（机械电子工程专业论文）石膏墙板生产工艺流程分析及自动供料控制系统.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 在建筑产业中 石膏制品被认为是环境友好材料而日益受到重 视 以石膏为主要原料的石膏墙板因其突出的优点而逐渐得到推广应 用 市场前景非常广阔 石膏墙板生产设备的性能直接关系到石膏墙 板的质量及其生产效率 因此 本文针对目前在石膏墙板生产过程中 普遍采用人工配料的供料现状 研究出一套生产效率较高的石膏墙板 生产线自动供料控制系统 本文根据石膏墙板的生产工艺研究设计出一套实用的石膏墙板 生产线自动供料控制系统 为此 本文在分析了石膏墙板生产线总体 工艺的基础上 建立了配料误差控制的数学模型 确定了自动供料系 统的控制要求 提出了石膏墙板生产线供料系统结构及其工艺流程 并对输送装置 配料装置及供水装置等系统主要设备的结构及工作原 理进行了研究分析 给出了供料系统结构解决方案 然后在此基础上 对石膏墙板生产线自动供料控制系统进行研究 其中包括粉料输送系 统 粉料配料系统及供水系统的控制方案 工作原理及数学模型 软 硬件的设计方案以及触摸屏软件控制界面的设计 并给出了p l c 自动 控制系统抗干扰的解决措施 接着开发了基于v i n s u a l c 6 o 的p l c 与上位机的监控系统 可以对整个控制系统进行实时监控 最后 系统 研制成功后 在石膏墙板生产线上进行了调试和运行试验 运行情况 达到预期效果 本文以石膏墙板的生产工艺为研究基础 选用p l c 为主控制器 并 结合传感器 变频器 自动检测技术及通信技术等组合的方案 使得 这套控制系统具有更好的实用性 稳定性和可靠性 首次实现了石膏 墙板生产供料系统的自动控制 试运行结果表明本控制系统大大提高 了石膏墙板的生产效率及自动化程度 关键词 石膏墙板生产线 p l c 配料系统 供水系统 监控系统 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ec o n s t r u c t i o ni n d u s t r y t h eg y p s u mp r o d u c ti sc o n s i d e r e da st h e e n v i r o n m e n tf r i e n d l ym a t e r i a la n dr e c e i v e dd a yb yd a y t a k et h eg y p s u m a st h em a i nm a t e r i a lf o rg y p s u mw a l l b o a r dw h o s eb e c a u s eo fp r o m i n e n t m e r i ta n di so b t a i n e du n i v e r s a l p r o m o t e da p p l i c a t i o n t h e m a r k e t p r o s p e c ti se x t r e m e l yb r o a d t h eq u a l i t ya n dt h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo f t h eg y p s u mw a l l b o a r da r ed e c i d e db yt h eg y p s u mw a l l b o a r dp r o d u c t i o n e q u i p m e n tp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e b a s e do nt h ee x i s t i n gt h ep o w d e r m a t e r i a li n g r e d i e n tm a n u a l l yi nt h em a t e r i a ls u p p l yw h i c ha r en o w d a y s w i d e l yu s e di nt h ep r o d u c t i o no f t h eg y p s u mw a l l b o a r d d e s i g n sas e to f e f f e c t i v ed e v i c e sf o rt h ec o n t r o ls y s t e mo ff o rt h eg y p s u mw a l l b o a r d p r o d u c ea s s e m b l yl i n e as e to ft h ep r a c t i c a lc o n t r o ls y s t e ma u t o m a t i c a l l yo ft h em a t e r i a l s u p p l yi sm a i n l yd e s i g n e df o rg y p s u mw a l l b o a r dp r o d u c ea s s e m b l yl i n e a c c o r d i n gt ot h eg y p s u mw a l l b o a r dp r o d u c t i o nc r a f t t h e