（木材科学与技术专业论文）基于plc的单板干燥自动控制系统的研究.pdf

摘要 近年来，家居装饰业不断发展，推动了我国胶合板生产量连年创下新高然而，我国 的胶合板生产企业多为中小企业，由于技术设备落后，自动化程度低，长期以来对单板干 燥质量进行检测时，仍沿袭人工随机抽测单板表面数点的含水率，凭经验对单板干燥质量 进行评估的方法这种方法的检测结果人为误差大，致使产品质量下降，影响了胶合板生 产企业的经济效益。 针对上述情况，本课题在引进和吸收国外先进的单板含水率在线检测技术的基础上， 自主研制开发了单板舍水率在线检测仪，弥补了国内在单板舍水率在线检测研究方面的空 白并组建了一套在线检测含水率的单板干燥自动控制系统，该控制系统选用o m r o n 公司c 2 0 0 h a 型可编程序控常j 器( p l c ) 作为控审3 核心，同时通过在线检测排湿孔的温湿 度状况，控制单板干燥过程中的湿空气排放，改无序排放为有规律排放，实现了单板干燥 过程的节能降耗此外，通过在线检测单板终含水率的高低，来调节控制单板干燥机的网 带速度，在提高单板干燥质量的同时，一定程度上还可以提高产品的产量，这对中小企业 增加经济效益具有一定的实际意义 在系统构建方面，本课题设计完成以。p l c + x - 控机+ 触摸屏”为基础，以集散控制思 想为指导的单板干燥自动控制系统，实现了胶合板生产中的集中管理，分散控制通过触 摸屏，建立良好的天机对话控制界面，实现生产的实时监控、动态显示，事故报警生产 报表等功能，极大的提高了生产企业单板干燥的自动化程度 在, - i f - 题的实施中，通过与江苏省连云港市东森科技技术有限公司合作，已将控制系 统成功安装在该公司胶合板生产线上目前该控制系统试运行良好，企业节能降耗及单板 干燥质量均有明显提高2 0 0 7 年5 月该自动控制系统顺利通过了由国家林业局组织的专 家组验收，并获得好评 关键词；单板干燥，在线检测、p l c 控制可编程终端 t h er e s e a r c ho ft h ev e n e e r - d r ya u t o - c o n t r o ls y s t e m b a s e d o n p l c a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ei n c r e a s i n gd e v e l o p m e n to fh o m ed e c o r a t i o nd e s i g n , o u rc o u n t r y p l y w o o dp r o d u c t i v i t yh a sc r e a t e dn e wh i 【g h h o w e v e r , m a n yo f o u rc o u n t r yp l y w o o dp r o d u c t i o n e n t e r p r i s e sa r em i d & s m a l l - s c a l ee n t e r p r i s e s t h et e c h n i c a le q u i p m e n ti sb a c k w a r da n dt h e a u t o m a t i z a t i o nd e g r e ei sl o w w h e ne x a m i n i n gv e n e e rm o i s t u r ec o n t e n t , m a n ye n t e r p r i s e ss t i l l f o l l o wa r t i f i c i a l l ys t o c h a s t i c a l l ys a m p l e st h em o i s t u r ec o n t e n to f t h ev e n e e rs u l f a c 宅d e p e n d i n g o nt h ee x p e r i e n c et oc a r r yo nt h ea p p r a i s a lt ot h ev e n e e rd r yq u a l i t y t h ee l t o ri sf i n a l l yb i g ， c a u s i n gt h ep r o d u c tq u a l i t yt od r o pa n da f f e c tt h ep l y w o o dp r o d u c t i o ne n t e r p r i s e se c o n o m i c e f f i c i e n c y i nv i e wo fa b o v es i t u a t i o n , t h i st o p i c ，w h i c hi sb a s e do nt h ei n t r o d u c t i o na n da b s o r p t i o no f o v e r s e a sa d v a n c e dv e n e e rm o i s t u r ec o n t e n to n - l i n ee