（机械制造及其自动化专业论文）基于plc的人造板连续压机热压控制系统研究.pdf

摘要 在人造纤维板生产制造过程中，热压是关键工序之一，它对产品质量和产量 起着决定性的作用。热压是依据热压温度、热压压力、热压时间等热压工艺因素 曲线对各工艺因素进行合理控制压制出一定密度的纤维板的过程。人造板连续压 机热压控制是人造板生产线控制系统的主要组成部分，是整个生产线实现连续无 间断的全自动化生产的关键。因此对连续压机热压控制系统的研究具有重要的现 实意义。 本文以热压控制系统为研究对象，以热压工艺因素控制原理为理论基础，以 人造板连续压机为控制对象，以各类传感器为各类模拟数据信号检测设备，以 o m r o nc o n t r o l l e rl i n k 网为通信方式，采用工控机为上位机、p l c 为下位机的上、 下位机体结构，建立能够实现现场数据采集、过程控制及远程监控的人造板连续 压机热压控制系统。本系统根据输入输出点数对热压系统进行p l c 的硬件组态： 依据人造板连续压机结构特点及热压控制的原理，应用欧姆龙p l c 编程软件 c x p r o g r a m m e r 编写热压主要影响工艺参数热压压力、温度、热压板间距、压机 速度的控制程序，以达到人造板连续压机热压工艺参数的控制要求；运用组态王 软件k i n g v i e w6 0 3 设计人机监控界面能够读取现场p l c 检测结果，显示系统工 作状态以及设置工艺曲线从而实现控制系统的实时监控。 热压压力控制系统是非线性、时滞系统，热压过程无法建立确切的数学模型。 生产过程中，热压压力控制受其他工艺因素的影响较大，控制精度不高。所以， 本文利用p l c 结合模糊控制理论与p i d 控制算法构成的自适应模糊p i d 控制器，对 人造板连续压机热压压力进行优化控制。通过由专家控制经验制成规则控制表整 定p i d - - - 个参数的模糊p i d 控制方法的采用，既可以弥补常规p i d 控制对于其参数 整定比较困难，不能得到良好的动态品质及静态精度的不足又能够解决控制对 象无法构建数学模型的控制问题使得热压压力系统能够达到比较精确的控制要 求。 关键词：人造板连续压机；热压控制；p l c ；模糊p i d 控制 a b s t r a c t d u r i n gt h ep r o d u c t i o no fm a n - m a d ef i b e rb o a r d ，h o t p r e s s i n gi so n eo ft h ec r u c i a l w o r k i n gp r o c e d u r e s i th a s ad e c i s i v ee f f e c to n p r o d u c t s q u a l i t ya n do u t p u t t e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ea n dt i m ea r et h em a i nf a c t o r so fh o t - p r e s s i n gp r o c e s s ，w h i c h c a np r e p a r eac e r t a i nd e n s i t yf i b e r b o a r dt h r o u g hc o n t r o l l i n gt h ep r o c e s sp a r a m e t e r s r e a s o n a b l y t h ec o n t r o lo fh o t p r e s s i n gp a n e lo fc o n t i n u o u s - p r e s s i n gm a c h i n ei st h e m a i nc o m p o n e n to fp r o d u c t i o nl i n ec o n t r o ls y s t e m i ti sa l s oi m p o r t a n tf o rt h ee n t i r e l i n et or e a c hu n i n t e r r u p t e da n de n t i r ea u t o m a t i cp r o d u c t i o n s oi ti so fag r e a tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c et ot h eh o tp r e s sc o n t r o ls y s t e mr e s e a r c h t h ea r t i c l et a k e sh o tp r e s sc o n t r o ls y s t e mt ob er e s e a r c ho b j e c t ，o nt h et h e o r y b a s i co fh o tp r e s st e c h n o l o g yf a c t o r sc o n t r o l p r i n c i p l e ，t a k e sp a n e lc o n t i n u o u s