摘  要：本文介紹貝加萊自動(dòng)化系統和托利多稱(chēng)量裝置在紙品粘合膠水制備設備上的應用。該生產(chǎn)線(xiàn)配置了以PCC為核心和以稱(chēng)量配料為主要手段的自動(dòng)化系統，實(shí)現制膠、輸膠過(guò)程的全自動(dòng)化控制。文章概述了該生產(chǎn)線(xiàn)的設備構成、工藝流程和技術(shù)要求，重點(diǎn)描述了該控制系統的配置和工作原理，特別是比較復雜的中轉罐稱(chēng)量配料邏輯。采用自動(dòng)化技術(shù)，避免了人為因素造成的膠質(zhì)不穩定，保證了粘合紙箱的剝離強度，而且無(wú)需專(zhuān)人制膠，大大降低了生產(chǎn)成本。

　　Abstract:  This article describes the B & R automation systems and Tolido weighing device in the preparation of paper glue adhesive application equipment. The production line configuration with PCC as the core and the primary means of weighing the ingredients for the automation system, the realization of the made glue , carry glue lose control of fully automated process. The article provides an overview of the production line equipment, technics process and technical requirements, focusing on description of the control system configuration and working principle, especially for the complex weighing material logic of transiting can. The use of automation technology avoids the instability of microglia caused by human factors, ensures the adhesive peel strength of the cartons, furthermore, making glue needn't special people, significantly reducing production costs.

　　關(guān)鍵詞：紙品粘合；膠水制備；可編程計算機控制器；自動(dòng)稱(chēng)量配料

　　Keywords: adhesive paper products; glue preparation; programmable computer controller; automatic weighing ingredients

　　中圖分類(lèi)號：       文獻標識碼：B

　　0 引言

　　目前，國內大部分瓦楞紙板生產(chǎn)廠(chǎng)家還在使用傳統的人工制膠機，膠水的質(zhì)量全靠工人的熟練程度來(lái)保證，隨著(zhù)企業(yè)競爭加劇，紙板生產(chǎn)線(xiàn)效率越來(lái)越高，人工制膠方法已越來(lái)越不能滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要。本文介紹的該自動(dòng)控制系統的制膠設備主要用于瓦楞紙板制造生產(chǎn)線(xiàn)配套，它能夠實(shí)現制膠、輸膠、用膠過(guò)程的全自動(dòng)化控制。由于按照預先設置的原料配比和工序制備膠水，故能避免因人工操作可能造成的膠水品質(zhì)的不穩定，保證紙箱粘合的剝離強度穩定的達到GB/T6544-2008國家標準要求。此外，自動(dòng)化制膠系統的效率也大大高于人工制膠，可滿(mǎn)足高速生產(chǎn)線(xiàn)的配套要求，并使我國包裝工業(yè)自動(dòng)化水平得到大大提高。

　　1 工藝設備與流程概述

　　1.1 主要工藝設備

　　如圖1所示，膠水制備生產(chǎn)線(xiàn)的主要工藝設備由儲備罐（包括淀粉、堿液、樹(shù)脂三個(gè)罐）、中轉罐（包括硼砂、堿液、樹(shù)脂三個(gè)罐及其共用的稱(chēng)量裝置）、一個(gè)主罐及其稱(chēng)量裝置和四個(gè)成品罐及其計量裝置組成。

　　本膠水制備生產(chǎn)線(xiàn)設有化堿系統（采用碳鋼罐體）、攪拌裝置、堿液貯槽和2臺堿液泵，堿液中轉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。堿液中轉罐的液位可以由PCC自動(dòng)控制，當低于設定低限時(shí)，將自動(dòng)啟動(dòng)堿液泵從堿液貯槽進(jìn)行補給。

　　淀粉貯罐為碳鋼罐體，配備了螺旋輸送機、振動(dòng)給料器，裝設了高、低料位傳感器。主罐裝備了蒸氣加熱裝置和自動(dòng)溫度控制系統，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(lái)控制溫度。

　　各用膠點(diǎn)貯罐設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(shí)時(shí)顯示和監視。

