0 引言
      目前，國(guó)內(nèi)大部分紙板生產(chǎn)廠還在使用傳統(tǒng)的人工制膠機(jī)，膠水的質(zhì)量主要依靠工人的操作技術(shù)來(lái)保證，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，對(duì)紙板生產(chǎn)線效率的要求也越來(lái)越高，人工制膠方法已不能滿足生產(chǎn)需要。該文介紹的膠水制備控制系統(tǒng)用于與紙板生產(chǎn)線配套，它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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失誤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。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)線的工藝要求。
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。

圖1  膠水制備生產(chǎn)線的主要工藝設(shè)備及其布置

1.2 工藝流程概述
      如圖1所示，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。硼砂是固體，采用人工將硼砂加入到硼砂中轉(zhuǎn)罐中，但也以同樣方式計(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)，除需先后分?jǐn)?shù)次往主罐中加入一定比例的清水和淀粉作為基料以外，其它主要就是加入硼砂、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。
      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；可以與用戶的生產(chǎn)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，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，以減少膠水的浪費(fèi)；在初次輸入配方后，當(dāng)用戶需要調(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)吹膠并復(fù)位系統(tǒng)，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
      如圖2所示，該控制系統(tǒng)以貝加萊的B&R 2003系列PCC為核心，采用觸摸屏為人機(jī)界面，與梅特列-托利多的PANTHER稱量?jī)x表、主罐溫控儀表以及加水控制和淀粉輸送控制裝置等結(jié)合而組成。此外，該系統(tǒng)還配備了一些泵、切斷閥、液位和料位傳感器。
2.2系統(tǒng)配置
      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，該模塊上附有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)panther 2000 T600，最大秤量選擇量程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(zhuān)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或MODBUS-Plus等現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)與相關(guān)PLC（或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)、可靠性高、組態(tài)靈活，可以方便地滿足各類(lèi)用戶對(duì)稱重配料的需求。
主罐的膠水溫度控制單元配置了一個(gè)鉑電阻測(cè)溫元件、一臺(tái)蒸汽控制閥和一臺(tái)溫度二次儀表；加水控制設(shè)置了快/慢加水閥各1臺(tái)；淀粉輸送控制配備了螺旋輸送機(jī)和振動(dòng)給料器，并設(shè)有高、低料位傳感器。
3 控制系統(tǒng)的工作原理及主要功能
3.1 系統(tǒng)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(zhuān)人操作。
3.2 系統(tǒng)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)通訊采用了速率較低的RS485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)，它獨(dú)特的TraxDSPTM數(shù)字濾波功能也完全能夠勝任此項(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)流程圖4和圖5）。
（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)力影響稱量精度。
      梅特勒-托利多的3個(gè)稱量傳感器的量程各為1000kg，精度為0.05%，稱量系統(tǒng)綜合精度為0.5%，該傳感器的重量輸出信號(hào)并聯(lián)后（0~40mA）輸送至PANTHER工業(yè)稱重終端（二次儀表），該終端內(nèi)的高精度穩(wěn)壓電源作為上述傳感器的供橋電源，PCC通過(guò)RS485總線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊可對(duì)其進(jìn)行稱量配料參數(shù)的設(shè)置和采集；PCC還通過(guò)數(shù)字量輸入和輸出接點(diǎn)控制各加料泵、給料器的起/停、加料電磁閥的開(kāi)閉（如圖3所示）。PANTHER采用△-∑模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)字處理技術(shù)，為工業(yè)稱重需求提供多種應(yīng)用方式：稱重顯示、檢重、分選、定值控制等。PANTHER稱重終端所獨(dú)具的TraxDSPTM數(shù)字濾波專(zhuān)利技術(shù)能得到實(shí)時(shí)穩(wěn)定的重量值，即使在所聯(lián)接的秤體上附有運(yùn)動(dòng)設(shè)備，也可以通過(guò)調(diào)節(jié)稱重終端的參數(shù)而使其得到真實(shí)的重量數(shù)據(jù)。PANTHER稱重終端可應(yīng)用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。