p r e s s i n gm a c h i n ea sc o n t r o lo b j e c t ，t a k e sv a i l o u ss e n s o r sa sv a r i o u ss i m u l a t i o nd a t a s i g n a ld e t e c t i o nd e v i c e ，t a k e so m r o nc o n t r o l l e rl i n kn e t w o r ka sc o m m u n i c a t i o n sp a t h ， a n dt a k e si n d u s t r i a lc o m p u t ea n dp l cc o n s i s t i n go f u p p e ra n dl o w e rb o d ys t r u c t u r ea s i n d u s t r i a ls t r u c t u r e ，t h e ne s t a b l i s hah o t - p r e s s i n gc o n t r o l s y s t e mt o a c h i e v et h e f u n c t i o n sc o n t a i nd a t aa c q u i s i t i o n ，p r o c e s sc o n t r o la n dr e m o t em o n i t o r i n g i ta c c o r d s t h e i n p u ta n do u t p u tp o i n t st oc o m p l e t ep l cs y s t e mh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n b y a c c o r d i n gt o t h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fc o n t i n u o u s p r e s s i n gm a c h i n ea n d h o t - p r e s s i n g c o n t r o lp r i n c i p l e ，w i t ho m r o np l cp r o g r a m m i n gc x - p r o g r a m m e r c o m p o s et h ec o n t r o lp r o g r a mo ft h eh o t p r e s s i n gp r o c e s s sp a r a m e t e r sc o n t r o l r e q u i r e m e n t s ，w h i c hc o n t a i n sp r e s s i n gp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ea n ds p e e do fh o tp r e s s i n g p l a t es p a c i n gp r e s s w i t hk i n gv i e w6 0 3c o n f i g u r a t i o n ，d e s i g n sh u m a na n dm a c h i n e i n t e r f a c et or e a dt h ed e t e c t i v er e s u l td a t ao ft h es p o t so fp l c p r e s s u r ec o n t r o ls y s t e mi sak i n do fn o n l i n e a ra n dt i m e d e l a ys y s t e m ，w h i c hi s u n a b l et oe s t a b l i s hap r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e l ，b u tt h ep r e s s u r ec o n t r o li nt h e p r o d u c t i o np r o c e s sr e q u i r e sh i g hp r e c i s i o n ，a n di ti sg r e a t l ya f f e c t e db yo t h e rt e c h n i c a l f a c t o r s t h e nw i t hp l ca n df u z z ys e l f - s e t t i n gp i dp a r a m e t e rc o n t r o l l e rf o r m e db y f u z z yc o n t r o la n dp i dc o n t r o la l g o r i t h m ，o p t i m i z e st h ep r e s s u r ec o n t r o ls y s t e mo f w o o d b a s e dp a n e lc o n t i n