r e f o r e f i r s t l y t h eg y p s u mw a l l b o a r dp r o d u c ea s s e m b l yl i n es t r u c t u r ea n dt h ec r a f t p r o c e s s a lee l a b o r a t e d a n dt h em a i ne q u i p m e n ts t r u c t u r ea n dt h e p r i n c i p l eo fw o r ko ft h ep o w d e rm a t e r i a lt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m t h e p o w d e r m a t e r i a li n g r e d i e n ts y s t e ma n dt h ew a t e rs u p p l ys y s t e ma n ds oo n h a v eb e e nd e s i g n e da n dr e s e a r c h e dd e t a i l e d l ya n dg i v e nt h es o l u t i o ni n v i e wo ff l a w t h e nt h ea u t h o rr e s e a r c h e st h ec o n t r o ls y s t e mo ft h e m a t e r i a l s u p p l ya u t o m a t i c a l l y f o r t h eg y p s u mw a l l b o a r dp r o d u c e a s s e m b l yl i n eb a s e do nt h i sf o u n d a t i o n i nw h i c hi n c l u d i n gt h ec o n t r o l p l a n t h ep r i n c i p l eo fw o r k t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g np r o p o s a la s w e l la st h et o u c h i n gs c r e e ns o f t w a r ec o n t r o li n t e r f a c ed e s i g nf o rt h e p o w d e rm a t e r i a lt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m t h ep o w d e rm a t e r i a li n g r e d i e n t s y s t e ma n dt h ew a t e rs u p p l ys y s t e ma n dp r o p o s e st h ea n t i ja m m i n g s o l u t i o nm e a s u r ef o r 撒ep l cc o n t r o ls y s t e m t h e nh a sd e v e l o p e dan e w m o n i t o r i n gs y s t e mo fp l c w i t hh o s tc o m p u t e rb a s e do nv i n s u a lc 6 o m a yc a r r yo nt h er e a l t i m em o n i t o r i n gt ot h ee n t i r ec o n t r o ls y s t e m f i n a l l y i no r d e rt og u a r a n t e et h es a f es t a b l er u no ft h ec o n t r o ls y s t e mi nt h e p r o d u c t i o np r o c e s s h a sd o n et h es c e n ed e b u g g i n gw o r ki nt h ef a c t o r y i i 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t b a s e do nt h e g y p s u mw a l l b o a r dp r o d u c t i o nc r a t ta st h ed e s i g n f o u n d a t i o n c h o o s e st h ep l ca sp r i m a r i l yc o n t r o l l e r a n dt o g e t h e rt h e u n i f i e sc o m b i n a t i o np l a no ft h es e n s o 啦e q u e n c yc o n v e r t e r a u t o m a t i c d e t e c t i o na n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n ds