x a m i n a t i o nt e c h n o l o g y , h a sd e v e l o p e dt h e v e n e e rm o i s t u r ec o n t e n to n - l i n ee x a m i n a t i o ni n s t r u m e n ti n d e p e n d e n t l y , a n dh a sm a d eu p d o m e s t i c a l l yi nt h ev e n e e rm o i s t u r ec o n t e n to n - l i n ee x a m i n a t i o nr e s e a r c ha s p e c tb l a n k b e s i d e s , t h i st o p i ch a s 姒u pas e to f v e n e e rd r ya u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e n lt h i ss y s t e ms e l e c t so m r o n c o r p o r a t i o nc 2 0 0 hp l ca st h ec o n t r o lc o r e e x a m i n e sa n dc o n t r o l st h et e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t yc o n d i t i o no ft h ew e ta i ro n - l i n e i tc h a n g e st h ew e ta i rd i s c h a r g ef i o md i s o r d e r l yt o r e g u l a r l ya n dr e d u c et h ee n e r g yr 鹤u m e i na d d i t i o n , t h r o u g ht h eo n - l i n ce x a m i n a t i o no f v 伽t e e r e n dm o i s t u r ec o n t e n t , i tc a nc o n l r o lt h en e tb e l ts p e e do fv g l l e e rd r y e r , w h i l ei m p r o v i n gt h e v e n e e r d r yq u a l i t y , i nc e r t a i nd e g r e e s i tm a ya l s ob 朗l h a l l c et h eo u t p u to f p r o d u c t , w h i c hi n c r e a s e s t h ee c o n o m i ce f f i c i e n c yo f m i d s m a l l - s c a l ee n t e r p r i s e o nt h ec o n s t r u c t so fa r t i c l es y s t e m , t a k i n g ”p l c + i p c + p t ”a st h ef o u n d a t i o n , t a k et h e c o l l e c t i o nc o n t r o lt h o u g h ta st h ei n s t r u c t i o n , t h i st o p i cc o m p l e t e sv e n e e rd r y i n ga u t o m a t i c c o n t r o ls y s t e m , w h i c hh a sa c h i e v e dt h ec o n c e n t r a t e dm o n i t o ra n dd i s p e r s e rc o n t r o l 。t h r o u g ht h e t o u c hs c r e e n , e s t a b l i s h e st h eg o o dh u m a n - m a c h i n ed i a l o g u ec o n t r o li n t e r f a c e ，a c h i e v e st h e r e a l - t i m em o n i t o ro f t h ep r o d u c t i o n , t h ed y n a m i cd e m o n s t r a t i o n , t h ea c c i d e n ta l a r m , p r o d u c t i o n r e p o r ta n dc c t ，e n o r m o u s l ye n h a n c c st h ea u t o m a t i z a t i o nd e g r e eo f t h ev e l l e e rd r yi ne n t e