u o u sp r e s s i n g f u z z yp i di sac o n t r o lm e t h o dt h r o u g hu s i n g c o n t r o lt a b l em a d e b ye x p e r t se x p e r i e n c et oa d j u s tt h et h r e ep i dp a r a m e t e r s i ta v o i d s t h es h o r t a g e so fr e c e i v i n gg o o dq u a l i t yd y n a m i ca n ds t a t i c a c c u r a c yb e c a u s ei t i s d i m c u l tt od e f i n ep a r a m e t e r so fn o r m a lp i dc o n t r 0 1 a n di ta l s os o l v e sc o n t r o l p r o b l e mo fb e i n gu n a b l et oc o n s t r u c tm a t h e m a t i c sm o d e lw i t hc o n t r o lo b j e c t s t h e o p t i m i z i n gs y s t e mm a k e sp r e s s u r ec o n t r o lr e a c ht h er e q u i r e m e n t so ft h ec o n t r o l a c c u r a t e k e y w o r d s ：w o o d p a n e lc o n t i n u o u sp r e s s ；h o tp r e s sc o n t r o l ；p l c ；f u z z yp i dc o n t r o l 基于p l c 的人造板连续胝机热压控制系统研究 i 绪论 1 i 研究的目的及意义 热压是人造板生产过程中的关键工序之一，同时也是人造板生产线的瓶颈， 因此压机作为热压工序的执行者显得尤为重要。压机是人造板生产加工工业中的 重要设备之一，纤维板、刨花板、胶合板、装饰板的制造及人造板的深加工都离 不开压机，而且在相当大的程度上，压机的工作能力对人造板生产线的产量影响 很大，压机的技术性能对人造板产品的品质起决定性的作用【1 1 。因此压机的控制 理论的研究亟待完善。 传统的热压机有单层压机和多层压机两种形式，但是无论多层压机还是单层 压机，随着所要求的压制板厚的减小，使得其非有效工作的辅助工作时间( 压机张 开的时间、装板的时间、卸板的时间以及压机闭合的时间等) 所占的比率就大大的 增加了，从而降低了整个生产线的生产效率【2 】。另外，要求的压制板厚的越小砂 光量所占材料的百分比就越大，材料浪费的也就越严重。这两个主要因素体现了 多层压机和单层压机在薄板生产方面的不经济性【3 1 。所以，传统的热压机使人造 板流水式生产线突然中断，这直接造成生产节拍失衡，为此不得不增设加速运输 机、快速运输机等一系列设备以平衡节拍。另外，压制的板材厚度不均，原材料 消耗率高，能耗大等也都是间歇式热压机不足之处。在这种情况下迫使人们寻求 新型的绿色热压机械，以满足可持续生产发展的需求5 1 。因此，连续平压热压 机具有巨大的应用潜力。 在人造板的生产过程中，主要包括削片、纤维分离、铺装成型、热压、砂光 等工艺。其中，施胶、铺装成型、热压是生产工艺中的三个关键环节f 6 】，直接决 定着产品的质量，并且直接影响着成本控制及生产效率。其中，热压工段的控制 在整个生产控制中处于咽喉部位。 随着现代工艺技术的发展和计算机软件在各行业中的广泛应用，机械制造行 业对于产品生产的自动化程度要求越米越高，生产加工绿色化要求越来越严格。 在制造过程中，机械设计的主流逐渐由机械的结构复杂性转化为软件控制的复杂 性。 1 2 国内外人造板连续压机的发展现状 连续压机作为2 0 世纪以来人造板工业的新型热压设备，它更新了热压机的设 计理论、制造方法和热压工艺= 流程，带来了人造板的一系列相关设备技术的进步， 推动了全世界人造板工业的发展。它体现出了强大的市场和奠立了人造板压机设 中南林业科技大学硕十学位论文 各新的里程碑，它的出现给热压机市场带来了强烈的冲击。 连续压机设备主要包括连续平压机和连续辊压机两种类型。其巾，连续平压 热压机的应用更为广泛【7 】【8 】。 1 9 5 0 年，第一台用于刨花板生产的巴尔特列夫( b a r t r e v ) 连续压机在英国投 入使用，但由于其机型结构复杂而没能得到广泛使用。 1 9 7 0 年，原联邦德国的贝尔斯托夫( b e r s t o r f f ) 研发了世界上第l 台连续辊 压机( 门德压机) ，其使用在德国的门德刨花板厂。 1 9 7 7 年，原联邦德国的库斯特( k u e s t e r s ) 公司率先成功制造出了世界上第 一台钢带滚子链型的连续平压热压机，该机型适用于木质刨花板的生产。 1 9 8 1 年，原联邦德国的比森( b i s o n ) 公司的刨花板生产线使用了该公司研 究的世界上第一台钢带油膜型连续平压热压机( h y d r o d y n ) 。 