石膏板高速接紙電控系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用

楊小東

YANG Xiao-dong

（北新集團(tuán)建材股份有限公司，北京 100045）

0 引言

石膏板接紙電控系統(tǒng)是石膏板生產(chǎn)線的重要一環(huán)，主要用途為當(dāng)為石膏板提供護(hù)面功能的紙卷用完后對包裝線實(shí)現(xiàn)換紙功能。傳統(tǒng)石膏板接紙電控系統(tǒng)均采用粗獷型控制模式（就地控制和人工操作相結(jié)合的運(yùn)行方式），同時(shí)具有“效率低、自動(dòng)化水平低、勞動(dòng)強(qiáng)度大”等諸多弊病。這些缺點(diǎn)均嚴(yán)重制約了石膏板生產(chǎn)線的整體速度以及總體產(chǎn)量。因此需要研制、開發(fā)出一套先進(jìn)的全自動(dòng)化接紙控制系統(tǒng)以滿足實(shí)際發(fā)展的需要。

1 系統(tǒng)介紹

在舊有接紙電控系統(tǒng)中采取零速接紙形式（為保證石膏板正常運(yùn)行，需設(shè)有儲(chǔ)紙機(jī)構(gòu)），從而出現(xiàn)“設(shè)備使用面積大、調(diào)整跑偏困難、整個(gè)過程人工參與度極高、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等諸多問題；同時(shí)由于接紙過程中張力無法保持穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)護(hù)面紙破損、接紙失敗，最終造成整個(gè)石膏板生產(chǎn)線的速度下降、產(chǎn)品合格率降低等嚴(yán)重后果。

根據(jù)新的接紙工藝需求，其電控系統(tǒng)需具有以下控制要求：1）研發(fā)張力電控系統(tǒng)用以實(shí)現(xiàn)張力恒定控制；2）研發(fā)新型氣路電控系統(tǒng)用以保證放卷過程的連續(xù)性、穩(wěn)定性；3）研發(fā)高速接紙順序電控系統(tǒng)，用以增加接紙速度、降低設(shè)備占地面積；4）研發(fā)整體可移動(dòng)式機(jī)架和對稱回轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)式紙架電控系統(tǒng)用以進(jìn)一步降低設(shè)備占地面積。

2 控制系統(tǒng)組成

根據(jù)高速自動(dòng)接紙裝備的性能特點(diǎn)及控制要求，我們研制和開發(fā)了一套由PLC、現(xiàn)場儀表、現(xiàn)場總線、MCC動(dòng)力系統(tǒng)組成的開放的、模塊化的、實(shí)時(shí)多任務(wù)的集散型可擴(kuò)展的、專門用于高速自動(dòng)接紙生產(chǎn)線的成套電控系統(tǒng)。所研制的控制系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、功能強(qiáng)、自動(dòng)化程度高，能夠?qū)崿F(xiàn)張力控制、新型氣路控制、回轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)式紙架控制、高速接紙順序控制、連鎖保護(hù)和紙卷速度同步控制等功能。本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高速接紙?jiān)O(shè)備正常穩(wěn)定運(yùn)行，保證主線系統(tǒng)24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行不停機(jī)；通過PLC通訊以及數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)在接紙過程中接紙?jiān)O(shè)備和石膏板主線的速度匹配。

圖1 控制系統(tǒng)功能圖

2.1 系統(tǒng)控制內(nèi)容和設(shè)計(jì)原則

高速自動(dòng)接紙?jiān)O(shè)備由上紙裝置、接紙裝置、張力控制裝置、輔助裝置四部分組成。

系統(tǒng)的控制內(nèi)容分為：通過基于速度同步控制、上紙接紙控制、先進(jìn)氣路控制的高速接紙控制系統(tǒng)；基于先進(jìn)氣路控制、張力控制的放卷控制系統(tǒng)。

按照上述設(shè)計(jì)原則，將控制系統(tǒng)分為：高速接紙控制部分和放卷控制部分。前者用來完成接紙過程中所有裝置的動(dòng)作控制、連鎖保護(hù)以及速度同步控制；后者主要負(fù)責(zé)出紙過程中的張力控制，保證紙卷平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。控制系統(tǒng)功能圖如下所示。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，接紙的動(dòng)作是間歇的，而放卷控制是連續(xù)不斷的，氣路控制的作用是在換卷時(shí)自動(dòng)進(jìn)行制動(dòng)氣壓的轉(zhuǎn)換，改變張力控制器的控制對象，使放卷過程連續(xù)、平穩(wěn)地進(jìn)行下去。

