一、前言
自我国第一条年产400万m2连续自动化纸面石膏板生产线1978年投入工业性生产以来，我国广大纸面石膏板行业的技术人员经过二十多年的努力，在实现我国纸面石膏板生产线系列化、大型化、自动化方面做了大量工作，又成功开发了年产3000万m2的纸面石膏板生产线。本文从3000万m2纸面石膏板生产线的电控系统方面作一介绍。
二、系统概述
年产3000万m2纸面石膏板生产线（主线）电控系统按照生产工艺特点和生产线布置情况主要分为配料与成型工段、切断与干燥工段、成品输送工段和上位机四部分。各个工段的下位机PLC通过现场总线与变频器、伺服控制器通讯。同时PLC、人机界面HMI与上位机部分通过工业以太网联接，形成一个完整的生产控制系统。
配置图例：
1.配料与成型工段
本工段主要包括配料、成型和主线速度三部分的控制，它们之间是相对独立但又相互联系的。控制系统由下位机PLC、人机界面HMI和变频器组成。PLC系统由一套SLC5/05主机架及一套扩展机架组成，PLC与变频器之间通过现场总线Devicenet通讯，PLC与HMI和上位机之间通过工业以太网进行通讯。本控制装置由两个控制柜，六个现场操作箱及一些就地按钮盒组成，即1C1成型控制柜、1C2配料控制柜、1B~3B皮带和输送辊道现场操作箱、4B板厚调节操作箱、1A1上接纸操作箱、1A2下接纸操作箱、及就地电机启停按钮盒和紧停按钮盒。同时属本控制系统但随工艺设备附带的电控设备有：1C3皮带秤控制柜，609C1上纠偏操作箱，609C2下纠偏控制箱，CH2~4收尘控制箱等。
石膏板配料分为干料、湿料两部分。干料配料控制部分主要是建筑石膏粉、添加剂、淀粉、促凝剂、发泡剂以及水和纸浆混合液的给定控制和自动调节，配料量与成型速度成比例，其配比保持不变。建筑石膏粉的给料控制是由螺旋闸板、叶轮给料机、螺旋输送机、斗式提升机、计量皮带秤完成的。配料系统启动后，PLC按照工艺要求启停和调节各个电机的速度，同时通过人机界面设定其给料量，PLC的模拟量输出模块输出4~20mA的给定信号给计量皮带秤，皮带秤即按照给定信号控制给料速度，同时皮带秤将给料的瞬时量和累计量传送回PLC，通过通讯将它们在人机界面和上位机上显示，使得操作人员和管理人员可以分别在线监控，及时按照工艺要求调整给料量。添加剂、淀粉和促凝剂的给料控制基本一致，给料控制由调速螺旋输送机、搅拌电机、叶轮给料机、斗式提升机等组成。控制方式与建筑石膏粉基本一致，只是PLC的模拟量输出模块输出的4~20mA给定信号直接给调速螺旋输送机，根据人机界面设定的配方PLC自动调节螺旋输送机的给料速度。以上经过配比的粉料分别进入螺旋输送机、混合螺旋输送机，通过输送最后进入立式搅拌机与浆料搅拌，充分搅拌后进入下一步成型工序。
湿料主要有纸浆、发泡剂、水及添加剂等。其控制装置包括水力碎浆机、碎浆螺杆机、搅拌水泵、纸浆搅拌机、纸浆螺杆泵、发泡剂上料泵、发泡剂输送泵、发泡剂螺杆泵、硅油上料泵、硅油输送泵等。根据人机界面设定的配比，PLC的模拟量输出模块输出的4~20mA给定信号给各种浆料的计量泵控制浆料的输出，同时PLC根据各自的流量计信号反馈，自动调节模拟量给定信号，形成闭环控制。各种粉料和浆料都有料位或液位指示反馈信号，按照工艺要求联锁控制各个配料工序。
成型控制部分主要是石膏板湿板的成型，控制设备主要由成型台、纸卷提升装置、上下纸的接纸台、储纸机、拉出装置、张紧装置、切纸装置、纠偏装置、压痕机、边部加热器、立式搅拌机、振动台等组成。正常生产时，储纸机的升降辊处于上部极限位置，储纸机内存有一定的护面纸，拉出装置由变频电机驱动把护面纸从储纸机中拉引出来，在拉出装置的补偿辊边装有一套拉出张力检测系统，它的信号作为张力反馈来调节拉出电机的速度。当纸卷快要用完时，进行接纸操作。接纸时，储纸辊接纸电磁制动器将入纸辊抱住，同时接纸辊放下压紧入纸辊将纸板夹住完成接纸。立式搅拌机由一台主搅拌电机和两台硬边搅拌电机组成，配料系统输送来的混合料经过充分搅拌从搅拌机出料口送入振动台，经过振动辊的高速振动使浆料均匀铺开后再进入成型装置。成型装置由一套成型机构、板厚调节电机、位置光电编码器组成。正常生产时，成型板下落在已经调好的板厚高度上，上下纸和浆料从成型台中通过，石膏板湿板成型完成。板厚是通过现场操作箱上的按钮来调节，箱上装有厚度显示表来显示成型板左右两边的产品厚度，操作工可手动调节。
