貝加萊PCC在紙板廠膠水制備設(shè)備中的應(yīng)用

左蘇平，周曉霞（貝加萊工業(yè)自動化（中國）有限公司，上?！?00233）

貝加萊PCC在紙板廠膠水制備設(shè)備中的應(yīng)用

左蘇平，周曉霞（貝加萊工業(yè)自動化（中國）有限公司，上海200233）

在紙板生產(chǎn)線的膠水制備設(shè)備上采用自動化技術(shù)，可避免人為因素造成的膠質(zhì)不穩(wěn)定，保證粘合紙箱的剝離強(qiáng)度，而且無需專人制膠，還能大大降低生產(chǎn)成本。該文介紹了貝加萊自動化系統(tǒng)和托利多稱量裝置在紙品粘合膠水制備設(shè)備上的應(yīng)用。該設(shè)備配備了以PCC為核心和以稱量配料為主要技術(shù)手段的自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)了制膠、輸膠和用膠過程的全自動化控制。概述了該生產(chǎn)線的設(shè)備構(gòu)成、工藝流程和技術(shù)要求，重點描述了控制系統(tǒng)的配置和工作原理，特別是比較復(fù)雜的中轉(zhuǎn)罐原料稱量配料邏輯。

；紙板生產(chǎn)；膠水制備；自動控制系統(tǒng)；可編程計算機(jī)控制器；自動稱量配料

1　引言

目前，國內(nèi)大部分紙板廠還在使用傳統(tǒng)的人工膠水制備設(shè)備，隨著市場競爭的加劇，對紙板生產(chǎn)線效率和膠水質(zhì)量的要求也越來越高，人工制膠方法已不能滿足生產(chǎn)需要。本文中介紹的膠水制備控制系統(tǒng)與紙板生產(chǎn)線設(shè)備配套，它能夠?qū)崿F(xiàn)對制膠、輸膠、用膠過程的全自動化控制。由于按照預(yù)先設(shè)置的原料配比和工序制備膠水，故能避免因人工操作失誤可能造成的膠水品質(zhì)的不穩(wěn)定，保證紙箱粘合的剝離強(qiáng)度。此外，自動化制膠系統(tǒng)的效率也大大高于人工制膠，可滿足高速生產(chǎn)線的工藝要求。

2　膠水制備設(shè)備和工藝概述

2.1主要設(shè)備

如圖1所示，膠水制備線的主要工藝設(shè)備由儲備罐（包括淀粉、堿液、樹脂三個罐）、中轉(zhuǎn)罐（包括硼砂、堿液、樹脂三個罐及其共用的稱量裝置）、一個主罐及其稱量裝置和四個成品罐及其計量裝置組成。

圖1　膠水制備線的主要工藝設(shè)備及流程

該膠水制備線設(shè)有化堿系統(tǒng)（采用碳鋼罐體）、攪拌裝置、堿液貯槽和2臺堿液泵，堿液中轉(zhuǎn)罐以及管道均采用不銹鋼。片堿化成液堿后，貯存在堿液貯槽里。堿液中轉(zhuǎn)罐的液位可以由PCC自動控制，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定低限時，將自動啟動堿液泵從堿液貯槽進(jìn)行補(bǔ)給。

淀粉貯罐為碳鋼罐體，配備了螺旋輸送機(jī)、振動給料器，裝設(shè)了高、低料位傳感器。主罐裝備了蒸氣加熱裝置和自動溫度控制系統(tǒng)，配置有溫度檢測元件、二次溫度儀表和蒸氣切斷閥，并采用PCC來控制溫度。

