引言

　　紙漿模塑工藝在我國最早應用于紙餐盒、紙托盤的生產，現已越來越廣泛的應用于儀器儀表、家用電器等進出口產品的包裝中。紙漿模塑制品是一種新型的環保包裝材料，具有可重復回收利用、生產過程環保、生產成本低等諸多優點。紙漿模塑制品的生產以廢紙或紙漿為原材料，經過調漿碎漿、成型、烘干、整型等工序，成為具有環保、防震、防水性能的優質包裝產品。

　　為了能在低值的紙制制品生產中獲取最大的效益，進一步降低生產成本，提高整個紙漿模塑生產線的生產管理水平和質量管理水平，通過對原有生產設備進行改造和效能優化，真正實現了全套生產線各個系統的集中自動控制。本文將針對生產線中重要的成型工序的控制進行重點敘述。
　　
　　1 紙漿模塑成型機生產過程分析

　　成型工序由水環真空泵、真空泵供水泵、空氣壓縮機、空氣干燥機、成型機等組成。成型機的作用是利用負壓將配制好的紙漿吸附在紙漿模具上，經過壓模、脫水處理，利用正壓使產品從模具上脫落，然后進入下一工序。在生產過程中，成型機對負壓穩定性要求較高，一般需要負壓維持在-0.05MPa—-0.06MPa之間。負壓越低，成型機的模具吸附的紙漿越少，造成產品的厚度過薄，廢品率增加；負壓越高，一方面容易造成模具堵塞，影響正常生產，另一方面使得產品的厚度過厚，浪費了紙漿和電能。由于成型機的數量已構成一定的規模，所以采用集中供應負壓的方式。所需負壓由兩組真空泵組產生，一組真空泵組包括一臺真空泵供水泵、一臺水環式真空泵。原有的控制系統全部采用接觸器、繼電器等手工操作方式。兩組真空泵組獨立控制，工頻運行，不僅控制方式缺乏靈活性，而且負壓波動也比較大，廢品率較高。每臺成型機之間的生產相對獨立，因生產品種的不同，需要設定不同的工藝參數，由人工記錄生產量并進行統計。

　　為了保證負壓供應的穩定，我們利用PLC和變頻器對原有設備進行了改造，采用PLC的自整定PID功能，簡單方便的實現了真空泵組的自動切換和自動變頻控制。同時采用Modbus總線技術與上位機易控（INSPEC）組態軟件通信，不僅實現了產品生產的網絡化實時監控，而且能夠自動進行產量統計、提供報表及打印功能。
　　
　　2 成型機監控系統的設計

　　成型機監控系統主要包括上位機組態界面、通信協議、PLC控制系統三部分。系統結構圖如圖1所示。組態軟件選用北京九思易自動化軟件有限公司開發的易控（INSPEC）。易控（INSPEC）軟件能夠支持同時與不同的PLC設備的通信。

　　2.1 成型機監控系統組態設計及通信協議

[$page]　　利用易控（INSPEC）組態軟件設計上位機的實時監控畫面，如圖2所示。通過動畫模擬實時的生產狀況，使系統便于觀察和操作；配制好數據庫后，系統會自動保存重要的生產數據、生成實時曲線、統計產量、打印報表；當生產過程出現異常時，會彈出報警畫面，自動關閉系統并提示相關處理操作。

　　上位機與不同類型的PLC之間的通信采用不同的通信通道，本系統設置了1通道與臺達PLC通信，2通道與艾默生PLC通信；同種類型的PLC之間采用尋址的方式來區分，8臺成型機分別對應1～8的地址；總線選用Modbus RTU模式，PLC通信端口的設置要與上位機通信端口的設置保持一致。
　　
　　2.2 真空泵變頻控制硬件設計

　　系統保留了原有的手動控制，方便在系統的測試、維修期間，或者在自動控制出現問題時，作為后備功能啟用。真空泵組的手動控制和自動控制由手動/自動轉換開關來選擇。為了節省成本，在自動控制模式下，采用一臺變頻器控制兩臺電動機，變頻器根據需要在兩臺電動機之間進行切換。由PLC控制電動機的啟停操作。在負壓罐的輸出管道上，安裝有負壓傳感器，用于獲得實際的負壓壓力。將測得的負壓壓力與給定的目標值進行比較，通過PID計算得到變頻器的輸出頻率。整套裝置組成了一個完整的閉環控制系統，能夠根據實際生產的需要，自動調節電動機的輸出功率，從而達到穩定負壓壓力，節約能源和原材料的目的。

　　控制系統的硬件配置包括：臺安N2系列220V/440V 22kw變頻器1臺、艾默生EC20系列可編程控制器（PLC）、艾默生EC20系列8AD模塊、艾默生EC20系列4DA模塊、負壓傳感器、以及空氣開關、斷路器、防雷器等系統保護性器件，還包括接觸器、繼電器若干，主要用于PLC的繼電器輸出及變頻器在兩臺電動機之間的切換。
系統的原理框圖如圖3所示：

　　負壓傳感器負責在生產過程中實時采集負壓壓力的信號，然后通過屏蔽雙絞線將4～20mA電流信號送到PLC控制系統的8AD模塊中，與PLC中設定的目標值進行比較，差值送入PID計算得到一個控制量，經4DA模塊轉換成0～10V的電壓信號，通過改變變頻器的輸出頻率來改變電動機的轉速，實現負壓壓力的自動調節。

　　在自動模式下，通過變頻器實現電動機的軟啟動，可以有效的減少啟動電流對電動機的沖擊，延長電動機的使用壽命。兩臺電動機將依據變頻運行的時間（我們定為36小時），輪流作為變頻運行的電動機。在電動機變頻運行期間，如果變頻時間達到規定的時間，為了不影響生產，電動機將繼續變頻運行，直到下一次啟動時自動轉換變頻運行的電動機。 考慮到水環式真空泵存在下限運行頻率，把變頻器的頻率下限設為36Hz，頻率上限設為50Hz。PLC首先啟動變頻運行的電動機，如果電動機連續運行在50Hz超過一段時間（我們定為3分鐘），負壓壓力仍然達不到目標值，系統將自動工頻啟動另一臺電動機，并延時一段時間以后再進行判斷，避免了電動機頻繁啟停動作；如果變頻頻率低至36Hz后超過一段時間（我們定為1分鐘），系統將會自動停止另一臺電動機