主线是由两台凝固皮带和一段输送辊道组成，这三台设备需要线速度同步。考虑到伺服驱动成本太高，生产线控制精度要求也不是非常苛刻，所以采用交流变频驱动装置闭环控制。PLC经过PID运算得出每台设备的给定值，然后通过Devicenet通讯将速度给定以数字量的型式传送给每台变频器，实现速度的同步控制。
2.切断与干燥工段：
本工段主要包括切断、横向输送、入窑和干燥窑四部分的控制。控制系统由PLC、HMI、变频器和伺服控制器组成。PLC系统由一套SLC5/05主机架及两套扩展机架组成，PLC与变频器和伺服控制器之间通过现场总线Devicenet通讯，PLC与HMI和上位机之间通过工业以太网进行通讯。本控制装置由九个控制柜，一个现场操作台，一个现场操作箱及一些就地按钮盒组成，即2C1横向及仪表控制柜、2C2翻板控制柜、2C3入窑控制柜、2C4~2C6风机控制柜、2C7主传动控制柜、2C8油泵控制柜、2C9切断控制柜、2T现场操作台、2A切断现场操作箱及就地电机启停按钮盒和紧停按钮盒。
切断控制部分完成石膏板湿板经初凝后的板长切断，切断控制柜根据2T操作台上的HMI设置的切断长度，自动完成石膏板的连续切割，精度要求正负1mm。控制装置包括装有上下切割转轂的切断机、交流伺服驱动装置、单独控制切断的PLC、测长测速编码器、角位移光电编码器等。伺服驱动装置采用内置电子凸轮的控制器，可实现复杂轮廓曲线的加工。但考虑到其只能同时编程有限条凸轮曲线，不能完全实现任意切割长度的工艺要求，所以将它作为精确的速度内环控制，整个切断的控制算法由单独的PLC完成。这样由测长测速编码器、角位移光电编码器构成的位置控制外环，和由伺服控制器构成的速度控制内环就完全可以达到工艺精度要求，当然主线的速度波动要控制在一定的范围之内，这牵涉到控制系统鲁棒性的问题。同时切断控制柜还要完成一些手动干预的操作，比如手动剪切、手动回零、采样剪切及与进板辊道控制的一些联锁控制要求。
横向输送控制部分主要完成切断后的石膏板加速、进板、翻板、横向输送和出板的控制。首先，由于主线的速度非常快，切断后的石膏板必须按照工艺节拍成组地经加速辊道输送到进板辊道。加速辊道上的石膏板块数在未达到板组数时，加速辊道变频电机通过通讯按照配料与成型工段传输过来的主线速度同步运行，在达到板组数后加速到高速状态，与进板辊道保持同步。等到当前板组的最后一块石膏板完全进入进板辊道后，加速辊道重新切换至与主线同步，开始新的一次板组循环。进板辊道载有一组石膏板后，在指定位置制动停车，进板辊道的辊架下落，由第一条输送皮带将石膏板横向拉出，然后进板辊道的辊架上升、辊道加速到高速，等待下一组石膏板的到来；同时翻板机构将石膏板从第一条横向输送皮带翻转到第二条横向输送皮带上，第二条皮带再将石膏板输送到指定位置抱闸停车，等待下一个板组的到来。当下一组石膏板经翻转也在第二条皮带上后，第二、三条横向输送皮带同时动作，将两组石膏板同时送入出板辊道，接着出板辊道辊架抬起，辊道加速至高速，经靠拢辊道将两组石膏板整齐地送入入窑部分，至此横向输送控制完成。
入窑部分是将成组的石膏板按照预定的顺序送入干燥窑。控制装置由分配桥升降电机、分配桥输送电机、干燥窑各层的输送电机组成。首先分配桥升降电机停在预定的层上，当石膏板经分配桥输送电机进入干燥窑时，对应层的输送电机启动，将石膏板输送到恰当位置后停车，随后石膏板就由干燥窑主传动电机带动缓缓进入干燥窑；同时分配桥升降电机由轴后的绝对值编码器定位，精确停止于下一待进板的层上。
