木工行業(yè)鋪裝系統(tǒng)自動化控制研究

摘要：針對于國內(nèi)生產(chǎn)線尤其是刨花板，定向刨花板等鋪裝系統(tǒng)控制不穩(wěn)定的問題，通過多次實踐改造和完善，介紹了如何優(yōu)化鋪裝系統(tǒng)的自動化控制和參數(shù)設(shè)置，在實際生產(chǎn)中提高了生產(chǎn)線生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提高成品板的品質(zhì)，尤其對于成品板的橫向縱向的重量、密度分布有很明顯的提高,也可以相對提升人造板行業(yè)的整體品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：鋪裝系統(tǒng)；自動化控制；PID控制；堆積密度；BIC控制

在人造板生產(chǎn)線上，鋪裝系統(tǒng)是一個非常重要的控制系統(tǒng)。其主要作用是依據(jù)生產(chǎn)線的工藝要求，把刨花或者纖維通過鋪裝倉的底部皮帶的PID控制均勻地拋撒在成型線皮帶上面，從而為熱壓機的順利熱壓和最后合格的成品板打下良好的基礎(chǔ)。人造板生產(chǎn)線一般有多層壓機、連續(xù)纖維板壓機、連續(xù)刨花板壓機、連續(xù)定向刨花板壓機等，其中以連續(xù)刨花板壓機和連續(xù)定向刨花板壓機的鋪裝系統(tǒng)最為復(fù)雜，由于刨花板生產(chǎn)線擁有多個鋪裝倉，所以其成型線的長度會比較長，這樣就加大了其控制準(zhǔn)確性的難度。目前在人造板生產(chǎn)線上生產(chǎn)一般的素板的控制精度要求在1%之內(nèi)，而生產(chǎn)高端板控制精度要求在0.5%之內(nèi)，那么如果我們的控制要求要滿足這個精度的話，其控制系統(tǒng)和設(shè)備精度就必須要做到非常精確，因為細(xì)微的變化就會導(dǎo)致精度產(chǎn)生較大的波動。本文就人造板行業(yè)中比較復(fù)雜的擁有四個鋪裝頭的連續(xù)刨花板壓機作為范例，闡述一下其鋪裝系統(tǒng)的自動化控制系統(tǒng)。

1鋪裝倉堆積密度的穩(wěn)定控制

鋪裝倉堆積密度的穩(wěn)定性決定了其在相對速度下的出料量的穩(wěn)定性，如果鋪裝倉的堆積密度波動很大，那么其出料量就會很難控制穩(wěn)定，鋪裝系統(tǒng)的穩(wěn)定控制也就無從談起。目前，很多生產(chǎn)線上的鋪裝倉堆積密度的穩(wěn)定性控制都不是很理想，從而也導(dǎo)致其生產(chǎn)線的重量不是非常穩(wěn)定，成品板的品質(zhì)也受到很大影響。那么，如何可以達(dá)到比較穩(wěn)定的堆積密度呢？首先要保證施膠的穩(wěn)定性。在人造板生產(chǎn)上，施膠是一種非常重要的環(huán)節(jié)，施膠的比例是按照工藝參數(shù)的配方設(shè)定，如果其工作不穩(wěn)定，不但會影響最后成品板的質(zhì)量，而且對于進(jìn)料的堆積密度有較大影響，從而導(dǎo)致鋪裝系統(tǒng)的整體波動。這就要求生產(chǎn)線上有一套精確準(zhǔn)確的施膠系統(tǒng)。其次要保證進(jìn)料輸送的穩(wěn)定性和重量反饋的準(zhǔn)確性。一般來說，施膠系統(tǒng)是依據(jù)進(jìn)料的重量反饋按照設(shè)定比例進(jìn)行施膠，如果重量反饋出現(xiàn)問題或者波動比較大，那么就會造成施膠的不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致鋪裝系統(tǒng)的不穩(wěn)定。所以一套穩(wěn)定準(zhǔn)確的進(jìn)料輸送系統(tǒng)非常重要。最后要保證鋪裝倉料位的穩(wěn)定性。一般在生產(chǎn)中，工藝人員會依據(jù)生產(chǎn)需要設(shè)定鋪裝倉的料位，料位的穩(wěn)定控制直接決定了其鋪裝倉內(nèi)的堆積密度的狀態(tài)，如果其變化太大，那么堆積密度必定會有較大變化，鋪裝系統(tǒng)的出料控制就無法穩(wěn)定控制。一般生產(chǎn)上要求變化值的范圍在設(shè)定值-5<=變化值<=設(shè)定值+5由于進(jìn)料系統(tǒng)到鋪裝倉存在60S左右的運輸時間，為了能達(dá)到這個控制要求，在這里做了在出料需求量的基礎(chǔ)上加上了鋪裝倉料位偏差值的計算方式，經(jīng)過長時間的實際生產(chǎn)的觀察和修改，基本可以控制在+-3的范圍之內(nèi)，比較穩(wěn)定了控制了鋪裝倉的堆積密度。其控制思路是參考了PID的閉環(huán)控制原理，但是在實際控制中又把比例（P）、積分（I）和微分（D）的閉環(huán)控制獨立計算后應(yīng)用于最終的計算結(jié)果中，它的優(yōu)點在于PID的變化的速率會和運輸?shù)臅r間相匹配，可以比較穩(wěn)定的控制進(jìn)料。

