童 敏,章 堅(jiān)

(中國新型建材設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310022)

1 研究背景

所謂石膏角線就是以石膏粉為原料，安裝在室內(nèi)墻面和天花板交界線的一種裝飾石膏制品，其具有實(shí)用美觀、價(jià)格低廉、防火防潮的功能，還可帶各種花紋，匹配多樣的室內(nèi)裝修風(fēng)格。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對居住環(huán)境要求不斷提高，對裝飾裝修材料的需求快速增長，石膏角線裝飾材料以其美觀質(zhì)輕、造型容易、施工方便得到了用戶的青睞，其需求量不斷增長。

國內(nèi)的石膏角線制品主要以天然石膏粉為原料，通過與一定比例的水混合灌入模具并加入纖維增加韌性，表面還可印制各種不同花紋。在歐美、日本等發(fā)達(dá)國家，早已嚴(yán)格控制天然石膏的開采，大量使用化學(xué)石膏生產(chǎn)石膏建材產(chǎn)品。近年來隨著國家資源稅的開征，對天然石膏逐漸加強(qiáng)了管理并限制對其開采[1]。而國家鼓勵(lì)石膏行業(yè)綜合利用工業(yè)副產(chǎn)石膏作為原材料，如此的外部環(huán)境促進(jìn)了天然石膏角線的更新?lián)Q代[2]。

2 技術(shù)現(xiàn)狀

英國BPB集團(tuán)成立于1915年，是以石膏板、礦棉板及其系統(tǒng)材料為主打產(chǎn)品的全球性跨國集團(tuán)公司，于2005年被目前全球排名前三的石膏板巨頭法國圣戈班集團(tuán)收購。英國BPB公司位于倫敦的工廠，于20世紀(jì)90年代就成功研制出紙面石膏角線并銷往歐洲各地。與歐洲節(jié)約環(huán)保理念不同，國內(nèi)目前裝修建材領(lǐng)域還是以天然石膏線條為主，沒有這種紙面石膏角線生產(chǎn)線，而本文的應(yīng)用項(xiàng)目為國內(nèi)第一條紙面石膏角線生產(chǎn)線。

紙面石膏角線與天然石膏角線的生產(chǎn)線在工藝流程上完全不同，它更接近于紙面石膏板的生產(chǎn)工藝，但成型和輸送的方式卻截然不同。由于石膏角線是安裝于天花與墻面的斜角，角線本身具有弧度，因此在混合機(jī)流出石膏原漿后會經(jīng)過特定弧度的模具，最后在匹配成型弧度的皮帶上進(jìn)行初凝直至終凝，如圖1所示。

圖1 特定C型弧度的模具和皮帶

3 紙面石膏線自動(dòng)翻轉(zhuǎn)輸送控制系統(tǒng)

本文針對紙面石膏角線生產(chǎn)線的特殊輸送方式，研究開發(fā)了基于PLC的紙面石膏線條自動(dòng)翻轉(zhuǎn)輸送控制系統(tǒng)。該翻轉(zhuǎn)輸送系統(tǒng)的主要設(shè)備包括：三段加速輸送輥道、進(jìn)板輥道、進(jìn)板升降氣缸、翻板裝置、三段橫向輸送皮帶、出板輥道、出板升降氣缸、輸送輥道、液壓升降裝置、液壓升降輥道、快速入窯輥道、慢速入窯輥道?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)線中的光電開關(guān)、接近開關(guān)、電磁閥等反饋信號，通過PLC進(jìn)行運(yùn)算，以控制電機(jī)、氣缸等運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)紙面石膏線條的快速輸送、橫向輸送、翻板定位以及線條成組的液壓分配輸送，最后經(jīng)快速輥道進(jìn)入干燥機(jī)進(jìn)行干燥。

傳統(tǒng)的石膏板平皮帶輸送機(jī)無法滿足具有弧度的紙面石膏線條輸送，為配合線條的弧度，本系統(tǒng)采用特殊C型/S型的尼龍輸送輥道，如圖2所示。將線條的凹面通過輸送輥道，加速輸送進(jìn)入一段橫向區(qū)域。

圖2 特定弧度的尼龍輥(C型、S型)

