真空木材炭化設備控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)?

楊春梅 郭明慧 馬 巖 劉九慶

木材炭化屬于木材加工改性范疇,是一個復雜的木材處理過程，由于目前國內(nèi)木材炭化系統(tǒng)的大滯后，強耦合等特點，使得炭化過程的控制精度很難保證，通常只能依靠經(jīng)驗進行操作[1-4]。這種情況下，木材炭化的廢品率高，且碳排放量大，易造成環(huán)境污染[5-7]。為此筆者提出了一種真空木材炭化設備的控制系統(tǒng)設計方案，旨在研發(fā)一種自動化程度高、穩(wěn)定性強、易操作的木材炭化自動控制系統(tǒng)，以保證木材炭化質(zhì)量及提高炭化效率。

1 真空木材炭化設備控制系統(tǒng)設計要求及方案

真空木材炭化設備主要由真空炭化室和各輔助系統(tǒng)兩部分組成。在整個真空炭化設備中，炭化室是最核心的部分，是木材進行炭化的場所，真空炭化罐的結(jié)構如圖1所示。濕木材直接炭化的工藝流程主要可分為以下六個階段：第一階段為預熱階段，第二階段為干燥階段，第三階段為調(diào)節(jié)階段，第四階段為干燥與炭化之間的過渡階段，第五階段為炭化階段，第六階段為降溫階段。

圖1 真空木材炭化罐Fig. 1 Vacuum wood carbonization tank

真空木材炭化設備控制系統(tǒng)應將數(shù)據(jù)采集、實時數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)輸入、控制及數(shù)據(jù)傳輸集于一體[8-9]，其主要組成部分如圖2所示。炭化設備執(zhí)行部分的控制、數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換等功能主要通過主控PLC實現(xiàn)；溫濕度模塊主要用于采集干濕球溫度、炭化室溫度等電阻信號；模擬量輸入模塊主要用于采集炭化室內(nèi)壓強等模擬信號。上位機不僅可以作為顯示屏實時記錄顯示干濕球溫度、木材含水率、炭化室內(nèi)壓強等數(shù)據(jù)，還具有完善的數(shù)據(jù)記錄功能。用戶可在炭化過程中實時查看并對炭化過程進行調(diào)整，還可在整個過程結(jié)束后對其數(shù)據(jù)進行拷貝。而且上位機還兼具手動/自動切換和報警功能，在自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，確保操作人員可以手動控制木材的炭化過程，防止造成重大的安全事故。

圖2 真空木材炭化設備控制系統(tǒng)結(jié)構框圖Fig.2 Structure diagram of control system of vacuum wood carbonization equipment

2 真空木材炭化設備的硬件電路設計

2.1 主控PLC的設計

真空木材炭化設備的控制系統(tǒng)選用臺達公司的PLC作為主控模塊，作為整個控制系統(tǒng)的核心。該模塊需承擔數(shù)字量輸入輸出、與上位機通訊等功能，更重要的是在該模塊當中下載好事先編寫的程序。另外現(xiàn)場控制站還包括數(shù)字量輸入、輸出模塊，模擬量輸入、輸出模塊,以及主控PLC對于各風機及電磁閥的控制。圖3為控制系統(tǒng)的電氣原理圖。

圖3 真空木材炭化機電氣原理圖Fig.3 Electrical schematic diagram of vacuum wood carbonization equipment

2.2 數(shù)字量輸入、輸出設計

系統(tǒng)數(shù)字量輸入主要是指手動/自動調(diào)節(jié)，數(shù)字量輸出主要包括變頻器的啟動、各閥門的開關等信號。主控PLC的數(shù)字量輸出情況的具體配置如表1所示。