oo na n de n a b l e st h i ss e t o fs y s t e mt oh a v eab e a e ru s a b i l i t y t h es t a b i l i t ya n dt h er e l i a b i l i t y t h e c o n t r o ls y s t e ma u t o m a t i c a l l yo ft h em a t e r i a ls u p p l yf o rg y p s u mw a l l b o a r d p r o d u c ea s s e m b l yl i n ew h i c ht h ea u t h o rd e s i g n si sc o m i n gt r u ef i r s t l y t h e r e s u l ts h o w e st h a tt h ec o n t r o ls y s t e mg r e a t l yi m p r o v e st h ep r o d u c t i o n e f f i c i e n c ya n da u t o m a t i o nd e g r e eo fg y p s u mw a l l b o a r d k e yw o r d s g y p s u mw a l l b o a r dp r o d u c ea s s e m b l yl i n e p l c p o w d e r m a t e r i a li n g r e d i e n ts y s t e m t h ew a t e rs u p p l ys y s t e m m o n i t o ra n dc o n t r o l s y s t e m 1 i i 原创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果 尽我所知 除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料 与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明 作者签名 选醴日期 翌年舅三日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校 有权保留学位论文 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位 论文的全部或部分内容 可以采用复印 缩印或其它手段保存学位论 文 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文 作者签名 燃导师作者签名 勉型y 导师日期 翌年旦月三日 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 选题背景 第一章文献综述 近些年来石膏墙板发展有一个明显的趋势 即石膏纤维板的市场份额在显 著下降 其它石膏隔墙板 石膏天花板和其它的装饰性板材扮演了重要角色 在建筑产业中 石膏产品被认为是环境友好材料而日益受到重视 石膏制品可以 利用脱硫产生的副产物一脱硫石膏等制造 石膏墙板可以完全回收重复利用 1 本文所研究的长沙归一建材公司研制的石膏墙板生产线设备生产的石膏基 复合墙板是一种新型可持续发展的绿色墙体建材 具有诸多优点 1 质轻 石膏板的重量只有同体积水泥板的1 4 这将有效降低建筑地基的 施工费用 2 美观实用 石膏建材洁白美观 可钉 可锯 防火防冻 隔音 隔 热 特别是代替纸面石膏板的纤维石膏板 强度高 防潮性能好 握钉力大 3 环保 石膏建材主要成分是硫酸钙 其化学性质稳定 不会产生有毒物质 4 石膏 与工业废渣混用可制成多种建筑材料 在环保和可持续利用战略上意义重大 5 性能好 用途广 石膏板 石膏砌块可作隔墙材料 在低层建筑中可部分代替水 泥 制作卫生盒子间 通风道砌块 纸面石膏板和纤维石膏可制作顶棚和隔墙 加气石膏作地面垫层有较好的保湿性能 6 经济效益 社会效益明显 以石膏 为主要原料的空心墙板 因原材料价格低而成本明显降低 例如归一建材所研制 的石膏空心墙板成本低 且锂渣 钢渣 粉煤灰掺量可达4 0 以上 明显节约资 源 降低能耗 废物持续利用 保护环境 全球石膏墙板人均消费量随国家和地区不同差异非常大 2 0 0 4 年总产量为7 1 亿m 2 世界人均消费量为1 1 m 2 美国人均年消费量达1 0 o m 2 在世界最高 加拿 大人均年消费量9 5 m 2 澳大利亚人均年消费量8 o m 2 韩国人均年消费量5 4 m 2 日本为4 7 m 2 在欧洲 斯堪的纳维亚 半岛 地区人均消费量最高 达n 6 5 m 2 法国为5 o i n 2 英国为4 5 m 2 德国为3 9 m 2 目前 中国人均年消费量远低于世界 平均水平 仅为0 3 m 2 因此 相对的 美国的市场几乎没有增长的潜力 相反 最有发展潜力的地方是中国及其它亚洲国家嵋 我国是石膏资源大国 天然石膏储量达6 0 0 亿吨上 居世界第一位 此外工 业副产品化学石膏的排放量与日俱增 因此发展石膏基墙材具有备得天独厚的资 源优势旧 0 我国还具有发展石膏建材的政策优势 技术优势和市场优势等 我国建材工业科技发展 十 五 计划和2 0 1 5 