造纸过程纸张定量控制系统的设计与实现

造纸过程纸张定量控制系统的设计与实现 分类号 密级 UDC 编号 中南大学 CENTRALSoUTHUNIVERSITY 硕士学位 论文目 造纸过程纸张定量控劁系统舱j睦让复实现 学科、专业 „„„„„撞童蜒程„„„„„„„„ 研究生姓名 „„„„„„康,金一强„„„„„„ 导师姓名及 专业技术职称 ,喻寿蘸。教援„„钟义风,高级王程蛾„( 中南大学硕士论文 摘要 摘要 本论文讨论了以单片机为核心构成的控制器在造纸生产过程中 的应用。首先分析了造纸工艺过程中的定量控制系统，即从定量的 角度分析造纸的工艺过程，指出影响纸页定量的主要因素――纸浆 中浓度，并从生产实际的角度出发，在总结以往单板机浓度测控系 统和Pc机浓度控制系统实际应用的基础上，设计了定量系统中纸浆 构成了具有测量、控制、键盘显示、通信等功能的纸浆浓度控制系 统的硬件，完成了以FuzzY―PI混合控制算法为主要内容的程序设 计，安装调试了一台纸浆浓度测控仪。并将该测控仪应用于造纸过 程的纸张定量控制系统，经过生产实际过程的使用，表明该系统控 制性能可以满足造纸过程纸张定量系统的要求，抗干扰能力强，成 本低。 本论文研究开发的纸浆浓度测控仪既可单独运行，完成造纸生 产过程中的纸浆中浓度测控，满足小型造纸企业投资少，见效快的 要求，又可在大型造纸企业的生产过程中，与定量、水分系统协调 运行，取得更好的控制效果。 关键词: 造纸过程纸张定量纸浆中浓度单片机控制 中南大学硕士论文 摘要 ABSTRACT Inthis of inthe applicationsingle―chip paper，the micro―computer of isdiscussed(Firstof basis making all，the weight processpaper of andthe of significance systempapermakingprocess pulpconsistency control isstudied(It the fromthe system analyzespapermakingprocess ofview outthe factorswhichinfluence point ofweight，andpoints major the and theactual weight--pulpconsistencyetc(Taking produce paper intoaccountand the oftheSBC process concludingapplication measureandcontrol andthePCbased consistency system consistency control schemeis system，acorresponding designed(Thepulp control of consistencysystem communicationis onthebasisofCPU8031(The designed program ofthecontrol is consistsofthe design system，whichmainly FUZZY andPI alsofinished(And for then，all algorithm，is intelligentapparatus and is measuringcontrollingpulpconsistencymade(Throughtesting，it showsthatit thecontrol the of improves ability performance，strong disturb reducethecost( resitance，and Inthis control canrunitself, paper，thepulpconsistencysystem by the ofsmallscale haveless satisfyingrequirement factories，which investmentandshort of alsocanbeusedin periodproduction(It large combined withbasis andwater systemstogether weight system， then bettercontrol canbeobtained( performance Kevword:Processof Basis of paper making weightpaperPulp consistency Control Single―chip micro―computer II 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。 