如圖3所示，與紙面石膏板的翻板臂結(jié)構(gòu)不同，紙面石膏角線的翻板裝置呈現(xiàn)360°的四面臂爪結(jié)構(gòu)，每旋轉(zhuǎn)一次，行走90°，實(shí)現(xiàn)從一段橫向皮帶輸送進(jìn)入二段橫向皮帶，完成弧面線條翻轉(zhuǎn)180°的動(dòng)作，保證線條水平的背面在三段橫向皮帶上步進(jìn)計(jì)數(shù)的精確性。

圖3 90°翻板裝置

4 設(shè)計(jì)方案

紙面石膏線條自動(dòng)翻轉(zhuǎn)輸送控制系統(tǒng)的工藝流程如圖4所示。

圖4 紙面石膏線條自動(dòng)翻轉(zhuǎn)輸送系統(tǒng)工藝流程

定長切割：根據(jù)紙面石膏線條生產(chǎn)的要求設(shè)定線條的單根長度，根據(jù)定長編碼器進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，當(dāng)達(dá)到長度時(shí)，水切刀快速進(jìn)行高壓水切割。

加速輸送：水切刀在完成切割線條動(dòng)作后會產(chǎn)生瞬時(shí)脈沖信號，使加速輥道高速轉(zhuǎn)動(dòng)，待石膏線條離開相應(yīng)加速輥道后再同步待切的線速度。

橫向輸送：加速輥道輸送的紙面石膏線條在進(jìn)入進(jìn)板輥道區(qū)會觸發(fā)減速，使線條在不停車的過程中完成從加速區(qū)平穩(wěn)進(jìn)入一段橫向平移皮帶。

90°翻轉(zhuǎn)：橫向輸送的紙面石膏線條進(jìn)入翻板臂抓頭，傳感器觸發(fā)轉(zhuǎn)動(dòng)1/4圈，即90°后停止，等待下一根線條；而上一根線條經(jīng)過90°旋轉(zhuǎn)，自然落入二段橫向皮帶上。

步進(jìn)計(jì)數(shù)：翻板后的石膏線條，通過二段橫向皮帶輸送進(jìn)入三段橫向皮帶，三段橫向皮帶電機(jī)步進(jìn)行走的距離等于生產(chǎn)的線條寬度，重復(fù)動(dòng)作直至整組線條計(jì)數(shù)完成。

成組輸送：當(dāng)線條步進(jìn)成組完成，三段橫向皮帶電機(jī)高速橫移成組線條至出板輥道，氣缸快速上升進(jìn)入液壓升降平臺區(qū)域，等待下一組線條進(jìn)入。

液壓升降分配：啟動(dòng)液壓升降系統(tǒng)使升降輥道運(yùn)行至指定位置，成組線條進(jìn)入干燥機(jī)進(jìn)端，當(dāng)完全離開升降輥道后，液壓升降系統(tǒng)自動(dòng)返回初始位置，等待成組輸送的線條進(jìn)入。

5 電氣設(shè)計(jì)

由于生產(chǎn)單位對于生產(chǎn)線具有較高的安全規(guī)范要求，在設(shè)計(jì)時(shí)可采用西門子S7-H系統(tǒng)或者S7-F系統(tǒng)。S7-H系統(tǒng)是西門子冗余系列自動(dòng)化系統(tǒng)，其常用于中大規(guī)模的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，它可以減少或避免生產(chǎn)過程中的故障停機(jī)次數(shù)，尤其是在發(fā)電、化工、運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)中被廣泛采用。S7-F系統(tǒng)是故障安全系統(tǒng)，該系統(tǒng)用來控制可以在關(guān)閉后達(dá)到安全狀態(tài)的過程。它們分別應(yīng)用于不同的場合，S7-F系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)可靠性，即當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，無論如何都要停機(jī)，以避免對設(shè)備和人員造成傷害；而S7-H系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)可用性，即當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，無論如何也不能停機(jī)，以免導(dǎo)致生產(chǎn)線的停止造成經(jīng)濟(jì)損失。

