自动化计算机控制系统在相关人造板设备中的应用分析∗

李亦珂

（山西机电职业技术学院, 长治 046011）

现阶段我国的木质板材通常分为两大类：一是实木板材，二是木质人造板。木质人造板主要包括胶合板、中（高）密度纤维板、刨花板、细木工板等，其中，胶合板的产量最大，但其生产自动化程度较低。中（高）密度纤维板与刨花板的产量较大，生产自动化程度很高。我国当前的大型人造板生产企业，其设备工艺水平已达到世界一流。这为逐步实现自动化计算机控制系统在人造板设备中的运用奠定了基础[1-2]。

1 自动化计算机控制系统概述

自动化计算机控制系统，也称为自动控制系统[2-3]，是在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按照期望规律或者预定程序进行的控制系统。板材生产与加工过程中的自动控制系统，同传统机加工行业中的自动控制系统略有不同，在原木板材加工和人造板材加工的过程中，由于原材料其基础材质的不同，其计算机所预设的自动化运行程序也不同，二者无法实现兼容性使用[4]。

在原木板材的加工过程中，设备执行的大多都是按照预设尺寸进行的切割程序，然而在人造板材的加工过程中，设备必须要按照不同的工序来执行预热、加温、冲压等工序，所有的外部环境达到K1的预设标准之后，其手动运行程序将自然终止，设备启动计算机自动化控制模式（如图1所示）[5]。

在这个过程中,I/O指令的下达与传输，需要借助一个自动调节器（LT）来进行下达，它需要接受变送器送来的信号，通过KM1通路进行发送，进而使其与工艺需要保持的参数相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，经由主控中心的计算机处理器对相关的参数信号与预设标准值进行对比、检测之后，认为其完全符合标准化生产作业标准的情况下[6]，会用特定信号（气压或电流）发送出去。

图1 自动控制系统在人造板材加工中的工作原理示意图Fig.1 Schematic diagram of working principles of automatic control system in wood-based panel processing

2 自动化计算机控制系统在相关人造板设备中的应用

谈及自动化计算机控制系统，大部分关注的是其流水线式作业能够成倍提升的生产效率，其实随着计算机系统的不断升级与优化，特别是当人工智能或者仿智能设备在工业化生产中大量地投入使用之后，很多自动化计算机控制系统与数控机械加工设备配套使用之后，流水线式作业已经不再适用于人造板加工这种需要密闭高温的环境。相对科技含量更好、一次性成型品质更佳的人造板生产设备已经广泛地应用于板材生产工艺中。

2.1 控制系统应用

为了能够适应板材加工的一次性成型方式升级，经过科技人员的精心调配与改造，之前只能够借助单一方式运行的数控机械设备，已经升级为多功能、高效率的数控开料机[7]。如此一来，就能够让直排式刀具和圆盘式刀具根据生产工艺设置的不同进行自由切换，极大地降低了因为需要更换刀具而需要对半成品板材进行物流运输的成本，使其能够在相同的工作环境下完成从粗加工到表面精细加工的相关工艺[8]。

该工艺看似简单，其实在进行技术研发的过程中需要克服很多技术难点，因为需要考虑到其成品在经过深加工之后裁切的精密度必须符合预设尺寸要求，那么进出料的运输过程中就必须最大限度地降低粉尘对滑轨的污染[9]。而在板材加工的过程中，特别是在人造板板材的加工过程中，木屑的产生是无法避免的[10]，面对这样的难点，技术人员在经过反复对比分析与实验之后，采用了磁力感应控制器来对运料小车进行电脑控制，在取代过去杆式行程开关有灰尘而易卡住的现象的基础上，进料口采用手动拉线紧急停车装置，出料口采用光电感应装置（如图2所示），也确保了从业人员的生产安全。不过，为了能够实现这样的加工效果，对其加工过程中的气压也有了比较严苛的要求，一般来说设备的气压使用过程中要保持0.6～0.8 kgf/cm2，毕竟压力更大，其裁切精度可能受到的影响就会越低[11]。

图2 国产多层板自动开料机Fig.2 Domestic multi-layer automatic opening machine

2.2 PLC技术应用

PLC技术在数控加工设备运行之初，是为有效解决加工精密度不高的问题，特别是对于板材精细加工这种对尺寸有严格要求的工序而言，借助数控加工可以最大限度上地减少人为因素所产生的误差对板材质量的影响。

不过也必须认识到，相对较为简单的数控加工设备所运行的程序与指令仅仅具备重复操作性，比较呆板[12]，不会因为外部环境的变化对相关指令或者程序进行修正，这样可能产生的结果是，一旦外部环境发生大幅度波动，这些数控设备仍然会继续按照既定的程序进行操作，使得其最终完成加工的板材不能够达到标准化要求，成批次的次品率甚至是废品率会明显增加。