尽我所知，除了，论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或者证书而使 用过的材料。 与我共同工作的同志剥本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 关于论文使用授权的说明 本人了解中南人学有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有权保留学位论文，允 许该论文被查阅和借阅;学校可以公布该论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或 其他手段保存学位论文;学校可以根据国家和湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名 中南大学硕士学位论文 第一章综述 第一章综述 1(1微机在制浆造纸生产中的应用 制浆造纸生产过程是一个复杂的生产过程，它包括原材料蒸煮、纸浆的漂 白、浆料的制备、抄纸，以及各种化工原料的回收和利用，为保证产品的质量， 提高产量，降低成本，节约能耗，减轻劳动强度，迫切需要实现造纸过程的自 动化。 为保证纸张的水分、厚度、定量、灰分和颜色等质量指标，需对这些特定 参数进行测星，并实施不同方式的控制。实践证明，对这些参数的测量，采用 常规的模拟量方法，受干扰因素多，测量精度低，甚至无法测出真实结果，已 无法满足生产要求。只有采用微型计算机对测得的结果进行分析，计算和处理， 才能得到精确的结果。配合传感器，采用微机处理数据，可大大提高测量精度， 减少时间滞后，并解决常规模拟仪表所不能解决的多参数相关的控制问题“1( 自从1971年美国TedHoff研制出世界上第一台微处理器以来，微型计算 机以其体积小，功能强，可靠性高和价格便宜等优点，在人类社会生产和生活 的各个方面获得愈益广泛的应用。在国内外专家学者和科研人员的努力下，微 型计算机现在已经应用于造纸生产的很多方面“( 在一些造纸业发达的国家。如美国、加拿大、日本等，已经实现了化学浆 间歇蒸煮对装锅量、碱比和蒸汽流量的计算机控制，化学浆连续蒸煮有效碱 的 计算机控制，纸浆质量的计算机监测控制，漂白工段的白度计算机控制，盘磨 机计算机控制，造纸工段纸页的定量水分，灰分和厚度的自动控制，纸病检测 等计算机监测和控制01。各个相关计算机控制系统的有机结合，使得造纸生产 过程得以优化，取得了明显经济效益。例如，隆回县造纸厂九二年从美国 小了81(93,，从而消除了原来超过定量上限的原料浪费和超出下限造成的废品， 单耗分别降低了1(22,和2(24,„。 从国外造纸计算机控制系统的发展看，大致可以分成三个阶段，较大型的 计算机综合控制系统、小型机和微型机的分散控制系统、分散递阶智能控制 系 统。呵 国内造纸业自动化程度的提高也日益加快，正逐步用计算机控制系统取代 传统的模拟仪表控制方式。特别是近几年来，许多大中型造纸企业，在引进、 消化国外先进的造纸计算机控制技术的同时，与高校、科研院所联合，研制出 一系列适合我国造纸企业现状的微机控制系统，既提高了企业的经济效益，又 节省了外汇。如民丰造纸厂与浙江大学共同研制的造纸定量水分计算机控制系 统，哈工大与保定六O四厂研制的纸张定量水分控制系统均通过了鉴定，并为 厂方带来了很好的经济效益„m。 国内造纸计算机控制系统立足于定量和水分两项指标，对造纸过程的各个 方面进行控制，同时向提高计算机控制系统的精度、稳定性、可靠性、降低成 本的深度发展。目|i 『各种产学研相结合的科研联合体正致力于造纸机分散递阶 智能测控系统的研制„„„„嘲。 近几年来，单片机技术迅速发展并取得了广泛的应用。这是因为它具有如 下的优点‘7】?: 中南大学硕士学竹论文 第一章综述 1、集成度高。以8051系列为例，它集程序存贮器ROM、数据存贮器RAM、 输入输出I,o口、串行通讯口、定时计数器和中央处理器CPU于一身，体积小， 重量轻。 2、系统结构简单灵活，易于扩展。 3、可靠性高。采用内部总线传输信息，易于屏蔽，抗干抗能力强，可适用 于各种环境。 4、功能强，处理速度快。具有较强的数字运算和逻辑运算功能，丰富的指 令系统，其CPU时钟高达12MHz，易于实现机『日J通讯，可与其他系统协作，构成 大的系统，完成复杂的功能。 可见，在造纸计算机控制系统向多级分散递阶智能控制方向发展的过程中， 以单片机为核心构成智能化测控系统，有着广泛的应用前景。 1(2先进控制算法在造纸计算机控制系统中的应用 制浆造纸生产过程是一个复杂的物理化学反应过程，通常带有较大的时间 延迟、外部扰动、多参数耦合，往往还带有时变特性，是一类典型的复杂生产 过程系统。对于这类系统的控制，简单的PID算法往往不能完全满足生产的需 要。为提高控制效果，在改善传感器测量机构和执行机构性能的基础上，须采 用更先进的控制算法。计算机技术在造纸过程控制中的应用，使这种需要成为可 能，同时也促进了控制算法的发展„。 