1 9 8 4 年，原联邦德国的新北尔康普( s i e m p e l k a m p ) 公司研制出了c o n t i r o l l 连续平压热压机用于中密度纤维板的生产。 1 9 9 0 年，德国迪芬巴赫( d i e f f e n b a c h e r ) 公司，首次推出了c p s 型连续平 压热压机。 1 9 9 7 年，d i e f f e n b a c h e r 公司研发了世界上第一台用于单板层基材生产的带有 微波预热的连续压机。 1 9 9 8 年，d i e f f e n b a c h e r 公司推出了用于木质刨花板生产的2 0 0 0 m 3 d 、长度 达到5 0 m 的连续压机。 2 0 0 0 年，d i e f f e n b a c h e r 公司研发了世界上最大的1 2 英寸宽的定向刨花板 ( o s b ) 连续压机。 近年来，由于美卓公司并入了辛北尔康普公司，所以，国际上仅有迪芬巴赫 公司及德国辛北尔康普公司现能提供连续压机及成套生产线，形成了人造板装备 生产制造业几乎被这两家公司所垄断的局面【9 1 。目前，全球已投入使用的连续压 机生产线有3 0 0 多条，产量占世界人造板生产总值的7 0 以上，生产板坯幅面主要 有4 英寸和8 英寸两种形式，幅面为4 英寸的连续压机生产线主要由上海板机和 s i m p e l k a m p 公司提供。幅面为8 英寸的连续压机生产线主要由s i m p e l k a m p 及 d i f f e n b a c h e r 公司提供。并且，生产线板厚度的范围日趋在扩大，单线厚度分布可 达2 4 0 m m 【i 们。 在国际上，由于没有新的板种的出现，人造板产业不可能有创新性技术的诞 生。因此，在人造板的技术的发展中，国外人造板机械设计方向的重点仍然是对 人造板生产线的生产规模的扩大以及自动化水平的提高【1 1 1 。 我国连续压机的制造还处于起步阶段，在这一领域的空白刚刚被填补，所以， 我国现有的人造板生产线仍以国产多层压机为主，而大型的连续压机生产线主要 依靠进口。1 9 9 0 年我国引进了第一条连续压机刨花板生产线，它由德国辛北尔康 2 基于p l c 的人造板连续乐机热乐挖制系统研究 普( s i c m p e l k a m p ) 公司提供，年产3 万m 3 刨花板。1 9 9 4 年，我国引进第一条由德 国辛北尔康普公司提供的年产3 万m 3 连续压机中密度纤维板生产线【1 2 】。 国产连续压机生产线在国内刚刚开始研发。2 0 0 0 年，上海人造板机器厂有限 公司开始人造板连续平压机的研发【1 3 】。2 0 0 6 年，上海扳机成功地研发了宽度有4 英尺和8 英尺两种规格的c o n t i p l u s 连续压机，最大长度达至j 5 2 米，设计生产能力为 l o 3 0 万r n 3 年，从而成为中国首家，世界上第四家能够提供年产l5 万m 3 连续人造 板压机的企业。2 0 0 7 年，上海扳机研发了具有自主知识产权的拿智能机电液一体 化连续压机及其生产线，用于大幅面刨花板的生产【1 4 1 。2 0 0 8 年，上海板机在波兰 安装了首条出口国外的中密度纤维板连续压机f 1 5 】。同年，敦化市亚联机械制造有 限公司研发的连续平压热压生产线设备投入使用，主要用于生产中密度纤维板。 2 0 1 0 年，上海捷成白鹤木工机械有限公司和苏福马开始生产人造板连续压机，并 且已经处于调试阶段即将投入运行。 我国人造板工业近2 0 年来取得了长足的进步，已成为全球中密度纤维板第一 生产大国，但是产品的质量差、消耗大、成本高，难以参与国际竞争，其主要原 因是我国人造板装备与国际水平之间还存在着很大的差距。我国人造板设备与国 际相比，自动化与大型化等方面始终与国外在质量和水平方面有较大差距。所以， 对人造板连续压机理论，控制技术的进一步研究以减小这种差距仍是我们今后要 做的工作。 1 3p l c 简介 1 3 1p l c 的基本结构 可编程逻辑控制器p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ) 是一种通用的工 业自动控制装置，主要特点在于其以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动 控制技术和通信技术等先进技术。其种类很多，但是结构和工作原理差别不大， 主要组成部分有：中央处理器( c p u ) 、输入输出设备、存储器、编程器、电源 等。结构如图1 1 所示【1 6 】 t 7 】。 l 、中央处理器( c p u ) ：c p u 作为p l c 的核心部件，它的作用相当于人的大 脑，能够指挥p l c 完成各种预先编好的系统程序任务。其主要的功能有：接收、 存储用户程序积数据，且可以通过显示器显示用户程序内容及地址：检验用户程 序的正确性；编程正后按存放顺序逐条读取、解释和执行程序，再将执行结果送 至输出单元来驱动外部负载：诊断电源和p l c 内部电路的故障以便用户及时发现 及排除。 2 、输入输出( i o ) 单元：是外部设备与p l c 进行数据交换的窗口。