年远景规划已将石膏建材列为 重点发展的新型建材 预计未来1 0 年将保持2 0 以上的增长速度 可见 石膏这 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 种古老的胶凝材料必将在新时代重新焕发青春 同时 石膏建材装备也会发展成 为一个很大的产业群 而石膏墙板作为该产业群的重要一员正面临着前所未有的 发展机遇 1 2 石膏墙板生产线设备的发展历史与现状 石膏墙板生产线设备的发展过程是一个从薄板到厚板的发展过程 从已经 有一百多年历史的纸面石膏板开始 由美国人于1 8 9 0 年发明 1 9 0 2 年起正式投入 工业性生产 1 9 7 8 年由中国新型建材工业杭卅i 设计研究院设计的第一条连续自动 化纸面石膏生产线正式投入生产 填补了国内空白 1 9 8 3 年建成的北京新型建材 总厂年产2 0 0 0 万m2 的生产线 系从德国 原联邦德国 引进的成套工艺技术与 装备 其余均为国内自行设计的年产4 0 0 万m2 纸面石膏板生产线 共乇 1 0 条左右 北新集团又于1 9 9 7 年7 月1 日建成国产第一条年产2 0 0 0 万m2 纸面石膏板生产线 北新二线 2 0 0 4 年11 月1 1 日北新集团自行设计开发的第一条年产3 0 0 0 万m 2 的 纸面石膏板生产线在北新集团公司山亭分公司顺利出板 生产线如图卜l 图卜1 纸面石膏板生产线 所示 年产3 0 0 0 万m2 纸面石膏板生产机组 是在国内原有的纸面石膏板机组基 础上 吸收国外先进生产线的优点 结合国内的实际情况 重新设计开发的 采用 新型动态发泡技术及装置 使泡沫稳定存在 在保证纸面石膏板强度的基础上 起到降低纸面石膏板体积密度的作用 采用挤压式成型机 硬边搅拌机等设备 提高石膏板的质量及成品率 适当加长凝固皮带机及输送辊道的长度 保证了石 膏板有足够 合理的凝固时间 虽是这样但和发达国家相比还是有相当大差距 在8 0 年代中期美国的几个大的石膏公司 拥有6 0 条生产线 其年产量高达2 0 亿m 2 以上 平均每条生产线的规模在年产3 0 0 0 万m2 以上 目前世界上纸面石膏板生 产线规模已发展到年产5 0 0 0 万m2 甚至于7 0 0 0 万m2 护面纸是纸面石膏板的主要的主要原料 对石膏板起着十分重要的骨架作 用 石膏板的质量很大程度上取决于护面纸的质量 国内的护面纸在质量 强度 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 透气性等方面 跟国外相比尚有很大差距 国外的大公司 都有自己专用的护面 纸生产工厂 根据不同的用途生产出不同性能的护面纸 国内不仅护面纸质量跟 不上而且数量也有很大差距 装备一条纸面石膏生产线要投入相当大的资金 在 目前国内的一般公司难以承受 再加上纸面石膏本身存在的一些缺陷 纸面石膏 板在中国百花齐放还需时日 以木质刨花为增强材料所制成的板材通常称石膏刨花板 石膏与木质刨花 碎料 混合成型为板材方法有多种 按混合料加水量和状态 可以归纳为三种形 式 湿法 半干法和干法 湿法成型早在三十年代欧洲就已形成了工业化生产线 前苏联将水泥与木质刨花用湿法成型的板材称为 a p6o n u m 应用相当广泛 半干法生产水泥刨花板的技术是在1 9 6 2 年由美国加 i e l m o n d o r f 公司的一项专 利所提出 1 9 8 0 年 德国f r a u n h o f e r 木材工业研究所的k o s s a t z 又用这种方法制 出了石膏刨花板 到了1 9 8 5 年 第一条石膏刨花板生产线在芬兰投产 此后 以 半干法生产水泥刨花板与石膏刨花板的现代化的大型生产线先后在欧洲问世 世 界各大洲也都有所发展 我国开始接触石膏刨花板是在1 9 8 5 年 与原西德就该技 术在我国的适用性进行了探讨 到了9 0 年代 山西候马和天津各引进一条年生产 能力均为3 0 万1 1 13 生产线 1 9 9 5 年9 月 山东苍松建筑材料公司从德国也引进一条 年产能力3 0 万i l l 3 的生产线 该生产线如图卜2 所示 镇江 成都等人造板机械厂 在消化吸收国外技术的同时 开发了石膏刨花板成套生产设备 1 9 9 9 年 在内蒙 古使用国产设备建立一条年产1 5 j m3 石膏刨花板的工厂 哈尔滨兴林伟业人造 板设备有限公司在消化吸收国外的先进技术的基础上 结合我国人造板企业的特 点 研发多种先进设备 机械辊式铺装机 双轴高速拌胶机 刨花动态计量称 调供胶系统等 近三年该公司为国内多家单位提供多条年产3 0 0 0 0 8 0 0 0 0 立方 米石膏刨花板生产线其生产线 如图1 3 所示 在石膏刨花板的整个生产过程中 铺装是其中最为关键的一个环节 铺装的好坏对刨花板的质量和生产成本有很大 的影响 板的抗弯强度直接与板的密度有关 而精确的铺装可以使板内密度差异 图卜2 山东苍松公司3 0 歹y m3 刨花板生产线图卜3 哈林人造板公司石膏刨花板生产线 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 减小到最低程度 平均密度是根据所要求的最低强度而定 铺装精确 可以减小 板的平均密度而不降低其抗弯强度 从而节省原料消耗 铺装设备可分为气流铺 装机和辊式铺装机 其设备如图1 4 与i 5 所示 b p 3 3 1 3 气流铺装机的技术参数如 表卜1 所示 