早在五十年代，Smith就对工业过程中控制对象的大滞后提出预估补偿算 法，消除了纯滞后部分对控制系统的影响，大大提高了系统的动态品质;1968 年DaMn提出了针对一阶和二阶大延迟环节的控制算法，特别是在纸机定量和 水分相耦合的控制系统中取得较好的控制效果。此外，基于随机控制理论的最 小方差控制，应用状态空fBJ描述的随机最优控制中的线性、二次型高斯 LOG 最优控制理论，也都在造纸过程中取得过明显效果，上述方法的局限在于他们 都要求控制对象有一个精确的数学模型，这在实际的工业过程中有时足很难得 到的?‘1“。 针对上述缺陷，在最小二乘参数递推参数辨识和最小方差控制器基础上发 展起来的自校正调节器方法，现已广泛应用于造纸生产过程”1““”。 随着模糊控制理论的发展和应用，形成两类解决大滞后时变系统的控制方 法。 混合式智能调节器“”。模糊控制理论的发展，使模糊技术广泛应用于国防、 航天、工业生产等方面。实践证明，模糊控制算法能克服高度非线性、严重的 交叉耦合、对象数学模型的不明确、大的外界环境干扰、大的控制时延和对象 的时变特性，具有调节速度快，抗干扰性能强、动态特性好的优点。但也存在 缺点:存在稳态误差，工作点附近易引起小范围的振荡，且对设定值的跟踪性 能较差。常规的PID控制算法，要求对象有精确的数学模型，但它具有调节无 静差，在工作点附近工作性能好的优点。比较这两类方法的优缺点，结合专家 系统的思想，形成一种大偏差下，选择模糊控制，小偏差下选用常规PID控制 的智能控制算法“”。这种混合式智能调节器已应用于造纸计算机控制系统，特 别是纸浆浓度智能测控系统，取得了明显的控制效果“”。 自适应预估控制算法。最早的Smith预估控制算法，是在PID控制的基础 上，附加与控制对象并联的延迟预估补偿器，从而消除纯滞后部分对控制系统 2 中南大学硕七学付论丈 第一章综述 的影响。但它对外界环境干扰和控制对象参数的变化比较敏感 见仿真部分 ““，影响了控制效果，可见它对对象数学模型要求严格。而自适应方法，能在 线地将外乔环境干扰下时变对象的数学模型估算出来“”[15]t为Smith预估算法 打下了基础。随后，提出了模型参考自适应预估控制算法和自校正预估控制算 法，它们克服了Smith预估算法的缺点，改善了控制性能“”。经在大滞后温控 系统中实践，证明控制效果大为改善。 在实际工业过程中，有些对象在进行辨识时，所加激励信号常被外界干扰 和噪声淹没，难以得精度模型，预估自校正也就失去实际意义。人们一方面改 善辨识激励信号，完善模型参考自适应预估控制算法;另一方面，离线估算系 统的数学模型，再运用能有效克服滞后和参数时变的模糊控制算法。后者吸引 了科研工作者的广泛研究，并有效地应用于实际工程之中“”m?剐恤?22】九。 1(3论文主要研究内容及结构安排 纸张的质壁指标主要是指纸页的定量、水分、平滑度、耐折度、灰分、厚 度、抗张强度等，其中最重要的质量指标是定量和水分。 本文首先从定量的角度分析造纸的工艺过程，指出影响纸页定量的主要因 素，包括打浆度、车速、浆料流量、网前箱压头和纸浆中浓度等。针对上述影 响定量的因素，并从生产实际的角度出发，设计了相应的控制，使得定量 指标在造纸过程中得以较大幅度的改善。从分析中可知，纸浆中浓度是影响纸 页定量、水分和均匀度等性能指标的主要因素。只要纸浆的中浓度得以稳定， 纸页的定量、水分和均匀度就基本上稳定了。实际生产中，未经调节的纸浆， 其浓度往往波动很大，给定量和水分的控制带来困难，因此控制纸浆的浓度， 提高控制稳定精度，是对纸机控制时必须面对并且应首先解决的难题。 在国外，纸浆浓度检测仪表迅速发展，先后出现了力学式、光学式、超声 波式等测量方式。目前广泛应用的是力学式。力学式按结构原理又分为外旋转 式、内旋转式和刀式三种。内旋转式和刀式都安装于管道内，没有旁路分流的 问题，但是其维护要求较高且维修极不方便，一旦造成堵漏浆，将造成整个纸 机的停产。因此，造纸厂普遍应用的仍是外旋转式浓度检测仪删[2a]o 在国内，武汉自动化仪表厂于八十年代研制生产了力学式的外旋转型浓度 变送器，九十年代研制了升级换代产品，测量范围是2,6,，分辨率为?0(05,。 国内外生产的外旋转型浓度检测仪，均采用频率一电压模拟转换电路，难 以对电源波动、线路本身以及外界干扰进行补偿，精度较低，很难形成检测 与 控制结合一体的独立型智能仪表。 本文在总结以往单板机浓度测控系统和PC机浓度控制系统实际应用的基 础上，利用单片机集成度高，成本低，可靠性好，数据处理功能强等特点，以 Intel8031单片机为核心构成控制器，完成浓度系统的检测、处理和控制等功 能。相比以往的浓度调节仪表，本系统具有如下优点脚1: 1、废弃部分模拟电路，尽可能采用数字电路，提高了检测仪表的抗干扰能 力和检测精度。用单片机内的数字运算功能对直接测得的浓度脉冲信号进行拟 合，补偿，使检测精度达到0(01,，分辨率可达?0(001,。 2、采用模糊智能控制，提高了仪表的控制精度和对环境变化的适应能力。 