　　1.2 工藝流程概述

　　在圖1中，首先從硼砂、樹(shù)脂以及堿液的存儲罐往中轉罐加料：上述三個(gè)中轉罐都固定在一個(gè)由3個(gè)傳感器支撐的架體上，它們共用一套稱(chēng)量裝置。常溫下樹(shù)脂和堿液均為液體，它們的中轉儲罐都設有最高位和低位浮球。第一次只加樹(shù)脂，當其液位到達高位浮球位置時(shí)停止加料，此時(shí)中轉罐稱(chēng)量?jì)x表顯示的重量就是樹(shù)脂的重量，也是其最大值。第二次同樣也只加堿液，當其液位到達高位浮球位置時(shí)停止加料，此時(shí)儀表顯示的重量減去第一次加的樹(shù)脂的重量，即為堿液的重量。把這個(gè)計算出來(lái)的值保存為堿液當前重量。硼砂雖是固體，但也以同樣方式加料并計量。在淀粉的儲蓄罐中，設有高、低料位傳感器和振動(dòng)器，當到達高料位時(shí)，不能再往儲罐中加淀粉，低料位信號則提示加料。振動(dòng)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(shí)，會(huì )自動(dòng)啟動(dòng)振動(dòng)器將罐壁附著(zhù)的淀粉振動(dòng)下來(lái)。

　　生產(chǎn)膠水時(shí) 往主罐中加硼砂、樹(shù)脂和堿液。這三種配料，都是單獨添加，如果當前在加堿液，中轉罐的重量會(huì )變小，這個(gè)差值就是注入主罐中的堿液的重量。而中轉罐中當前的堿液重量就是原來(lái)的重量減去注入主罐中的堿液的重量。保存這個(gè)值為當前的堿液重量。

　　其它兩種物料也以同樣方式加入主罐。其制膠工藝流程如下：

                 
圖1  膠水制備生產(chǎn)線(xiàn)的工藝流程與主要設備

　　每一條紙板生產(chǎn)線(xiàn)其實(shí)只需要一種規格配方的膠水，不同的紙板生產(chǎn)線(xiàn)所對應的配方也不一樣。目前該膠水設備配設了4個(gè)成品罐（帶有蒸汽加熱裝置），每個(gè)成品罐中膠水的配方都不一樣，這4個(gè)罐分別位于不同的紙板生產(chǎn)線(xiàn)旁，與主罐通過(guò)管道連接，并通過(guò)空氣泵把加熱后的膠水從主罐中吸到相應的成品罐中。

　　該系統設有配方自動(dòng)修正功能，當加料時(shí)，可以通過(guò)屏幕監視加料過(guò)程中的偏差，并自動(dòng)根據配方的比例修正后面的加料比例，以保證配方的準確性；可以和客戶(hù)的生管系統聯(lián)系，通過(guò)參數設定，自動(dòng)根據待生產(chǎn)的定單情況來(lái)確定制膠量，從而減少膠水的浪費；在初次輸入配方后，當客戶(hù)需要調整配方的時(shí)候，無(wú)需再去計算物料的變化，只需直接輸入膠水的變化結果，程序即可自動(dòng)修改配方；設有自動(dòng)吹膠功能，當每罐膠水輸送完畢以后自動(dòng)吹膠，以避免膠管堵塞。

　　2 控制系統的構成與配置

　　2.1系統構成

　　該系統以貝加萊的B&R2003系列PCC為核心，與梅特列-托利多的稱(chēng)量?jì)x表PANTHER相結合組成（如圖2所示）。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，該模塊上有RS232和CAN接口各一個(gè)，并有狀態(tài)指示燈，同時(shí)還有4個(gè)旋入式模塊的插槽，需要擴展時(shí)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字量模塊，也可以是通訊擴展模塊。

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

圖2  制膠機自動(dòng)控制系統的構成

　　稱(chēng)重裝置選用了兩套梅特勒-托利多（Mettler Toledo）的多斗多料配料稱(chēng)重儀表（型號panther2000 T600，最大秤量選擇5-10000kg，分度值0.005-10），主罐用一套，中轉罐共用一套。每套稱(chēng)量?jì)x表由稱(chēng)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）構成。它們具有精度高、可靠性好、專(zhuān)業(yè)的物料處理能力和人機界面友好等特點(diǎn)，對提高生產(chǎn)效率起著(zhù)非常重要的作用。梅特勒-托利多的控制方案采用了先進(jìn)的總線(xiàn)技術(shù)，可以方便地使用Profibus、RS232、RS485和MODBUS-Plus等現場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現與相關(guān)PLC（PCC）系統的高速數據通訊，構成的稱(chēng)重配料系統實(shí)時(shí)性強、可靠性好、組態(tài)靈活，可以方便地滿(mǎn)足各類(lèi)用戶(hù)對稱(chēng)重配料的需求。

　　3 控制系統的工作原理及主要功能

　　3.1 系統的工作方式

　　該系統設有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作方式，生產(chǎn)前可預設，并可在生產(chǎn)過(guò)程中根據需要互相切換。當每罐膠水輸送完以后，將進(jìn)行自動(dòng)吹膠。該系統高度自動(dòng)化的設計，可以實(shí)現制膠和用膠過(guò)程的全自動(dòng)控制，從膠水的需求、配方參數、配制直到輸送均由PCC全過(guò)程控制，無(wú)需專(zhuān)人操作。