2鋪裝倉出料量的穩(wěn)定控制

鋪裝倉出料量的穩(wěn)定控制是整個鋪裝系控制系統(tǒng)的核心部分。由于系統(tǒng)擁有四個鋪裝倉，所以其成型線的長度超過40米，也就意味著其重量反饋和變化的周期會非常長，所以最終重量偏差控制要求在0.5%之內(nèi)的控制要求是比較高的。一般在四個鋪裝倉的生產(chǎn)線上，系統(tǒng)分為上表層（SLT），上芯層（CLT）,下芯層（CLB）和下表層（SLB），其分布也按照這個順序排布，在整個系統(tǒng)上會安裝兩個重量反饋秤，分別是安裝在上表層的總秤（TotalWeight-TW）和上芯層的分秤（PartWeight-PW）。工藝人員會在上位機上設(shè)置最終成品板的密度、生產(chǎn)速度、芯層的生產(chǎn)比例、表層的生產(chǎn)比例以及上下表層的偏差比例，PLC程序會根據(jù)設(shè)定參數(shù)和，含水率和損失因子計算出每一個鋪裝倉的出料量。上表層設(shè)定值=成品板的密度/生產(chǎn)速度*（1+含水率）*（1+損失因子）*表層的生產(chǎn)比例/2*（1+上下表層的偏差比例）下表層設(shè)定值=成品板的密度/生產(chǎn)速度*（1+含水率）*（1+損失因子）*表層的生產(chǎn)比例/2*（1-上下表層的偏差比例）上芯層設(shè)定值=下芯層設(shè)定值=成品板的密度/生產(chǎn)速度*（1+含水率）*（1+損失因子）*芯層的生產(chǎn)比例/2每一個鋪裝倉會依據(jù)各自的設(shè)定值和總秤、分秤的反饋值做PID調(diào)節(jié)，由于其只有兩個秤做反饋，所以其積分時間需要比較久。在正常生產(chǎn)控制中，總秤和分秤的差值計算上下表層的實際值，總秤或者分秤的值控制上下芯層的實際值，這個PID計算相對于其他的PID計算來說顯得更加模糊，因為在第一個下表層的倉出料到得到反饋有超過40米的長度，所以其比例（P）值要非常小，積分值（I）要非常長，而微分值（D）的變化要非常精確。表層的鋪裝倉的速度計算（圖1）。芯層的鋪裝倉的速度計算，它的計算可以依據(jù)總秤的重量計算，也可以依據(jù)分秤的重量計算，我們一般在生產(chǎn)中按照總秤的計算（圖2）。從以上的流程控制圖就可以看出四個鋪裝倉的每一個出料皮帶的速度發(fā)生變化都會對總秤和分秤造成影響，所以要其控制的每一步都要格外嚴(yán)格，尤其是PID的比例，積分和微分的取值要經(jīng)過多次計算和核對，這樣才能保證其出料的平穩(wěn)性和連續(xù)性，才能保證最終重量的穩(wěn)定性。