r p r i s e t h r o u g hc o o p e r a t i o nw i t hd o n g - s h e n gw o o ds c i e n c ec o m p a n yi n , t h ec o n t r o ls y s t e mh a s b e e ns u c c e s s f u l l yi n s t a l l e do np l y w o o dp r o d u c t i o nl i n ei nt h i sc o m p a n y a tp r e s e n t , t h i sc o n t r o l s y s t e mw o r k sw e l l ，t h ee n t e r p r i s e e n e r g yc o n s t r f l eh a sf a l l e na n dt h ev e n e e rd r yq u a l i t yh a s d i s t i n c te n h a n c e m e n li nm a y , 2 0 0 7t h i sa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e ms m o o t h l yp a s s e dt h ec h e c k b yt h en a t i o n a lf o r e s t r yo r g a n i z a t i o n se x p e r tg r o u p ，a n do b t a i n e dt h eg o o dp r a i s e k e yw o r d s ：v e n e e r d r y ；o n - l i n ee x a m i n a t i o n ；p l cc o n t r o l ；p r o g r a m m a b l et e r m i n a l p e iz h i - j i a n ( i n d u s t r ye q u i p m e n ta n dp r o c e s sa u t o m a t i o n ) s u p e r v i s e db ym e iy u c h u n 本学位论文知识产权声明 本学位论文是在导师( 指导小组) 的指导下，由本人独立完成。文中所 引用他人的研究成果均已注明出处。对本论文研究有所帮助的人士在致谢中 均己说明。 基于本学位论文研究所获得的研究成果的知识产权属于南京林业大学。 对本学位论文，南京林业大学有权进行交流、公开和使用。 研究生签名：蒋客坚 导师签名： 兹雄 日期：0 7 6 、万 致谢 本论文是在南京林业大学梅玉春副教授的悉心指导下，经过不懈的努力而完成的。三 年中，先生为我的学习和成长付出了大量的心血，从论文的选题到研究内容的安排，论文 撰写的各个环节都倾注了先生的关心和指导先生渊博的知识、严谨的治学态度、求实的 工作作风、使学生受益非浅。在研究生三年的求学过程中，先生对我的学习和生活倾注了 很大的心血，一直言传身教，教会了学生很多做人道理和做事的方法，培养了学生勇于面 对问题、解决问题的能力。在论文完成之际，谨向他致以崇高的敬意和忠心的感谢! 在论文完成过程中，得到了南京林业大学木材工业学院张建平老师和教研组其他老师 的谆谆教诲和帮助，同时得到了连云港东森科技有限公司、苏州维德木业、苏福马木工机 械有限公司多位工程师和技术人员的帮助，在此一并表示作者衷心的感谢! 还要感谢龚瑜、樊英鑫、唐剑、徐德良、叶志远、周树华同学，一起走过这三年，他 们给予了很大的帮助和支持! 最后特别感谢我的父母，哥哥、姐姐及关心我的亲人、朋友，是他们给予了我最坚定 的支持和深深的理解l 作者：裴志坚 二o o 七年六月于南京林业大学 1 绪言 1 1 概述 能源紧缺，是当今世界上一大突出问题，如何合理利用有限的资源以及减少物质生产 中所消耗的能量，是人们所关注的课题。 从世界范围来看，我国是个少林国家，森林资源严重不足。现世界森林覆盖率为2 2 ， 而我国才1 3 9 。两者的差距相当大，我国的森林面积只占世界的4 ，蓄积量不足世界总 量的3 ，人均林地面积和蓄积量分别仅为o 1 公顷和9 m 3 ，只分别相当于世界人均水平的 1 8 和1 3 【l 】。 我国人口众多，木材的消耗量又非常之大。长期以来木材的需求总是大于供给。由于 森林资源结构不合理，林场的林龄结构比例失调，以幼龄林为主，近期可采伐的很少特 别是在天然林保护工程实施后，退耕还林，完全停止禁伐区内的森林采伐，大幅度调减一 般生态保护区的采伐量，这就进一步加大了我国的木材供需矛盾，使供需缺口达到了5 9 0 0 万m 3 i l 埘。所以，如何合理有效地利用有限的木材资源，保护现有的森林资源，摆在了我们 面前。 一方面，我们木材科学工作者要提高木材加工和利用的水平。木材干燥是合理利用木 材，节约木材的重要方法之一。因为干燥木材可以防止木材开裂变形，提高木材的力学强 度，而且还能改善木材的工艺性质，有效地防止木材的腐朽和变色。对人造板的加工而言， 经过良好干燥的单板才具有很好的胶合性能。