浙江省交通規劃設計研究院(310006杭州市環城西路89號)
李勇偉（國家注冊電氣師,國家注冊監理師,高工）

摘 要：本文主要介紹了我國紙面石膏板生產的工藝流程，以及石膏板電氣控制系統的最新技術和發展動向

一、前言
自我國第一條年產400萬m2連續自動化紙面石膏板生產線1978年投入工業性生產以來，我國廣大紙面石膏板行業的技術人員經過二十多年的努力，在實現我國紙面石膏板生產線系列化、大型化、自動化方面做了大量工作，又成功開發了年產3000萬m2的紙面石膏板生產線。本文從3000萬m2紙面石膏板生產線的電控系統方面作一介紹。

二、系統概述
年產3000萬m2紙面石膏板生產線（主線）電控系統按照生產工藝特點和生產線布置情況主要分為配料與成型工段、切斷與干燥工段、成品輸送工段和上位機四部分。各個工段的下位機PLC通過現場總線與變頻器、伺服控制器通訊。同時PLC、人機界面HMI與上位機部分通過工業以太網聯接，形成一個完整的生產控制系統。

配置圖例：

1.配料與成型工段
本工段主要包括配料、成型和主線速度三部分的控制，它們之間是相對獨立但又相互聯系的。控制系統由下位機PLC、人機界面HMI和變頻器組成。PLC系統由一套SLC5/05主機架及一套擴展機架組成，PLC與變頻器之間通過現場總線Devicenet通訊，PLC與HMI和上位機之間通過工業以太網進行通訊。本控制裝置由兩個控制柜，六個現場操作箱及一些就地按鈕盒組成，即1C1成型控制柜、1C2配料控制柜、1B~3B皮帶和輸送輥道現場操作箱、4B板厚調節操作箱、1A1上接紙操作箱、1A2下接紙操作箱、及就地電機啟停按鈕盒和緊停按鈕盒。同時屬本控制系統但隨工藝設備附帶的電控設備有：1C3皮帶秤控制柜，609C1上糾偏操作箱，609C2下糾偏控制箱，CH2~4收塵控制箱等。
石膏板配料分為干料、濕料兩部分。干料配料控制部分主要是建筑石膏粉、添加劑、淀粉、促凝劑、發泡劑以及水和紙漿混合液的給定控制和自動調節，配料量與成型速度成比例，其配比保持不變。建筑石膏粉的給料控制是由螺旋閘板、葉輪給料機、螺旋輸送機、斗式提升機、計量皮帶秤完成的。配料系統啟動后，PLC按照工藝要求啟停和調節各個電機的速度，同時通過人機界面設定其給料量，PLC的模擬量輸出模塊輸出4~20mA的給定信號給計量皮帶秤，皮帶秤即按照給定信號控制給料速度，同時皮帶秤將給料的瞬時量和累計量傳送回PLC，通過通訊將它們在人機界面和上位機上顯示，使得操作人員和管理人員可以分別在線監控，及時按照工藝要求調整給料量。