2.2 控制系統(tǒng)硬件組成

根據(jù)工藝要求和控制需要，設(shè)置了高速自動(dòng)接紙系統(tǒng)PLC主站。

其采用Allen-Bradley MicroLogix 1500 LRP Series C可編程控制器，搭配開關(guān)量輸入模塊1769-IQ32和開關(guān)量輸出模塊1769-OB16，同時(shí)選配了Ethernet/IP通信模塊和1769-SDN DeviceNet Scanner模塊，分別完成與上級（工廠DCS）和下級（變頻器）的通信以及對設(shè)備的數(shù)據(jù)采集以及邏輯和過程控制。系統(tǒng)的張力控制選用集成了張力傳感器、控制器、氣動(dòng)制動(dòng)器的Montalvo張力控制系統(tǒng)，通過漸進(jìn)式的PID調(diào)節(jié)提供精確的自動(dòng)張力控制連鎖控制。

2.3 張力控制分析

在石膏板高速接紙電控系統(tǒng)中，張力控制是最重要的一環(huán)，它決定了整個(gè)系統(tǒng)的成敗。因此我們將張力控制作為本自控系統(tǒng)開發(fā)、研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

生產(chǎn)過程中要求紙的張力盡量穩(wěn)定，即使張力F保持恒定。其轉(zhuǎn)矩方程為：

其中，紙的張力為F，紙卷半徑R，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，m為紙卷質(zhì)量，ω為紙卷角速度，制動(dòng)器產(chǎn)生的扭矩為M，其正比于電/空轉(zhuǎn)換器的輸出氣壓P，與半徑R無關(guān)，P又正比于控制器的輸出Y。

隨著放卷的進(jìn)行，一段足夠長的時(shí)間后，半徑R會(huì)明顯變小，要維持張力F不變，必須減小制動(dòng)力矩M，即必須減小控制器的輸出值?？刂七^程中將設(shè)定值和放大處理后的反饋值進(jìn)行比較，得到的偏差信號經(jīng)過PID算法計(jì)算，得到輸出值，經(jīng)電/空轉(zhuǎn)換器（比例閥）轉(zhuǎn)換成制動(dòng)氣壓通向制動(dòng)器，由制動(dòng)器產(chǎn)生制動(dòng)力矩來控制紙卷，使反饋值始終追蹤設(shè)定值，從而使紙幅實(shí)際張力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。接紙過程中，舊輥的輸出值通常較低，而新卷的輸出值相對很高。通過張力控制器通過與接紙機(jī)主控制器通信，獲取切紙刀動(dòng)作信號，當(dāng)切紙刀動(dòng)作時(shí)，張力控制器進(jìn)入接紙模式，在接紙時(shí)間內(nèi)保持輸出固定的值（適合新卷的輸出值），接紙完成后又開始進(jìn)入自動(dòng)調(diào)整模式。

圖2 切紙刀相關(guān)量的波形圖

我們通過PLC、張力檢測儀、精確比例放閥、張力檢測儀等設(shè)備組成一套完備的張力控制系統(tǒng)；研發(fā)出專用程序模塊進(jìn)行PID張力閉環(huán)調(diào)節(jié)，確保接紙過程中張力穩(wěn)定以及全線運(yùn)行正常，以滿足最終生產(chǎn)需求。

3 結(jié)束語

通過高速自動(dòng)接紙電控系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，提高了生產(chǎn)線速度和產(chǎn)品合格率，裝置占地面積僅為傳統(tǒng)的50%，產(chǎn)品合格率從原有的92%左右提高到96%以上，石膏板接紙完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，能夠適應(yīng)石膏板高速生產(chǎn)的需求。該技術(shù)已成功應(yīng)用到已建和在建的石膏板生產(chǎn)線中，提升了石膏板生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平和連續(xù)生產(chǎn)穩(wěn)定性，在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。

[1]向才旺,建筑石膏及其制品[M].北京:中國建材工業(yè)出版社,1998:368-370.