两条空心刨花板生产线自动控制系统的研究

两条空心刨花板生产线自动控制系统的研究

南京林业大学章永强

一、我国空心刨花板生产现状

能源问题是一个世界性的大课题，在我国能源问题更是突出。就森林资源来说，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0.1公顷和9m3，只分别相当于世界人均水平的18﹪和13﹪。如此之少的森林资源如何能够支撑我国木材工业的发展，因此节能就显得十分重要。

那么我们又该如何节约森林资源呢？空心刨花板生产技术就是一个非常好的节约森林资源的技术。空心刨花板是采用优质的、未经过任何加工的同一性质树种，将其粉碎后，经过压力机高温挤压成型的人造板材。它的芯材中间仿造桥洞的中空原理，将其抽空，这样使其优点更多，因为它有孔重量减轻了且不影响它的耐冲性。这种板材具有保温、隔音、耐冲性、不变形、环保、阻燃、稳定性好等特点。目前，在国内市场上，空心刨花板主要被用于木门的门芯材料、室内装修墙体隔断材料、家具挡板、桌面板芯材料等。空心刨花板项目的优势有①产品物理性能优良②降低了板材游离甲醛释放量③制造成本低④简化了工艺流程⑤扩大了原料来源⑥空心刨花板前景广阔。

空心刨花板起源于欧洲，1947—1949年由西德Otto Kreibaum发明立式挤压设备，简称OK机。作为空心刨花板生产线上最主要的生产设备，OK机的诞生也宣告了空心刨花板的面世。在欧洲发展了四五十年之后，上世紀九十年代末期我国的木门生产厂商开始从德国进口空心刨花板。我国刨花板是从1958年开始研制的,自力更生建成了北京市木材厂刨花板车间.1978年后,刨花板生产才大量发展起来.一方面引进德国的成套设备和技术,安装了年产3万m3和5万m3的成套设备,一方面组织力量进行攻关,设计制造了中、小型刨花板设备.已建的刨花板厂(车间)有近200家左右,年总设计生产能力200万m3.1991年实际产量为50余万m3,产量没有达标,质量尚不稳定.这些刨花板厂(车间)大都采用脲醛树脂胶产品,主要用于家具制造和包装材料,仅限于室内使用,2006年在河南信阳市召开的“中华全国人造板工业市场发展与新技术、新产品开发研讨会”提出了“空心刨花板是人造板工业市场的发展方向”的宣言。此后几年，十几家生产厂家纷纷上马空心刨花板生产线，截至09年初，国内总产能已经达到20多万立方米。目前，我国已初步形成较大规模的空心刨花板生产厂家。

我国刨花板工业的进步还仅仅是个开始，刨花板生产技术的相对落后及自动化程度不是很高的现象还是严重制约着我国木材行业的发展，且与更发达国家相比还是存在着一定的差距的。因而还是需要我们继续不断努力的致力于人造板加工方面的研究，以期获得更为先进的技术和发展水平，并且随着中国建设小康社会步伐的推进，对人造板产品的需求将不断增加，国内外对刨花板的需求量不断增加和国家出台优惠政策鼓励人造板业发展，这些都为空心刨花板业的发展创造了极好的条件。未来我国空心刨花板业的发展肯定是欣欣向荣。

二、空心刨花板生产线自动控制的研究意义、基本内容及其技术路线

就空心刨花板生产企业而言，生产线的自动控制是极其重要的一个环节。控制系统的优劣直接影响整条生产线的生产效率。控制系统反应过慢或控制要求不达标都会影响生产线的生产，还会造成不必要的能源浪费，增加企业成本。因此刨花板生产线上各参数的检测至关重要。所以在对生产线控制系统的设计过程中，我们就必须解决各电机起停顺序的控制问题，并且初步设计PLC联锁控制系统。