控制范围达到1(5,,7,，控制精度达到0(01,。 3、采用单片机技术，实现了检测、通讯、报警及控制的统一，增强了系统 中南大学硕士学位论文 第一章综述 的功能，同时降低了成本( 本论文将单片机技术应用于纸浆浓度控制系统，形成纸浆浓度智能测控系 统。该系统既可单独运行。完成纸浆中浓度的测控，满足小型厂家资金薄弱， 投资少，见效快的要求，又可在大型的造纸机控制系统中，与定量、水分系统 协调运行，达到更高的控制效果，具有运行力式灵活。操作维修方便的优点( 这一系统的研制成功，为实现造纸机分散递阶智能控制的国产化打下坚实基础。 据轻工总会造纸研究所1995年统计，全国共有造纸企业10600多家，其中 年产万吨以上的大中型企业仅有269家，大型企业资金雄厚，可以考虑安装大 型全套设备 包括定量、水分、灰分、蒸煮、打浆等控制系统 ，甚至可以考虑 进口;而中小企业资金短缺，既需提高产品质量，又要降低成本，以提高市场 的竞争力。在这种情况下，具有投资少，见效快，易于安装调试、扩展配套等 优点的纸浆浓度智能测控系统更有其广阔的应用背景，它在实际生产中创造的 经济价值也是不可估量的。 本论文编写结构安排如下: 第一章， 综述微机在制浆造纸生产过程中的应用等; 第二章， 对造纸工艺过程中的纸张定量系统进行了详细分析; 第三章， 针对影响造纸过程定量变化的主要因素,纸浆中浓度，并就如何 去控制、稳定造纸过程中的纸浆中浓度问题，进行了纸浆中浓度 控制系统的硬件设计: 第四章， 采用模块化设计的方法对纸浆浓度控制系统的软件进行设计; 第五章， 总结与展望。 4 中南大学硕士学位论文 第?章造纸过程定量系统分析 第二章造纸过程定量系统分析 2(1 引言 定量是纸页单位面积的重量，它是纸页质量的重要技术指标。通常该指标 的优良程度是衡量造纸计算机控制系统优劣的重要方面。因此对造纸计算机控 制系统的研制，侧重于定量系统的分析和控制。 定量与很多因素有关，如浆种、浆质、配比、填料量、纸浆浓度、含水量 等，要对纸页定量进行精确控制，首先应尽量减少或去掉各种干扰因素的影响。 定量的测量，目前为止尚无直接方法(多采用B射线间接测量方法。国产 的scs一35 B射线测厚仪的工作原理是;口射线通过被测物质时，服从指数衰减 规律。表示为: A ^0e1( Aoe?’ 式中:A为穿透强度，d为质量厚度，1为几何厚度，p为密度 可见被测物质的质量厚度d，或者说几何厚度l和密度p乘积的变化，都 会引起穿透强度A的变化。当纸张密度p基7:不变时，几何厚度l与穿透强度 A有直接的关系。这样可在线连续测出纸张定量的数据，经计算机处理，调 节 执行机构，使得定量指标得以实现。 ??( 2(2造纸过程的定量系统分析 由于纸机的种类不同，生产不同纸秤的工艺条件也不相同，因而影响定量 系统测量与控制的因素也就各不相同。现以湖南隆回造纸厂3#纸机为例，对影 响纸张定量指标的各种因素加以分析。其工艺流程朋图2-I所示。 白水 P1 维度控制子系统 蕞位控翻子菰窿i?? 麓纸机 图2-I造纸工艺流程简图 图中:P(一浆泵，V-一白水阀，V广浆量阀。v广-上浆阀(v广白水阀 中南大学硕十学付论文 第二章造纸过程定母系统分析 一、造纸工艺流程说明: l、浓浆是造纸原料经过制浆工序处理得到的，并符合工艺质量 打浆度 要求的纸浆，一般浓度为2,,3(5,左右: 2、从制浆工序来的浓浆要通过中浓度测控系统，控制白水阀门开度来添加 白水进行稀释，以致得到符合造纸工艺给定要求的中浓纸浆，如隆回造纸厂某 品种纸的中浓度工艺给定值为1(2,: 3、符合工艺给定要求的纸浆进入带溢流的稳浆箱。溢流是保持稳浆箱液位 稳定，在浆科阀门开度不变的情况下，确保浆料流量不会变化; 4、从稳浆箱的浆料阀门出来一定流量的浆料和恒定流量的白水 即指该白 水阀门开度在生产某品种纸的时候,般固定不动 在混浆箱进行二级稀释，并 经充分混合后，得到一定的低浓度纸浆 如隆回造纸厂某品种纸的低浓度纸浆 为0(8, ，然后进入带溢流的高位箱，溢流仍然是保持液位稳定，消除电压等 因素的扰动，确保流量不变: 5、通过旋翼筛，进入带溢流的网前箱，该网前箱的液位可调。网前箱液位 高，纸浆在网| 『箱出口处喷浆速度快，纸张定量大，网前箱液位低，则反之; 6、网前箱喷出来豹纸浆着落在造纸机的网部，进行脱水成型，并通过纸机 网部传送进入压榨、烘缸、压光、卷纸。因此造纸机车速的变化对纸张的定量 也有影响。 ( 二、造纸工艺流程包括三个控制子系统，第一个是浓度控制子系统，第二 个是定量子系统，第三个是液位控制子系统。 l、浓度控制子系统由白水阀V-、浆泵P(和中浓度测控装置组成。它是通过 改变白水阀V。的开度调节白水流量，对浓浆进行稀释，而白水阀V。的开度信号 是由中浓度测控装置提供，稀释后并符合工艺要求的中浓度纸浆进入稳浆箱。 2、定鼍子系统由稳浆箱、浆量阀V:、白水阀V。、高位箱、纸张定量传感器 和定量控制器组成。