添加劑、淀粉和促凝劑的給料控制基本一致，給料控制由調速螺旋輸送機、攪拌電機、葉輪給料機、斗式提升機等組成。控制方式與建筑石膏粉基本一致，只是PLC的模擬量輸出模塊輸出的4~20mA給定信號直接給調速螺旋輸送機，根據人機界面設定的配方PLC自動調節螺旋輸送機的給料速度。以上經過配比的粉料分別進入螺旋輸送機、混合螺旋輸送機，通過輸送最后進入立式攪拌機與漿料攪拌，充分攪拌后進入下一步成型工序。
濕料主要有紙漿、發泡劑、水及添加劑等。其控制裝置包括水力碎漿機、碎漿螺桿機、攪拌水泵、紙漿攪拌機、紙漿螺桿泵、發泡劑上料泵、發泡劑輸送泵、發泡劑螺桿泵、硅油上料泵、硅油輸送泵等。根據人機界面設定的配比，PLC的模擬量輸出模塊輸出的4~20mA給定信號給各種漿料的計量泵控制漿料的輸出，同時PLC根據各自的流量計信號反饋，自動調節模擬量給定信號，形成閉環控制。各種粉料和漿料都有料位或液位指示反饋信號，按照工藝要求聯鎖控制各個配料工序。
成型控制部分主要是石膏板濕板的成型，控制設備主要由成型臺、紙卷提升裝置、上下紙的接紙臺、儲紙機、拉出裝置、張緊裝置、切紙裝置、糾偏裝置、壓痕機、邊部加熱器、立式攪拌機、振動臺等組成。正常生產時，儲紙機的升降輥處于上部極限位置，儲紙機內存有一定的護面紙，拉出裝置由變頻電機驅動把護面紙從儲紙機中拉引出來，在拉出裝置的補償輥邊裝有一套拉出張力檢測系統，它的信號作為張力反饋來調節拉出電機的速度。當紙卷快要用完時，進行接紙操作。接紙時，儲紙輥接紙電磁制動器將入紙輥抱住，同時接紙輥放下壓緊入紙輥將紙板夾住完成接紙。立式攪拌機由一臺主攪拌電機和兩臺硬邊攪拌電機組成，配料系統輸送來的混合料經過充分攪拌從攪拌機出料口送入振動臺，經過振動輥的高速振動使漿料均勻鋪開后再進入成型裝置。成型裝置由一套成型機構、板厚調節電機、位置光電編碼器組成。正常生產時，成型板下落在已經調好的板厚高度上，上下紙和漿料從成型臺中通過，石膏板濕板成型完成。板厚是通過現場操作箱上的按鈕來調節，箱上裝有厚度顯示表來顯示成型板左右兩邊的產品厚度，操作工可手動調節。
主線是由兩臺凝固皮帶和一段輸送輥道組成，這三臺設備需要線速度同步。考慮到伺服驅動成本太高，生產線控制精度要求也不是非常苛刻，所以采用交流變頻驅動裝置閉環控制。PLC經過PID運算得出每臺設備的給定值，然后通過Devicenet通訊將速度給定以數字量的型式傳送給每臺變頻器，實現速度的同步控制。