　　3.2 系統的主要功能及特點(diǎn)

　　該系統具有多配方存儲、自動(dòng)選擇配方、參數設置、多種成本報表、自動(dòng)稱(chēng)量注料和配料控制、自動(dòng)輸膠控制等主要功能。

　　設有配方自動(dòng)修正功能。當加料時(shí)，可以通過(guò)操作屏幕監視加料過(guò)程中的偏差，并自動(dòng)通過(guò)改變配方的比例來(lái)修正后續的加料比例，以保證配方的準確性。

　　該系統還可與客戶(hù)的生產(chǎn)管理系統實(shí)現數據通訊。通過(guò)數據交換，根據擬生產(chǎn)的紙制品訂單自動(dòng)確定制膠量，以減少膠水浪費。當初次輸入配方后，如客戶(hù)確需調整配方，也無(wú)需重新計算物料的變化，只需直接輸入膠水的改變結果，程序即可自動(dòng)地去修改配方。

　　外接USB存儲設備，完整地記錄了多個(gè)重要工藝參數的歷史數據。

　　3.3 自動(dòng)稱(chēng)量配料的工作原理

　　自動(dòng)稱(chēng)量配料單元是該制膠控制系統的核心部分，它決定了膠水的配制質(zhì)量和生產(chǎn)效率。該系統采用了兩套梅特勒-托利多的電子稱(chēng)量裝置，它的二次儀表與PCC結合，來(lái)實(shí)現對所有物料稱(chēng)量注料和配料的控制，以更精確地控制整個(gè)配料過(guò)程，保證膠水配方得到準確的執行。

　　考慮到PCC的CPU與各儀表站之間的數據通訊采用了速率相當低的RS485串行通訊方式，如讓PCC承擔稱(chēng)量值的數字濾波，則它在每次程序掃描周期中必須對各PANTHER稱(chēng)量終端連續進(jìn)行多次數據采集，并需花費較長(cháng)的時(shí)間，這可能影響到稱(chēng)量值數字濾波的準確性并直接影響到稱(chēng)量結果。因此，在系統設計中安排PANTHER稱(chēng)量終端承擔稱(chēng)量值數字濾波任務(wù)，它所獨具的TraxDSPTM數字濾波專(zhuān)利技術(shù)也完全勝任此項任務(wù)。PCC在每一掃描周期中僅需通過(guò)RS485總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )從PANTHER終端采集已經(jīng)通過(guò)數字濾波的單個(gè)重量數據并進(jìn)行后續處理（可參見(jiàn)圖4（1）和圖4（2））。

　?。?）中轉罐稱(chēng)量注料和膠水配料

　　硼砂、樹(shù)脂和堿液中轉罐的體積均不大，由于稱(chēng)量工藝的需要，它們被固定在一個(gè)由3個(gè)稱(chēng)量傳感器支撐的臺面上并共用一套稱(chēng)量?jì)x表。其進(jìn)出料管道全部采用金屬軟管連接，以避免附加應力影響稱(chēng)量精度。

　　梅特勒-托利多的3個(gè)稱(chēng)量傳感器的量程各為1000kg，精度為0.05%，稱(chēng)量系統綜合精度為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(chēng)重終端（二次儀表），該終端內的高精度穩壓電源作為上述傳感器的供橋電源，PCC通過(guò)RS485總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )數據通訊可對其進(jìn)行稱(chēng)量配料參數的設置和采集；PCC還通過(guò)數字量輸入和輸出接點(diǎn)控制各加料泵、給料器的起/停、加料電磁閥的開(kāi)閉（如圖3所示）。PANTHER采用△-∑模數轉換及數字處理技術(shù)，為工業(yè)稱(chēng)重需求提供多種應用方式：稱(chēng)重顯示、檢重、分選、定值控制等。PANTHER稱(chēng)重終端所獨具的TraxDSPTM數字濾波專(zhuān)利技術(shù)能得到實(shí)時(shí)穩定的重量值，即使在所聯(lián)接的秤體上附有運動(dòng)設備，也可以通過(guò)調節稱(chēng)重終端的參數而使其得到真實(shí)的重量數據。PANTHER稱(chēng)重終端可應用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。

圖3  中轉站稱(chēng)量注料/配料控制單元簡(jiǎn)化原理圖

　　由1.2節工藝流程中所述，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罐加樹(shù)脂、堿液和硼砂，并根據工藝要求從中轉罐分別往主罐加入樹(shù)脂、堿液和硼砂；通過(guò)多次稱(chēng)量和計算得到該三種物料的實(shí)際配料重量值。其稱(chēng)量注料和膠水配料的程序流程圖分別如圖4（1）和4（2）所示。圖4（1）與圖4（2）中的邏輯是連續的。