输入单元 将接受的各种信号转换成c p u 能够识别处理的信号，输出单元则将c p u 的弱电 3 中南林业科技大学硕1 ：学位论文 信号转换成外部设备需要的强点信号以控制各种执行机构。 3 、存储器：是一种记忆单元，主要由半导体电路组成，具有存放系统程序、 用户程序和运算数据的功能。其包括系统程序存储器、用户程序存储器和工作数 据存储器三种形式。 4 、编程器：是由p l c 生产厂家提供的与其产品相对应的编程工具，分为图 形编程器和简易编程器两种形式。简易编程器体积小、重量轻、便于携带且价格 便宜，但其一定得与p l c 相连才能编程且只能用语句表程序。图形编程器操作简 单，能用语句表、梯形图等多种表达凡是编程、屏幕大、所显示的功能多，并且 可以脱机编程，其编写的用户程序既可以存放在自身存储器之中，也能下载到p l c 中，但其价格比较贵。 5 、电源：是将外部电源转换成p l c 各单元电子电路工作时所需直流电源， 保证p l c 正常工作的部件。 按钮 选择开关 限位开关 电源 接触器 电磁阀 指示灯 电源 图1 1p l c 系统结构图 f i g 1 1 p l c s y s t e mc h a r t 1 3 2p l c 的分类 p l c 种类很多，虽然其基本原理相同，但性能、规格、型号各异。按其结构 特点及功能的不同有以下几种分类【1 8 】： ( 1 ) 按照结构形式分类：根据结构形式的不同，p l c 可分为整体式和模块式两 类。整体式p l c 是将c p u 、电源、i o 接口的部件集中装于一个机箱内，具有体积 小、结构紧凑、重量轻、价格低的优点。整体式结构一般适于单机工作，但其输 入输出接口数固定，对于现场的每一个控制点不一定都适用。一般小型p l c 多采 用这种结构。模块式p l c ( 积木式) 是将其各组成部件，分别做成单独模块( 如 c p u 模块、电源模块、i 0 模块以及各种功能模块) 。模块式p l c 由框架或基板与 4 基于p l c 的人造板连续k 机热胝挖制系统研究 各模块组成，其结构配置灵活，可根据需要选配不同规格。但其结构复杂，价格 高，一般大、中型p l c 才采用这种结构。 ( 2 ) 按功能分类：根据功能的不同，p l c 可分为低档、中档、高档三类。低 档p l c 主要用于单机控制系统，具有逻辑运算、计数、定时、移位以及自诊断、 监控等基本功能及少量模拟量输入输出、算术运算、数据传送及比较、通信等 功能。中档p l c 用于复杂控制系统，具有较强的模拟量输入输出、数据传送和 比较、算术运算及通信联网等功能。有些还可增设中断控制、p i d 控制等功能， 高档p l c 用于构成分布式网络控制及大规模过程控制系统，增设了带符号算术运 算、矩阵运算、位逻辑运算等特殊功能函数的运算及制表等功能。 ( 3 ) 按i o 点数及存储器容量分类：根据输入输出点数和存储器容量不同， p l c 可分为小型、中型和大型三类。小型p l c 的i o 点数在2 5 6 点以下，这种机 型规模较小，单c p u 、8 位或1 6 位处理器、用户存储器容量在4 k 字以下。中型 p l c 的i o 点数在2 5 6 点至2 0 4 8 点之间，双c p u ，用户存储器容量达2 8 k 。 大型p l c 的i o 点数大于2 0 4 8 点，多c p u ，1 6 位、3 2 位处理器，用户存储器容 量达8 1 6 k 。 1 3 3p l c 的编程方式 p l c 执行控制任务是通过编写程序实现的，其程序语言有很多种，不同厂家 及不同型号的p l c 所用的表达也各不相同。但基本可以归纳为两类，即字符表达 方式和图形符号表达方式。p l c 编程时可使用任意一种语言也可以结合这两种形 式来完成控制任务1 1 9 】。 ( 1 ) f b d 梯形图( l d ) ：p l c 的梯形图编程语言类似于传统的“继电、接触 控制原理，其部分编程元件沿用了继电器这一表述，如输入继电器、输出继电器、 内部辅助继电器( 中间继电器) 等，是一类有别于物理继电器的虚拟继电器( 即 一些存储单元) 。由于其框架结构、逻辑运算方法和输入出方式与传统的继电器 控制类似，有形象、直观、易读等特点而成为当今p l c 编程比较常用的语言。 ( 2 ) 语句表( i l ) ：语句表编程方式是类似于计算机汇编语言编程的一种助记符 编程方法。不同厂家生产的p l c 由于p l c 型号及参数表达不一，所以格式存在差 异。 ( 3 ) 功能块图( f b d ) ：是一种类似于逻辑控制电路图的图形编辑语言，编程 方式类似于“与 、“或”、“非”的逻辑电路结构，这三种逻辑基本能够表达所有 的控制逻辑。 ( 4 ) 顺序功能图( s f c ) ：即状态转移图，是一种描叙控制系统控至流程、特 点及功能的图形。在p l c i 页序控制程序的设计中，顺序功能图是一种很好的辅助 工具。 5 中南林业科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 高级编程语言：高级编写是近年来所推出的一种编程方式，主要应用在 大型p l c 上，如西门子的$ 7 3 0 0 4 0 0 型p l c 采用的s 7 s c l ，是一种类似于p a s c a l 、 d e l i p h i 的高级编程语言，适于编写标准功能块实现p i d 调节、数据采集和处理以 及计算机通信等功能。 