自動(dòng)化計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在相關(guān)人造板設(shè)備中的應(yīng)用分析?

李亦珂

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 長(zhǎng)治 046011）

現(xiàn)階段我國(guó)的木質(zhì)板材通常分為兩大類：一是實(shí)木板材，二是木質(zhì)人造板。木質(zhì)人造板主要包括膠合板、中（高）密度纖維板、刨花板、細(xì)木工板等，其中，膠合板的產(chǎn)量最大，但其生產(chǎn)自動(dòng)化程度較低。中（高）密度纖維板與刨花板的產(chǎn)量較大，生產(chǎn)自動(dòng)化程度很高。我國(guó)當(dāng)前的大型人造板生產(chǎn)企業(yè)，其設(shè)備工藝水平已達(dá)到世界一流。這為逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在人造板設(shè)備中的運(yùn)用奠定了基礎(chǔ)[1-2]。

1 自動(dòng)化計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述

自動(dòng)化計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，也稱為自動(dòng)控制系統(tǒng)[2-3]，是在無人直接參與下可使生產(chǎn)過程或其他過程按照期望規(guī)律或者預(yù)定程序進(jìn)行的控制系統(tǒng)。板材生產(chǎn)與加工過程中的自動(dòng)控制系統(tǒng)，同傳統(tǒng)機(jī)加工行業(yè)中的自動(dòng)控制系統(tǒng)略有不同，在原木板材加工和人造板材加工的過程中，由于原材料其基礎(chǔ)材質(zhì)的不同，其計(jì)算機(jī)所預(yù)設(shè)的自動(dòng)化運(yùn)行程序也不同，二者無法實(shí)現(xiàn)兼容性使用[4]。

在原木板材的加工過程中，設(shè)備執(zhí)行的大多都是按照預(yù)設(shè)尺寸進(jìn)行的切割程序，然而在人造板材的加工過程中，設(shè)備必須要按照不同的工序來執(zhí)行預(yù)熱、加溫、沖壓等工序，所有的外部環(huán)境達(dá)到K1的預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)之后，其手動(dòng)運(yùn)行程序?qū)⒆匀唤K止，設(shè)備啟動(dòng)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制模式（如圖1所示）[5]。

在這個(gè)過程中,I/O指令的下達(dá)與傳輸，需要借助一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)器（LT）來進(jìn)行下達(dá)，它需要接受變送器送來的信號(hào)，通過KM1通路進(jìn)行發(fā)送，進(jìn)而使其與工藝需要保持的參數(shù)相比較得出偏差，并按某種運(yùn)算規(guī)律算出結(jié)果，經(jīng)由主控中心的計(jì)算機(jī)處理器對(duì)相關(guān)的參數(shù)信號(hào)與預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比、檢測(cè)之后，認(rèn)為其完全符合標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的情況下[6]，會(huì)用特定信號(hào)（氣壓或電流）發(fā)送出去。

圖1 自動(dòng)控制系統(tǒng)在人造板材加工中的工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principles of automatic control system in wood-based panel processing

2 自動(dòng)化計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在相關(guān)人造板設(shè)備中的應(yīng)用

談及自動(dòng)化計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，大部分關(guān)注的是其流水線式作業(yè)能夠成倍提升的生產(chǎn)效率，其實(shí)隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的不斷升級(jí)與優(yōu)化，特別是當(dāng)人工智能或者仿智能設(shè)備在工業(yè)化生產(chǎn)中大量地投入使用之后，很多自動(dòng)化計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與數(shù)控機(jī)械加工設(shè)備配套使用之后，流水線式作業(yè)已經(jīng)不再適用于人造板加工這種需要密閉高溫的環(huán)境。相對(duì)科技含量更好、一次性成型品質(zhì)更佳的人造板生產(chǎn)設(shè)備已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于板材生產(chǎn)工藝中。

2.1 控制系統(tǒng)應(yīng)用

為了能夠適應(yīng)板材加工的一次性成型方式升級(jí)，經(jīng)過科技人員的精心調(diào)配與改造，之前只能夠借助單一方式運(yùn)行的數(shù)控機(jī)械設(shè)備，已經(jīng)升級(jí)為多功能、高效率的數(shù)控開料機(jī)[7]。如此一來，就能夠讓直排式刀具和圓盤式刀具根據(jù)生產(chǎn)工藝設(shè)置的不同進(jìn)行自由切換，極大地降低了因?yàn)樾枰鼡Q刀具而需要對(duì)半成品板材進(jìn)行物流運(yùn)輸?shù)某杀?，使其能夠在相同的工作環(huán)境下完成從粗加工到表面精細(xì)加工的相關(guān)工藝[8]。