它是通过纸张传感器反馈回来的信号与定量控制器中的定 量工艺给定值比较后的值，经过一定的程序处理后，得到的控制指令进行调节 浆量阀V:，达到控制目的。’ 3、液位控制子系统由上浆阀Va、旋翼筛、网前箱和液位控制器组成。它是 通过液位控制器根据工艺要求来控制网前箱液位，改变网前箱压力，从而调节 网前箱的喷浆速度，以致达到控制定量的目的。 2(2(1影响纸页定量的主要因素 从图2―1及其工艺说明中可以看出，在浆种、浆质、配比和填料蕈不 变的 情况下，影响纸页定量的主要因素为:纸浆中浓度、浆料流量、网前箱液位和 纸机车速 造纸机的传动速度 。具体分析如下: 、 一、纸浆中浓度对纸页定量的影响 纸浆中浓度在外界条件不变的情况下，决定了上网纸浆中的绝干量，因而 它对定量的影响较大。纸浆中浓度的有效稳定的控制，可以稳定整个定量系统 的控制，以致于在不能采用定量仪的纸机上，只靠纸浆中浓度控制系统就能达 到控制纸页定量的目的。本论文的主要工作就是基于此展开的，详细情况参见 (( 以后各 章。 ， 6 中南大学硕十学静论文 第二章造纸过稃定鼍系统分析 二、浆料流量对纸页定量的影响 浆料流量是单位时问内上网的纸浆，对纸页的定量起决定作用，它既与纸 浆中浓度有关系，又与稳浆箱的压力和浆料阀门的开度有关系。稳浆箱多采用 溢流措旌，保持压力恒定不变，在纸浆中浓度也有保证的前提下，浆料流量的 控制单一化为浆料阀门的控制。 三、网前箱液位对纸页定量的影响 纸页的定量指标与纸浆在网前箱出口处喷浆速度有关，而喷浆速度又取决 于网前箱的液位或压力。国外纸机的网前箱一般都是封闭式的，故采用控制内 部压力的方法来控制纸页定量;我国的大部分纸机，网前箱多半都是敞歼式的， 因而可以采用液位控制来达到同样的目的。 四、车速对纸页定量的影响 纸机的车速一般是稳定的，但有时随着电网电压和频率、生产工况以及外 界各种干扰的影响而发生变化。车速的变化使得相同工况条件下，相同的上网 纸浆量却得到不同定量的纸张。即车速快，在网前箱喷出来的浆速不变的情况 下，相对来占，落在网部上的纸浆少，故纸张薄，定量小;车速慢，则反之。 因此车速变化也直接引起纸页定量的变化，而且其幅度较大，如果不采用措施 稳定车速，定量的控制是不可能的。 2(2(2定量和水分之问的耦合关系 由工艺流程也可以看出，定量和水分间还存在祸合，模型示意图如图2―2 所示。 其中A。。、Az。、A，:、如是水分、定量与蒸汽、纸浆中浓度流量的关系传函， D。、D:为作用在两个子系统上的干扰量。实际工艺中，蒸汽流量对定量系统的祸 合很小，定量子系统本身可看作是一个无耦合的系统，从而使定量系统的控制 简单化。 图2-2定量与水分耦合简图 7 生堕奎兰堡?兰堡堡壅 一 苎二兰丝堑塾墨塞!堕竺堑 2(3造纸过程定量系统的控制 由造纸过程定量系统的分析可知(对纸页定量的影响既有可测干扰，又有 随机干扰。对于随机干扰，可采用控制算法进行补偿和控制，而对于可测干扰 可采用各种硬件和软件措施构成子系统，进行补偿和控制?? 一、在保证制浆工序打浆质量 打浆度 的前提下，其余各影响因素与纸 页定量不仅在物理上有直接关系，在工艺过程中也是不可分割的，为取得较好 的控制效果，设计了以下几种控制方案。 l、控制方案A 在纸浆中浓度和浆料流量稳定不变的情况下，通过调节网前箱的液位、压 力来改变喷浆速度，达到控制定量的目的，是一种较好的控制方案。除车速外， 用这种方法调节定量的速度最快，但这种方案对工艺过程有较严要求，对纸机 的开启式网前箱，多采用液位加以控制。典型结构框图如图2-4所示。 液 定 图2-4控制方案A结构方樟图 f 定 图2-5控制方案B方框图 8 !堕查兰堡主兰垡丝皇 丝三兰堕堡塾堡塞量墨竺坌堑 2、控制方案13。从定量系统的分析可知，如把浓度单独形成回路进行控制， 可大大减少纸浆中浓度对定量的影响，同时也提高了系统的可靠性。典型结构 如图2―5所示。 3、控制方案C(在网前箱液位和纸机车速稳定不变的情况下，把纸浆中浓 度这个定量的主要影响因素的信息量，送入定量控制系统的计算机中，进行前 馈补偿控制，可大大改善控制系统的品质，系统的结构框图如2―6所示。 图2-6控制方案c方框图 二、综合比较上述各种控制方案的优缺点，造纸过程定量系统的控制方案 设计如下: l、稳浆箱采用溢流措施。网前箱采用独立的液位稳定连续控制方式子系统， 来保证浆料流量的恒定;对于车速的影响。作为一种干扰，以采用电源的稳压 稳频措施予以补偿抵消。 2、纸浆中浓度采用独立的纸浆浓度智能测控系统，保证纸浆中浓度符合工 艺设定要求，但由于浓度控制的滞后，控制再好，总有一部分纸浆会因调整不 及时，进入混浆箱。为此，本系统同时将浓度调节余量按一定的时间累加起来， 前馈定量控制器进行补偿调节(并能根据定量系统或上位传送的断纸信号，使 定量子系统全靠纸浆中浓度系统的补偿信号进行工作。此纸浆浓度智能测控系 统为本论文研究的课题，以后各章节详细阐述其硬件、软件设计。 