1 3 4p l c 的工作原理 p l c 采用周期循环扫描的方式工作，当其开始运行时，c p u 依照系统监控程 序顺序进行扫描，主要完成的任务有数据采集、用户程序执行、输出状态及显示 更新、c p u 自检等。其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样刷新、用户程序 执行和输出刷新三个阶段。如图1 2 所示【2 0 j ： 输入采样用户程序 输出刷 b - 刷新阶段十一执行阶段卜新阶段叫 图1 2p l c 用户程序工作过程图 f i g 1 2 p l cu s c rp r o g r a mw o r k i n gp r o c e s sd i a g r a m ( 1 ) 输入采样刷新阶段 在这一阶段，p l c 首先对所有的输入端子进行扫描，将其状态及数据存入相 应的i o 映象寄存器中。此后，输入映象寄存器的状态保持不变，直到下一个扫 描周期的输入采样阶段其数据才会刷新。另外，对于脉冲输入信号，为了保证任 何情况下都能读入该输入信号的宽度必须大于一个扫描周期。 ( 2 ) 用户程序执行阶段 在这一阶段，p l c 按由上而下、先左后右的顺序扫描用户程序。程序执行遇 到跳转指令时，如果满足跳转条件，则跳转到要执行的程序段，不满足则继续往 下执行。涉及输入、输出状态时，p l c 读入的输入映像寄存器状态是对应的上一 阶段的输入端子状态，p l c 读入的输出映像寄存器状态是当前的状态，而元件映 像寄存器存储的是当前值，其元件的状态的改变是跟随程序的执行而变化的。 ( 3 ) 输出刷新阶段 6 基于p l c 的人造板连续限机热氐控制系统研究 这一阶段，c p u 把用户程序执行后输出映像寄存器内对应的状态和数据存入 到输出锁存器中，再通过输出电路驱动外部负载。与物理继电器控制元件组成的 硬逻辑运行的区别在于，p l c 对负载的控制在这一步才得到真正实现，但要是忽 略扫描周期所占用的时间，其控制结果没有区别。 1 3 5p l c 在连续压机控制系统中的应用 p l c 由于具有指令丰富，运算速度高，可靠性高，功能强大，抗干扰能力强 等特点而广泛应用于机械制造、汽车、石油、化工、钢铁、交通运输等各个行业。 在人造板连续压机热压控制系统中，p l c 是实现自动生产的控制设备。p l c 的开 关量逻辑控制取代了传统热压机的继电器控制电路，以实现逻辑控制与顺序控制。 p l c 配有专门的a d 和d a 装换模块及p i d 模块，能够实现连续压机工作时的热压 板间距、压力、温度、压机速度等模拟量的过程控制。p l c 的数据处理功能强大， 对连续压机各部位的传感器或检测仪等检测设备的信号进行采集、分析和处理， 以完成各种控制操作，如钢带纠偏、温度、压力调节等操作。p l c 可与p l c 通讯 也可与其他设备通讯，一般都设有通讯接口，可非常方便的构成集散控制系统。 在人造板连续压机纤维板生产线上，热磨工段、施胶工段、干燥工段、铺装工段、 热压工段及成型工段都配有独立的p l c 进行现场控制。这些p l c 设备与上位机通 讯，将采集的实时数据传送给上位机构成的监控管理级，用于数据显示、归档及 趋势图分析等，以便监控级对现场设备监控及管理【2 1 1 。 1 4 本文主要研究内容 本课题从热压控制技术考虑，研究的主要内容有： ( 1 ) 根据输入输出点数对热压系统进行p l c 的硬件组态，依据人造板连续 压机结构特点及热压控制的原理利用欧姆龙p l c 编程软件c x p r o g r a m m e r 编写 热压主要影响工艺参数热压压力、温度、热压板间距、压机速度的控制程序，以 达到人造板连续压机热压工艺参数的控制要求。 ( 2 ) 利用欧姆龙p l c 的c o n t r o l l e rl i n k 通信模块c j i w c l k 2 1 与工控机的通信 卡3 g 8 f 7 c l k 2 l 组成上位机与下位机的c o n t r o l l e rl i n k 通信网络，以实现系统的网 络通信及现场数据的采集与监控。利用组态王软件设计人机监控界面，实现对现 场p l c 检测结果如设备运行状态、设备采样数据等进行读取，显示系统的工作状 态，设置工艺曲线等功能，以达到实时监控的目的。 ( 3 ) 由于热压压力的控制受温度、压机速度、板坯含水率等热压工艺参数的 影响较大，无法建立确切的数学模型，本文利用p l c 结合模糊控制理论与- p i d 控制 算法设计自适应模糊p i d 控制器，以实现人造板连续压机热压压力的优化控制， 使系统能够达到比较精确的控制要求。 7 中南林业科技火学硕上学位论文 1 5 本文研究方法 在人造板生产过程中，热压环节是整个生产过程的中心环节，热压温度、热 压压力、热压时间是热压工艺的主要参数。本文在了解连续压机结构、工作流程、 热压原理及热压工艺的基础上，利用欧姆龙p l c 的编程软件，采用梯形图编程语 句对连续压机热压控制系统进行编程。用可编程控制器( p l c ) 对热压过程中的热压 温度、热压压力、热压时间等物理参数进行检测，p l c 再将这些参数传递给上位 机；在上位机上运行监控软件，监控软件的程序由北京亚控公司的组态王组态软 件编写，对热压工段的工艺流程进行实时监控。