木材干燥是木材加工企业中能耗最大的工序 约占整个企业能耗的4 0 1 3 】。如何节能也成为一个迫切需要解决的问题。 另一方面。为了缓解木材的供需矛盾，我们要大力发展人工林的种植，1 9 9 3 年的统计 数据表明，我国人工林面积约占全国林地面积的2 5 1 2 1 ：到上个世纪末，我国的人工林地 面积已达3 1 4 0 万公顷，居世界首位【4 】。 ， 为了充分地利用木材资源，人造板工业得到越来越广泛的发展，相应地单板制造业也 得到很大的发展。为了减少原木的用量，其替代产品如胶合板，纤维板及单板层积材的应 用越来越广，这些产品在保持木材原有特性的基础上，更加具备了一些原木所不具有的优 点。单板作为一种装饰材料和结构材料，在木材加工行业中的应用非常广泛，尤其是家具 制造和装饰方面。单板作为木制材料，保留了木材的许多特性，美丽的花纹，温暖的色调， 从丰富、深色的颜色，到明亮、幽雅的浅色调，一直是入们装饰的首选另外，单板可以 以多种形式联结、拼合，可以形成多种多样的花纹和原木不可能达到的板面尺寸。单板制 品包括胶合板和单板层积材，就具有原木所没有的很多优点。它们的形状可以是平整的、 曲线的，也可以是弯曲的，适应人们的多种需要。正是由于它的诸多优点才受到人们的青 睐。一一 1 2 选题依据和意义 就胶合板生产而言，单板干燥是重要的工艺环节之一，干燥工艺的好坏直接影响胶合 板的质量。单板干燥是胶合板生产过程中的一个重要工序。单板干燥的终含水率及其分布 状况，会直接影响到产品质量。单板含水率过高会造成胶合板脱胶、变形、开裂等产品缺 陷，而含水率过低不仅造成能源浪费，产量减少，成本增加，而且也会因单板表面出现局 部碳化或纤维的物理性能受损而危及胶合板产品质量剀。 目前，国内多数生产厂在对单板含水率及其分布状况进行常规生产检测时，主要是依 靠操作工人凭直觉和经验进行估计，显然这种检测结果会因人而异一些生产企业使用普 通含水率检测仪表对单板含水率进行定期抽查。然而，普通含水率检测仪表会受到木材纹 理方向和探极刺入深度的影响，且探极刺入有损单板表面。近年来，少数生产厂由国外引 进了单板含水率在线检测的设备，但也仅限于对平均含水率总体水平的检测，不能反映单 板各局部含水率状态及分布特征，且设备昂贵。 干燥过程参数检测的准确性，直接影响到单板干燥质量的好坏、干燥成本的高低、以 及干燥周期的长短。为了减轻单板干燥过程中操作工人劳动的强度，减少操作工人的人为 误操作，提高单板的干燥质量，基于自动测试系统的相关技术，采用先进的测试手段，设 计高精度、低成本、实时性强、稳定可靠的单板干燥自动测试系统是实现单板干燥自动控 制系统的前提条件。也是单板干燥自动控制实施的关键性技术难题之一 近年来，速生材在胶合板生产用材中所占比例正在逐年增加。而速生材的一个显著特 点就是初含水率高且分布极不均匀。因此无论是从理论研究还是从技术实践的角度来看， 选择适当的能全面、准确、实时表征单板干燥质量的干燥状态特征参量，建立相应的自动 识别模式，从而研制开发一种能更全面描述单板干燥质量状况的在线检测系统，对于改进 单板干燥工艺，缩短干燥周期，提高产品质量，节能降耗，增产增效都具有重要意义。 对单板干燥过程参数的快速、准确、自动检测的重要意义在于： 1 干燥介质的相对湿度、温度、单板含水率是单板干燥测控系统的状态变量，干燥控 制系统的管理及控制需要依据这三个参数的实时数据，对单板的干燥状况做出判据。 2 干燥介质的相对湿度还是干燥系统的控制变量，由系统根据干燥工艺和控制算法对 单板含水率这一被控变量实施控制。 3 单板含水率值达到干燥工艺要求是单板干燥的最终目的，是提高干燥质量、缩短干 燥周期，节约干燥耗能，从而给企业带来可观经济效益的关键。 4 只有实现。对上述参数自动检测，才能构成自动测控系统，这是实现干燥过程全自 动控制必不可少的重要组成部分 1 3 国内外研究现状 国内外有关学者，对木材含水率检测方法进行过大量研究，提出了诸如在线称重法、 高频电磁波法、红外线法等多种检测方法。但针对单板这一特定的被测对象，对其含水率 及含水率分布特征进行在线检测的方法，国内却鲜有工业应用成功报道。 且前国内学者发表了大量关于单板干燥方面的文章，主要是关于改进单板干燥工艺或 者改进单板干燥机设计之类实现单板节能降耗的文章。如： 陆仁书、花军等在“柔性垫网接触式间歇干燥单板的方法”介绍了柔性垫网热压干燥 法干燥单板，干燥质量较常规干燥有较大提高，且大大节约了能源【6 l 。 2 撒潮、张璧光等在“单板含水率多点在线检测系统的研究”中介绍了利用环型表面接 触式含水率传感器测试单板含水率的方法，介绍了一种智能型单板含水率多点在线检测系 统 t i 。但是由于其采用的是“呼吸法”间歇式干燥工艺，仅仅在单板停止时测得其含水率， 并没有实现真正意义的在线检测。 国外学者最近发表的关于单板干燥过程控制的文章比较少，主要是关于单板干燥模型 的建立，通过建立单板干燥的仿真模型，指导干燥过程。如文献8 介绍了北美辐射松单板 干燥过程的模型仿真，结合模型更好地预测单板干燥过程中含水率的变化趋势和变化范围， 以便于更好的控制单板干燥过程p j 。 在网带喷气式干燥机的节能方面，前人也做了很多尝试。为了提高干燥速度，苏州林 业机械厂将网带式干燥机分为两个干燥段，在干燥段之间增加一个开放段，单板被输送到 开放段后，以“呼吸式”蒸发水分，加速单板的干燥，节省能源。