木工行业铺装系统自动化控制研究

木工行业铺装系统自动化控制研究

摘要：针对于国内生产线尤其是刨花板，定向刨花板等铺装系统控制不稳定的问题，通过多次实践改造和完善，介绍了如何优化铺装系统的自动化控制和参数设置，在实际生产中提高了生产线生产效率、降低生产成本、提高成品板的品质，尤其对于成品板的横向纵向的重量、密度分布有很明显的提高,也可以相对提升人造板行业的整体品质。

关键词：铺装系统；自动化控制；PID控制；堆积密度；BIC控制

在人造板生产线上，铺装系统是一个非常重要的控制系统。其主要作用是依据生产线的工艺要求，把刨花或者纤维通过铺装仓的底部皮带的PID控制均匀地抛撒在成型线皮带上面，从而为热压机的顺利热压和最后合格的成品板打下良好的基础。人造板生产线一般有多层压机、连续纤维板压机、连续刨花板压机、连续定向刨花板压机等，其中以连续刨花板压机和连续定向刨花板压机的铺装系统最为复杂，由于刨花板生产线拥有多个铺装仓，所以其成型线的长度会比较长，这样就加大了其控制准确性的难度。目前在人造板生产线上生产一般的素板的控制精度要求在1%之内，而生产高端板控制精度要求在0.5%之内，那么如果我们的控制要求要满足这个精度的话，其控制系统和设备精度就必须要做到非常精确，因为细微的变化就会导致精度产生较大的波动。本文就人造板行业中比较复杂的拥有四个铺装头的连续刨花板压机作为范例，阐述一下其铺装系统的自动化控制系统。

1铺装仓堆积密度的稳定控制

铺装仓堆积密度的稳定性决定了其在相对速度下的出料量的稳定性，如果铺装仓的堆积密度波动很大，那么其出料量就会很难控制稳定，铺装系统的稳定控制也就无从谈起。目前，很多生产线上的铺装仓堆积密度的稳定性控制都不是很理想，从而也导致其生产线的重量不是非常稳定，成品板的品质也受到很大影响。那么，如何可以达到比较稳定的堆积密度呢？首先要保证施胶的稳定性。在人造板生产上，施胶是一种非常重要的环节，施胶的比例是按照工艺参数的配方设定，如果其工作不稳定，不但会影响最后成品板的质量，而且对于进料的堆积密度有较大影响，从而导致铺装系统的整体波动。这就要求生产线上有一套精确准确的施胶系统。其次要保证进料输送的稳定性和重量反馈的准确性。一般来说，施胶系统是依据进料的重量反馈按照设定比例进行施胶，如果重量反馈出现问题或者波动比较大，那么就会造成施胶的不稳定，最终导致铺装系统的不稳定。所以一套稳定准确的进料输送系统非常重要。最后要保证铺装仓料位的稳定性。一般在生产中，工艺人员会依据生产需要设定铺装仓的料位，料位的稳定控制直接决定了其铺装仓内的堆积密度的状态，如果其变化太大，那么堆积密度必定会有较大变化，铺装系统的出料控制就无法稳定控制。一般生产上要求变化值的范围在设定值-5<=变化值<=设定值+5由于进料系统到铺装仓存在60S左右的运输时间，为了能达到这个控制要求，在这里做了在出料需求量的基础上加上了铺装仓料位偏差值的计算方式，经过长时间的实际生产的观察和修改，基本可以控制在+-3的范围之内，比较稳定了控制了铺装仓的堆积密度。其控制思路是参考了PID的闭环控制原理，但是在实际控制中又把比例（P）、积分（I）和微分（D）的闭环控制独立计算后应用于最终的计算结果中，它的优点在于PID的变化的速率会和运输的时间相匹配，可以比较稳定的控制进料。