干燥窑共分三个区，每个区均通过导热油经热交换器加热循环空气，再通过循环空气在干燥窑内蒸发石膏板中的水分。在温度控制方面，用PLC取代了传统的仪表控制，干燥窑每个区的循环空气入口和出口温度的测量值送到PLC，每个区的湿度测量值也送到PLC，经过一定的算法PLC控制各自的导热油调节阀，以满足每个区工艺参数要求。同时通过2T操作台上的HMI，可以非常方便的集中修正各个调节阀的PID参数、手自动运行和手操器的动作。干燥窑主传动电机的速度是根据生产线主线速度和干燥窑每个区的实际工艺运行参数自动调节的。另外由于每台风机电机的功率都非常大，所以均采用软启动器控制启停。
3.成品输送工段：
本工段主要包括出窑、成品输送和堆垛三部分的控制，控制系统由PLC、HMI、变频器组成。PLC系统由一套SLC5/05主机架及两套扩展机架组成，PLC与HMI和上位机之间通过工业以太网进行通讯。本控制装置由两个控制柜，一个现场操作台，三个现场操作箱及一些就地按钮盒组成。即3C1出窑控制柜、3C2输送和堆垛控制柜、3T现场操作台、3A1横向机行走机构操作箱、3A2切边操作箱、3A3堆垛操作箱及就地电机启停按钮盒和紧停按钮盒。
出窑部分控制烘干后的石膏板从干燥窑输出的顺序，控制装置由各出板层的输送电机、出窑挡板、电磁离合器及若干输送皮带组成。出窑部分主要控制要求是先到先出的原则，所以在PLC中要实现一个带使能控制的具有动态存储功能的先到先出FIFO队列，这样就可以用现场紧停按钮来实现使能控制，当出窑部分之后的设备发生短暂故障时，通过紧停也能保障FIFO队列的顺利运行，为故障的排除赢得宝贵的时间。
成品输送部分由横向机、储存辊道、合片机和切边机组成。干燥窑的每层出板总是左右两块板一起输出，石膏板经出窑段和中间过渡的输送皮带进入横向机。经过横向机挡板的控制，石膏板横向输送，进入储存辊道。储存辊道的作用是控制石膏板进入合片机的节拍，当两片石膏板同时进入合片机后进行合片操作，目的是将两片石膏板重叠后同时送入切边机切边，最后将两片成品石膏板推入成品辊道。
堆垛部分由左右两个堆垛台组成。切边后的成品石膏板可以分别进入左右两个成品辊道，石膏板进入成品辊道后由推板装置将其推入堆垛台，纵向和横向对准电磁阀将堆垛台上的石膏板前后对齐，然后堆垛台自动下降一定的高度等待下一次堆垛。当堆垛台上的石膏板达到预设的数量时，程序自动将其后的石膏板送入另一台堆垛机，而当前堆垛台声光报警，等待叉车将石膏板运走，然后堆垛台上升至合适高度准备重新投入堆垛。至此已经完成从石膏粉原料到成品石膏板的整个生产过程。
4．上位机部分：
上位机部分选用RS VIEW作为监控软件平台，对整个生产流程进行监控。RS VIEW是Rockwell公司推出的一种开放式软件，以Windows操作系统为平台，具有流程图绘制、报警计录、报表打印、趋势曲线等多种功能，并支持第三方制造商的通讯协议。上位监控软件的设计与构成：用户登陆与管理；主控画面和各个工段画面，其中包括各个工序的动画显示、参数设定；故障报警汇总；实时数据曲线等。
上位机监控系统投入运行后，生产现场的工艺和设备运行状况一目了然，监控效果非常良好。操作人员不仅能很方便的观察和掌握生产线运行情况，还可以根据生产情况及时快捷地修改工艺参数，使生产调控变得轻松自如。设备维护人员还可以借助历史趋势曲线的调看，分析和查找设备故障原因、快速排除故障，提高设备的运营率。整个监控系统使生产过程集中显示于操作者及管理者面前，极大地提高了调度和决策效率，有力地促进了企业的生产管理水平。
三、总结
以上介绍的电控技术,经过了几条生产线的检验,我国自行设计开发的首条年产3000万m2纸面石膏板生产线于2004年底在山东枣庄成功投入运行，之后同样规模的生产线又将在泰安、常州、宁波等地陆续投产。该生产线总体装备和控制水平已接近或达到当前的国际先进水平，为推动我国纸面石膏板行业的发展，促进生产技术向规模化、产业化、自动化方向发展作出了杰出贡献。