各用膠點貯罐設(shè)有液位檢測和攪拌裝置。各膠水儲罐的膠水重量可以在制膠房的觸摸屏上實時顯示和監(jiān)視。

2.2工藝流程概述

如圖1所示，首先從硼砂、樹脂以及堿液的存儲罐往中轉(zhuǎn)罐加料：上述三個中轉(zhuǎn)罐都固定在一個由3個傳感器支撐的架體上，它們共用一套稱量裝置。常溫下樹脂和堿液均為液體，它們的中轉(zhuǎn)儲罐都設(shè)有最高位和低位浮球。第一次只加樹脂，當(dāng)其液位到達(dá)高位浮球位置時停止加料，此時中轉(zhuǎn)罐稱量儀表顯示的重量就是樹脂的重量，也是其最大值。第二次同樣也只加堿液，當(dāng)其液位到達(dá)高位浮球位置時停止加料，此時儀表顯示的重量減去第一次加的樹脂的重量，即為堿液的重量。把這個計算出來的值保存為堿液當(dāng)前重量。硼砂是固體，采用人工將硼砂加入到硼砂中轉(zhuǎn)罐中，但也以同樣方式計量。在淀粉的儲蓄罐中，設(shè)有高、低料位傳感器和振動器，當(dāng)?shù)竭_(dá)高料位時，不能再往儲罐中加淀粉，低料位信號則提示加料。振動器的功能是把淀粉振松，振散，防止淀粉架橋。低于最低料位置時，會自動啟動振動器將罐壁附著的淀粉振動下來。

生產(chǎn)膠水時，除需先后分?jǐn)?shù)次往主罐中加入一定比例的清水和淀粉作為基料以外，其它主要就是加入硼砂、樹脂和堿液。這三種配料，都是單獨添加，如果當(dāng)前在加堿液，中轉(zhuǎn)罐的重量會變小，這個差值就是注入主罐中的堿液的重量。而中轉(zhuǎn)罐中當(dāng)前的堿液重量就是原來的重量減去注入主罐中的堿液的重量。保存這個值為當(dāng)前的堿液重量。

其它兩種物料也以同樣方式加入主罐。

每一條紙板生產(chǎn)線其實只需要一種規(guī)格配方的膠水，不同的紙板生產(chǎn)線所對應(yīng)的配方也不一樣。目前該膠水設(shè)備配設(shè)了4個成品罐（帶有蒸汽加熱裝置），每個成品罐中膠水的配方都不一樣，這4個罐分別位于不同的紙板生產(chǎn)線旁，與主罐通過管道連接，并通過空氣泵把加熱后的膠水從主罐中吸到相應(yīng)的成品罐中。

該系統(tǒng)設(shè)有配方自動修正功能，當(dāng)加料時，可以通過屏幕監(jiān)視加料過程中的偏差，并自動根據(jù)配方的比例修正后面的加料比例，以保證配方的準(zhǔn)確性；可以與用戶的生產(chǎn)管理系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，通過參數(shù)設(shè)定，自動根據(jù)待生產(chǎn)的定單情況來確定制膠量，以減少膠水的浪費；在初次輸入配方后，當(dāng)用戶需要調(diào)整配方的時候，無需再去計算物料的變化，只需直接輸入膠水的變化結(jié)果，程序即可自動修改配方；設(shè)有自動吹膠功能，當(dāng)每罐膠水輸送完畢以后自動吹膠并復(fù)位系統(tǒng)，以避免膠管堵塞。

3　膠水制備自動控制系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)構(gòu)成與配置

如圖2所示，該控制系統(tǒng)以貝加萊的B&R 2003系列PCC為核心，采用觸摸屏為人機(jī)界面，與梅特列-托利多的PANTHER稱量儀表、主罐溫控儀表以及加水控制和淀粉輸送控制裝置等結(jié)合而組成。此外，該系統(tǒng)還配備了一些泵、切斷閥、液位和料位傳感器。

圖2　膠水制備設(shè)備自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成

該PCC配置了1塊BP704（4槽底版），其CPU安裝在底板的最左端，選用帶24V DC電源的雙寬度模塊CP476，該模塊上附有RS232和CAN接口各一個，并有狀態(tài)指示燈，同時還有4個旋入式模塊的插槽，需要擴(kuò)展時將旋入式模塊插入到插槽中并用緊固螺絲固定。旋入式模塊可以是模擬量或數(shù)字量模塊，也可以是通訊擴(kuò)展模塊。

其中1個插槽插入IF321，配置有1個RS485/RS422接口，用于實現(xiàn)與1#、2#和3#儀表站的數(shù)據(jù)通訊；另1個插入AI774（4路模擬量輸入模塊），用于采集4個成品罐的膠液液位（對應(yīng)于重量）數(shù)據(jù)。此外，該PCC還配置了2塊DM465（16路輸入和16路晶體管輸出數(shù)字量混合模塊）和1塊DM435（8路輸入和8路晶體管輸出數(shù)字量混合模塊）。該系統(tǒng)的操作監(jiān)視人機(jī)界面（HMI）選用1臺Power Panel 4PP320.1505-31彩色TFT15"觸摸屏（24V DC，配置1個Ethernet 10/100M、1個RS232和2個USB接口）。