3成型線皮帶的去皮重控制

成型線皮帶的去皮重控制又稱為BIC（BeltInfluenceControl）,那么這個控制的作用和目的是什么呢？如何實現(xiàn)和實施這個控制呢？一般來說稱重傳感器在靜止的狀態(tài)下的稱重是非常準(zhǔn)確的，但是如果其安裝在運動的皮帶或者其他設(shè)備上的話，那么其重量必定會受到皮帶和設(shè)備的運動速度、機械結(jié)構(gòu)、運動產(chǎn)生的摩擦力等的影響，那么PLC程序讀到的重量不一定能真實的反映出其實際重量，鑒于我們的控制精度要求，就需要用BIC控制，把在運動過程中的皮重去除，保證PLC程序讀到的重量和實際重量相同或在誤差范圍之內(nèi)。一般成型線的長度在40多米，那么其皮帶總長度在90米左右。BIC會依據(jù)控制的精度要求把90米的皮帶人為的分為5000-10000個點，工藝人員可以在上位機上設(shè)定具體所需要的點數(shù)，BIC會依據(jù)設(shè)定好的點數(shù)（N）、皮帶總長度（L）以及皮帶運行速度（V）計算出每一個點的記錄時間（T），T=L*V/N。BIC有兩個過程，第一個過程是放置固定的砝碼在成型線皮帶上，皮帶以固定的速度運行，那么就可以得到計算的理想重量，PLC程序會依據(jù)BIC的記錄時間周期性地取值，并把這些取值減去理想重量，即為每一個記錄點的皮重，這個過程一般會進(jìn)行三次，取其平均值為初始計算的皮重。第二個過程是在第一個過程完成的前提下進(jìn)行，它需要把第一個過程放置的砝碼去掉后，PLC程序會依據(jù)BIC的記錄時間周期性地取值，這些取值即為每一個對應(yīng)點的最終皮重。PLC會把這些最終的皮重應(yīng)用到BIC計算的每一個記錄點上，以保證最終讀到的重量是真實的重量。經(jīng)過這兩個過程得到的皮重已經(jīng)最大程序的避免了其他因素的干擾，計算的皮重也會相對的準(zhǔn)確，這樣也可以保證鋪裝系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于BIC的計算是連續(xù)的，那么就需要一個激活位，即每次激活這個位后就會重新開始新的BIC計算，這樣做的好處有幾個：一是可以避免連續(xù)計算出現(xiàn)錯誤的可能性；二是便于PLC程序找到起始點；一般BIC會使用顏色傳感器作為激活信號，這樣可以避免誤信號的干擾。鋪裝倉的電機參數(shù)的正確設(shè)定：鋪裝倉的下料過程會經(jīng)過料耙電機，鼠籠電機群，下料輥等一系列設(shè)備，在下料過程中如果電機的速度、設(shè)備的角度等沒有正確設(shè)定，那么就會導(dǎo)致下料不均勻、料的形態(tài)受損以及堵料等情況，從而影響鋪裝系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。那么如何正確的設(shè)置這些電機的參數(shù)呢？一般來說，這些電機都是由變頻器控制，工藝人員可以在上位機上修改所需要的電機速度。電機速度的確定需要在生產(chǎn)中觀察其運動狀態(tài)而定，一般分為三個部分。一是料耙電機設(shè)定。其作用是把多余的料向后撥回，保證其堆積密度變化不大，也可以避免太多的料落到鼠籠里面導(dǎo)致堵塞，一般料耙的高度設(shè)定大約在20cm左右，料耙的速度和出料的鋪裝倉速度相同或者接近，具體高度也需要依據(jù)不同的生產(chǎn)線而確定，一般設(shè)定后就不需要經(jīng)常修改；二是鼠籠群電機的設(shè)定。其作用是把從鋪裝皮帶下來的料實現(xiàn)均勻的拋撒。對于它的設(shè)定首先要調(diào)整進(jìn)料擋板的角度，保證其進(jìn)料集中于鼠籠的中心；其次要依據(jù)生產(chǎn)原料的類型和膠水的種類調(diào)整鼠籠拋撒棍的速度，一般要先找到可以保證物料完整形態(tài)的最大速度，其設(shè)定速度會以此為依據(jù)而做細(xì)微調(diào)整；三是下料棍的速度設(shè)定。下料棍的作用是把從鼠籠出來的料按照電機的運轉(zhuǎn)方向撥料，使下料更加的均勻。其速度的設(shè)定需要依據(jù)下料的均勻程序而定。通過鋪裝倉電機參數(shù)的正確設(shè)定，可以在很大程序上提高鋪裝倉下料的均勻性和穩(wěn)定性，其對鋪裝系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性也起到了很大的作用。