运用模糊p i d 算法对热压控制进 行调节，按照模糊规则给出其p i d 调节参数，并结合可编程控制器( p l c ) 实现对 热压过程的压力控制进行优化。 8 基于p l c 的人造板连续胝机热胝挖制系统研究 2 人造板连续压机及热压工艺原理 人造板连续压机是人造板生产过程中的主要设备，是一种新型的热压设备， 是生产线实现能够连续不间断生产的关键。目前，我国人造板生产线还是以国产 多层压机为主【1 3 】，由于其不能实现生产的连续性及控制过程的全自动化，大型连 续压机的使用已成为人造板生产的基本趋势。人造板连续压机作为热压工序的执 行者，具有生产连续性强、自动化程度高、产量高、质量稳定、操作简便、生产 产品的规格灵活等特点，因此被大量从围外引进。在国外，美卓( m e t s o ) 、辛北 尔康普( s i e m p e l k a m p ) 、迪芬巴赫( d i e f f e n b c h e r ) 这三家公司垄断了人造板连续 压机的生产【9 】。在国内，人造板连续压机的开发和研究还处于起步阶段，主要的 研发公司有亚联机械制造有限公司、上海人造板机器厂和苏福马机械有限公司 d o l 。国产的压机与国外相比在设备设计及控制技术上存在着很大的差距，本章对 人造板连续压机特点介绍及热压工艺原理的研究有利于热压控制系统的设计。 2 1 人造板连续压机 2 1 1 人造板连续压机基本组成及工作原理 人造板连续压机是人造板生产线热压工段对板坯实行热压的设备，纤维板坯 经连续铺装及锯木输送机休整成一定宽度送入连续热压机中，连续压机通过对连 续的纤维板坯进行有控制的连续的加压和加热制出具有所选的密度分布和厚度的 连续的板坯。本文所研究的连续压机热压热压控制以双钢带连续压机为研究对象， 其基本结构如图2 1 所示1 2 】： l234567 1 板坯：2 张紧辊简：3 热压板；4 滚子链；5 钢 杼；6 油缸；7 驱动辊简 图2 1双钢带连续压机些本结构示意图 f i g 2 1d i a g r a mo ft h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h ed o u b l es t e e lb e l tc o n t i n u o u sp r e s s 双钢带连续平压机主要由板坯进给部分、加热加压及保压定尺部分和成品板 9 中南林业科技人学硕上学位论文 出板及运输传动部分三部分组成，其工作原理如下：( 1 ) 板坯进给部分，主要包 括进给传动轴、张紧辊筒、进给头调节机构等。该部分主要作用是将板坯大量快 速压缩，以便在不破坏铺装结构的前提下大量排气，另外，根据板坯厚度要求， 其进入角p 可以适当调整以利于板坯顺利进入压机【2 2 1 。( 2 ) 加热加压及保压定尺 部分，此部分为压机的主体部分，由若干独立框架及带有隔热层的热压板组成。 框架由高强度的钢梁支撑，每个框架由若干个液压油缸组成，如美卓公司的连续 压机有4 2 个独立框架，每个框架有8 个油缸，辛北尔康普公司的连续压机有2 9 个独 立框架，每个框架有5 个油缸。其作用是对板坯进行连续的加压加热而压制出一定 厚度的板坯，油缸提供的压力直接作用在热压板上，由链毯、钢带传递给板坯， 每个框架单元的油缸有单独的控制回路，根据热压板间距可调节其行程与压力大 小。温度由热油提供，经热压板、电毯及钢带传递到板坯表层再逐渐向芯层传递， 压力、温度在压机长度上根据工艺要求有不同的分区。热压板由于要承受各个油 缸提供的不同压力大小以满足加热工艺曲线要求及防止链毯长期运行而引起的破 坏，其必须由柔性及耐性好的特定材料制成【2 3 1 。( 3 ) 成品板出板及运输传动部分， 由钢带、驱动辊筒、链毯及链毯带动链及链毯导向等组成。其作用是将成品板输 送出压机，传递热压压力、热压温度，驱动压机钢带运动，调节上下钢带同步以 避免钢带跑偏引起钢带及链毯损坏【2 们。 2 1 2 人造板连续压机特点 连续平压热压机主要应用在普通刨花板、中密度纤维板、高密度纤维板及定 向刨花板的生产上。目前，连续平压热压机生产板坯的幅面宽度主要为4 英寸和8 英寸两种形式，适合压制的板材是2 5 - 4 0m m ，连续压机采用干法压制出的中纤 板薄板厚度主要为2 5 r a m 、3 m m 以及4 m m ，这种薄板可代替湿法生产的硬质纤维 板以及薄型胶合板【9 1 。连续压机有连续平压机及连续辊压机两种类型，其中连续 平压机的应用比较普遍，所以连续平压机几乎就成为了连续压机的代名词。连续 压机相比传统的单层热压机或多层间歇式热压机，主要有以下几个特点【2 j 【2 5 】【2 6 j ： 1 生产连续化、效率高、产量大：连续压机生产的速度可调并且无热压板开 启闭合以及装卸板工作所造成的生产中断，他使整条生产线能够实现流水式的连 续化生产。连续压机正常运行时节省了单层压机和多层压机运行时间歇等待的辅 助时间，省去周期性的张开闭合动作，其油缸压力波动小，运行相对平稳。其生 产能力是多层压机的2 倍以上，所以，连续压机的使用能够提高整个生产线的效 塞1 2 7 r 2 产品质量好：连续压机可以在整个压机长度上有效地排除热压过程所产生 的水蒸气，热压过程中热压板的温度设定为分段式的，可按照不同板坯所需求的 热量做出不同的设定和调整。