該工藝看似簡(jiǎn)單，其實(shí)在進(jìn)行技術(shù)研發(fā)的過程中需要克服很多技術(shù)難點(diǎn)，因?yàn)樾枰紤]到其成品在經(jīng)過深加工之后裁切的精密度必須符合預(yù)設(shè)尺寸要求，那么進(jìn)出料的運(yùn)輸過程中就必須最大限度地降低粉塵對(duì)滑軌的污染[9]。而在板材加工的過程中，特別是在人造板板材的加工過程中，木屑的產(chǎn)生是無法避免的[10]，面對(duì)這樣的難點(diǎn)，技術(shù)人員在經(jīng)過反復(fù)對(duì)比分析與實(shí)驗(yàn)之后，采用了磁力感應(yīng)控制器來對(duì)運(yùn)料小車進(jìn)行電腦控制，在取代過去桿式行程開關(guān)有灰塵而易卡住的現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，進(jìn)料口采用手動(dòng)拉線緊急停車裝置，出料口采用光電感應(yīng)裝置（如圖2所示），也確保了從業(yè)人員的生產(chǎn)安全。不過，為了能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的加工效果，對(duì)其加工過程中的氣壓也有了比較嚴(yán)苛的要求，一般來說設(shè)備的氣壓使用過程中要保持0.6～0.8 kgf/cm2，畢竟壓力更大，其裁切精度可能受到的影響就會(huì)越低[11]。

圖2 國(guó)產(chǎn)多層板自動(dòng)開料機(jī)Fig.2 Domestic multi-layer automatic opening machine

2.2 PLC技術(shù)應(yīng)用

PLC技術(shù)在數(shù)控加工設(shè)備運(yùn)行之初，是為有效解決加工精密度不高的問題，特別是對(duì)于板材精細(xì)加工這種對(duì)尺寸有嚴(yán)格要求的工序而言，借助數(shù)控加工可以最大限度上地減少人為因素所產(chǎn)生的誤差對(duì)板材質(zhì)量的影響。

不過也必須認(rèn)識(shí)到，相對(duì)較為簡(jiǎn)單的數(shù)控加工設(shè)備所運(yùn)行的程序與指令僅僅具備重復(fù)操作性，比較呆板[12]，不會(huì)因?yàn)橥獠凯h(huán)境的變化對(duì)相關(guān)指令或者程序進(jìn)行修正，這樣可能產(chǎn)生的結(jié)果是，一旦外部環(huán)境發(fā)生大幅度波動(dòng)，這些數(shù)控設(shè)備仍然會(huì)繼續(xù)按照既定的程序進(jìn)行操作，使得其最終完成加工的板材不能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化要求，成批次的次品率甚至是廢品率會(huì)明顯增加。

為有效緩解這種情況，PLC技術(shù)也進(jìn)行了升級(jí)，讓其中的微處理器所承擔(dān)的數(shù)字化運(yùn)算能力最大限度地發(fā)揮出來，這種經(jīng)過升級(jí)和改造的人造板材加工設(shè)備，在規(guī)模及規(guī)模以上的家具生產(chǎn)制造企業(yè)中已經(jīng)大量投入使用，廚房櫥柜、木地板等一些造型較為簡(jiǎn)單且量化生產(chǎn)基數(shù)較大的人造板成品基本上都是在采用PLC技術(shù)的加工設(shè)備上生產(chǎn)出來的。

在國(guó)際板材加工行業(yè)中口碑較好的加拿大木業(yè)協(xié)會(huì)旗下相關(guān)企業(yè)，在人造板加工的PLC技術(shù)應(yīng)用上積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，僅加拿大Conifex木材公司位于不列顛哥倫比亞省的Fort.St James工廠，其每周的人造板半成品產(chǎn)量就可以達(dá)到9萬/m3以上[13]，而其僅僅是擁有16套具有PLC終端的數(shù)控加工設(shè)備，相比較而言，國(guó)內(nèi)同類型企業(yè)生產(chǎn)效率僅能夠達(dá)到其三分之一以上，其技術(shù)落差較大。

2.3 機(jī)、電、計(jì)算機(jī)一體化模式

之所以會(huì)有如此巨大的差異，是與我國(guó)的機(jī)械加工設(shè)備在進(jìn)行技術(shù)革新的過程中，并沒有側(cè)重于強(qiáng)化計(jì)算機(jī)微電腦控制有關(guān)，在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下，無論是微電腦控制程序還是其硬件設(shè)備，都受到國(guó)外壟斷的控制[14]。伴隨著國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)微處理器的生產(chǎn)制造能力與精度明顯提升之后，科研人員著重加強(qiáng)了對(duì)人造板加工設(shè)備的科技化改造力度[15]。

圖3 固體壓塊成型原理秸稈板成套生產(chǎn)設(shè)備Fig.3 Solid block forming principle straw panel production equipment

如此一來，就讓自動(dòng)化計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在人造板生產(chǎn)與制造的過程中實(shí)現(xiàn)機(jī)、電、計(jì)算機(jī)的一體化控制模式。從圖3的場(chǎng)景上來看，很容易將其看做是普通的生產(chǎn)資料加工車間，其實(shí)，這是國(guó)內(nèi)具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型秸稈板材一體化生產(chǎn)設(shè)備。