3、定量子系统采用智能定量仪完成定量指标的测控(它从安装在纸张卷取 部分扫描架上的6射线测量仪获取定量信号，在运算处理单片机中与其他各种 补偿信号结合起来，采用有效克服大纯滞后的控制算法，得到控制信号，驱动 安装在混浆箱前的中浓度纸浆阀门，完成对定量对象的控制。此定量子系统的 研究设计作为进一步研究的课题。 本论文不详细阐述 因此，本论文设计的造纸过程定量系统的控制原理方框图和回路图分易1j如 图2―7、2--8所示( 本系统根据浓度的偏差情况，来决定选用何种控制规律。定量控制器作为 一种递阶结构的控制器，具有多种控制策略，其中包括模糊控制 Fc 规则， 9 中南大学硕士学位论文 第二章造纸过程定量系统分析 PI控制规则，强比例作用和保持模式。采用哪一种控制策略是由专家系统 简 称ES 完成的。 后续各节会详细阐述 浓 图2―7定量控剖原理方框图 图2-8定量控制主回路图 10 中南大学硕士学位论文 第三章纸浆浓度控制系统的硬件设计 第三章纸浆浓度控制系统的硬件设计 3(1控制方案的选择 3(1(1引言 由造纸工艺过程的分析可知，纸浆中浓度与纸页的定量、水分及均匀度等性 能指标密切相关，对于纸张定量、水分控制回路而言，纸浆中浓度的波动相当 于一个大扰动，直接影响控制系统的控制效果。因此纸浆中浓度的控制对于节 约原材料，减少能源损耗，降低成本，提高产品质量有着重要意义。 由常规的自动化仪表组成的浓度调节系统，从一定程度上改变了长期靠熟 练操作人员的经验，调节纸浆浓度的局面，克服了由人的因素带来的误差，使 调节精度达到万分之六，从而成为控制纸浆浓嚏的重要手段。但这类系统结构 复杂，易受到外界因素的于扰，其稳定性和可靠性差。后来发展起来的单板机 控制系统和Pc机控制系统，在提高精度的同时。使得系统的稳定性和可靠性大 幅度提高。微机的应用，使得先进的控制算法能够在浓度控制系统中实现，提 高了控制性能。 单片机的发展及应用为纸浆中浓度测控系统胸智能化、产品小型化、系列 化创造了条件。本文设计的纸浆中浓度测控系统是微处理器与传统仪表的有机 成。代替了以电子线路为主体的硬件结构。以软件程序代替仪表的硬件功能。 因而该系统能适应被测系统参数的变化来自动补偿、自动校正、自动选择量程、 自动进行指标判断与分选，并进行逻辑操作，定量控制、程序控制和自动识别 与诊断，还可与Pc机或其他单片机系统传送状态参数和控制信号，进行多参数 多功能的测控，从而成为造纸机分散递阶智能控制的一个有机组成部分，为整 个纸机高性能指标的控制奠定了基础。 (( 3(1(2纸浆中浓度控制系统的工艺实现 I( 』 ( 我们所指的中浓度纸浆是指浓度的变化范围在1(5,3(5,之间的纸浆。这 个范围的纸浆传感器，要求纸浆在进入传感器时，必须保证: 1 纸浆与感测元件之间的相对流速应控制在0(3m,s,O(6m,s的临界速 度以下。 2 相对流速恒定，或对其变化采取补偿措施。 这样才能准确地把阻力的变化测量出来，并变成有用的浓度信号。 基于上述要求，结合工厂的实际情况设计出纸浆中浓度调节系统的工艺流 程如图3-1所示。 , 地下储浆池中2,,3(5,的纸浆，由离心式浆泵P:抽出，在送往稳浆箱的主 管道中被分流，进入旋转式浓度传感器的测试简，测试简将浓度信号转化成光 码盘的频率信号，由8031单片机采集，处理转化成电信号，调节电动阀V，控 制用于稀释纸浆的白水量，最后得到符合设定值的稳定的纸浆去稳浆箱、二级 稀释等工序。为了保证稀释白水的水压恒定，建造一个带溢流的水塔以恒定水 生堕盔兰堡主堂堡堡壅 (:笙三童堡鏊整壅丝型丕竺塑堡堡堡立 箱液位。注入水塔的白水要适量，太多会溢出水塔，太少，水箱又不能溢流， 以致液位不能恒定。 去稳浆箱二级稀释 图3-1纸泉申浓度调节系统工艺图 现通过改变离心式白水泵PJ的回流阀V，的开度，可以调节注入水塔 的白水 流量。为方便系统的调试并防止白水泵P。停止工作时，纸浆倒灌电动阀V，在 电动调节阁V的后面设一逆止阀1:，在取样回路中。u用来调节进入测试简的 纸浆流速;V。用来调整测试筒中绀(浆的溢流高度。适当调节各阀，可以使浓度 传感器测试头处于最灵敏工作状瘤，减少流速变化对测试的影响。由于用浆泵 巳抽浆，P2至测试筒距离较短 约2米 ，可认为流入测试简的纸浆的流速基本 恒定。为了减少滞后，有利于调节(在工艺条件允许的条件下，应使稀释水入 口处到测试点的管路长度为最短。同时，为了保证稀释水能很好地与纸浆混合， 稀释水入口处的管路应弯进浆管lOcm,20cm，稀释水入口离浆泵P2的距离要大 于lOm。 3(1(3方案选择 在传统模拟仪表的基础上，纸浆中浓度的控制系统中引入了微处理器。首 先研制成功的是单板机式纸浆浓度控制系统，其可靠性和精度有待于进一步提 高，为了和定量水分控制结合起来，又研制成功了用Pc机实现的纸浆浓度控制 系统，它克服了单板机的缺点，但是系统的成本和复杂程度提高了(同时为了 兼顾仅需安装纸浆中浓度控制系统的场合，我们确定以性能价格比较高的单片 机为核心，研究设计了一个新型的纸浆中浓度控制系统。作为一个既可独立实 现控制，又可与其他单片机系统在上位Pc机的协调监督下运行的控制系统。