另外气流喷孔的形式对 气流的影响也可以影响单板的总传热效率。将圆形喷口改成圆孔翻边导流礤型喷孔，喷孔 的阻力小，导向作用好，气流的运动状态得到改变。实验证明此种传热效率最大。通过热 交换器的改进，将平滑管改为轧片式，等等例，都较有效地提高了热效率，达到节能的效 果。 降低单板的能耗，除了提高干燥机效率的措施外，主要的研究集中在干燥过程中的排 湿。干燥过程中排出湿空气，就会带走大量的熟量，而对补充近来的冷空气进行加热，又 要消耗一定的热量，所以热量的消耗占很大的比例。据资料记载，单板干燥机热能消耗中， 未能直接用于蒸发水分方面的消耗约占总耗热量的4 0 略删。这部分热量除了干燥机本身的 保温性能差而造成的损失外，主要是排湿消耗的。许多文献对干燥过程中的合理排湿以及 排湿窗的合理开启进行了研究。周平在文章中指出，建议在干燥机的第二、三节设置排气 管【l l 】，排气管的开度可控；许美琪在单板干燥机排气管开启度对能耗的影响一文中， 对排气管在全闭、半开和全开三种状态下的空气进出量，能耗以及温度的变化和含氧量做 了分析，得出全闭状态可以大幅度地降低能耗【1 2 】。 研究单板干燥节能的主要措施有实现排气的自动控制，改定期排气为自动排气，可以 减少排气的次数。第二种方法是实现网速的自动控制。根据干燥机内的温度变化来随时调 整网速，当温度高时，加快网速。也可以在一定程度上减少能耗。第三种就是自动控制干 燥温度。在单板干燥机内，蒸汽的压力可能经常变动，如果网速过快或过慢，就会导致单 板的含水率有时过低或过高。过低不仅浪费能源，而且单板易碎，过高则影响胶合质量。 所以，根据单板的含水率来控制蒸汽的供给量，可以使蒸汽的供给最为合理1 1 3 1 。 干燥工艺的研究主要是研究干燥温度以及喷气速度对单板干燥速度的影响。何定华等 在( - t 燥温度和喷气速度对单板干燥速度的影响一文中得出了干燥速度对干燥温度和风 速的回归方程，有结论，干燥机产量随温度和风速的增加而增加，干燥费用随温度增高而 降低，但与风速的关系是，开始随风速的增加而降低，以后又随风速的增加而增加，其中 有一个最佳风速u j 。 。 许美琪在意大利杨单板干燥工艺研究中指出，在高温下，提高干燥介质的湿度有 利于提高单扳的干燥质量，增加单板的平整性，面对单板干燥产量影响不大。他认为，温 度越高，变形率越大，出板率降低：湿度越低，变形率越大，成品合格率也稍有降低【1 5 】 其中温度对干燥变形的影响起主要作用，而湿度的影响次显著，不如温度明显，主要原因 是干燥机的密封措施差，干燥机内湿度不能大幅度的提高，无法研究高湿度对干燥质量的 影响程度。 1 4 论文的研究内容与技术经济价值 论文课题是南京林业大学木材工业学院木材干燥学科申请的国家9 4 8 课题：“人造板单 板对流加热干燥技术创新与中试”。主要研究内容是针对目前国内的众多中小胶合板生产企 业所采用的网带喷气式单板干燥机，以平均含水率、含水率分布和含水率变化趋势为主要 干燥特征参量，开发并研制出一套含水率在线检测和控制系统，根据在线含水率检测的反 馈，来调节进给单板网带电机的转速，以增加或减少单板在干燥机中的加热时间，使其达 到目标含水率，通过对单板含水率的闭环控制，使干燥单板终含水率达到工艺要求，提高 单板干燥的成品合格率。 另一方面，本控制系统还同时对单板干燥机内干燥介质的状态进行检测和控制。当干 燥机的湿度超过干燥工艺的要求时，将进行定期排放。而不是无序排放，以提高于燥效果 和干燥机的热效率，最终实现为企业节能，提高企业的利润。 具体内容包含以下几个方面： 1 通过引进吸收国外单板含水率在线检测技术，研制单板含水率在线检测传感器，在 单板干燥机的出板端并排安装6 个含水率传感器，通过含水率的在线连续检测，实现单板 干燥终含水率的闭环控制，使干燥后单板含水率达到8 左右。从而达到最佳的胶合性能和 节约干燥机消耗的能量。 2 在单板干燥机的排湿孔上安装温湿度传感器和电动阀，当干燥机内湿度没有达到设 定值时，排气阀门保持关闭；而当超过设定值时，排气阀门自动打开，实现干燥机排湿的 自动控制。通过减少不必要的排湿，达到大幅度节约能源的作用。 3 绘制单板干燥过程中的含水率、干燥介质温湿度变化曲线，并能随时查询历史曲线， 根据干燥各参数的历史曲线，不断调整干燥工艺。 4 建立单板干燥机干燥控制系统的人机界面，使现场操作人员随时了解干燥过程中的 各项参数实时数值，并能随时手动调整干燥机的各项控制参数。这将有利于工厂上位机监 控系统实现集中管理，使工厂更易于建立自动化控制网络，同时减少人力资源的投入。 我国现有大多数单板干燥终含水率都是依赖操作人员凭经验人工控制。国内市场需要 自动化程度较高的单板干燥设备新产品，本课题的经济价值在于消化和吸收国外先进干燥 技术和测试手段，研究、设计出适合我国国情的性能优良、价格低廉、节能显著，达到一 定水平的新型单板干燥自动测控系统，提高单板干燥质量，节约能源。这样既可为我国现 有的相关企业创造可观的经济效益，又为社会带来较大的社会效益。 单板干燥自动检测系统的建立，不但有一定的经济价值，还存在潜在的理论意义： 1 它为研究单板干燥过程提供了一个有效的手段，能够方便地提取和保存控制过程中 的各种数据，便于分析改进对于不同树种、单板厚度和初含水率的干燥工艺。 