圖4（1）中轉罐稱(chēng)量注料程序流程圖



圖4（2）  膠水稱(chēng)量配料程序流程圖

　?。?）主罐稱(chēng)量

　　采用梅特勒-托利多的傳感器和PANTHER工業(yè)稱(chēng)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(chēng)量系統精度為 0.5%，可以在HMI觸摸屏上設置稱(chēng)量參數。

　?。?）成品罐稱(chēng)量

　　由于對成品罐重量的測量精度要求不高，故采用間接稱(chēng)量方式。即在每個(gè)罐底部的引出測量管道上各裝設一臺壓力變送器（輸出信號4-20mA），滿(mǎn)量程對應于2000kg，精度優(yōu)于1%。通過(guò)壓力變送器間接測量成品罐內的液體高度，然后根據罐的幾何尺寸和相關(guān)液體的密度計算出各罐內的物料重量。

　?。?）系統采用的PCC邏輯控制各氣動(dòng)加料閥門(mén)的動(dòng)作，由于加料閥門(mén)的動(dòng)作延遲和物料的落料延遲，不采取對應措施將導致物料控制偏差，因此，系統中采用了物料誤差補償程序進(jìn)行調節，可較好的控制精度。

　　3.4 加水的控制

    系統工藝配方中要求水的加入量較大，如果要保證加料誤差，則加料速度不能過(guò)快，但加料速度過(guò)慢又會(huì )影響制膠效率，因此系統引入快/慢加水自動(dòng)切換，在加水運行，快加水閥門(mén)打開(kāi)，保證加水效率，在系統達到計量要求的之前自動(dòng)切換到慢加速控制方式，保證控制精度，從而達到系統要求。

　　3.5 淀粉輸送控制

　　在淀粉儲蓄罐中，配備了螺旋輸送機和振動(dòng)給料器，設有高、低料位傳感器。振動(dòng)器的作用是把淀粉振松，振散，以免加料時(shí)形成塊狀；當有高料位信號輸出時(shí)，則不能再往貯罐中加淀粉，當低于最低料位時(shí)，系統自動(dòng)報警并啟動(dòng)振動(dòng)器自動(dòng)給料。該系統設有淀粉缺料、加料故障、超溫、加料超時(shí)以及設備故障等報警信號。

　　3.6 主罐膠水溫度控制

　　為保持主罐內膠水的流動(dòng)性，除配備了攪拌裝置外還設置了蒸氣加熱和相應的溫控設備。該溫度控制單元配置了一個(gè)溫度測量點(diǎn)（采用鉑電阻測溫元件）、一臺蒸氣控制閥和一臺帶RS485總線(xiàn)通訊接口的溫度二次儀表（參見(jiàn)圖2），溫度設定范圍為10~50攝氏度（可由觸摸屏設置），控制偏差在+/-2攝氏度內。PCC與該測溫儀表通過(guò)RS485總線(xiàn)進(jìn)行數據通訊，它們配合按預先編制的程序實(shí)現二位式帶死區的間斷溫度自動(dòng)控制。

　　4 結束語(yǔ)

　　本系統由于采用了具有分時(shí)多任務(wù)處理機制的PCC和高精度的稱(chēng)量裝置，保證了某些快速任務(wù)的循環(huán)執行和稱(chēng)量配料的準確性。應用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)，確保了制膠質(zhì)量的穩定性和粘合紙箱的剝離強度，并降低了生產(chǎn)成本。投產(chǎn)后運行正常，故障率極低。

　　作者簡(jiǎn)介

　　嚴富根 （1979~）男，電氣工程師， 2002年畢業(yè)于西華大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，長(cháng)期從事工業(yè)自動(dòng)控制系統應用，現工作于成都創(chuàng )新瓦楞紙品技術(shù)有限公司。

　　周曉霞 （1966~），女，高級政工師，貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（上海）有限公司市場(chǎng)部市場(chǎng)支持。

　　林  兵 （1979~），男，貝加萊工業(yè)自動(dòng)化成都辦事處技術(shù)支持工程師。2003年畢業(yè)于四川理工學(xué)院電子信息工程系自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，從事自動(dòng)控制以及儀器儀表控制系統開(kāi)發(fā)，2006年加盟貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（上海）有限公司，從事技術(shù)支持工作，主要從事OEM用戶(hù)電氣控制系統設計及程序開(kāi)發(fā)。