稱重裝置選用了兩套梅特勒-托利多（Mettler Toledo）的多斗多料配料稱重儀表（型號panther 2000 T600，最大稱量選擇量程為5～10，000kg，分度值為0.005～10），主罐用一套，中轉(zhuǎn)罐共用一套。每套稱量儀表由稱重傳感器3只和帶有邏輯控制功能的二次儀表（含傳感器供橋電源）構(gòu)成。它們具有精度高、可靠性好、專業(yè)的物料處理能力和人機(jī)界面友好等特點，對提高生產(chǎn)效率起著重要的作用。梅特勒-托利多的控制方案采用了先進(jìn)的總線技術(shù)，可以方便地使用PROFIBUS、RS232、RS485或Modbus-Plus等現(xiàn)場總線實現(xiàn)與相關(guān)PLC（或PCC）系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)通訊，構(gòu)成的稱重配料系統(tǒng)實時性強(qiáng)、可靠性高、組態(tài)靈活，可以方便地滿足各類用戶對稱重配料的需求。

主罐的膠水溫度控制單元配置了一個鉑電阻測溫元件、一臺蒸汽控制閥和一臺溫度二次儀表；加水控制設(shè)置了快/慢加水閥各一臺；淀粉輸送控制配備了螺旋輸送機(jī)和振動給料器，并設(shè)有高、低料位傳感器。

3.2系統(tǒng)工作原理及主要功能

3.2.1系統(tǒng)工作方式

該系統(tǒng)設(shè)有手動和自動兩種工作方式，生產(chǎn)前可預(yù)設(shè)，并可在生產(chǎn)過程中根據(jù)需要互相切換。當(dāng)每罐膠水輸送完以后，將進(jìn)行自動吹膠。該系統(tǒng)高度自動化的設(shè)計，可以實現(xiàn)制膠和用膠過程的全自動控制，從膠水的需求、配方參數(shù)、配制直到輸送均由PCC全過程控制，無需專人操作。

3.2.2主要功能及特點

該系統(tǒng)具有多配方存儲、自動選擇配方、參數(shù)設(shè)置、多種成本報表、自動稱量注料和配料控制、自動輸膠控制等主要功能。

設(shè)有配方自動修正功能。當(dāng)加料時，可以通過操作屏幕監(jiān)視加料過程中的偏差，并自動通過改變配方的比例來修正后續(xù)的加料比例，以保證配方的準(zhǔn)確性。

該系統(tǒng)還可與客戶的生產(chǎn)管理系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。通過數(shù)據(jù)交換，根據(jù)擬生產(chǎn)的紙制品訂單自動確定制膠量，以減少膠水浪費。當(dāng)初次輸入配方后，如客戶確需調(diào)整配方，也無需重新計算物料的變化，只需直接輸入膠水的改變結(jié)果，程序即可自動地去修改配方。

外接USB存儲設(shè)備，完整地記錄了多個重要工藝參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)。

3.2.3自動稱量配料的工作原理

自動稱量配料單元是該制膠控制系統(tǒng)的核心部分，它決定了膠水的配制質(zhì)量和生產(chǎn)效率。該系統(tǒng)采用了兩套梅特勒-托利多的電子稱量裝置，它的二次儀表與PCC結(jié)合，來實現(xiàn)對所有物料稱量注料和配料的控制，以更精確地控制整個配料過程，保證膠水配方得到準(zhǔn)確的執(zhí)行。

考慮到PCC的CPU與各儀表站之間的數(shù)據(jù)通訊采用了速率較低的RS485串行通訊方式，如讓PCC承擔(dān)稱量值的數(shù)字濾波，則它在每次程序掃描周期中必須對各PANTHER稱量終端連續(xù)進(jìn)行多次數(shù)據(jù)采集，并需花費較長的時間，這可能影響到稱量值數(shù)字濾波的準(zhǔn)確性并直接影響到稱量結(jié)果。因此，在系統(tǒng)設(shè)計中安排PANTHER稱量終端承擔(dān)稱量值數(shù)字濾波任務(wù)，它獨特的TraxDSPTM數(shù)字濾波功能也完全能夠勝任此項任務(wù)。PCC在每一掃描周期中僅需通過RS485總線網(wǎng)絡(luò)從PANTHER終端采集已經(jīng)通過數(shù)字濾波的單個重量數(shù)據(jù)并進(jìn)行后續(xù)處理（可參見流程圖3和圖4）。

