基于单片机的纸张定量的自动控制系统

1．3．2国内造纸发展概况

我国造纸行业现有造纸厂 4330 个，造纸机近 10000 台，其中长网机 700 台，大型圆网纸机 800 台，大型圆长网结合纸机 1200 台[11]。1998 年全国造纸企业年产量在10 万吨以上的只有 32 家,急需用规模化和现代化技术取代旧模式。未来发展计划的重点在新闻纸、印刷、书写纸和包装纸，更多的低定量、高性能的产品将得到发展，低质量的非木纤维产品将被淘汰。

纵观国内外自控技术的发展情况，我国自动控制技术的研究和应用水平还很欠缺，造纸过程控制更是如此。在国外被广泛重视和应用的单片机控制技术，模糊控制技术，神经元网络自动化技术在我国还处于刚起步阶段。

我国造纸企业中，1978 年之前还没有一套造纸机定量、水分计算机控制系统[12]。当时全国造纸工业中只有一些常规仪表控制系统，用于锅炉、蒸煮、打浆等工段的单回路控制，而且多在一些新建的大型纸厂，许多老厂和小厂的生产还是人工操作。

1978 年，我国开始引进了几套定量水分计算机控制系统，用于大型纸机的控制， 取得了经验。后又陆续引进了多套计算机控制系统，全国各大纸厂基本都有了计算机控制设备。引进的控制系统多用于生产牛皮纸、新闻纸的大型高速纸机上，产量高，效益显著。我国造纸企业多为年产 0.5 万吨以下小厂，采用的造纸原料多为草浆，对于这样的小厂，引进设备的投资往往超过其固定资产投资，而经济效益却并不显著。使用进口设备的弊端是国外公司的技术保密，引进后只能使用，而对其内部硬、软件原理都不能了解。设备维修和零配件更换仍需花费大量外汇。对于大规模提高我国造纸工业自动化水平极为不利。

1983 年浙江大学造纸自动化研究推广中心进行了纸机定量、水分控制系统的研制工作[13]。虽然当时国内已有厂家引进了几套国外成套的纸机定量、水分计算机控制系统，但国外厂商的技术保密使得国内的研究工作几乎是白手起家。该中心也从事纸机数学模型开发、控制方案设计、控制算法推导、工艺流程改造、仪表研制和计算机硬件安装调试、计算机软件开发等大量研究开发工作。1984 年 7 月，国内第一套纸机定量、水分计算机控制系统在浙江嘉兴民丰造纸厂的 1 号纸机上运行成功，取得了重大得经济效益，打破了外国垄断造纸机计算机控制系统的局面。这套系统自 1984 年 7月开始运行，至今仍保持良好的性能，证明了国产系统的可靠性。目前该公司开发成功了SYQCS3000增强型定量水分控制系统、SYGCS－3000热泵供汽控制系统、SYNCS3000纸浆浓度控制系统、SYHCS3000 上网流送过程控制系统、SYDCS3000 制浆造纸过程集散控制系统、SYWIS3000 在线纸病检测系统、SYNET3000 制浆造纸企业网络监控系统等面向制浆造纸行业自动化系列产品。

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1．4 本课题的研究内容

纸张质量主要取决于两个指标：定量和水份。定量反映了纸张的厚度。水份与纸纤维和填料一起决定了纸张的定量。因此，控制的首要任务是使定量和水份保持在设定值上。本系统主要研究纸张定量的自动控制，控制要求为：纸张定量设定值为100克/平方米；控制误差为±5克/平方米。

第二章 系统总体方案论证

单位面积纸张中所含纸纤维及填料的重量称为绝干定量，它可以从纸的定量和水份中算出（单位是g/m2）：

绝干定量=定量-水份（g/m2）

因此，在只研究对定量的控制时，为了消除水份对定量的耦合影响，可以采用绝干定量作为系统的输出。从绝干定量的定义可知，它与纸的含水量无关，也不受烘缸中蒸汽压力的影响，因此实现了解耦，它只是由浓浆流量来决定。这样绝干定量的控制就变成了一个单输入单输出的系统。

一般的纸张绝干定量占定量的95%左右，含水约为5%，因此如果把绝干定量控制的很稳定，波动很小，那么定量的波动也就可以大大减小了，因此可以直接利用单变量的控制方法来对绝干定量加以控制，从而实现对系统定量的控制要求。

2．1 控制系统方案的确定

自动控制系统包括开环控制和闭环控制[14]。闭环控制能对输入量和输出量进行比较，并且将他们的偏差作为控制手段，以保持两者之间的预定关系。因此闭环控制具有抑制内、外扰动，精度高等优点，有利于实现高精度控制。闭环控制系统的结构如图2-1所示：

控制器 - 检测装置

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执行机构 被控对象 图2-1 控制系统的典型结构

2．1．1 控制系统类型的确定

随着计算机在工业控制领域中的应用越来越广泛，控制系统中的控制器也越来越多的采用计算机来实现。计算机控制系统可分为操作指导控制系统、直接数字控制（DDC）系统、监督控制系统（SCC）和分布控制系统。