虽然石膏刨花板的抗折强度 握钉力 防火 耐燃性能都优于纸面石膏板 但它存在厚度不均 偏差过大 原料利用率低等缺陷及成本高导致售价高两个突 出问题 不易被市场所接受 图1 4b p 3 3 13 气流铺装机图1 5 分级辊式铺装机 表1 1b p 3 3 13 流铺装机的技术参数 铺装能力1 2 5 t h 铺装宽度 1 3 0 0 m m 铺装厚度 3 5 1 7 5 m m 纵向容重误差 4 横向容重误差 5 压缩空气压力0 6 m p a 总功率 4 9 k w 总重 1 1 9 t 外形尺寸 t b h 1 5 5 1 0 3 1 5 0 4 6 7 8 5 m m 2 0 0 5 年长沙归一建材科技有限公司研制出高强 耐水轻质石膏墙板 如图 卜6 所示 通过专家鉴定 该项技术已经达到了国际先进水平 2 0 0 6 年长沙归一 建材科技公司研制开发自动石膏墙材流水生产线设备 该设备具有很大优势 1 生产原料范围广 可采用天然石膏生产墙材 更能采用火力发电厂工业废渣 脱硫石膏的原料进行墙材生产 2 产量大 可年生产墙材5 0 万平方米 3 一机多用 功能多 设备功能优越 既可生产墙板又可以生产砌块 能充分满足 4 中南火学硕士学位论文 第 章文献综述 市场品种需求 4 环保 生产过程中不产生 三废 无有毒有害物质产生 5 设备采用全自动控制 年产可达5 0 万平方米 自动控制供料 配料计量 搅拌浇注 输送成型 定长切割及翻转输送 6 生产的产品尺寸 精确 平整 度好 表卜2 是长沙归一建材科技有限公司石膏墙板的检测结果与国家标准的对 照表 4 o 图1 6 石膏墙板外观图 表1 2 长沙归一建材科技有限公司墙板的检测结果与国家标准的对照表 国家标准 检测项目检测结果优于国家标准数 j g t16 9 2 0 0 5 3 0 公斤砂袋 在落 抗冲击性能差0 5 m 的情况下 9 次优标4 次 摆动的冲击 5 次 抗弯破坏荷重载 1 5 倍 2 4 倍优标0 9 板自重倍数 抗压强度 m p a 3 5 m p a4 7 m p a优标1 2m p a 软化系数 0 60 9 3优标0 3 3 面密度k g 平方米 9 0 k g m 5 5 7k g m 2优标3 4 3k g m 2 含水率 1 2 1 7 优标1 0 3 干燥收缩值m m m 0 6 m m m 0 2 4m m m优标0 3 6m m m 吊挂力 n 1 0 0 0 n 1 0 0 0 n 空气隔声量 d b室墙 3 5 d b 3 8 2 d b优标3 2d b 耐火极限 h 1 h 3 5h优标2 5 h 通过以上的简介可知 我国的石膏墙板生产线设备虽然有了一定的进步 但 是在机械化 自动化的程度上还需要积极投入 j j 能实现科学发展 进入2 1 世纪 以来 新型墙体材料市场亦出现了超常发展的态势 众多企业纷至沓来 竞相研发 石膏墙板 砌块机 有研制单机的 也有研制成套的 有研制实心的 也有研制空 心的 有研制固定式抽空管的 也有研制旋转式抽空的 随着社会的进步和行业 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 的发展 有了石膏砌块机的国家行业标准 石膏砌块机在研制革新中 会不断地出 现新的亮点和好的势头 必然会更加有力地促进石膏砌块机的发展 也必然会更 加有力地促进石膏砌块的生产和市场的兴旺 石膏砌块机的产品标准将会指导生 产 控制和提高产品质量并不断地创新 从发展方向上看 电子计量 智能控制 成套供应乃是全面发展的必然趋势 是所有机组制造商赖以生存的奋斗目标 1 3 石膏墙板生产线供料配料控制系统的发展 化工 医药 食品等行业中 产品的称量配料是一道重要的工序 随着计算 机技术的发展 普及 自动供料配料系统被广泛应用 但由于价格昂贵 使其主中 小企业的普及受到限制 而石膏墙板作为一种新型的墙体材料 在我国的发展历 史比较短 所以其生产线设备本身还不是很完善 在自动供料计量方面的研究就 更少 国内在2 0 世纪7 0 年代末才开始研制石膏板连续自动化生产线 这还只是针 对比较薄的石膏板 但是对于石膏墙板连续自动化生产线还没有 因此 对于石 膏墙板生产线自动供料计量系统还是个新型的研究科题 早期的石膏墙板成型设备配料采用的称量设备是机械台秤 磅秤 利用杠杆 原理进行称量 它具有结构简单 操作方便 价格低 易更换等优点 但是它的 缺点也是明显的 主要表现在以下几个方面 1 称量精度低 无法满足高质量石膏墙板生产的要求 2 需要人工操作 劳动强度大 3 载荷范围小 4 易损件多 维修量大 5 称量结果不能自动记录 可靠性不高 现代化的配料线对衡器提出新的要求 首先要尽量简化操作过程 以减轻劳 动强度 并希望得到明确的称量结果 减少人为造成的误差 其次 希望称量过 程自动化 称量结果的数据能够远距离传输 以利于称量过程实现自动化 再则 希望称量作业尽量少占用专门时间 然而台秤等杠杆衡器是使杠杆系统处于平衡 状态 需要人工进行改变力臂力矩的操作 杠杆系统达到平衡又需要一定的时间 显然这种衡器是不能满足上述要求的 于是各式电子衡器应运而生 其种类大致 可分为两类 一种是在杠杆衡器的基础上 增加一套转换装置和电子测量装置 称为机械电子式自动秤 另一种是测力传感器式电子秤 机械电子式自动秤主要有光栅式自动秤和码盘式自动秤 和普通机械秤相 比 机械电子式自动秤可以数字自动显示物料的重量 具有静态精度高 性能稳 定 计量速度快 