圖3　中轉(zhuǎn)罐稱量注料程序流程圖

（1）中轉(zhuǎn)罐稱量注料和膠水配料

硼砂、樹脂和堿液中轉(zhuǎn)罐的體積均不大，由于稱量工藝的需要，它們被固定在一個由3個稱量傳感器支撐的臺面上并共用一套稱量儀表。其進(jìn)出料管道全部采用金屬軟管連接，以避免附加應(yīng)力影響稱量精度。

圖4　膠水稱量配料程序流程圖

梅特勒-托利多的3個稱量傳感器的量程各為1000kg，精度為0.05％，稱量系統(tǒng)綜合精度為0.5％，該傳感器的重量輸出信號并聯(lián)后（0～40mA）輸送至PANTHER工業(yè)稱重終端（二次儀表），該終端內(nèi)的高精度穩(wěn)壓電源作為上述傳感器的供橋電源，PCC通過RS485總線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊可對其進(jìn)行稱量配料參數(shù)的設(shè)置和采集；PCC還通過數(shù)字量輸入和輸出接點控制各加料泵、給料器的起/停、加料電磁閥的開閉（如圖5所示）。PANTHER采用△-∑模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)字處理技術(shù)，為工業(yè)稱重需求提供多種應(yīng)用方式：稱重顯示、檢重、分選、定值控制等。PANTHER稱重終端所獨具的TraxDSPTM數(shù)字濾波專利技術(shù)能得到實時穩(wěn)定的重量值，即使在所聯(lián)接的秤體上附有運動設(shè)備，也可以通過調(diào)節(jié)稱重終端的參數(shù)而使其得到真實的重量數(shù)據(jù)。PANTHER稱重終端可應(yīng)用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。

圖5　中轉(zhuǎn)罐稱量注料/配料控制單元簡化原理圖

由2.2節(jié)工藝流程中所述，按照事先輸入的制膠配方，在PCC的控制下依次從存儲罐分別往中轉(zhuǎn)罐加樹脂、堿液和硼砂，并根據(jù)工藝要求從中轉(zhuǎn)罐分別往主罐加入樹脂、堿液和硼砂；通過多次稱量和計算得到該三種物料的實際配料重量值。其稱量注料和膠水稱量配料的程序流程圖分別如圖4和5所示，這兩幅圖中的邏輯是連續(xù)的。

（2）主罐稱量

采用梅特勒-托利多的傳感器和PANTHER工業(yè)稱重終端，主罐采用3只傳感器把主罐托起，其重量輸出信號并聯(lián)后接至該二次儀表上，測量主罐的重量。每只傳感器的量程為2000kg，精度為0.05％，該稱量系統(tǒng)精度為 0.5％，可以在HMI觸摸屏上設(shè)置稱量參數(shù)。

（3）成品罐稱量

由于對成品罐重量的測量精度要求不高，故采用間接稱量方式。即在每個罐底部的引出測量管道上各裝設(shè)一臺壓力變送器（輸出信號4～20mA），滿量程對應(yīng)于2000kg，精度優(yōu)于1％。通過壓力變送器間接測量成品罐內(nèi)的液體高度，然后根據(jù)罐的幾何尺寸和相關(guān)液體的密度計算出各罐內(nèi)的物料重量。

（4）配料誤差補(bǔ)償

該系統(tǒng)采用PCC邏輯控制各氣動加料閥門的動作，由于加料閥門的動作延遲和物料的落料延遲，如不采取對應(yīng)措施將可能導(dǎo)致物料控制偏差，因此，系統(tǒng)中采用了配料誤差補(bǔ)償程序進(jìn)行調(diào)節(jié)，可較好地控制精度。