4 2 该系统把智能传感器的思想用于系统的软硬件设计，不但提高了干燥过程参数测量 精度，也就提高了单板干燥整个控制系统的可靠性和自动化程度。 3 该系统克服了单板干燥参数传统的测试方法，用含水率传感器连续在线检测单板含 水率以及对不同温度下单板含水率的合理补偿方法都是目前干燥技术的研究热点，也是实 现单板干燥控制过程全自动控制的关键点之一。 4 该系统把先进的测试手段同传感器硬件设计相结合，实现较高精度的测量控制。 5 2 控制系统总体方案设计 胶合板是木材加工工业中的主要产品之一，是人造板中历史最悠久的产品。建国后， 国家对现有人造板企业进行了一系列的技术改造及改建、扩建等，使胶合板生产得到了很 大的发展。目前国内多数中小型胶合板厂采用的是“先剪后干”工艺来生产胶合板。在胶 合板生产过程中，单板干燥环节耗能最高，在我国为总耗能的7 0 以上【1 6 】，且干燥后单板 的含水率状况是影响后面涂胶、热压环节的主要因素。所以单板干燥环节是整个胶合板生 产的核心部分。 2 1 单板干燥工艺简介 单板干燥与木材干燥机理相似，但要比木材干燥容易一些。因为，在刨切或者旋切单 板时造成木材组织结构的松弛，有些纤维被切断，这样就有利于单板内水分的扩散与蒸发。 此外，由于单板表面积大，厚度小，更有利于干燥。 随着单板应用范围的越来越广泛，单板干燥技术的研究也越来越深入。最初的单板干 燥有网带和链条输送喷气式干燥。这种干燥形式是以网带或皮带为传输装置，在密闭的干 燥容器中以湿空气为加热介质进行加热、干燥单板。单板由人工或机械上料装置在进口处 将单板放在传送带上，进入干燥阶段。在干燥段，均匀分布有散热器，中间通以蒸汽加热 干燥箱中的空气，干燥箱中有风机进行空气循环，使温度分布均匀，加快干燥速度。干燥 箱上部开有排气孔，定期打开，将干燥箱中的湿空气排出箱外单板在干燥箱中经过干燥 由出口处结束干燥。因为传送带的之间的夹力很小，对单板的干缩没有较强的约束，干燥 后的单板皱缩比较严重，板面极其不平整。另外，单板在进入干燥箱前，板与板之间的含 水率差别很大，而在干燥箱中的干燥时间是一样的，所以在干燥结束后，单板的含水率也 有很大差别。为了解决含水率的差异，现在采取了高温干燥的工艺。实验证明，单板经过 高温干燥后，含水率差异的情况有所减少【1 7 1 。分析原因，高温提高了干燥速度，使单板可 以快速干燥，而干燥箱中的相对湿度保证了单板的最低含水率，所以在高温条件下，单板 含水率低，单板的含水率差异相对就小。 2 1 1 单板温度的变化 单板在进入干燥机后，就进入被加热和被干燥的过程，单板的温度变化经历如下几个 阶段： ( 1 ) 外界环境的初始温度到环境的露点温度；( 2 ) 露点温度到环境的湿球温度；( 3 ) 停留在湿球温度附近的某一稳定值；( 4 ) 从湿球温度附近的某一稳定值到达水的沸点温度 1 0 0 c ；( 5 ) 停留在水的沸点温度1 0 0 ( 2 ，等待自由水的蒸发；( 6 ) 从沸点温度到趋于环境 温度。 6 2 1 2 单板干燥过程中的含水率变化 ( 1 ) 单板内含有充分的自由水：( 2 ) 含有不充分的自由水；( 3 ) 完全没有自由水，仍 有吸着水的存在。在干燥过程开始时，单板的温度比较低，而含水率比较高，在干燥过程 中，含水率逐渐下降，而单板温度逐渐上升。整个干燥过程可以分为六个阶段： 第一阶段：单板温度从室温上升到干燥箱环境内的露点温度，在这一阶段，单板的含 水率是增加的。 第二阶段：单板温度从露点温度继续上升稳定在固定值，此值稍稍高于环境的湿球 温度，水分的蒸发在这一阶段是和自由水面的蒸发相似，所以含水率迅速的下降。 第三阶段：单板含水率小于1 2 0 时，自由水不再完全占有单板表面，水分的蒸发交的 比第一阶段困难，所以单板温度缓慢上升。 第四阶段：是单板温度达到水的沸点温度( 1 0 0 ) ，因为此时单板内尚含有大量的自 由水，水分沸腾蒸发，单板从环境中获得的热量完全用于水分的蒸发，含水率迅速下降， 而单板温度稳定在固定值( 1 0 0 ) 。 第五阶段：含水率继续下降，随着自由水含量的减少，单板内水分的蒸发变的越发困 难，单板获得的热量不再完全用于水分的蒸发，单板温度开始缓慢上升，含水率下降速度 变缓。 第六阶段：含水率继续下降，单板内自由水蒸发完毕，由于结合水与木材的结合远远 大于自由水的结合力，所以水分蒸发更加困难，单板温度迅速上升，逐渐达到环境的温度。 2 1 3 单板干燥的工艺要求 1 、对终含水率的要求 单板在使用前必须经过干燥处理，才能够保证其在使用过程中不会对成品产生不利影 响。一般要求单板的含水率在7 8 ，其胶合性能比较好。同时要求单板含水率分布大体均 匀，防止在后面的热压环节产生鼓泡现象 2 、对单板外观的要求 干燥后的单板要求表面平整，尽量减少单板的皱缩以便于后面的热压工段。 3 、对单板胶和性能的要求 干燥后的单板需要按照国家标准g b 9 8 4 6 1 2 2 8 8 进行胶和强度、静曲强度、弹性模量检 测，单板应该达到国标规定之标准。 2 1 4 影响单板干燥质量主要因素分析 喷气网带式单板干燥机是利用循环热空气气流喷向单板表面除去单板水分的设备。