CN101733785B - 刨纤类人造板调施胶动态区域优化控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种刨纤类人造板调施胶工艺生产的动态区域优化控制系统，该系统通过比值随动调节、动态区域优化及高精度流控技术，实现动态配比调胶、动态恒比施胶工艺控制，提高恒比施胶精度和调胶配比准确度。工艺控制系统包括由气喷、管道、流量计、泵阀、罐组等组成的并行调胶机构和在线施胶机构，以及由传感与检测、智能计算、流控、管理、通信、诊断告警等模块组成的全自动调施胶工艺控制系统。控制方法主要包括动态比值随动调节、区域液位最优控制和伪微分反馈流量控制方法。本发明提高了调施胶系统的动态稳定性和实现了调施胶工艺的精确控制，从而提高产品质量、减少胶液和原料损失，提高设备自动化和连续化生产及设备产能水平。

Description

刨纤类人造板调施胶动态区域优化控制系统

技术领域：

本发明涉及一种刨花板、纤维板(刨纤类人造板)调施胶工艺控制方法和控制系统，主要用于木材加工领域的刨纤类人造板生产线，满足调施胶工段全自动连续化生产中的动态配比调胶、动态恒比施胶工艺控制要求。

技术背景：

刨纤类人造板是国内外人造板生产、市场需求和未来发展的主流产品，是生物质材料资源节约有效利用的主要方法和途径。刨纤类人造板工业是以森林资源为基础的资源依赖型产业。如何在保护和改善现有生态环境条件下，实现刨纤类人造板工业良性循环与发展、使森林资源高效利用，是我国及至世界森工林区亟待解决的问题。

目前，我国与国外芬兰METSO、意大利IMAL、德国申克等公司相比我国人造板机械生产总体水平普遍较低，尤其在调施胶技术方面，无论生产工艺和设备、自动化控制等方面都存在较大差距，主要表现为：

施胶工艺主要以批量式施胶为主，采用此生产工艺，计量不准确；工作可靠性差，施胶量不稳定、不均匀；胶液易提前预固化、胶液性能下降；胶液用量偏大，甚至由于生产线故障造成胶液失效，浪费严重，生产成本较高，不能满足环保型胶粘剂的调配施加要求；

控制方法主要以液位控制法、计量筒控制法为主，调施胶控制系统纯滞后问题未能有效解决，造成的控制误差直接影响控制效果，调胶施胶配比误差大，施胶量不稳定、不均匀，胶液用量偏大，很难达到胶液的最佳配比及按工艺要求对原料按比例定量施胶控制，造成产品生产成本增加、质量下降。尤其对于连续式混胶，胶液和物料(刨花或纤维)的自动计量以及两者的配合计量不准确，全自动及连续生产水平低，缺乏动态调节及比值随动跟踪能力，不能满足环保型胶粘剂的调配施加要求。

此外，国外设备产品价格昂贵，国内一些企业由于技术和资金等问题，不能及时的改造更新，设备陈旧，很难适应新工艺、自动化控制生产的要求。

因此，形成自主创新、自主产权的专利产品和技术是提高我国人造板加工行业整体水平、促进人造板行业技术进步、缩小与国外先进制造水平的差距，促进我国森工企业产业结构调整、产品更新换代，提升带动相关产业的发展，推动新技术的广泛应用，实现跨越式发展的有效途径。具有很好的生态和社会效益，其产业化前景良好。

发明内容：

本发明的目的是针对木材加工领域的刨纤类人造板生产线的全自动连续化调施胶生产过程存在的问题，提供了一种调施胶动态区域优化控制系统，该系统通过比值随动调节、动态区域优化及高精度流控技术，实现可嵌入配方的动态配比调胶、动态恒比施胶工艺控制。为实现上述发明目的，本发明的控制系统包括由气喷、管道、流量计、泵阀、配方注剂缓冲罐组、胶液调配缓冲罐、搅拌桨等组成的并行调胶机构和在线施胶机构，以及由传感与检测、智能计算、流控、管理、通信、诊断告警等模块组成的全自动调施胶工艺控制系统。

本发明的控制方法主要包括动态比值随动调节、区域液位最优控制和伪微分反馈流量控制方法，具体工作原理如下：

1.动态比值随动调施胶控制

并行在线式调胶控制方法是基于泵电机流量计的单闭环比值随动控制。配比控制以原胶流量为基准，按比例控制各流量连续输送到调胶罐中，如需改变调胶速度，仅需修正原胶给定，其它配方注剂流量按比例随动跟踪。比值随动控制的另一方面是施胶随动控制，控制施胶量跟随刨花或纤维流量按放施胶比跟踪控制。

