)則提示加料。振動(dòng)器的功能是把淀粉振松，振散，防止淀粉架橋。低于最低料位置時(shí)，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)振動(dòng)器將罐壁附著的淀粉振動(dòng)下來(lái)。
生產(chǎn)膠水時(shí) 往主罐中加硼砂、樹(shù)脂和堿液。這三種配料，都是單獨(dú)添加，如果當(dāng)前在加堿液，中轉(zhuǎn)罐的重量會(huì)變小，這個(gè)差值就是注入主罐中的堿液的重量。而中轉(zhuǎn)罐中當(dāng)前的堿液重量就是原來(lái)的重量減去注入主罐中的堿液的重量。保存這個(gè)值為當(dāng)前的堿液重量。
其它兩種物料也以同樣方式加入主罐。其制膠工藝流程如下：
圖1 膠水制備生產(chǎn)線的工藝流程與主要設(shè)備
每一條紙板生產(chǎn)線其實(shí)只需要一種規(guī)格配方的膠水，不同的紙板生產(chǎn)線所對(duì)應(yīng)的配方也不一樣。目前該膠水設(shè)備配設(shè)了4個(gè)成品罐（帶有蒸汽加熱裝置），每個(gè)成品罐中膠水的配方都不一樣，這4個(gè)罐分別位于不同的紙板生產(chǎn)線旁，與主罐通過(guò)管道連接，并通過(guò)空氣泵把加熱后的膠水從主罐中吸到相應(yīng)的成品罐中。
該系統(tǒng)設(shè)有配方自動(dòng)修正功能，當(dāng)加料時(shí)，可以通過(guò)屏幕監(jiān)視加料過(guò)程中的偏差，并自動(dòng)根據(jù)配方的比例修正后面的加料比例，以保證配方的準(zhǔn)確性；可以和客戶的生管系統(tǒng)聯(lián)系，通過(guò)參數(shù)設(shè)定，自動(dòng)根據(jù)待生產(chǎn)的定單情況來(lái)確定制膠量，從而減少膠水的浪費(fèi)；在初次輸入配方后，當(dāng)客戶需要調(diào)整配方的時(shí)候，無(wú)需再去計(jì)算物料的變化，只需直接輸入膠水的變化結(jié)果，程序即可自動(dòng)修改配方；設(shè)有自動(dòng)吹膠功能，當(dāng)每罐膠水輸送完畢以后自動(dòng)吹膠，以避免膠管堵塞。
2 控制系統(tǒng)的構(gòu)成與配置
2.1系統(tǒng)構(gòu)成
該系統(tǒng)以貝加萊的B&R2003系列PCC為核心，與梅特列-托利多的稱量?jī)x表PANTHER相結(jié)合組成（如圖2所示）。該P(yáng)CC配置了1塊BP704（4槽底版），其CPU安裝在底板的最左端，選用帶24V DC電源的雙寬度模塊CP476，該模塊上有RS232和CAN接口各一個(gè)，并有狀態(tài)指示燈，同時(shí)還有4個(gè)旋入式模塊的插槽，需要擴(kuò)展時(shí)將旋入式模塊插入到插槽中并用緊固螺絲固定。旋入式模塊可以是模擬量或數(shù)字量模塊，也可以是通訊擴(kuò)展模塊。
其中1個(gè)插槽插入IF321，配置有1個(gè)RS485/RS422接口，用于實(shí)現(xiàn)與1#、2#和3#儀表站的數(shù)據(jù)通訊；另1個(gè)插入AI774（4路模擬量輸入模塊），用于采集4個(gè)成品罐的膠液液位（對(duì)應(yīng)于重量）數(shù)據(jù)。此外，該P(yáng)CC還配置了2塊DM465（16路輸入和16路晶體管輸出數(shù)字量混合模塊）和1塊DM435（8路輸入和8路晶體管輸出數(shù)字量混合模塊）。該系統(tǒng)的操作監(jiān)視人機(jī)界面（HMI）選用1臺(tái)Power Panel 4PP320.1505-31彩色TFT15”觸摸屏 (24V DC，配置1個(gè)Ethernet 10/100M、1個(gè)RS232和2個(gè)USB接口)。
圖2 制膠機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成
稱重裝置選用了兩套梅特勒-托利多（Mettler Toledo）的多斗多料配料稱重儀表（型號(hào)panther2000 T600，最大秤量選擇5-10000kg，分度值0.005-10），主罐用一套，中轉(zhuǎn)罐共用一套。每套稱量?jī)x表由稱重傳感器3只和帶有邏輯控制功能的二次儀表（含傳感器供橋電源）構(gòu)成。它們具有精度高、可靠性好、專業(yè)的物料處理能力和人機(jī)界面友好等特點(diǎn)，對(duì)提高生產(chǎn)效率起著非常重要的作用。梅特勒-托利多的控制方案采用了先進(jìn)的總線技術(shù)，可以方便地使用Profibus、RS232、RS485和MODBUS-Plus等現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)與相關(guān)PLC（PCC）系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)通訊，構(gòu)成的稱重配料系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性好、組態(tài)靈活，可以方便地滿足各類用戶對(duì)稱重配料的需求。