在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接作用于生产对象，属于开环控制结构。该系统常用在计算机控制系统设计与调试阶段，进行数据检测、处理及实验新的数学模型，调试新的控制程序等。

直接数字控制系统的（DDC）是闭环系统，是微机在工业生产过程中最普遍的一种应用。该系统优点是灵活性大。在常规模拟调节器控制系统中，控制器一经选定，其控制方法也就确定了，要改变控制方法就必须改变硬件，这就往往难度较大。而在DDC系统中，由于微机代替了常规模拟调节器，因此要改变控制方法，只要改变程序就可以实现了，无须对硬件线路作任何改动。另外，计算机计算能力强，可以有效地实现较复杂的控制，用来改善控制质量，提高经济效益[21]。

根据纸张定量控制系统的控制要求，本系统采用DDC系统。

2．1．2 微控制器方案的确定

微型计算机的发展，促进了工业控制的进步。目前，已有各种各样的微型控制系统在工业中得到应用。根据被控对象的规模主要在工业控制中使用的计算机可以有：STD工控机、PLC和单片机系统等。

STD总线工业控制机是20世纪80年代发展起来的一种广泛应用于工业过程控制的计算机系统。它具有：（1）小板结构模块化设计；（2）标准化及兼容性；（3）面向I/O口设计；（4）高可靠性等特点。这种控制机采用STD（Standard）总线，该总线曾在20世纪80年代末20世纪90年代初风靡了整个工业控制领域，但近年来随着工业PC的发展，开始逐渐退出历史的舞台。

可编程控制逻辑器（Programmable Logical Controller），简称PLC，是早期的继电器逻辑控制系统与微型计算机技术相结合。它吸收了微电子技术和微型计算机技术的最新成果，发展十分迅速。如今的PLC几乎无一例外地采用微处理器作为主控制器，又采用大规模集成电路作为存储器及I/O接口，因而使其可靠性、功能、价格、体积都达到了比较成熟和完美的境地，并以其卓越的技术指标和优异的抗干扰能力得到了广泛的应用，受到工业界的瞩目。它具有：（1）可靠性高、抗干扰能力强；（2）功能完善、扩展方便、组合灵活、实用性强；（3）编程简单、使用方便、控制过程可

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变、具有很好的柔性；（4）体积小、重量轻、功耗低等特点。由于PLC是专为工业控制而设计的，其结构紧密、坚固，体积小巧，易于装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备，但价格相对比较贵。

单片微型计算机（Single Chip Micro忽略puter），简称单片机。它是工业控制和智能化系统中应用最多的一种模式。这种模式的最大特点是设计者可根据自己的实际需求开发、设计一个单片机系统，因而更加方便，更加灵活，并且成本低。单片机控制系统与传统的仪表控制系统相比具有很多优点[15]：

（1）单片机控制系统的算法灵活，控制功能强：不改变硬件即可改变控制算法及控制方式，从而提高系统的性能。容易实现较高级的控制。

（2）单片机控制系统精度高，量程大：模拟调节器的精度通常为0.5%左右，而数字计算机的精度可通过扩展字节不断提高。对于15位有效字长的单片机，其精度可达0.01%以上。单片机不存在模拟调节器零点漂移问题，比较容易解决非线性特性以及各种噪声干扰，通过重复测量可以有效的提高测量精度。

（3）单片机控制系统的控制效率高：一个主机可以多路复用，分时对通道进行采集和实时控制。

（4）单片机控制系统的可重复性强：单片机由数字集成电路组成，受温度、振动等环境条件的变化影响不大，因此通常不须要进行现场调整，同类产品互换性强。

（5）单片机控制系统可集中操作显示：利用各种外部设备，可方便进行打印、显示、记录、读出数据及表格，容易实现各种逻辑判断，越线警报等功能，可以随时进行参数在线修改，便于集中操作显示[16]。

（6）容易实现整体优化：通过与上位计算机的通信，实现信息处理、生产管理、整体优化，实现实时控制和控制管理一体化，提高自动化程度。

根据上诉单片机系统的特点，以及本系统的控制要求，采用单片机扩展系统实现纸张定量的自动控制。MCS是Intel公司生产的单片机系列，它包括Intel公司的MCS-48、MCS-51、MCS-96系列单片机。由于MCS-51系列单片机具有性能稳定，价格低的特点，所以在现代工业生产中，主要采用MCS-51系列单片机。它主要包括三个基本型8031、8051、8751。本系统采用MCS-51系列单片机中的8031为中央处理单元。

2．2 输入输出通道方案的确定

被控过程的各种信息由传感器检测后，通过过程控制通道送到微型计算机中，经过计算处理后发出相应的控制信号，这些控制信号又通过过程通道输出到执行机构，从而控制生产过程按要求的目标有条不紊的运行。因此，输入输出通道的设计是计算机控制系统设计中的一个非常重要的环节。

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