2.区域液位最优控制

根据调胶、施胶流量配比的两个动态控制及稳定性要求，调胶、施胶并行及其关联控制通过区域液位最优控制实现，即调胶罐液位控制在允许区域范围上下浮动，尽量使调胶流量比值随动控制减少过渡过程，配比准确；同时，通过区域液位变化率计算比值随动基准给定变化情况，从而达到区域液位最优控制。

(1)区域液位动态平衡准则

由图1，设调胶配比(原胶∶乳胶∶固化剂∶水∶染料∶尿素)为k₀∶k₁∶k₂∶k₃∶k₄∶k₅，以原胶流量L_O为配比基准，则可视为k₀＝1，调胶总流量瞬时值：

$L_m=L_o(1+\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{k}_i)$

舍去L₀、L_M瞬变值，取相对稳定的部分，有：

同理施胶流量：

L_d由流量计测得。

(2)区域液位最优控制

理论上，为保持并行在线调施胶以液位恒定为目标控制的动态平衡过程，必须L_m＝L_d。由于调胶、施胶两个动态过程均为比值随动的，瞬变的目标给定值很难使系统达到稳定状态，瞬变的过度过程使准确配比难以实现。故提出采用区域液位最优控制方法，根据区域液位动态平衡准则设计反馈控制给定值，使之相对稳定，允许调储罐液位h_t在某一工艺安全区间浮动，尽量使调施胶流量比值随动控制目标给定值相对稳定、减少瞬变及过度等动态过程，即约束条件为：

h_t∈[h_L，h_H)

比值随动调胶原胶流量目标给定值控制策略为：

$\left\{\begin{array}{ccc}{L}_O=L_D+\mathrm{\&delta;},& h_t\&le;h_L& \\ L_O=L_O,& h_L<h_t\&le;h_H& \\ L_O=L_D-\mathrm{\&delta;},& h_H<h_t& \end{array}\right.$

其中δ按液位变化速度成正比例计算，其变化系数根据现场确定。根据液体特性及现场经验，搅拌桨位置设在h_L/2处，搅拌效果均匀。

3.伪微分反馈流量控制

本发明中施胶流量及调胶各配方注剂流量控制均采用伪微分反馈(PDF-Pseudo-Derivative Feedback)控制。其特点是被控流量响应快；超调量小；在对象参数变化时有较强的鲁棒性。它是一种采用状态反馈的积分控制系统，仅要求比传统PID低一阶的状态反馈信号，因而具有极大的工程应用可能性。在响应速度、平稳性、特别是鲁棒性方面，它比传统PID控制系统具有更加优良的性能。

本发明所设计的控制系统原理可靠，稳定性强，可以在运行中使调施胶量始终保持动态平衡，提高胶量和原料的计量精度；提高调施胶的均匀性和稳定性，减少胶液损失，可节省原料3％-5％，满足不同原料、不同生产工艺的要求，实现了更高的控制精度。控制方法中的比值随动控制使得施胶量动态跟踪刨花或纤维流量，调胶总量动态跟踪施胶流量，能够实现调施胶过程的全自动化，满足精准施胶工艺要求；区域液位优化控制优化了调施胶工艺和控制方法，使得调胶过程不仅能满足动态跟踪施胶流量变化，而且流量控制准确、配比稳定，保障连续化生产；伪微分反馈流量控制实现了胶液流量的快速准确控制，在调施胶过程存在干扰的情况下，也能保障胶液流量的平稳控制。

附图说明

图1本发明调施胶动态区域优化控制实施例示意图。

图2本发明控制系统结构示意图。

具体实施方式：

图1所示，本发明实施例调施胶动态区域优化控制系统包括原胶罐1、水罐2、添加剂罐3、固化剂罐4等配方注剂缓冲罐组、液位上下限传感器、泵及电磁阀组成的自动备料单元；过滤器5、伺服阀6、流量计7组成的调胶配方注剂注入管路；实现胶液调配混合的胶液调配缓冲罐9、搅拌电机8、调配液位10及区域液位传感器21及搅拌桨11；完成施胶过程的电磁阀12、过滤器13、变频调速泵电机14、流量计15、高压气罐17、可调节气阀16、喷咀19、拌胶机或管道18；另外，还有物料流量检测单元20、液位上下限传感器21、控制柜22；检测通道D0、D1、D2、D3及控制通道C1、C2、C3。