为有效缓解这种情况，PLC技术也进行了升级，让其中的微处理器所承担的数字化运算能力最大限度地发挥出来，这种经过升级和改造的人造板材加工设备，在规模及规模以上的家具生产制造企业中已经大量投入使用，厨房橱柜、木地板等一些造型较为简单且量化生产基数较大的人造板成品基本上都是在采用PLC技术的加工设备上生产出来的。

在国际板材加工行业中口碑较好的加拿大木业协会旗下相关企业，在人造板加工的PLC技术应用上积累了丰富的经验，仅加拿大Conifex木材公司位于不列颠哥伦比亚省的Fort.St James工厂，其每周的人造板半成品产量就可以达到9万/m3以上[13]，而其仅仅是拥有16套具有PLC终端的数控加工设备，相比较而言，国内同类型企业生产效率仅能够达到其三分之一以上，其技术落差较大。

2.3 机、电、计算机一体化模式

之所以会有如此巨大的差异，是与我国的机械加工设备在进行技术革新的过程中，并没有侧重于强化计算机微电脑控制有关，在当时的技术条件下，无论是微电脑控制程序还是其硬件设备，都受到国外垄断的控制[14]。伴随着国内计算机微处理器的生产制造能力与精度明显提升之后，科研人员着重加强了对人造板加工设备的科技化改造力度[15]。

图3 固体压块成型原理秸秆板成套生产设备Fig.3 Solid block forming principle straw panel production equipment

如此一来，就让自动化计算机控制系统在人造板生产与制造的过程中实现机、电、计算机的一体化控制模式。从图3的场景上来看，很容易将其看做是普通的生产资料加工车间，其实，这是国内具有独立知识产权的新型秸秆板材一体化生产设备。

从这套设备的实际运行效果来看，在操作车间中几乎看不到人工操作的痕迹，就连进料口都实现了履带式的自动传输，这在有效降低安全生产风险的同时，也节省了人力资源的使用成本。从而让物料回收→铡切→上料自动去金属→压制→成型→输出→冷却→运输，这个完整的生产链条[16]，能够借助微处理器进行全电脑控制，其技术水平已经接近仿人工智能水平。

而这套设备最受关注的是，其所采用的秸秆板材制造工艺，在国际人造板材生产上都属于比较先进的工艺，采用平模块状与压轮之间挤压力和模孔摩擦力相互作用原理，使物料获得成型[17]，在该过程中，其挤压成型的时间节点完全由PLC程序直接控制，程序必须根据物料的实际状态进行实时分析之后，才能够下达下一步生产工艺的执行指令，这其中需要让已经处于粉末状的秸秆在一定压力作用下，使其纤维素分子团错位、变形、延展，内部相邻的生物质颗粒相互进行啮接，重新组合压制成型，需要计算机进行大量的数据分析，才能够确保其产品质量，必须要让机、电、计算机实现一体化控制模式，才能够真正保证其产品质量[18]。

2.4 人工智能模式

随着5G时代的来临，在板材加工过程中所实现的机、电、计算机的一体化控制模式也有了进一步地升级，借助人工大数据分析系统和“云”处理程序，让仿人工智能操作程序向人工AI操作程序实现优化升级。

据相关媒体的资料，2019年末，由中科院合肥机械化研究所先进感知与智能系统研究室与安徽大学、滁州学院三方联合研制的，完全基于5G互联网生态环境下的人工智能化人造板生产技术，已经完成了实验室阶段的相关测试，有望在2022年之前分阶段进行由人工AI操作程序控制的人造板生产设备的测试。在这套设备中，兼容了物联网生态环境，以云计算为核心，从板材的原材料配比到成品的出入库都实现了一体化、精细化的管理。无论是对于生产企业有效降低生产成本，还是控制物流运输成本，都可以发挥积极的推动效应。

3 自动化计算机控制系统在相关人造板设备中应用效果探讨

随着加工设备科技化水平的不断提升，自动化计算机控制系统在人造板设备中的应用，是板材生产与加工的一个必然发展趋势[19]。但考虑到由于生产人造板板材的原材料差异性较大，所以，自动化计算机控制系统在人造板设备中的应用，不能采用“模块化”的单一嵌入方式，必须综合分析人造板材质、材料的差异性之后，对不同原材料及使用方向的人造板设备进行定向分析和处理[20-22]，才能让自动化计算机控制系统与人造板设备之间实现匹配，有助于自动化计算机控制程序能够根据生产规模的不断调整，实现智能化程度更高的优化与升级。

4 结语

自动化计算机控制系统在人造板制造中的广泛应用，提升了人造板板材的品质，让我国的人造板板材生产在短期内迅速实现了与国际先进水平的衔接，这样更有助于进一步拓展我国人造板板材在国内外的销售渠道，同时也彰显了我国在计算机微处理器领域的技术水平也已经符合工业化量产的实际需要。我国大中型人造板及其相关产品的生产企业，应积极在生产线的升级改造中采用计算机自动化控制系统，这不仅有利于降低企业的人工成本，生产优质产品，而且有助于保障人造板及其相关产品的质量稳定。