3 控制系統(tǒng)的工作原理及主要功能
3.1 系統(tǒng)的工作方式
該系統(tǒng)設(shè)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作方式，生產(chǎn)前可預(yù)設(shè)，并可在生產(chǎn)過(guò)程中根據(jù)需要互相切換。當(dāng)每罐膠水輸送完以后，將進(jìn)行自動(dòng)吹膠。該系統(tǒng)高度自動(dòng)化的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)制膠和用膠過(guò)程的全自動(dòng)控制，從膠水的需求、配方參數(shù)、配制直到輸送均由PCC全過(guò)程控制，無(wú)需專人操作。
3.2 系統(tǒng)的主要功能及特點(diǎn)
該系統(tǒng)具有多配方存儲(chǔ)、自動(dòng)選擇配方、參數(shù)設(shè)置、多種成本報(bào)表、自動(dòng)稱量注料和配料控制、自動(dòng)輸膠控制等主要功能。
設(shè)有配方自動(dòng)修正功能。當(dāng)加料時(shí)，可以通過(guò)操作屏幕監(jiān)視加料過(guò)程中的偏差，并自動(dòng)通過(guò)改變配方的比例來(lái)修正后續(xù)的加料比例，以保證配方的準(zhǔn)確性。
該系統(tǒng)還可與客戶的生產(chǎn)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。通過(guò)數(shù)據(jù)交換，根據(jù)擬生產(chǎn)的紙制品訂單自動(dòng)確定制膠量，以減少膠水浪費(fèi)。當(dāng)初次輸入配方后，如客戶確需調(diào)整配方，也無(wú)需重新計(jì)算物料的變化，只需直接輸入膠水的改變結(jié)果，程序即可自動(dòng)地去修改配方。
外接USB存儲(chǔ)設(shè)備，完整地記錄了多個(gè)重要工藝參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)。
3.3 自動(dòng)稱量配料的工作原理
自動(dòng)稱量配料單元是該制膠控制系統(tǒng)的核心部分，它決定了膠水的配制質(zhì)量和生產(chǎn)效率。該系統(tǒng)采用了兩套梅特勒-托利多的電子稱量裝置，它的二次儀表與PCC結(jié)合，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)所有物料稱量注料和配料的控制，以更精確地控制整個(gè)配料過(guò)程，保證膠水配方得到準(zhǔn)確的執(zhí)行。
考慮到PCC的CPU與各儀表站之間的數(shù)據(jù)通訊采用了速率相當(dāng)?shù)偷腞S485串行通訊方式，如讓PCC承擔(dān)稱量值的數(shù)字濾波，則它在每次程序掃描周期中必須對(duì)各PANTHER稱量終端連續(xù)進(jìn)行多次數(shù)據(jù)采集，并需花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，這可能影響到稱量值數(shù)字濾波的準(zhǔn)確性并直接影響到稱量結(jié)果。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中安排PANTHER稱量終端承擔(dān)稱量值數(shù)字濾波任務(wù)，它所獨(dú)具的TraxDSPTM數(shù)字濾波專利技術(shù)也完全勝任此項(xiàng)任務(wù)。PCC在每一掃描周期中僅需通過(guò)RS485總線網(wǎng)絡(luò)從PANTHER終端采集已經(jīng)通過(guò)數(shù)字濾波的單個(gè)重量數(shù)據(jù)并進(jìn)行后續(xù)處理（可參見(jiàn)圖4（1）和圖4（2））。
（1）中轉(zhuǎn)罐稱量注料和膠水配料
硼砂、樹(shù)脂和堿液中轉(zhuǎn)罐的體積均不大，由于稱量工藝的需要，它們被固定在一個(gè)由3個(gè)稱量傳感器支撐的臺(tái)面上并共用一套稱量?jī)x表。其進(jìn)出料管道全部采用金屬軟管連接，以避免附加應(yīng)