读取方便等优点 但是这种秤和杠杆秤相比没有本质的区别 无非是在杠杆上增加一些控制和显示功能 原理还是一样的 6 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 测力传感器式电子秤是由传感器 智麓二次仪表及其辅助设备等部分组成 的 是目前我国应用最为广泛的自动称量系统 和传统的机械秤相比 它具有响 应速度快 可以提高称量效率 结构简单 体积小 安装方便等优点 电子秤 以 下指测力传感器式电子秤 通过重最传感器将现场的重量信号转化为电信号 可 以远距离传输到控制室 达到集中控制和实现自动控制的尽的 智能二次仪表对 现场传感器送来的电信号进行分析 处理 根据需要做相应的输出 一般智能二 次仪表具有以下主要功能 1 设有连接传感器的专用接口及给传感器提供恒定电源的能力 2 显示功能 它可将重力传感器的信号按一定的量纲转换为物理量并及 时地在显示器上显示 使用户更加方便 如t k g g 等 3 设定功能 能够将称量过程中各参数预先设定 当启动时 仪表根据 传感器的现场信号与设定值比较磊 对有关的输出口置位 力全线自动化服务 4 校称功能 可以方便地改变量程 以便组成不同称量范围的电子秤 5 输入 输如功能 由状态i o 和数据i o 组成 状态i o 是根据现场情况 及其上位机情况产生 而数据i o 豳 般为全双工串行口 它可及时将称量数据 以标准的a s c i i 码 数据输如 以便与上位机联网或接打印设备 便于科学管理 当今用于称爨的二次仪表种类很多 象托利多的8 1 3 2 8 1 4 2 菲力普的1 5 9 2 1 5 8 1 等都具有以上功能 并已在我国各种配料线上普遍使用 1 4 本课题的主要研究内容 目的和意义 1 4 1 本课题的主要研究内容 针对石膏墙板的生产要求及霉前国内生产的需要 本文主要从以下几个方面 进行设计研究 1 石膏墙扳生产线供料系统结构及工艺流程的研究 根据石膏墙板的生产质量要求及生产工艺 借鉴国内外相关生产设备的设 计理念 查阅相关文献资料 研究设计出石膏墙板生产线供料系统的机械结构 并对其中主要设备进行结构 工作原理等方面的设计研究 2 石膏墙板生产线自动供料控制系统的研究 根据石膏墙板的生产工艺流程 分析石膏墙板备原材料对其强度的影响因 素 确定控制系统要求 结合现代的工控技术 传感技术及自动检测技术 研发 出一套智能化程度较高的石膏墙板生产线囱动供料控制系统 其中包括送料系 统 配料系统及供水系统 并对相应的软硬件系统以及触摸屏控制操作界面进行 研究设计 对p l c 的抗干扰提出相应的解决措施 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 3 p l c 与上位机的通信监控系统的研究 利用p l c 的强大的通信功能 将p l c 与上位机联网 利用上位机生产过程 的实时监控 编制上 下机的通信程序 1 4 2 本课题的目的与意义 石膏墙板成型设备已经在我国发展了几十年了 但是其自动化生产水平还停 留在一个较低的水平 目前的石膏墙板成型设备的配料采用人工称量 间歇式的 搅拌浇注成型 这种操作方式不能连续作业 导致工人的劳动强度高 生产效率 低 生产出来的石膏墙板总是存在这样或那样的缺陷 要解决这一系列急需要研 制一种自动化程度较高的连续作业的石膏墙板生产设备 本课题正是石膏墙板自 动化生产线上的自动供料计量系统 该系统利用现在先进的控制技术 使用可编 程控制器对其进行控制 使其实现自动化供料计量 结合现代计算机自动控制技 术 变频器 传感器技术设计出一套自动供料控制系统 编制该系统的应用软件 利用p l c 对该系统进行自动控制 并应用需求上位机进行监控 该系统大大提高 了石膏墙板的生产效率 弥补了国内石膏墙板自动供料控制系统的空白 为以后 的研究发展奠定了基础 1 5 本章小结 本章阐述了论文的选题背景 对石膏墙板生产线设备及其自动供料配料系统 的发展现状 最后给出了本课题的研究目的与意义以及研究的主要内容 中南大学硕士学位论文第二章石膏嫡板生产线供料系统结构及工艺流程分析 第 章石膏墙板生产线供料系统结构及工艺流程分析 2 1 概述 石膏墙板生产线是一种将一定比例的石膏 水泥 粉煤灰 珍珠岩和水混合 搅拌后连续浇注成型石膏墙板静自动化机械生产设备 在国内只有几家类似的傲 纸面石膏板的生产线 做石膏墙板的仅有归 公司一家 这套设备填补了石膏墙 板不能连续浇注成型这一领域的空自 传统生产石膏墙叛只是通过手工操作 闻 歇式的浇注成型 生产能力和技术水平较低 与现代化的生产水平相差甚远 而 且 它们生产的磊膏墙板质量也较差 光滑度 平整度 密实度还达不到当前的 要求湛w 因此 为降低造价 满足不同用户的需求 满足现代化生产的需要 需开发一种新型的 技术含量较高的石膏墙板生产设备 本入参与长沙归一建材科技有限公司科研项目开发研制的石膏墙板生产线 设备实现了自动化操作 生产效率商 工人的劳动强度低 生产出来的石膏墙板 表面光滑 密实 断面齐整 质量较高 该设备的技术水平和科技含量较以前的 成型机械都有了很大的提高 然而 这套设备的控制系统大多采用继电器进行控 制 虽实现了部分自动纯控制 但接线麻烦曩容易出现故障 可靠性不离 焉且 布线连接不易更新 功能不易扩展 所以控制系统还需要很大的改进 本文的研究是在石膏墙板生产线的基础上 对其供料控制系统进行了改进和 完善 控制系统采用先进的可编程控制器作为控制视 