從這套設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行效果來看，在操作車間中幾乎看不到人工操作的痕跡，就連進(jìn)料口都實(shí)現(xiàn)了履帶式的自動(dòng)傳輸，這在有效降低安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，也節(jié)省了人力資源的使用成本。從而讓物料回收→鍘切→上料自動(dòng)去金屬→壓制→成型→輸出→冷卻→運(yùn)輸，這個(gè)完整的生產(chǎn)鏈條[16]，能夠借助微處理器進(jìn)行全電腦控制，其技術(shù)水平已經(jīng)接近仿人工智能水平。

而這套設(shè)備最受關(guān)注的是，其所采用的秸稈板材制造工藝，在國(guó)際人造板材生產(chǎn)上都屬于比較先進(jìn)的工藝，采用平模塊狀與壓輪之間擠壓力和?？啄Σ亮ο嗷プ饔迷?，使物料獲得成型[17]，在該過程中，其擠壓成型的時(shí)間節(jié)點(diǎn)完全由PLC程序直接控制，程序必須根據(jù)物料的實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析之后，才能夠下達(dá)下一步生產(chǎn)工藝的執(zhí)行指令，這其中需要讓已經(jīng)處于粉末狀的秸稈在一定壓力作用下，使其纖維素分子團(tuán)錯(cuò)位、變形、延展，內(nèi)部相鄰的生物質(zhì)顆粒相互進(jìn)行嚙接，重新組合壓制成型，需要計(jì)算機(jī)進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)分析，才能夠確保其產(chǎn)品質(zhì)量，必須要讓機(jī)、電、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)一體化控制模式，才能夠真正保證其產(chǎn)品質(zhì)量[18]。

2.4 人工智能模式

隨著5G時(shí)代的來臨，在板材加工過程中所實(shí)現(xiàn)的機(jī)、電、計(jì)算機(jī)的一體化控制模式也有了進(jìn)一步地升級(jí)，借助人工大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)和“云”處理程序，讓仿人工智能操作程序向人工AI操作程序?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化升級(jí)。

據(jù)相關(guān)媒體的資料，2019年末，由中科院合肥機(jī)械化研究所先進(jìn)感知與智能系統(tǒng)研究室與安徽大學(xué)、滁州學(xué)院三方聯(lián)合研制的，完全基于5G互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)環(huán)境下的人工智能化人造板生產(chǎn)技術(shù)，已經(jīng)完成了實(shí)驗(yàn)室階段的相關(guān)測(cè)試，有望在2022年之前分階段進(jìn)行由人工AI操作程序控制的人造板生產(chǎn)設(shè)備的測(cè)試。在這套設(shè)備中，兼容了物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)環(huán)境，以云計(jì)算為核心，從板材的原材料配比到成品的出入庫(kù)都實(shí)現(xiàn)了一體化、精細(xì)化的管理。無論是對(duì)于生產(chǎn)企業(yè)有效降低生產(chǎn)成本，還是控制物流運(yùn)輸成本，都可以發(fā)揮積極的推動(dòng)效應(yīng)。

3 自動(dòng)化計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在相關(guān)人造板設(shè)備中應(yīng)用效果探討

隨著加工設(shè)備科技化水平的不斷提升，自動(dòng)化計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在人造板設(shè)備中的應(yīng)用，是板材生產(chǎn)與加工的一個(gè)必然發(fā)展趨勢(shì)[19]。但考慮到由于生產(chǎn)人造板板材的原材料差異性較大，所以，自動(dòng)化計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在人造板設(shè)備中的應(yīng)用，不能采用“模塊化”的單一嵌入方式，必須綜合分析人造板材質(zhì)、材料的差異性之后，對(duì)不同原材料及使用方向的人造板設(shè)備進(jìn)行定向分析和處理[20-22]，才能讓自動(dòng)化計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與人造板設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)匹配，有助于自動(dòng)化計(jì)算機(jī)控制程序能夠根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模的不斷調(diào)整，實(shí)現(xiàn)智能化程度更高的優(yōu)化與升級(jí)。

4 結(jié)語

自動(dòng)化計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在人造板制造中的廣泛應(yīng)用，提升了人造板板材的品質(zhì)，讓我國(guó)的人造板板材生產(chǎn)在短期內(nèi)迅速實(shí)現(xiàn)了與國(guó)際先進(jìn)水平的銜接，這樣更有助于進(jìn)一步拓展我國(guó)人造板板材在國(guó)內(nèi)外的銷售渠道，同時(shí)也彰顯了我國(guó)在計(jì)算機(jī)微處理器領(lǐng)域的技術(shù)水平也已經(jīng)符合工業(yè)化量產(chǎn)的實(shí)際需要。我國(guó)大中型人造板及其相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)，應(yīng)積極在生產(chǎn)線的升級(jí)改造中采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，這不僅有利于降低企業(yè)的人工成本，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，而且有助于保障人造板及其相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定。