为 此影响其干燥效率的主要因素有：树种、单板厚度宽度，初含水丰、热介质温度，风速， 机内相对湿度。其中热介质温度，风速、机内温度是影响干燥性能的主要因素i 瑚。据资料 介绍，温度是影响单板干燥时问的主要因素，熟介质温度应在1 4 0 1 6 0 c 以上为好。温度 越高，干燥单板时间就越短。风速也是影响干燥时间的一个主要因素，单板表面的临界层 必须通过热气流，才能使单板中水分尽快排除，风速越高，干燥时间越短，在1 5 2 7 m s 为好。机内湿度也是一个重要的因素，是表示空气吸收水蒸汽能力的一个指标，其值越低， 容纳水分能力越高，相反就越低，在1 2 2 0 之间为好。机内热空气温度在1 2 0 1 2 以上时， 风速对干燥时间影响更重要。因此，研究干燥机效率以及单板干燥质量的提高，必须在机 内温度、相对湿度、风速这三方面加以研究。所以本控制系统即选取上述三个指标作为控 制对象进行控制。 2 2 单板干燥控制系统的总体方案设计 现代工业控制中，计算机控制的应用领域非常广泛，其中最为典型的三类系统是集散 控制系统( d c s ) 、现场总线控制系统( f c s ) 和可编程控制器系统( v c s ) ：其中d c s 和 f c s 应用对象的特点是控制参数以模拟信号为主、开关信号为辅，控制方式以连续控制为 主、逻辑控制为辅；p c s 应用对象的特点是控制参数以开关信号为主、模拟信号为辅，控 制方式以逻辑控制为主、连续控制为辅1 2 0 j 。 2 2 1 以p l c 为基础的d c s 及其应用 随着化工自动化技术的不断发展，集散控制的思想越来越广泛地被广大自动化工程技 术人员所青睐，并正在逐渐被应用于新建、扩建和技改项目中。但传统的集散控制系统一 般由专业厂家生产，具有一定的专有性；另外传统的集散控制系统一般来讲其控制规模比 较大，成本费用比较高；因此限制了在中小规模的自控系统项目中的推广应用。而在中小 规模控制系统中利用p c + p l c 实现集散控制的思想，除传统的d c s 产品外出现了以p l c 为采集控制站的集散控制系统。 可编程控制器( p l c ) 具有结构紧凑、模块化、编程方便、使用灵活和耐恶劣环境等优点， 广泛用于离散控制场合近年来，p l c 技术迅速发展，不断增加p l c 模拟控制和监视管理 功能，采用d c s 系统的分级分散体系结构，将应用范围扩展到连续过程控制和批量过程控 制。从而形成了以p l c 为基础的分散型控制系统。在p l c 为基础的d c s 中，控制站由各 类p l c 控制器组成。通常控制站包括一个主机箱和几个i ，o 机箱。为了增加模拟量控制功 能，一般在主机箱内增加特殊功能的控制单元，用于完成特殊的( 如p i d ) 控制算法 监控级为具有监视和操作功能的显示操作站( o p s ) ，通常选用工业p c 机。监控级通信 采用专用的工业局域网( i l a n ) 。 p l c 为基础的d c s 系统主要是用p l c 、编程器、操作监视器或个人计算机以及通信网 络构成的系统。计算机作为上位机可以提供良好的人机界面，进行系统的监控和管理；而 p l c 作为下位机，执行可靠的现场控制。适用于批量控制过程和开关量点数较多的连续控 制过程，其性能价格比优于传统的d c s 系统。计算机与p l c ，p l c 与p l c 之间通过通信 网络实现信息的传送和交换。但是p l c 控制器的模拟控制功能块没有仪表型d c s 丰富， 这就对系统的软件编制人员提出了较高的要求。该系统在各个行业的实际生产中都得到了 大量的应用，特别适合组建以开关量控制为主的中小型监控系到1 9 1 。 图2 - 1 是以p l c 为基础的单板干燥机分布式测控系统结构框图。由于p l c 本身的局限 性，可以将一些测量温度、湿度、含水率等电量的智能仪表通过r s 4 2 2 总线连接起来后， 8 连接到控制室内的监控操作站上去，在利用商品化的监控软件提供的编程能力，将这些数 据传送到单板干燥控制系统中去 控 制 室 胶合板 干燥 生产 车间 9 n e n a 2 = a l + h 3 7 e l s e ：a 2 = a l + h 3 0 e n d i f b = b a n d i f b 9t h e n b l = b + h 3 7 e l s e ：b l = b + h 3 0 e n d i f s s ( 1 4 ) ；a 2 s s ( 1 5 ) = b l 命令帧发送 m s c o m m l o l l t p u 产- s $ e n ds u b 字符“ ”，命令帧开头 p l c 节点地址0 0 、命令代码“r d ”，读p l c 的d m 区 d m 区域起始地址0 1 0 0 0 0 0 2 为读2 个字 字符“一，命令帧结束 1 9 图2 1 3v b 环境下h o s tl i n k 通讯界面 3 单板干燥控制系统硬件设计 本系统研究一种基于“p l c + i p c ( 工控机) ”控制的集温度、相对湿度、单板含水率检 测与控制为一体的多传感器自动化单板干燥监控系统。作为现场在线检测系统，该系统除 对单板干燥过程中参数进行快速、高精度检测，还应将所采集的信息传给控制执行者，又 是计算机管理控制信息的提供者。