主 要包括以下各部分:浓度变送器电路、信号处理用微机、控制输出回路、电动 执行机构、键盘显示电路、机间通讯接口以及系统工作电源等。现按功能分别 中南大学硕十学 寺论文 第三章纸浆浓度控制系统的硬件设计 予以设计。 3(2浓度的测量‘ 3(2(1浓度传感器的原理 浓度测量是浓度调节和绝干纤维计量的先决条件。纸浆浓度定义为两相流 体 或称悬浮液 中所含绝于纤维量的百分数。数学表达式为: 纸浆试样中分离出的绝干纤维 浓度 , ×100, „„„„ 3-1 纸浆试样的总重量 可见纸浆浓度的在线测量只能通过间接测量法。综合研究浓度测量的力学 法、光学法、超声波法、比重法、谐振法以及介电常数法，可知力学方法中的 外旋转式浓度变送器具有结构简单、运行稳定可靠的特点，因而本系统采用外 旋转式浓度变送器，其力学原理为:利用纸浆流动时所表现出来的阻力损失 与 粘度的关系，以及粘度与浓度的关系，将浓度转化为力学参数:力矩M和力F。 进一步的处理转换得到电信号的输出，实现浓度的测量。变送器原理图和各关 系曲线如图3―2、3―3、3―4所示。 1(取样简 2(同定架 3(光敏元件 4(灯泡 光源 5(分度盘 6(电机 7(检测头 进 图3―2外旋式浓度变送器原理示意图 14 中南大学硕十学付论文 第三章纸浆浓度控制系统的硬件设计 阻力矩M 粘度 图3―3粘度与浓度关系曲线 图3―4电机特性曲线 本系统采用的武汉自动化仪表厂生产的浓度变送器，其中ADP一362型两相 交流伺服电机的转速表示为: 2? M×Rr M×Rr n ns×――X 1一 noX 卜 2 Q l十a KXa×UL' KXXUJ 其中，n一一电机转速， 110――空载转速 n。„一同步转速， K„比例系数 R，„,转子绕组电阻 M„实际运行转矩 可见影响电机转速n的因素有以下几个: l、电网电压波动引起UL的变化; 2、温升引起的Rr的变化: 3、电网频率波动引起n。的变化; 4、浓度变化引起的力矩M的变化; 5、信号系数a。 将电机的起动转矩公式 Q M。。 KX――×U】j „„„„„„„„„„„„ 3― 3 R， 代入上式，可解得电机转速变化公式如下: „„„„„„ 3―4 ?f C。xAU。+C:×?fs―C3×?T―C。×?M 其中，f为反映电机转速的光码盘输出频率，fs为工频，系数C。 0 i 1(2(3(4 可见负载力矩M的变化与浓度有直接关系，为减少影响因素，须采取措 AM，具体措施是:采用电 施，只让?f直接反映浓度的变化，即使?f-一C4X 子交流稳压器，保持电源和频率的稳定;电机预热，电机温升停止时测量，得 到一一对应的浓度――力矩M关系。 3(2(2浓度信号的传送 根据恒力矩电机特性，负载不同时转速不同，即浓度不同时转速不同。在 电机轴另一端安装光码盘，上侧的灯泡光通过码盘照射下侧的光敏三极管，得 到电脉冲信号。只有通过整形放大电路，才得到可用多功能芯片8155计数的标 准TTL电平。设计的电路如图3―5所示。 中南大学硕十学 奇论文 第三章纸浆浓度控制系统的硬件设计 平 图3―5浓度变速器测量电路 逐步调试各元件参数如图所示。因R。 融，放大器的动态增益可表示为: R2一R。 +R(R2c。S vB S ,VA S 一 RI+R3 R3的改变可调整放大器的增益和高通滤波的转折频率，从而改善输出的 TTL电平的质量，C:是高频旁路电容，C，是隔直电容，2DW是钳位二极管。为了 减少模拟部分对单片机系统的于扰，引入了光电隔离，脉冲信号的输入和输出 端的电源和地都不能公共的。 3(2(3信号的采集 由浓度变送电路得到的TTL电平信号，只有转化成一定频率表示的信 号，才能代表浓度。本系统采用8155芯片中的定时器,计数器1:3的计数器功能， 采集杯准TTL电平，改变了过去扩展专门的8253定时器,计数器的方法，降低 了整个系统的成本。 阻1 m 4 d 瓜陆珞 图3-68155内部功能结构图 多功能扩展器8155含有256字节的RAM存储器，一个14位定时器,计 数器， 两个可编程的8位并行口:PA1:3和PB 1:3，一个6位并行PC13。内部包含 一个 16 中南大学硕士学付论文 第三章纸浆浓度控制系统的硬件漫计 8位的命令,状态寄存器，通过软件指令改变命令口的内容实现各个功能的转换， 通过状态寄存器观察8155的工作状态。 多功能扩展器8155可直接和单片机8031相连，不需要增加任何硬件逻辑。 8155的内部结构如图3―6所示。 主要引脚的功能如下: 阳,M:I,O或RAM功能选择信号端。101M 1时，选择T,O口操作;砌,肼 0 时，CPU访问RA^I。 CE:片选信号端，低电平有效。 ALE:地址锁存允许信号。 RD,WR:读写选通信号，均为低电平有效。 RESET;复位信号端，复位后各口为输入方式，RAM中的内容不变。 ADo_，:三态地址,数据总线。 8155芯片与8031间接线原理如图3-7所示。 