工作时，实现四个自动控制过程。首先，齿轮泵将原胶、水、添加剂、固化剂等不同配方注剂分别输送到缓冲罐组，并且可通过D1、C1组成的闭环系统实现自动备料控制；第二，通过流量检测D2、伺服阀控制C2组成的闭环控制系统实现按配方比例的流量控制，控制方法采用PDF控制方法；第三，通过实时检测物料流量D0，计算施胶比例，并由施胶流量信号D4、控制信号C3实现具有比值随动特性的动态恒比施胶控制，控制方法采用PDF控制；第四，通过调配缓冲罐9的液位检测D3，计算C2控制回路的动态配比给定量，该给定量以能够满足液位10保持在设定区域内为准则，即液位区域优化方法，尽量使C2给定量成为矩形波形式，避免由于实时随动造成的调胶配比因过渡过程而产生的精度下降，实现动态区域优化控制，从而满足调胶和施胶两个动态比值随动单元的高精度稳定控制要求。

图2为本发明控制系统结构示意图，按功能主要包括传感与检测模块、智能计算模块、流控模块、管理模块、通信模块、诊断告警模块等。传感与检测模块包括纤维或刨花流量检测、施胶流量检测、配比流量检测、调胶罐及缓冲罐液位检测及系统元件状态检测等。智能计算模块包括动态液位区域优化算法、动态恒比施胶控制量PDF计算、动态调胶配比流量各组分执行单元控制量PDF计算等。流控模块包括刨花纤维流量控制、动态恒比施胶流量变频调速控制、动态调胶配比流量伺服阀开度控制、调胶缓冲罐区域液位控制及配方注剂缓冲罐组自动备料控制等。管理模块包括上位机管理、控制柜触摸屏等，实现管理与决策层功能；通信模块包括各功能模块间信号传输与数据通信；诊断告警模块包括智能诊断、告警系统，提供设备自检自监功能。

Claims (3)

1.一种刨纤类人造板调施胶动态区域优化控制系统，其特征在于该系统通过动态区域优化控制实现动态配比调胶及动态恒比施胶，进而提高恒比施胶精度和调胶配比准确度；所述调施胶动态区域优化控制系统包括原胶罐(1)、水罐(2)、添加剂罐(3)、固化剂罐(4)配方注剂缓冲罐组、液位上下限传感器、泵及电磁阀组成的自动备料单元；过滤器(5)、伺服阀(6)、流量计(7)组成的调胶配方注剂注入管路；实现胶液调配混合的胶液调配缓冲罐(9)、搅拌电机(8)、调配液位(10)及区域液位传感器(21)及搅拌桨(11)；完成施胶过程的电磁阀(12)、过滤器(13)、变频调速泵电机(14)、流量计(15)、高压气罐(17)、可调节气阀(16)、喷咀(19)、拌胶机或管道(18)；另外，还有物料流量检测单元(20)、控制柜(22)；检测通道D0、D1、D2、D3及控制通道C1、C2、C3；

工作时，实现四个自动控制过程：首先，齿轮泵将原胶、水、添加剂、固化剂这些不同配方注剂分别输送到缓冲罐组，并且可通过液位上下限传感器检测通道D1、电磁阀控制通道C1组成的闭环系统实现自动备料控制；第二，通过流量检测D2、伺服阀控制C2组成的闭环控制系统实现按配方比例的流量控制，控制方法采用PDF控制方法；第三，通过实时检测物料流量D0，计算施胶比例，并由施胶流量信号D4、控制信号C3实现具有比值随动特性的动态恒比施胶控制，控制方法采用PDF控制；第四，通过调配缓冲罐(9)的液位检测D3，计算C2控制回路的动态配比给定量，该给定量以能够满足液位(10)保持在设定区域内为准则，即液位区域优化方法，尽量使C2给定量成为矩形波形式，避免由于实时随动造成的调胶配比因过渡过程而产生的精度下降，实现动态区域优化控制，从而满足调胶和施胶两个动态比值随动单元的高精度稳定控制要求。

2.根据权利要求1所述的刨纤类人造板调施胶动态区域优化控制系统，其特征在于所述控制系统主要包括传感与检测、智能计算、流控、管理、通信、诊断告警模块。

3.根据权利要求1所述的刨纤类人造板调施胶动态区域优化控制系统，其特征在于通过比值随动控制、PDF流量控制和动态区域优化控制技术，实现可嵌入配方的动态配比调胶、动态恒比施胶工艺控制。