它不仅具有实时检测、数据处理、非线性自校正、自校 准、噪声抑制、系统自检、显示的功能，而且具备与高层次管理机，控制机通讯的功能。 根据单板干燥过程的特点，智能化单板干燥监控系统的总体设计原则是： l ，在线检测 对湿空气温度、相对湿度、单板含水率等被测量选择合适的传感器；依据检测原理， 设计信号调节电路( 检测电路) ；设计由p l c 控制的多点信号巡测监控系统，在线检测各信 号的实时数据。 2 信息处理 由可变程序控制器( p l c ) 对采集电信号进行数据处理，对相应点进行动态补偿，并 加入温度补偿、和材种补偿等。 3 ，直观显示 该系统面向现场操作人员，因而设计了触摸式可编程终端，不仅在线反映各测量参数 的数值以及设备的运行状态，还能根据实际情况在线修改控制参数，方便现场人员的监控， 管理。 4 数据通信 p l c 和含水率传感器、工控机、触摸屏之闯均采用串行数据通讯方式，采集的数据可 以通过触摸屏及在线显示和传输给上位机生成打印报表和查看历史数据。 除此以上所述的设计原则外，该系统还应具有抗干扰能力强，结构简单。调试方便， 造价低廉等特点。 3 1 系统的总体分布 由于干燥过程中的排湿孔的温度、相对湿度检测及后面出板端的终含水率检测部分在 单板干燥车间中的分布较为分散，为了减少布线和增加系统的可靠性，故整个控制系统采 用“i p c + p l c + 触摸屏”的硬件配置。i p c 在监控室，通过r s 2 3 2 串口接收p l c 传过来的 数据，完成数据的在线显示和对p l c 和触摸屏的在线调节；p l c 和触摸屏则配置在生产现 场，p l c 作为现场的控制单元，执行内部的p l c 程序，一方面通过接收现场的开关量信号， 将采集的现场工艺参数和预设值相比较，通过相应的算法从而输出控制量，完成逻辑控制； 另一方面，通过模拟量输入模块采集现场的工艺参数，并将模拟量转换为数字量后送入i p c 显示，并通过模拟量输出模块将数字量转换为模拟量，控制现场的执行机构，来完成对工 艺参数的控制。触摸屏则将生产过程中的各个状态参数及时的在线显示出来，同时可以在 生产现场及时修改调整控制参数。整个系统的控制分配图如图3 1 所示。 2 1 3 2 主控设备的选择 3 2 1 工控机( i p c ) 图3 - 1 控制系统结构图 i p c 选用研华的i p c - 6 1 0 p 4 型号，其为i s a p c i 总线型主板，p 42 4 g 、5 1 2 m bd d r 内 存，8 0 g b 硬盘，1 7 寸彩显系统平台及应用软件开发平台为w r u x i o w s ， 3 2 2 可编程控制器( p l c ) 对于主控设备p l c 的选择，从收集的国内外各种p l c 产品的资料来看，充分考虑了木 材加工企业和本控制系统的特点，最终选择了日本o m r o n ( 立石) 公司生产的s y s m a cc 系列p l c 产品。在我国引进及市场上销售的进口p l c 产品中，o m r o n 公司的p l c 目前 属于性能价格比比较高的产品，国内应用的也比较多。 o m r o n 公司c 系列p l c 拥有微型、小型、中型和大型四大类十几种型号。根据本课 题要求，最后选择了其中的小型p l c ，即c 2 0 0 h c t 。c 2 0 0 h ap l c 虽然是小型p l c ，但它是 紧凑型模块式结构。最多可控制3 8 4 点i o 。同时还可以配置智能i o 模块( 如p i d 控制单 元和模拟量输入输出单元) ，是一种小型高性能p l c ，硬件可靠，抗干扰能力好，较适合本 课题中较多的模拟量控制环节和单板生产车间较为恶劣的生产环境。 3 2 。3c 2 0 0 h c tp l c 的系统组成【3 0 】 c 2 0 0 h ap l c 采用模块式结构，能适应多样化的要求，系统组成灵活方便，适用于中 小型控制系统。c 2 0 0 h c t 属于c 2 0 0 h 的改进型，由于采用了先进的微处理器，使其功能和 处理速度都超过了c 2 0 0 h 。c 2 0 0 h a 的特点如下： 处理速度快基本指令执行时间o 1 0 4 m 条，高级指令执行时间一般为0 4 1 7 p s 条。 程序容量大4 - 3 2 k b ，因c p u 型号而异。 指令系统丰富 除1 4 条基本指令以外，还拥有1 3 0 条特殊指令，可实现多种数据处理功能，如按位、 字、块进行逻辑操作、比较和几种数制的转换等；以4 位或8 位b c d 码和4 位1 6 进制数 进行加、减、乘、除运算；进行浮点除法、平方根运算和逻辑运算；微分指令、子程序调 用指令、中断指令和通信指令等，使得编程简便、灵活、实用。 编程方式简单 使用手编程器时只能用助记符编程；使用图形编程器时可用梯形图及高级语言编程。 目前，普遍使用专业软件c x - p 编辑梯形图，编写及修改简便。 v o 点数可扩展 当系统采用本地u o 扩展方式时，i o 点数最大可扩展到1 1 8 4 点：当采用远程i o 扩 展方式时，i o 点数最多可再增加4 8 0 0 点。 数据存储器达到6 l 【w 输入输出信号的类型全面 输入类型可以选择开关量、模拟量、脉冲输入；输出类型有