并设计了触摸屏控制操作 界面 开发了监控系统 真正实现了大规模自动化生产 2 2 石膏墙板生产线总体结构及工艺流程 从石膏墙板生产线整体结构上来说 可将其分为供料系统 搅拌浇注系统 成型输送系统 周步自动切割系统 夹紧翻转系统五大部分 其中供料系统包 括了水泥 石膏 粉煤灰 珍珠岩和水等原材料的供应系统 称量 计量 配 料系统 各系统中的机械设备及控制系统 搅拌浇注系统主簧包括了四种粉料 和永的搅拌系统和浆料的浇注系统 以及其相关的机械和控制设备 成型输送 系统主要是指搅拌好的浆料在上面成型并输送等相关设备 同步自动切割系统 是切割枫 同步控制系统以及相关的机械与控制设备 夹紧翻转系统主要指将 切割好的成品夹紧翻转输送等相关机械及控制设备 整个动作过程是粉料通过 自动供料称重配比系统配料后 送到搅拌浇注系统与水按一定比例混合搅拌成 9 中南大学硕士学位论文第二章石膏墙板生产线供料系统结构及 t 艺流程分析 料浆 然后将料浆连续浇注到成型输送系统的平面输送带上 输送带有足够的 长度 料浆在输送带上逐渐凝固 成为匀速前进的一整条石膏墙板 水平 持续向前运动到同步自动切割系统进行定长 可调 切断为石膏墙板成品 然 r 一 一 后还走 石膏墙板生产线的工艺流程如图2 1 所示 图2 1 石膏墙板生产线工艺流 程图 2 3 自动供料系统结构及工艺流程分析 石膏墙板生产线的供料系统包括了石膏 水泥 粉煤灰 珍珠岩和水的按比 例供给 供料系统由输送设备 储料设备及配料设备组成 石膏 水泥 粉煤灰 珍珠岩的输送设备采用气动输送机 螺旋输送机 水的供给采用水泵 储料设备 上由储料仓 卸料设备和一些其它附属装置组成 自动供料工艺流程如图2 2 所 示 本系统的具体结构在后面将详细介绍 l o 中南大学硕士学位论文第二章石膏墙板生产线供料系统结构及工装流程分析 珍珠岩仓 l 螺旋输送机 l 珍珠岩螺旋计量仓i 图2 2 石需墙扳生产线自动供耪系统盖艺流程蹲 为了保证石膏墙板的生产质量 石膏墙板生产线供料系统在工作过程中要保 持输送到搅拌系统的珍珠岩 石膏混合粉料及水按比例混合 设珍珠岩的输送量 为膨 石膏混合粉料的输送量为材 水的输送量为肼 由于在实际供料过程中 存在一定的误差 设珍珠岩的输送误差为 a m 石膏混合料的输送误差为 a m 水的输送误差为 a m 则有实际石膏墙板原材料混合配比为 m a m m a m m a m n l n 2 n 3 2 一1 式中n t k z 挺s 的值是根据石膏墙板生产要求设定的 以确保石膏墙扳的生产质 量 供料控制系统的控制对像就是精确控制m m m 的输送量来减少误差 2 3 1 粉料输送系统 粉料输送系统采用何种输送设备和贮存设备与生产线系统的总体结构布置 密切相关 一般说来 生产线的布置可分为单阶式和双阶式两种结构 单阶式本 身占地西积较小 材料放一道工序到下一道工序时间短 效率高 但是整体高度 较高 投资较高 因此适合于大型的连续生产线 而双阶式的建筑物高度小 只 需用小型的运输设备 整套设备简单 投资少 见效快 但是材料在配好之后需 要二次提升 效率较单阶式稍低h 鉴于石膏墙板的生产是连续进行的 二次 提升不影响生产效率 因此 系统采用双阶式结构 中南大学硕士学位论文第二章石膏墙板生产线供料系统结构及t 艺流程分析 由于是粉料状物质 为了改善环境 必须设置粉料储存筒仓 筒仓一般由钢 板焊制而成 但有时也有利用塑料板制成的 石膏粉料等向料仓内输送 可以采用螺旋输送机和斗式提升机组成的机械输 送系统 也可以采用管道气力输送 本系统采用管道气力输送方式 四种粉料通过气动管道送到相应的储料仓中 每个储料仓上装有两个料位 器 用于控制料量 上料位器控制最大料量 当料到达此位置时将关闭气动输送 系统停止送料 下料位器控制最小料量 当料到达此位置时将启动气动输送系统 进行送料 料仓底装有螺旋输送机 得到命令后 石膏 水泥 粉煤灰将分别送 到配料称量小料仓 本系统采用电子负秤 中进行称量 每个小料仓仓底有扇形 气动闸门 称量好的料卸到混合搅拌机中进行搅拌混合 珍珠岩将送到储料小料 仓中 通过螺旋计量输送机进行计量与其它三种粉料混合 料料供应系统的结构 示意图见2 3 工艺流程如图2 4 所示 其中珍珠岩由于是颗粒状 与其它粉料混 在一起容易分层 进而混合不均匀 所以不经过称重 而是通过螺旋计量输送机 进行计量 1 罗茨鼓风机2 进料斗3 闸阀4 气动输送管道5 储料仓6 螺旋输送机7 称重小料仓 扇形闸门和电子秤8 螺旋搅拌机9 混合料仓1 0 混合小料仓1 1 螺旋计量输送机 图2 3 粉料供应系统结构示意图 一种粉科广 广 r r 一 罗茨鼓风机卜 一进料仓h 闸门h 储料仓h 螺旋输送机 图2 4 粉料自动供应系统生产工艺流程图 一 系统主要设备的选型分析 a 螺旋计量输送机 1 2 制启 停 制启 停 中南大学硕士学位论文第二章石膏墒板生产线供料系统结构及工艺流程分析 螺旋输送枫是通过控制螺旋叶片的旋转及停止 达到对粉料上料的控制 其 结构简图如图2 5 所示 主要用于输送粉状 颗粒状和小块状物料 它可以在水 平及倾斜方向或垂直方向上输送物料 并在输送物料的同时可完成混合掺合及冷 却等工作 螺旋输送机结构简单 紧凑 维修容易 成本低廉 料槽封闭 便于 输送易飞扬 炽热及气味强烈的物料 减少对环境的污染 可以在线路的任一点 装载 也可以进行多点装料和卸料 在输送过程中也可以进行混合 搅拌或冷却 作业 1 