2铺装仓出料量的稳定控制

铺装仓出料量的稳定控制是整个铺装系控制系统的核心部分。由于系统拥有四个铺装仓，所以其成型线的长度超过40米，也就意味着其重量反馈和变化的周期会非常长，所以最终重量偏差控制要求在0.5%之内的控制要求是比较高的。一般在四个铺装仓的生产线上，系统分为上表层（SLT），上芯层（CLT）,下芯层（CLB）和下表层（SLB），其分布也按照这个顺序排布，在整个系统上会安装两个重量反馈秤，分别是安装在上表层的总秤（TotalWeight-TW）和上芯层的分秤（PartWeight-PW）。工艺人员会在上位机上设置最终成品板的密度、生产速度、芯层的生产比例、表层的生产比例以及上下表层的偏差比例，PLC程序会根据设定参数和，含水率和损失因子计算出每一个铺装仓的出料量。上表层设定值=成品板的密度/生产速度*（1+含水率）*（1+损失因子）*表层的生产比例/2*（1+上下表层的偏差比例）下表层设定值=成品板的密度/生产速度*（1+含水率）*（1+损失因子）*表层的生产比例/2*（1-上下表层的偏差比例）上芯层设定值=下芯层设定值=成品板的密度/生产速度*（1+含水率）*（1+损失因子）*芯层的生产比例/2每一个铺装仓会依据各自的设定值和总秤、分秤的反馈值做PID调节，由于其只有两个秤做反馈，所以其积分时间需要比较久。在正常生产控制中，总秤和分秤的差值计算上下表层的实际值，总秤或者分秤的值控制上下芯层的实际值，这个PID计算相对于其他的PID计算来说显得更加模糊，因为在第一个下表层的仓出料到得到反馈有超过40米的长度，所以其比例（P）值要非常小，积分值（I）要非常长，而微分值（D）的变化要非常精确。表层的铺装仓的速度计算（图1）。芯层的铺装仓的速度计算，它的计算可以依据总秤的重量计算，也可以依据分秤的重量计算，我们一般在生产中按照总秤的计算（图2）。从以上的流程控制图就可以看出四个铺装仓的每一个出料皮带的速度发生变化都会对总秤和分秤造成影响，所以要其控制的每一步都要格外严格，尤其是PID的比例，积分和微分的取值要经过多次计算和核对，这样才能保证其出料的平稳性和连续性，才能保证最终重量的稳定性。

3成型线皮带的去皮重控制

成型线皮带的去皮重控制又称为BIC（BeltInfluenceControl）,那么这个控制的作用和目的是什么呢？如何实现和实施这个控制呢？一般来说称重传感器在静止的状态下的称重是非常准确的，但是如果其安装在运动的皮带或者其他设备上的话，那么其重量必定会受到皮带和设备的运动速度、机械结构、运动产生的摩擦力等的影响，那么PLC程序读到的重量不一定能真实的反映出其实际重量，鉴于我们的控制精度要求，就需要用BIC控制，把在运动过程中的皮重去除，保证PLC程序读到的重量和实际重量相同或在误差范围之内。一般成型线的长度在40多米，那么其皮带总长度在90米左右。BIC会依据控制的精度要求把90米的皮带人为的分为5000-10000个点，工艺人员可以在上位机上设定具体所需要的点数，BIC会依据设定好的点数（N）、皮带总长度（L）以及皮带运行速度（V）计算出每一个点的记录时间（T），T=L*V/N。BIC有两个过程，第一个过程是放置固定的砝码在成型线皮带上，皮带以固定的速度运行，那么就可以得到计算的理想重量，PLC程序会依据BIC的记录时间周期性地取值，并把这些取值减去理想重量，即为每一个记录点的皮重，这个过程一般会进行三次，取其平均值为初始计算的皮重。第二个过程是在第一个过程完成的前提下进行，它需要把第一个过程放置的砝码去掉后，PLC程序会依据BIC的记录时间周期性地取值，这些取值即为每一个对应点的最终皮重。PLC会把这些最终的皮重应用到BIC计算的每一个记录点上，以保证最终读到的重量是真实的重量。经过这两个过程得到的皮重已经最大程序的避免了其他因素的干扰，计算的皮重也会相对的准确，这样也可以保证铺装系统的稳定性。由于BIC的计算是连续的，那么就需要一个激活位，即每次激活这个位后就会重新开始新的BIC计算，这样做的好处有几个：一是可以避免连续计算出现错误的可能性；二是便于PLC程序找到起始点；一般BIC会使用颜色传感器作为激活信号，这样可以避免误信号的干扰。铺装仓的电机参数的正确设定：铺装仓的下料过程会经过料耙电机，鼠笼电机群，下料辊等一系列设备，在下料过程中如果电机的速度、设备的角度等没有正确设定，那么就会导致下料不均匀、料的形态受损以及堵料等情况，从而影响铺装系统的稳定控制。那么如何正确的设置这些电机的参数呢？一般来说，这些电机都是由变频器控制，工艺人员可以在上位机上修改所需要的电机速度。电机速度的确定需要在生产中观察其运动状态而定，一般分为三个部分。一是料耙电机设定。其作用是把多余的料向后拨回，保证其堆积密度变化不大，也可以避免太多的料落到鼠笼里面导致堵塞，一般料耙的高度设定大约在20cm左右，料耙的速度和出料的铺装仓速度相同或者接近，具体高度也需要依据不同的生产线而确定，一般设定后就不需要经常修改；二是鼠笼群电机的设定。其作用是把从铺装皮带下来的料实现均匀的抛撒。对于它的设定首先要调整进料挡板的角度，保证其进料集中于鼠笼的中心；其次要依据生产原料的类型和胶水的种类调整鼠笼抛撒棍的速度，一般要先找到可以保证物料完整形态的最大速度，其设定速度会以此为依据而做细微调整；三是下料棍的速度设定。下料棍的作用是把从鼠笼出来的料按照电机的运转方向拨料，使下料更加的均匀。其速度的设定需要依据下料的均匀程序而定。通过铺装仓电机参数的正确设定，可以在很大程序上提高铺装仓下料的均匀性和稳定性，其对铺装系统的整体稳定性也起到了很大的作用。