本文最終選擇西門子S7-F系統(tǒng)來保護(hù)設(shè)備和人員的安全以及整個(gè)控制過程。硬件采用S7-1517F系列F-CPU，該控制器符合IEC 61508安全標(biāo)準(zhǔn)，并能可靠地實(shí)現(xiàn)故障安全相關(guān)應(yīng)用，支持符合IEC 62061標(biāo)準(zhǔn)的SIL3安全等級或者ISO 13849標(biāo)準(zhǔn)的PLe安全級別。在分布式I/O硬件上選擇ET200SP，同時(shí)擴(kuò)展使用安全模塊，支持故障安全模塊(F模塊)與標(biāo)準(zhǔn)模塊的混合安裝，體積小安裝靈活[3]。

系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭D如圖5所示，S7-1517F-3PN/DP控制器通過PROFINET協(xié)議與每個(gè)區(qū)的ET200SP站、G120C變頻器進(jìn)行通訊。其中，由ET200SP的安全模塊F-DI/F-DO來處理與安全有關(guān)的信號(急停按鈕、拉繩開關(guān)、安全門開關(guān)等)，ET200SP的標(biāo)準(zhǔn)I/O模塊分別讀取和控制分區(qū)的I/O信號(如光電開關(guān)、接近開關(guān)、氣缸電磁閥的閉合等)，G120C變頻器通過自由報(bào)文控制電機(jī)啟停。安全輸入模塊采用8F-DI，對于每個(gè)安全輸入信號，采用雙通道模式接入F模塊的2個(gè)輸入通道，采用內(nèi)部傳感器饋電方式，這意味著兩個(gè)集成處理器互相監(jiān)控，自動(dòng)測試輸入和輸出電路，并在發(fā)生故障時(shí)將故障安全模塊切換到安全狀態(tài)。安全輸出模塊采用4F-DO，每個(gè)安全輸出通道驅(qū)動(dòng)1個(gè)控制繼電器，用于控制相應(yīng)的安全分區(qū)。在3個(gè)安全分區(qū)用圍欄將人員與電器設(shè)備隔開，只有在特殊情況下才能進(jìn)入這些地區(qū)，在正常情況下不允許進(jìn)入，安全護(hù)欄門上有安全門開關(guān)和安全指示燈。

圖5 系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭D

結(jié)合生產(chǎn)線的特點(diǎn)，根據(jù)工藝過程、設(shè)備功能、聯(lián)鎖情況等將其劃分為三個(gè)分區(qū)：加速進(jìn)板區(qū)、橫向翻轉(zhuǎn)區(qū)和快速入窯區(qū)。每個(gè)分區(qū)都有獨(dú)立的電氣回路，由安全輸出模塊控制，在安全功能上相互獨(dú)立。一個(gè)區(qū)的安全傳感器的輸入，都將由PLC的安全程序進(jìn)行處理，由安全程序處理后動(dòng)作于該區(qū)的安全輸出，對其余安全區(qū)的安全功能沒有影響，其他區(qū)將繼續(xù)運(yùn)行或者因工藝聯(lián)鎖而執(zhí)行停止(由PLC的標(biāo)準(zhǔn)程序處理和執(zhí)行)。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該紙面石膏線條自動(dòng)翻轉(zhuǎn)輸送控制系統(tǒng)是在TIA博途V15.1平臺上組態(tài)和編程實(shí)現(xiàn)的。編程組態(tài)標(biāo)準(zhǔn)模塊使用SIMATIC STEP7 Professional V15.1，調(diào)試組態(tài)G120C型變頻器(固件版本2.10)使用SIMATIC Startdrive V15.1，故障安全模塊使用SIMATIC STEP7 Safety Advanced V15.1軟件，所有軟件都集成在博途V15.1平臺上。