相比间歇式多层压机的热压板温度恒定不变，其生 l o 基于p l c 的人造板连续骶机热水控制系统研究 产出的板材表面较平整、断面密度梯度分布更合理、强度更高，质量更好。 3 板材厚度精确、规格多：由于连续压机纵向及横向各区加压段压力可自动 调节，并且厚度控制的实现采用的是热压板位移间隙调整装置，生产的板厚偏差 小，板面的预固化层薄，并且砂光量小，有些厚度的板材甚至不需要砂光，从而 达到有效地节约原料，且生产的板材厚度尺寸精确。热压后产品可以锯成多种幅 面规格的板材。 4 设备少、但制造设计难度大：在利用传统的单层或多层间歇式热压机生产 人造板时，其生产线必须配有装板机、卸板机和加速运输机等设备才能保证生产 线的正常运行。而连续压机并不需要这些设备，但是为保证生产线的连续不间断 对其设计制造安装的要求都很高，并且，其使用的材料种类多，金属热处理的工 艺复杂。另外，其保养、维修相对而言也比较困难些。 5 生产过程消耗低：人造板连续压机的原材料消耗相对间歇式热压机比其节 约1 0 。在整个热压过程中，板坯同时受热受压，预固化层很薄，其表面砂光量 很少，甚至不需要砂并且无横向裁边损失。加压过程系统波动小，分区域加热加 压从而使得电耗、热耗都比较低，其中电耗比间歇式热压机低1 0 1 5 【2 叭。 2 1 3 人造板连续压机生产线流程 人造板连续压机生产线工艺流程有：原木去皮、削片、纤维分离、施胶、纤 维干燥、板坯铺装、预压、热压、砂光等工段，其流程图如图2 2 所示。原木通过 经输送机进入剥皮鼓去皮，并利用金属探测器剔除含金属的木材后，合格去皮原 木被水平地输送到鼓式削片机进行削片。木片经过水洗机以清除可能会引起下游 工艺损坏或增加成品板的砂粒含量的任何杂物。清洁的木片经排水、预蒸煮、预 加热及热磨机热磨制成纤维，在热磨机排料阀或者到达干燥器的气流管道中加入 一定配比的胶合剂完成施胶工序。将潮湿的纤维经蒸汽压力干燥器进行干燥，将 干燥纤维流经分选器去除胶块及铺装纤维块以避免损坏连续压机钢带及产生带黑 点的次品。合格纤维经铺装机连续铺装成一个厚度均匀，单位面积符合预设定重 量的纤维板坯。将来自铺装台的相当松散的纤维板坯经预压机固化成一定密度、 较低回弹力的板坯。将连续铺装的纤维板坯经锯木输送机休整成一定宽度的板坯 并将其送入连续热压机中。连续压机通过对连续的纤维板坯进行有控制的连续的 加压和加热压制出具有所选的密度分布和厚度的连续板坯。将压制的连续板坯锯 成一定长度的板坯存放在中间存放系统中冷却。将中间存放系统的板坯经运输小 车送到砂光线砂光。将砂光过的主板通过裁切锯裁切成要求的尺寸经运输小车存 放到指定的存放区。整个生产线在生产过程中实现全自动化连续不间断的工作， 各设备需要的能量，如加热连续压机的热油及发生蒸汽用于热磨机等由热能中心 提供，铺装剧边的纤维及砂光废料等生产过程中产生的小颗粒物质由配置的分送 中南林业科技大学硕士学位论文 系统送至铺装工段重新利用或送能源中心做为燃料。另外，生产线还配有污水废 弃处理系统以达到节能减排、绿色生产制造的要求【2 9 i - p 2 l 。 r e s i n8w a x e n er g yp l a n t l u kk i 。s t ar 1 q e s a n d i n g c u ft os i z ep a ( kb n q 图2 2人造板连续压机生产线流程图 f i g 2 2 t h ef l o wc h a r to fw o o d - b a s e dp a n e lp r o d u c t i o nl i n eo f c o n t i n u o u sp r e s s 2 2 人造板热压工艺原理 人造板热压是指在热量和压力的共同作用下，板坯中的水分被蒸发，板坯的 胶粘剂固化、密度增加、板坯中各组分发生不同程度的物理化学变化、纤维间形 成各种结合力，从而制成符合要求的纤维板的过程【3 3 1 。在热压过程中，对其产生 影响的因素有很多，比如所选木材的类别、纤维的形状、施胶工段所采取的树脂 胶类型及配比、加热温度、干燥后纤维的含水量、板坯内部温度分布、压机速度、 热压压力、板坯密度分布、板坯内的蒸汽压力分布、热压过程树脂胶的预固化及 固化、纤维含水率等。其中，影响最大的工艺因素是压力、温度、压机速度。其 决定板坯内温度、气压和含水率的分布及变化规律，从而决定板坯的质量。因此， 了解热压过程中纤维板板坯内部压力、温度、含水率的分布和变化规律对热压板 间距、热压压力、温度、压机速度、板坯含水率工艺进行合理控制能够提高整个 生产线的全自动化、生产效率及产品质量。 2 2 1 热压板间距 热压板间距与热压压力控制是不同厂家生产连续压机工艺控制的区别，有两 种形式：第一种是热压板间距控制作为压力控制的基础，以压力控制为主导；第 1 2 基于p l c 的人造板连续水机热乐控制系统研究 二种是压力控制与间距控制平行，可以是单独的间距控制或者单独的压力控制或 者两者兼有的组合控制。本文主要研究第一种控制形式，压力控制在位置控制的 基础上实现板坯厚度及密度的控制。一般间距控制在压机长度上分为三个区段， 即快速闭合段、间距保持段及定厚段，如图2 3 所示【3 4 】。热压板的间距根据不同 材料、板坯厚度、密