3.2.4加水控制

膠水工藝配方中要求水的加入量較大，若要減少加料誤差，則加料速度不能過快，但加料速度過慢又會影響制膠效率，因此系統(tǒng)設(shè)置快/慢加水方式自動切換。在快加水方式時，快加水閥門打開，保證加水效率，在動態(tài)計量值接近設(shè)定值之前自動切換到慢加水控制方式，以保證控制精度。

3.2.5淀粉輸送控制

在淀粉儲蓄罐中，配備了螺旋輸送機(jī)和振動給料器，設(shè)有高、低料位傳感器。振動器的作用是把淀粉振松，振散，以免加料時結(jié)塊；當(dāng)有高料位信號輸出時，不能再往貯罐中加淀粉，而當(dāng)?shù)陀谧畹土衔粫r，系統(tǒng)則自動報警并啟動振動器自動給料。該系統(tǒng)設(shè)有淀粉缺料、加料故障、加料超時、超溫以及設(shè)備故障等報警信號。

3.2.6主罐膠水溫度控制

為保持主罐內(nèi)膠水的流動性，除配備了攪拌裝置外還設(shè)置了蒸氣加熱和相應(yīng)的溫控設(shè)備。該溫度控制單元配置了一個溫度測量點（采用鉑電阻測溫元件）、一臺蒸汽控制閥和一臺帶RS485總線通訊接口的溫度二次儀表（參見圖2），溫度設(shè)定范圍為10℃～50℃（可由觸摸屏設(shè)置），控制偏差在+/-2℃內(nèi)。PCC與該測溫儀表通過RS485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，它們互相配合按預(yù)先編制的程序?qū)崿F(xiàn)二位式帶死區(qū)的間斷溫度自動控制。

4　結(jié)束語

該系統(tǒng)由于采用了具有分時多任務(wù)處理機(jī)制的PCC和高精度的稱量裝置，保證了其某些快速任務(wù)的循環(huán)執(zhí)行和稱量配料的精度。應(yīng)用先進(jìn)的自動化技術(shù)，確保了膠水質(zhì)量的穩(wěn)定性和粘合紙箱的剝離強(qiáng)度，并降低了生產(chǎn)成本。該設(shè)備投產(chǎn)后運行正常，故障率極低。

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［1］齊蓉.可編程計算機(jī)控制器原理及應(yīng)用［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

［2］齊蓉，肖維榮.可編程計算機(jī)控制器技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［3］樊惠芳.一種新型可編程序控制器 PCC［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［4］劉光倫，張兆毅.S7-300 PLC在自動配方生產(chǎn)過程中的應(yīng)用［J］.自動化信息，2014（1）.

［5］何正兵，李秀英，龔有明.稱重控制裝置在集裝箱灌裝物流系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.自動化信息，2014（6）.

Application of B&R's PCC in Gluewater Preparation Device of Paper Board Mill

The application of automation technologies in glue water preparation equipment of paper board production line can avoid the instability of glue quality caused by human factors，and ensure the peeling strength of conglutinant cartons.Moreover，no special people are needed to make glue，which significantly reduces the production cost.The applications of the B&R's automation system and the Toledo's weighing devices in the gluewater preparation equipment for paper products agglutinating are described in this paper.The device is equipped with the automation system by taking the PCC as the core and the weighbatching as the primary technological means，which realizes the fully automatic control for the processes of gluewater making，conveying and using.The authors provide an overview of the equipments composition，technological process and technical requirements of the production line with the emphasis on the descriptions of the configuration and working principle of the control system，especially on the relatively complicated materials weighing and batching logics of the intermediate tank.

Paperboard manufacturing；Gluewater preparation；Automatic control system；Programmable Computer Controller（PCC）；Automatic weighing-batching

B

1003-0492（2016）07-0090-04

TP29

左蘇平（1980-），女，現(xiàn)任貝加萊工業(yè)自動化（中國）有限公司技術(shù)部資深工程師。曾先后在和利時工業(yè)自動化有限公司和貝加萊工業(yè)自動化（中國）有限公司工作，一直從事工業(yè)自動化方面的技術(shù)工作，主要技術(shù)專長為基于貝加萊APROL和PCC的過程控制系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試。

周曉霞（1966-），女，現(xiàn)就職于貝加萊工業(yè)自動化（中國）有限公司，從事媒體協(xié)調(diào)與市場支持工作。