本系統(tǒng)生產(chǎn)連續(xù)、穩(wěn)定，按照設(shè)計(jì)的節(jié)拍進(jìn)行輸送翻轉(zhuǎn)，同時(shí)各工段設(shè)備具有相對獨(dú)立性和封閉性，程序設(shè)計(jì)時(shí)采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，每個(gè)控制區(qū)域都分為幾個(gè)專用程序FC塊進(jìn)行編輯，同時(shí)每個(gè)分區(qū)都創(chuàng)建1個(gè)安全F-FB來實(shí)現(xiàn)該分區(qū)內(nèi)的所有安全功能。所有標(biāo)準(zhǔn)程序和安全程序的信息交接(復(fù)位、安全區(qū)重啟等)都在單獨(dú)編程的專用程序FC塊內(nèi)完成。將相對獨(dú)立的各工段的動(dòng)作編為一個(gè)模塊，保證模塊內(nèi)部動(dòng)作的協(xié)調(diào)性。系統(tǒng)控制流程如圖6所示。

如圖6所示，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行啟動(dòng)后，首先進(jìn)入初始化程序，對加速進(jìn)板分區(qū)(Section_1)、橫向翻轉(zhuǎn)分區(qū)(Section_2)、快速入窯分區(qū)(Section_3)進(jìn)行初始化。

圖6 系統(tǒng)控制流程

Section_1分區(qū)初始化將停留在加速輥道區(qū)域的線條全部放廢，若沒有廢板或已經(jīng)放廢結(jié)束，初始化時(shí)間完成后會自動(dòng)與凝固平帶同步速度待機(jī)，放廢皮帶也將停止運(yùn)行。Section_1分區(qū)將等待水切刀的加速信號，將線條加速送入進(jìn)板輥道，等待進(jìn)入橫向翻轉(zhuǎn)區(qū)(Section_2)分區(qū)。

Section_2分區(qū)系統(tǒng)在初始化過程中會根據(jù)光電傳感器檢測線條，如果出板輥道、輸送輥道有線條，成組線條將通過出板輥道、輸送輥道送入液壓升降輥道，等待進(jìn)入Section_3分區(qū)。初始化過程結(jié)束后，Section_1分區(qū)的線條將根據(jù)翻板條件結(jié)果，邏輯判斷線條是進(jìn)入Section_2分區(qū)或者進(jìn)行自動(dòng)放廢。

Section_3分區(qū)系統(tǒng)在初始化過程中會根據(jù)光電傳感器檢測線條，將當(dāng)前停留在液壓升降平臺的成組線條送入快速進(jìn)板輥道。初始化過程結(jié)束后，將允許Section_2分區(qū)的線條進(jìn)入Section_3分區(qū)。液壓升降平臺按照均分時(shí)間循環(huán)的順序?qū)⒊山M石膏線條送入干燥機(jī)，如果干燥機(jī)主鏈未啟動(dòng)，石膏線條將停止于液壓升降平臺上，不予進(jìn)入干燥機(jī)進(jìn)板輥道。

為保證上下位的硬件兼容及數(shù)據(jù)處理的穩(wěn)定可靠，本系統(tǒng)采用西門子WinCC7.4SP1軟件作為上位SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)，操作畫面如圖7所示。

圖7 WinCC操作畫面

畫面上根據(jù)工藝設(shè)備的布局圖進(jìn)行繪制，對每臺電機(jī)的運(yùn)行、故障、頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對每個(gè)檢測傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，可顯示石膏線條的實(shí)際位置。畫面中間可單獨(dú)控制三個(gè)區(qū)域的操作模式，畫面右側(cè)可對必要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。操作員可對生產(chǎn)過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，無縫適應(yīng)批次規(guī)格的修改。

7 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的紙面石膏線條自動(dòng)翻轉(zhuǎn)輸送控制系統(tǒng)涉及PROFINET/PROFIsafe技術(shù)、傳感器技術(shù)、變頻控制技術(shù)和氣動(dòng)控制技術(shù)等技術(shù)領(lǐng)域，通過修改WinCC畫面參數(shù)可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)調(diào)控，無縫適應(yīng)批次規(guī)格的修改，保證紙面石膏線條翻轉(zhuǎn)輸送的生產(chǎn)。項(xiàng)目運(yùn)行至今工況良好，截至2020年6月底已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行3個(gè)月。從生產(chǎn)線連續(xù)運(yùn)行的情況來看，該翻轉(zhuǎn)輸送設(shè)計(jì)合理，控制系統(tǒng)各區(qū)域環(huán)節(jié)運(yùn)行穩(wěn)定，具有較高的可靠性及推廣價(jià)值。