本课题将通过PLC控制系统联锁控制空心刨花板生产线上所有电机的起停顺序，并且通过触摸屏的可视化，直观显示检测结果和控制流程。拟解决的关键问题有：

（1）空心刨花板生产线上各电机起停要求；

（2）硬件接线问题；

（3）PLC控制程序的设计与编制；

（4）触摸屏的界面设置和控制界面程序编制。

此外，在研究本课题的过程中，由于资金和其他条件的限制，我们设计在实验室完成整个系统的组建，并完成PLC控制程序的设计与编制；触摸屏和PLC通讯和程序设计；以及触摸屏人机界面的程序设计。在实验室最后完成整个系统的调试。

三、刨花板生产线参数的快速自动检测的意义

空心刨花板生产线的控制是空心刨花板生产的重要部分，直接关系到整个空心刨花板生产系统运行的良好性和空心刨花板生产的效率。空心刨花板生产线

空心刨花板生产线控制的基本要求是要能够保证控制过程与生产线生产要求的一致性，以提高生产线的生产效率。这就要求生产线生产过程中的参数要能够被快速自动的检测到，并进行实时监控。这样做有以下方面的好处：

（1）能够实时掌握生产线的生产情况，对电机进行起停控制；

（2）能够快速发现突发状况并进行处理，减小损失；

为了保证其过程参数能够被快速的检测到，首先要求控制系统具有极快的反应速度，要能够迅速获取控制要求，其次控制系统还要具有良好的稳定性，抗干扰能力强，自诊断能力强，这样才能符合系统的控制要求。

四、空心刨花板生产线控制系统方案的比较

目前，整个木材加工行业的生产线主要有三种控制系统：单片机控制、PLC控制和工控机控制。这三种控制各有各的优缺点，在设计控制系统时，根据系统控制的需要来选择需要的控制方式。

对于单片机的控制方式，其最大的优点是小巧灵活，适用于简单应用，实时响应要求高的场合。单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU 随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显

示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。目前的单片机系统就是采用市场上的单片机CPU及其它外围芯片，根据不同系统设计电路板，最终设计成一台简易的计算机系统，并在此基础上设计程序以达到所要求的控制功能。目前的单片机由于其可靠性、可扩展性以及可维护性都不是很高，因而除了一些仪表上仍然采用，大多数的工业现场的应用已逐步被PLC所替代。

对于工控机的控制方式，其特点是具备计算机的运算能力和存储容量，适用于复杂应用和大量数据的处理。所谓的工控机系统就是采用目前的工业控制计算机系统，在此基础上设计程序以达到设计的功能。但由于工控机的主要器件不是均不是工业级的，相对单片机系统，其抗干扰性特别是抗电源干扰能力虽然有一定提高，但由于电源质量的原因，也会引起系统的不稳定。另外，它的可扩展性也由于其编程相对比较复杂，因而会导致开发周期的增加。不仅如此，当它出现故障时，也很难诊断出故障元件，且非专业的人员不能维修。因而，考虑到上述的原因，工控机在工业现场的使用也不是很多。

对于PLC控制系统，其最突出的特点是可靠性高，抗干扰能力强，编程简单，功能完善，适用性强。PLC 英文全称Programmable Logic Controller，中文全称为可编程逻辑控制器。定义是：一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。目前在工业现场应用最广泛的PLC系统是采用市场上各大工业控制厂家生产的可编程控制器，根据要求选用不同的模块，在此基础上设计程序以达到所设计的功能。对于PLC它的可靠性很高，它所采用的CPU都是生产厂家专门设计的工业级专用处理器，其余元件也直接向厂家购买因而其抗干扰能力有很大的提高，即使在环境很恶劣的情况下，依然很稳定。另外，其可扩展性也较好，只需增加相应的模块和修正对应程序，其编程也较为容易。其可维护性也较高。由于PLC本身具有很强自诊断功能，一旦出现故障，自诊断很容易诊断出故障元件，即使非专业人员也能维修。另外，它的操作，由于采用触摸式操作终端，人机界面，全屏显示，操作十分简单。一旦系统发生故障，画面自动切换到故障提示画面，提示原因和排除方法。

根据系统设计的要求和三者优缺点的比较，因而对于本课题的设计选择采用PLC控制系统来进行设计。