表1 主控PLC的數(shù)字量輸出配置表Tab.1 Master digital output PLC conf i guration table

2.3 模擬量輸入、輸出設計

模擬量輸入信號主要包括真空木材炭化設備罐體內(nèi)空氣壓強、罐體重量、炭化室進出口溫度等信號。干濕球溫度等模擬量信號主要通過溫濕度模塊進行采集，其控制寄存器主要內(nèi)容說明如表2所示。而炭化室內(nèi)的壓強和用于計算木材含水率的罐體重量變化的信號則通過模擬量輸入模塊進行采集。模擬量的輸出信號主要是風機頻率的輸出。而變頻器的控制主要是PLC通過其上的485接口與變頻器直接通訊[10-12]。

表2 溫濕度模塊控制寄存器CR主要內(nèi)容說明Tab. 2 Main content description of temperature and humidity module control register CR

（續(xù)表2）

3 真空木材炭化設備的軟件設計

3.1 炭化設備軟件系統(tǒng)的組成

炭化設備的軟件控制系統(tǒng)主要由兩大部分組成，第一部分為操作系統(tǒng)自帶的軟件；第二部分為炭化設備控制系統(tǒng)所選用的軟件。炭化設備的操作系統(tǒng)軟件所選用的是美國微軟公司所開發(fā)的Windows XP的系統(tǒng)軟件，該系統(tǒng)具有操作方便、界面簡潔明朗、性能穩(wěn)定、便于使用、人機交互性好、直觀易懂等諸多優(yōu)點[13-14]，在系統(tǒng)升級為Windows 7或者其他更高版本時，重新啟動即可實現(xiàn)原本功能 。

筆者選用臺達公司開發(fā)的WPLSoft作為PLC編程軟件。該軟件適用于DVP系列PLC在Windows XP等操作系統(tǒng)中的梯形圖編寫。WPLSoft提供了許多功能模塊，可直接調(diào)用，并且在含中文字最多的區(qū)段注解更方便區(qū)分與解讀[15]。

3.2 軟件功能實現(xiàn)

在真空木材炭化設備中，木材炭化過程中的智能控制以及對該過程的科學管理主要是通過控制軟件來實現(xiàn)的。軟件工作流程圖如圖4所示。對于工藝基準的設定，設備可為用戶提供時間基準和含水率基準這兩套控制基準以實現(xiàn)用戶對于炭化過程的控制要求。以含水率為基準進行的炭化過程由于對炭化基準的要求程度比較高，因此只需準確輸入炭化基準，就可從上到下自動執(zhí)行炭化過程，是一種自動化程度較高的炭化方式。而以時間為基準進行的炭化過程通常需要依賴實際操作中的經(jīng)驗積累，由操作人員輸入時間、目標溫度等參數(shù)來執(zhí)行，其中含水率數(shù)據(jù)只作為參考數(shù)據(jù)顯示，這一方式屬于半自動炭化方式，對操作人員的經(jīng)驗要求比較高。軟件監(jiān)控程序負責實時數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)木材炭化工藝控制炭化生產(chǎn)過程的工藝要求，實時監(jiān)測炭化的環(huán)境因子，判斷是否需要進行模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制器的調(diào)節(jié)工作。

圖4 控制系統(tǒng)主程序流程圖Fig.4 The main program fl ow diagram of control system

系統(tǒng)各部分的功能主要通過軟件內(nèi)部編寫的程序來執(zhí)行，例如溫度的讀取，變頻器的通訊以及風機頻率信息的讀取、存儲與導出等功能。

4 真空木材炭化設備控制系統(tǒng)運行情況

目前，該真空炭化設備控制系統(tǒng)的安裝與調(diào)試工作已經(jīng)在黑龍江省某木材加工企業(yè)完成，該企業(yè)預計引入10臺安裝該控制系統(tǒng)的炭化設備投入生產(chǎn)。設備的尺寸為4 200 mm×Φ1 400 mm，真空度可達到50～100 kPa，可滿足炭化系統(tǒng)溫度在100～150 ℃之間，對6 cm厚的樟子松進行深度炭化，炭化周期為24 d，相對傳統(tǒng)干燥炭化縮短50%～70%。