进料口2 槽体3 螺旋轴4 卸料口 图2 5 螺旋输送机结构简图 1 螺旋输送机的选型 1 嬲 常用的螺旋输送机的结构形式有2 种 圭 杆式腹部出料式 结构为螺旋叶片环绕于一根中心轴 并焊成一体 电机通过减速机直接驱动 中心轴使螺杆旋转 每分钟的理论排主量 y 鲨二塑 一跏 4 2 2 式中巍 螺旋输送机叶片直径 i l l j 螺旋输送机芯杆直径 m f 螺旋输送机的螺距 趣 艿 螺旋叶片厚度 m 是 螺旋输送机转速 r m i n 2 中空无杆式 结构特点是螺旋叶片为环状连续且中间没有芯杆 靠近出土端的一段叶片外 圆与螺杆套的内溺焊接在 起 动力通过转动套带动螺杆旋转 一般采取拉制或 铸造的方法加工 该结构由于没有中心杆 所以 可以输送少量的外形相对圆滑 的直径略大于一个螺距的块状物 其端葱躜土的形式也j 豢有利于下一道运输 设备的装载 每分钟的理论出土量 中南大学硕士学位论文第二章石膏墙板生产线供料系统结构及工艺流程分析 矿 d t 8 n 4 2 3 式中庙 螺旋输送机的叶片外径 m 从以上2 个公式中 似乎可以得出这样的结论 在叶片外径相同的条件下 无杆式螺旋输送机的出土量大于有杆式 但实际情况却并不完全如此 出土量往 往会受到许多因素的影响 转动套的轴抽尺寸一般控制在l o 6 5 s s 为螺杆的螺 距 通常取s o 8 d d 为螺杆的外径 取芯杆直径为叶片外径的0 3 倍 螺距取叶 片外径的o 8 倍 根据实际情况 我们选用杆式腹部出料式 轴向长度 为2 0 米 转速为v 2 0 r m i n b 小料仓 小料仓u u 即贮料斗 仓 的形状有很多种 其中 以矩形 正方形 八角形和圆形最为普遍 本系统的贮料 斗均采用圆形结构 小料仓由柱体部分和底部锥体部分组成 而上部有时 图2 6 小料仓示意图 为一锥形顶盖 有时为平顶盖 柱体部分的平面尺寸及高度是根据储存料的量的 大小来确定的 而底部锥体部分则是根据能沿锥体部分自由滑下 不致滞留形成 死角折椅要求进行设计的 在卸料口中心线不与柱体部分中心线相重合的情况 下 锥体各个方向上的锥体大小不相同 如图2 6 所示 为最大锥底角 而 为最小锥底角 因此 对圆形小料仓则应使 a 2 i 5 0 1 0 5 2 4 式中 物料与仓壁之间的摩擦角 c 闸门的选型研究 闸门是控制小料仓的开启和关闭的 闸门根据其操作方式不同可分为手动 式 气动式和电动式 大型闸门 经常开启和关闭的闸门以及自动化装置中用的 闸门大都是气动的 本系统采用的就是气动扇形闸门 u 1 4 7 删 如图2 7 所示 扇形闸门构造简单 在较大的物料压力下仍能轻便地开关 图2 7 是一种气 动的扇形闸门 图中2 是闸门的固定部分 其上铰接着扇形活f 1 3 活门3 由气缸1 控制开关 扇形活门的开启程度是由销子6 来控制 变换销子的位置可调闸门开 口的大小 图中4 是一排铰接悬挂的铸铁块 当活门关闭时 如果有料块卡在闸 板和铁块之间 则铁块能向回转 避免出现缝隙 发生漏料现象 图中5 是水银 接点 起信号开关或连锁控制作用 扇形闸门的活门受小料仓内物料的压力g 的作用 所以开启与关闭活门是克 1 4 中南大学硕士学位论文 第二章石膏墙板生产线供料系统结构及工艺流程分析 服压力g 作用所产生的摩擦力t 而作功 活门的受力情况如图左下角简图所示 由 此可求得开启或关闭活门的推或接力p 1 气缸2 水银接触器3 仓体4 销5 扇形门6 铁块 图2 7 扇形闸门 二 石膏粉料仓拱塞现象及其破拱措施 粉料料仓锥体部分发生拱塞现象在石膏粉料供 应中是比较常见的问题 当上部物料在坍塌过程中 出现物料的屈服强度大于或等于起拱条件应力时 就 会形成料拱 其如图2 8 所示 粉体料仓结拱的类型一 般有四种 1 压缩拱 粉体因受到料仓压力的作用 使 固结强度增加而导致起拱 2 楔形拱 颗粒状物料因 相互啮合达到力平衡状态所形成的料拱 3 粘结粘附 拱 粘结性强的物料在含水 吸潮或静电作用而增强了 物料与仓壁的粘附力所形成的料拱 4 气压平衡拱 图2 8 物料在料仓结拱图 料仓回转卸料器因气密性差 导致空气泄入料仓 当上下气压达到平衡时所形成 的料拱 粉料形成拱塞会使粉料给料不匀 造成称量的失准 严重时还会导致系 统的空转 粉料的破拱措施概括起来有三种 机械式破拱 振动破拱和气动破拱 机械 式破拱类型较多 基本原理都是靠机械在粉料中的运动来破坏石膏拱层 克服其 内聚力 效果比较明显 但成本造价较高 振动破拱是靠振动石膏粉料来防止粉 料成拱现象 简单方便 易于控制 但其破拱效果一般 气动破拱是通过压缩空 气的冲击来破坏拱层平衡的 只需在锥体部分安装几个气嘴即可 比较经济 效 果也可以 本系统采用气动破拱措施 在气动破拱过程中 气动压力f 要大于起拱条件应力盯 所以破拱条件为 中南大学硕士学位论文第二章石膏墙板生产线供料系统结构及工艺流程分析 f p 2 5 所以在设计控制系统过程中要注意调节气动压力 以确保供料系统的正常运 行 2 3 2 供水系统 供水系统大体可分为四大类型 定时计量 定量计量 重量计量和容积计量 定时计量类指利用控制供水时闻的长短来控制水量的供求系统n 班强毪秘 这种供 水系统结构简单 成本低 供水精度适度 误差一般为 2 定量计量类指用定 量控制仪直接控制东量的装置 常见的有定量水表和涡轮流量计 重量计量法是 利用计量斗对水称重来进行重量计量 其要对计量斗做特殊密封处理 以防止水 的泄露 容积计量类指通过计量水的容积大小来计