PD0(， ADb 乏兰? JP2(0 lo|M CPUP2(7 C―E 定时,计数 803l nMERIN P3(6 WR 8155 P3(7 RD 爿,, 爿上压 图3-7接线原理图 从接线图知:可接P?101一M接既(，选择I,o方式，端口地址与对 应端口 的关系如下: k 对应端口 虬O ,O 0 命令状态口 O O 1 PA口 O 1 O PB口 O l 1 PC口 l 0 O 定时器,计数器低8位 如×××××× 氏×××××× 氏×××××× 凡×××××× 如×××××× 1 O l 定时器高6位和运行操作方式 各口地址为;命令口:7F00H;PA口:7F01H;PB口:7F02H;PCI I:7F03H: 定时器,计数嚣低8位:7F04H;定时器,计数器商6位和操作方式:7F05H。 用8155的14位定时器,计数器，对外部订L电平计数，相当于对输入信号 采用14位A,D的转换精度，因无转换时间的要求，且仅有一路信号需要采集， 故性能价格比远远超过14位的A,D。 3(3数据的处理 3(3(1主机的设计 基于系统对控制运算精度的要求，采用8位单片机中的5l系列，5l系列 17 中南大学硕十学何论文 第三章纸浆浓度控制系统的硬件设计 的单片机又分为内含程序存储器ROM和内部无ROM两类，为了便于不同工况条 件下用户系统的修改和程序的调试，采用外扩ROM的803l芯片。 因纸浆中浓度测控系统是针对单输入单输出系统的，整个系统的运算、处理 和控制仅用4K的程序存储器足够，为此扩展一片2732芯片。因系统扩展的多功 统对数据存储器的要求，不再扩展RAM。为保证CPU对外部ROM的操作，8031 的 地址为7即OH一7EFFH。 本系统从控制性能、运算速度和价格等方面综合考虑，采用6M晶振及相应 系列芯片。外接晶振和电容C1、c2构成并联谐振电路，接在内部放大器的反馈 回路中，Cl、C2起到振荡器频率微调的作用(为保证振荡器的稳定性，起振的 快速性和温度的稳定性，选择CI C2 20PF。电路原理如图3―8所示。 图3―8主机与键盘显示原理图 复位电路:当RST引脚出现两个机器周期以上的高电平时，CPU执行内部复 位，此后每个机器周期重复一次，直到RST端口出现低电平为止。只要k的上 升时『日】不超过ims，振荡器的建立时间不超过lOms，上电或按键复位电路均可正 确复位，且RAM中内容保持不变。 掉电保护电路:用来保障单片机电源故障或人为断电时，系统内部的有用信 息不丢失。掉电时，在电源电压低于下限工作电压之前，通过肼瓦或1NTl向CPU 申请中断，中断服务程序将须保护的信息转贮到I础中，并将备用电源接至 RST,Vss引脚。 3(3(2键盘显示电路的设计 输入输出设备是计算机系统的重要组成部分。初始参数和状态要通过输入 输出设备送入微机中，微机的处理结果和系统运行状态要靠输出设备来显示、 观察和记录。为此本系统采用16个组合按键、6个数码管和6个发光二极管作 为系统的输入输出设备。从而使人机间有机联系起来，控制单片机系统的运行 18 中南大学硕十学位论文 第三章纸浆浓度控制系统的硬件设计 方式和状态参数的显示。接线原理如图3--8所示。 16个按键分为三类:4个数字修改键、8个参数设置键、4个控制功能键。 6位数码显示:前4位为参数值、后2位为参数代码。6位发光二极管分别 表示如下: 第一位红灯亮，表示程序自检运行中发现硬件故障; 第一位红灯暗，第二位绿灯亮，则表示自检正常，系统可投入测控功能; 第三位红灯、第四位黄灯、第五位绿灯，分别表示纸浆中浓度的大偏差故 障状态、过渡状态和正常测控状态。 第六位红灯，则表示单片机系统的工作电源。 键盘线路中，按键按下闭合后，应产生一个负的矩形脉冲，由于按动按键 的抖动和重复按下该键，常发生误操作，为消除影响，本系统抛弃用Rc滤波电 路消除影响的硬件电路，采用软件的方法 详细原理见4(6节软件设计部分 。 从CPU的处理时间考虑，本系统采用程序扫描方式的非编码键盘方式，行 PB口和PC口的地址对键盘进行扫描，以确定是否有键按下，如有键按下，则 采用软件方法，识别键码，执行相应的功能。 数码管由八段发光二极管组成，可用来显示O,9，E、Y等字符。数码管工 作时须把阳极连接起来，称为共阳极;反之称为共阴极。本系统采用共阳极数 码管，在相应二极管的输入端加高电平或低电平信号，在公共端加上低电平， 使相应的二极管发光，形成所要求的字符。 为保证数码管显示有足够大的驱动电流，分别对PA口和PB口安装与门驱 动器7407和非门驱动器75452。 3(4控制信号的实现 3(4(1 D,A转换电路 MSB S 24一 „1 D Q MSB 圪 I二 16 1 ( :啦: D Q ^G?D 12 D输O D O ( DGND 10 D入 O ? 驻 i 14 驯 D锁Q :惋 3 ，州2 7: 2c DAC 13 D D存Q D Q 12位 ，州‘ 6: 4 D器Q D奇Q 乘法 5 D14。 D Q D存Q DAC2L】 器