通過實驗測得,經(jīng)該炭化設備炭化后的木材含水率基本維持在5%～7%左右，在設備出入口附近的木材含水率最小，材堆中心部分木材的含水率最大，在預熱階段，干球出現(xiàn)了最大溫度偏差，為2℃；在炭化階段的初期，濕球出現(xiàn)了最大溫度的偏差，為3℃?？傮w上，經(jīng)炭化的木材含水率基本能夠達到使用要求。

5 結(jié)論

該真空木材炭化設備的自動控制系統(tǒng)集中了PLC、檢測元件、電機驅(qū)動等先進技術，具有運行可靠、控制精度高等優(yōu)點，經(jīng)該設備炭化后的木材質(zhì)量優(yōu)良，無開裂變干等現(xiàn)象?？刂葡到y(tǒng)具有多個模塊，控制流程設計合理，操作界面簡潔明朗，性能穩(wěn)定，可以實現(xiàn)木材炭化的自動控制要求，并且相對傳統(tǒng)干燥炭化時間縮短了50%～70%。實現(xiàn)了木材炭化控制系統(tǒng)自動化程度高、穩(wěn)定性強、易操作的優(yōu)點，可為炭化木的生產(chǎn)與普及提供有力保證。

[1]馬巖. 我國數(shù)控木工機械的發(fā)展現(xiàn)狀及自動化技術的研發(fā)方向[J].林業(yè)機械與木工設備, 2012, 40(1):4-9.

[2]李延軍, 唐榮強, 鮑濱福, 等. 高溫熱處理木材工藝的初步研究[J].林產(chǎn)工業(yè), 2008, 35(2):16-18.

[3]周建斌, 鄧叢靜, 蔣身學, 等. 炭化木物理力學性能的研究[J]. 林產(chǎn)工業(yè), 2008, 35(6):28-31, 41.

[4]劉其亮. 基于PLC窯爐模糊控制系統(tǒng)的研究與設計[D]. 淄博:山東理工大學, 2010.

[5]匡岳林. 數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)設計[D]. 廣州:華南理工大學, 2011.

[6]陳延奎.淺談PLC控制系統(tǒng)的設計方法[J].中國科技信息, 2009(20):116-118.

[7]辛楊桂, 劉玉絨. 人造板鋸切控制系統(tǒng)的應用[J]. 機床與液壓, 2014(2):110-111.

[8]王愛民. 數(shù)控技術在機械加工中的應用及其發(fā)展前景[J]. 電子技術與軟件工程, 2015(23):170.

[9]邢思遠. PLC控制系統(tǒng)的可靠性設計與研究[J]. 科技創(chuàng)新導報,2014(22):57.

[10]Zhu S , Li Y X, Wang Y. Design of the Control System of Adaptive Balancing Device Based on PLC[J]. Scientific Research Publishing Journal, 2015,6(3):200-204.

[11]戰(zhàn)先迎. 試論PLC控制系統(tǒng)在化工自動化系統(tǒng)中的應用[J]. 科技創(chuàng)新與應用, 2014(30):131.

[12]張璧光, 周永東, 伊松林, 等. 我國木材干燥理論與技術研究的現(xiàn)狀與建議[J]. 林產(chǎn)工業(yè), 2016, 43(1):12-14.

[13]錢昆. 觸摸屏界面通用設計原則分析[J]. 信息技術與信息化,2015(6):152-153.

[14]錢志忠, 生產(chǎn)機械電氣控制系統(tǒng)設計分析[J]. 中國高新技術企業(yè),2015, 319(4):15-16.

[15]李嘯驄, 程時杰, 韋化, 等. 輸出函數(shù)在單輸入單輸出非線性控制系統(tǒng)設計中的重要作用[J]. 中國電機工程學報, 2004(10):52-58.