圖 3  中轉(zhuǎn)站稱量注料/配料控制單元簡(jiǎn)化原理圖

      由1.2節(jié)工藝流程中所述，按照事先輸入的制膠配方，在PCC的控制下依次從存儲(chǔ)罐分別往中轉(zhuǎn)罐加樹(shù)脂、堿液和硼砂，并根據(jù)工藝要求從中轉(zhuǎn)罐分別往主罐加入樹(shù)脂、堿液和硼砂；通過(guò)多次稱量和計(jì)算得到該三種物料的實(shí)際配料重量值。其稱量注料和膠水稱量配料的程序流程圖分別如圖4和5所示，這兩幅圖中的邏輯是連續(xù)的。

圖4  中轉(zhuǎn)罐稱量注料程序流程圖

圖5  膠水稱量配料程序流程圖

（2）主罐稱量
      采用梅特勒-托利多的傳感器和PANTHER工業(yè)稱重終端，主罐采用3只傳感器把主罐托起，其重量輸出信號(hào)并聯(lián)后接至該二次儀表上，測(cè)量主罐的重量。每只傳感器的量程為2000kg，精度為0.05%，該稱量系統(tǒng)精度為 0.5%，可以在HMI觸摸屏上設(shè)置稱量參數(shù)。
（3）成品罐稱量
      由于對(duì)成品罐重量的測(cè)量精度要求不高，故采用間接稱量方式。即在每個(gè)罐底部的引出測(cè)量管道上各裝設(shè)一臺(tái)壓力變送器（輸出信號(hào)4-20mA），滿量程對(duì)應(yīng)于2000kg，精度優(yōu)于1%。通過(guò)壓力變送器間接測(cè)量成品罐內(nèi)的液體高度，然后根據(jù)罐的幾何尺寸和相關(guān)液體的密度計(jì)算出各罐內(nèi)的物料重量。
（4）配料誤差補(bǔ)償
      該系統(tǒng)采用PCC邏輯控制各氣動(dòng)加料閥門(mén)的動(dòng)作，由于加料閥門(mén)的動(dòng)作延遲和物料的落料延遲，如不采取對(duì)應(yīng)措施將可能導(dǎo)致物料控制偏差，因此，系統(tǒng)中采用了配料誤差補(bǔ)償程序進(jìn)行調(diào)節(jié)，可較好地控制精度。
3.4 加水控制
      膠水工藝配方中要求水的加入量較大，若要減少加料誤差，則加料速度不能過(guò)快，但加料速度過(guò)慢又會(huì)影響制膠效率，因此系統(tǒng)設(shè)置快/慢加水方式自動(dòng)切換。在快加水方式時(shí)，快加水閥門(mén)打開(kāi)，保證加水效率，在動(dòng)態(tài)計(jì)量值接近設(shè)定值之前自動(dòng)切換到慢加水控制方式，以保證控制精度。
3.5 淀粉輸送控制
      在淀粉儲(chǔ)蓄罐中，配備了螺旋輸送機(jī)和振動(dòng)給料器，設(shè)有高、低料位傳感器。振動(dòng)器的作用是把淀粉振松，振散，以免加料時(shí)結(jié)塊；當(dāng)有高料位信號(hào)輸出時(shí)，不能再往貯罐中加淀粉，而當(dāng)?shù)陀谧畹土衔粫r(shí)，系統(tǒng)則自給。

3.6 主罐膠水溫度控制
      為保持主罐內(nèi)膠水的流動(dòng)性，除配備了攪拌裝置外還設(shè)置了蒸氣加熱和相應(yīng)的溫控設(shè)備。該溫度控制單元配置了一個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)（采用鉑電阻測(cè)溫元件）、一臺(tái)蒸汽控制閥和一臺(tái)帶RS485總線通訊接口的溫度二次儀表（參見(jiàn)圖2），溫度設(shè)定范圍為10~50 oC（可由觸摸屏設(shè)置），控制偏差在+/-2 oC內(nèi)。PCC與該測(cè)溫儀表通過(guò)RS485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，它們互相配合按預(yù)先編制的程序?qū)崿F(xiàn)二位式帶死區(qū)的間斷溫度自動(dòng)控制。
4 結(jié)束語(yǔ)
      本系統(tǒng)由于采用了具有分時(shí)多任務(wù)處理機(jī)制的PCC和高精度的稱量裝置，保證了某些快速任務(wù)的循環(huán)執(zhí)行和稱量配料的精度。應(yīng)用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)，確保了制膠質(zhì)量的穩(wěn)定性和粘合紙箱的剝離強(qiáng)度，并降低了生產(chǎn)成本。該設(shè)備投產(chǎn)后運(yùn)行正常，故障率極低。