2.切斷與干燥工段：
本工段主要包括切斷、橫向輸送、入窯和干燥窯四部分的控制。控制系統由PLC、HMI、變頻器和伺服控制器組成。PLC系統由一套SLC5/05主機架及兩套擴展機架組成，PLC與變頻器和伺服控制器之間通過現場總線Devicenet通訊，PLC與HMI和上位機之間通過工業以太網進行通訊。本控制裝置由九個控制柜，一個現場操作臺，一個現場操作箱及一些就地按鈕盒組成，即2C1橫向及儀表控制柜、2C2翻板控制柜、2C3入窯控制柜、2C4~2C6風機控制柜、2C7主傳動控制柜、2C8油泵控制柜、2C9切斷控制柜、2T現場操作臺、2A切斷現場操作箱及就地電機啟停按鈕盒和緊停按鈕盒。
切斷控制部分完成石膏板濕板經初凝后的板長切斷，切斷控制柜根據2T操作臺上的HMI設置的切斷長度，自動完成石膏板的連續切割，精度要求正負1mm。控制裝置包括裝有上下切割轉轂的切斷機、交流伺服驅動裝置、單獨控制切斷的PLC、測長測速編碼器、角位移光電編碼器等。伺服驅動裝置采用內置電子凸輪的控制器，可實現復雜輪廓曲線的加工。但考慮到其只能同時編程有限條凸輪曲線，不能完全實現任意切割長度的工藝要求，所以將它作為精確的速度內環控制，整個切斷的控制算法由單獨的PLC完成。這樣由測長測速編碼器、角位移光電編碼器構成的位置控制外環，和由伺服控制器構成的速度控制內環就完全可以達到工藝精度要求，當然主線的速度波動要控制在一定的范圍之內，這牽涉到控制系統魯棒性的問題。同時切斷控制柜還要完成一些手動干預的操作，比如手動剪切、手動回零、采樣剪切及與進板輥道控制的一些聯鎖控制要求。
橫向輸送控制部分主要完成切斷后的石膏板加速、進板、翻板、橫向輸送和出板的控制。首先，由于主線的速度非常快，切斷后的石膏板必須按照工藝節拍成組地經加速輥道輸送到進板輥道。加速輥道上的石膏板塊數在未達到板組數時，加速輥道變頻電機通過通訊按照配料與成型工段傳輸過來的主線速度同步運行，在達到板組數后加速到高速狀態，與進板輥道保持同步。等到當前板組的最后一塊石膏板完全進入進板輥道后，加速輥道重新切換至與主線同步，開始新的一次板組循環。進板輥道載有一組石膏板后，在指定位置制動停車，進板輥道的輥架下落，由第一條輸送皮帶將石膏板橫向拉出，然后進板輥道的輥架上升、輥道加速到高速，等待下一組石膏板的到來；同時翻板機構將石膏板從第一條橫向輸送皮帶翻轉到第二條橫向輸送皮帶上，第二條皮帶再將石膏板輸送到指定位置抱閘停車，等待下一個板組的到來。當下一組石膏板經翻轉也在第二條皮帶上后，第二、三條橫向輸送皮帶同時動作，將兩組石膏板同時送入出板輥道，接著出板輥道輥架抬起，輥道加速至高速，經靠攏輥道將兩組石膏板整齊地送入入窯部分，至此橫向輸送控制完成。
入窯部分是將成組的石膏板按照預定的順序送入干燥窯。控制裝置由分配橋升降電機、分配橋輸送電機、干燥窯各層的輸送電機組成。首先分配橋升降電機停在預定的層上，當石膏板經分配橋輸送電機進入干燥窯時，對應層的輸送電機啟動，將石膏板輸送到恰當位置后停車，隨后石膏板就由干燥窯主傳動電機帶動緩緩進入干燥窯；同時分配橋升降電機由軸后的絕對值編碼器定位，精確停止于下一待進板的層上。
干燥窯共分三個區，每個區均通過導熱油經熱交換器加熱循環空氣，再通過循環空氣在干燥窯內蒸發石膏板中的水分。在溫度控制方面，用PLC取代了傳統的儀表控制，干燥窯每個區的循環空氣入口和出口溫度的測量值送到PLC，每個區的濕度測量值也送到PLC，經過一定的算法PLC控制各自的導熱油調節閥，以滿足每個區工藝參數要求。同時通過2T操作臺上的HMI，可以非常方便的集中修正各個調節閥的PID參數、手自動運行和手操器的動作。干燥窯主傳動電機的速度是根據生產線主線速度和干燥窯每個區的實際工藝運行參數自動調節的。另外由于每臺風機電機的功率都非常大，所以均采用軟啟動器控制啟停。

3.成品輸送工段：
本工段主要包括出窯、成品輸送和堆垛三部分的控制，控制系統由PLC、HMI、變頻器組成。PLC系統由一套SLC5/05主機架及兩套擴展機架組成，PLC與HMI和上位機之間通過工業以太網進行通訊。本控制裝置由兩個控制柜，一個現場操作臺，三個現場操作箱及一些就地按鈕盒組成。即3C1出窯控制柜、3C2輸送和堆垛控制柜、3T現場操作臺、3A1橫向機行走機構操作箱、3A2切邊操作箱、3A3堆垛操作箱及就地電機啟停按鈕盒和緊停按鈕盒。
出窯部分控制烘干后的石膏板從干燥窯輸出的順序，控制裝置由各出板層的輸送電機、出窯擋板、電磁離合器及若干輸送皮帶組成。出窯部分主要控制要求是先到先出的原則，所以在PLC中要實現一個帶