4表层气流铺装机参数的正确设定

在四个铺装仓的铺装系统中，上表层（SLT）和下表层（SLB）都采用气流铺装的功能设备。所谓气流铺装是指从鼠笼和下料棍出来的料通过鼓风机和抽风机的平衡气流作用进行铺装，它的作用是可以最大限度的把表层料均匀的抛撒在成型线上，一方面可以保证板坯表面的平整度，另一方面也可以保证板坯的厚度。在气流铺装机的参数设置中，主要要注意以下几个方面：a.要注意鼓风机的风量设定。工艺人员可以在上位机上设定鼓风机的风量，其设定的规律一般按照生产下料的量决定。鼓风机如果风量太大，那么就会把料吹的过于靠前而集中于铺装仓的一边，而如果风量太小，那么就起不到气流铺装的作用。一般工艺人员要依据不同的下料量尝试不同的鼓风风量，并为每一个下料量都寻找到一个最佳的鼓风风量，其效果好坏可以依据最终的气流铺装效果确定，一般设定好风量参数后，即便修改不同的生产规格，不同的生产配方都无需修改；b.要注意抽风机的风量设定。抽风机的作用是配合鼓风机的铺装效果，由于表层料都为比较轻的细料，如果进出口的风量有偏差，那么就会导致表层料一直漂浮在空气中而导致铺装受到比较大的影响。抽风机有两个风门，一个为主风门，另外一个是旁路风门。主风门会依据系统负压设定做PID调节，负压的设定一般在-0.8Bar左右，工艺人员会依据此做细微调整，调整的依据也是看最终铺装的效果而定。旁路风门的调节是和鼓风机风量的设定要配合，鼓风机的每一个下料量的风量设定都需要设定想对应的抽风机的旁路风门开度，以保证气流铺装的气流稳定和最终的铺装效果。气流铺装机相对于之前的砖石棍铺装机来说，铺装的均匀性、稳定性都有了很大的提高，目前也开始应用于比较多的生产线上，通过以上气流铺装机的参数设置，可以比较好的控制其工作状态，为铺装系统的稳定运行做好准备。

5铺装机的震动周期控制

在铺装机的下料过程中，由于需要经过多次进出料，有时候会有一些细料等粘附在链条或者料棍上，如果不能及时的清理这些物料，就会影响到铺装机的正常运行，从而影响到整个系统的稳定控制。为了解决这个问题，一般会在铺装机上安装震动电机，其震动包括电机震动和气流震动并通过这两种震动的配合达到最大程度清除粘附物的作用。在正常生产的时候震动电机需要一直启动，而气动震动需要依据生产线的生产情况和胶水的类型选择周期控制，其控制时间可以在上位机上设定，工艺人员需要对生产线做多次观察后确定其周期时间，最大限度的减少铺装机的粘料。综上所述，铺装系统的自动化控制是一个比较复杂的过程控制，包含了比较多的开环闭环控制，每一个环节的误差都会导致其最终结果的偏差。每一条生产线都有其特殊性和相通性，工艺人员需要在上述几个方面多做观察和记录，找到对自身生产线最为合理的系统设置和自动化控制。结束语我国是人造板大国，大部分生产线还不具备生产高端板的能力，无法达到铺装重量控制在0.5%之内的范围之内，所以这个控制系统和参数设置具有比较广泛的推广意义，尤其是对于做高端板的生产线。正确的自动化控制和参数设置可以提高其生产效率、降低生产成本、提高成品板的品质，尤其对于成品板的横向纵向的重量、密度分布有很明显的提高，也可以相对提升人造板行业的整体品质。

参考文献

[1]迈克尔米尔顿.深入浅出数据分析[M].北京：电子工业出版社2010.

[2]褚静.模糊控制原理与应用[M].北京：机械工业出版社，1999，5.

[3]黄德先，王京春，金以慧.过程控制系统[M].北京：清华大学出版社，2011.

[4]廖常初.PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社,2008.

[5]邓劲生，郑倩冰.信息系统集成技术[M].北京：清华大学出版社,2012.

[6]华毓坤.人造板工艺学[M].北京：中国林业出版社,2002,10.

[7]杨可桢，程光蕴，李仲生，钱瑞明.机械设计基础[M].北京：高等教育出版社,2013,8.

[8]周德卿.机电一体化技术与系统[M].北京：机械工业出版社,2014,9.

[9]梁长垠.传感器应用技术[M].北京：高等教育出版社,2018,3.

作者：崔海峰 单位：哥乐巴环保科技(上海)有限公司