4表層氣流鋪裝機參數(shù)的正確設(shè)定

在四個鋪裝倉的鋪裝系統(tǒng)中，上表層（SLT）和下表層（SLB）都采用氣流鋪裝的功能設(shè)備。所謂氣流鋪裝是指從鼠籠和下料棍出來的料通過鼓風(fēng)機和抽風(fēng)機的平衡氣流作用進(jìn)行鋪裝，它的作用是可以最大限度的把表層料均勻的拋撒在成型線上，一方面可以保證板坯表面的平整度，另一方面也可以保證板坯的厚度。在氣流鋪裝機的參數(shù)設(shè)置中，主要要注意以下幾個方面：a.要注意鼓風(fēng)機的風(fēng)量設(shè)定。工藝人員可以在上位機上設(shè)定鼓風(fēng)機的風(fēng)量，其設(shè)定的規(guī)律一般按照生產(chǎn)下料的量決定。鼓風(fēng)機如果風(fēng)量太大，那么就會把料吹的過于靠前而集中于鋪裝倉的一邊，而如果風(fēng)量太小，那么就起不到氣流鋪裝的作用。一般工藝人員要依據(jù)不同的下料量嘗試不同的鼓風(fēng)風(fēng)量，并為每一個下料量都尋找到一個最佳的鼓風(fēng)風(fēng)量，其效果好壞可以依據(jù)最終的氣流鋪裝效果確定，一般設(shè)定好風(fēng)量參數(shù)后，即便修改不同的生產(chǎn)規(guī)格，不同的生產(chǎn)配方都無需修改；b.要注意抽風(fēng)機的風(fēng)量設(shè)定。抽風(fēng)機的作用是配合鼓風(fēng)機的鋪裝效果，由于表層料都為比較輕的細(xì)料，如果進(jìn)出口的風(fēng)量有偏差，那么就會導(dǎo)致表層料一直漂浮在空氣中而導(dǎo)致鋪裝受到比較大的影響。抽風(fēng)機有兩個風(fēng)門，一個為主風(fēng)門，另外一個是旁路風(fēng)門。主風(fēng)門會依據(jù)系統(tǒng)負(fù)壓設(shè)定做PID調(diào)節(jié)，負(fù)壓的設(shè)定一般在-0.8Bar左右，工藝人員會依據(jù)此做細(xì)微調(diào)整，調(diào)整的依據(jù)也是看最終鋪裝的效果而定。旁路風(fēng)門的調(diào)節(jié)是和鼓風(fēng)機風(fēng)量的設(shè)定要配合，鼓風(fēng)機的每一個下料量的風(fēng)量設(shè)定都需要設(shè)定想對應(yīng)的抽風(fēng)機的旁路風(fēng)門開度，以保證氣流鋪裝的氣流穩(wěn)定和最終的鋪裝效果。氣流鋪裝機相對于之前的磚石棍鋪裝機來說，鋪裝的均勻性、穩(wěn)定性都有了很大的提高，目前也開始應(yīng)用于比較多的生產(chǎn)線上，通過以上氣流鋪裝機的參數(shù)設(shè)置，可以比較好的控制其工作狀態(tài)，為鋪裝系統(tǒng)的穩(wěn)定運行做好準(zhǔn)備。

5鋪裝機的震動周期控制

在鋪裝機的下料過程中，由于需要經(jīng)過多次進(jìn)出料，有時候會有一些細(xì)料等粘附在鏈條或者料棍上，如果不能及時的清理這些物料，就會影響到鋪裝機的正常運行，從而影響到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。為了解決這個問題，一般會在鋪裝機上安裝震動電機，其震動包括電機震動和氣流震動并通過這兩種震動的配合達(dá)到最大程度清除粘附物的作用。在正常生產(chǎn)的時候震動電機需要一直啟動，而氣動震動需要依據(jù)生產(chǎn)線的生產(chǎn)情況和膠水的類型選擇周期控制，其控制時間可以在上位機上設(shè)定，工藝人員需要對生產(chǎn)線做多次觀察后確定其周期時間，最大限度的減少鋪裝機的粘料。綜上所述，鋪裝系統(tǒng)的自動化控制是一個比較復(fù)雜的過程控制，包含了比較多的開環(huán)閉環(huán)控制，每一個環(huán)節(jié)的誤差都會導(dǎo)致其最終結(jié)果的偏差。每一條生產(chǎn)線都有其特殊性和相通性，工藝人員需要在上述幾個方面多做觀察和記錄，找到對自身生產(chǎn)線最為合理的系統(tǒng)設(shè)置和自動化控制。結(jié)束語我國是人造板大國，大部分生產(chǎn)線還不具備生產(chǎn)高端板的能力，無法達(dá)到鋪裝重量控制在0.5%之內(nèi)的范圍之內(nèi)，所以這個控制系統(tǒng)和參數(shù)設(shè)置具有比較廣泛的推廣意義，尤其是對于做高端板的生產(chǎn)線。正確的自動化控制和參數(shù)設(shè)置可以提高其生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提高成品板的品質(zhì)，尤其對于成品板的橫向縱向的重量、密度分布有很明顯的提高，也可以相對提升人造板行業(yè)的整體品質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

[1]邁克爾米爾頓.深入淺出數(shù)據(jù)分析[M].北京：電子工業(yè)出版社2010.

[2]褚靜.模糊控制原理與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999，5.

[3]黃德先，王京春，金以慧.過程控制系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[4]廖常初.PLC編程及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社,2008.

[5]鄧勁生，鄭倩冰.信息系統(tǒng)集成技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2012.

[6]華毓坤.人造板工藝學(xué)[M].北京：中國林業(yè)出版社,2002,10.

[7]楊可楨，程光蘊，李仲生，錢瑞明.機械設(shè)計基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社,2013,8.

[8]周德卿.機電一體化技術(shù)與系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社,2014,9.

[9]梁長垠.傳感器應(yīng)用技術(shù)[M].北京：高等教育出版社,2018,3.

作者：崔海峰 單位：哥樂巴環(huán)保科技(上海)有限公司