【正文】 ............... 41 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................ 42 附錄 1 程序清單 ................................................................................................................. 44 附錄 2 系統(tǒng)硬件圖 ............................................................................................................. 54 第一章 緒論 1． 1 課題研究的目的和意義 紙張是人們生活和工作所不可缺少的，在人們的生活中占著重要地位。隨著人們生活水平的提高，紙和紙板所需的品種和數(shù)量日益增長，在國民經(jīng)濟(jì)中占有越來越重要的地位。整個制漿造紙生產(chǎn)過程變得越來越復(fù)雜，人工操作難以保證達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量，對造紙過程進(jìn)行自動控制迫在眉睫。水份就是紙中的含水率，起值過高，將導(dǎo)致紙頁容易撕裂，過低有會導(dǎo)致紙張發(fā)脆，撕裂度差。 5 克 /米 ，若實(shí)現(xiàn)下偏差卡邊控制后，使定量穩(wěn)定在 96 克 /米 ，生產(chǎn)同樣長度的紙，可節(jié)約紙漿 4％。但是在生產(chǎn)過程中，由于種種干擾因素的影響，定量和水 份的波動總是存在的，它們都是圍繞各自平均值上下波動的隨機(jī)變量。長網(wǎng)造紙機(jī)與其他三種的不同之處，主要是網(wǎng)部由網(wǎng)籠和網(wǎng)槽組成。 圖 1－ 1紙張生產(chǎn)過程系統(tǒng)示意圖 經(jīng)過打漿處理的濃紙漿（濃度約為 3%），用回水池中的水稀釋到 %左右，通過除砂與過濾處理后送入稀漿池中。它的多少直接影響紙張的厚度 ，即紙張的定量。烘缸內(nèi)充有蒸汽，蒸汽流量控制著烘干的程度，即紙張水份的含量。約 200 年前，機(jī)制紙技術(shù)首先在歐洲出現(xiàn)，后逐漸傳播到世界各地。 1995 年，全球造紙工業(yè)的總銷售額為 2600 億美元，總資產(chǎn)為 4000 億美元。按產(chǎn)量排序，我國目前可以稱為紙業(yè)大國，但我國決不是紙業(yè)強(qiáng)國 [11][13]。 1974 年瑞典 Modocell AB 和 ASEALME AutomationAB 公司 ,研制出具有蒸鍋內(nèi)堿液濃度在線分析的間歇蒸煮計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) [1]。美國于 1960 年最早實(shí)現(xiàn)了造紙過程計(jì)算機(jī)控制 [2][3]。 1998 年全國造紙企業(yè)年產(chǎn)量在 10 萬噸以上的只有 32 家 ,急需用規(guī)?；同F(xiàn)代化技術(shù)取代舊模式。 我國造紙企業(yè)中， 1978 年之前還沒有一套造紙機(jī)定量、水分計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) [12]。引進(jìn)的控制系統(tǒng)多用于生產(chǎn)牛皮紙、新聞紙的大型 高速紙機(jī)上，產(chǎn)量高，效益顯著。對于大規(guī)模提高我國造紙工業(yè)自動化水平極為不利。 1984 年 7 月，國內(nèi)第一套紙機(jī)定量、水分計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在浙江嘉興民豐造紙廠的 1 號紙機(jī)上運(yùn)行成功，取得了重大得經(jīng)濟(jì)效益，打破了外國壟斷造紙機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的局面。定量反映了紙張的厚度。 5克 /平方米 。 一般的紙張絕干定量占定量的 95%左右，含 水約為 5%，因此如果把絕干定量控制的很穩(wěn)定，波動很小，那么定量的波動也就可以大大減小了，因此可以直接利用單變量的 控制 方法來對絕干定量加以控制，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)定量的控制要求。 閉環(huán) 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 21 所示： 控制器 檢測裝置 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 被控對象 7 圖 21 控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu) 2． 1． 1 控制系統(tǒng)類型的確定 隨著計(jì)算機(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛， 控制系統(tǒng)中的控制器也越來越多的采用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。 直接數(shù)字控制系統(tǒng)的（ DDC）是閉環(huán)系統(tǒng)，是微機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍的一種應(yīng)用。另外，計(jì)算機(jī)計(jì)算能力強(qiáng)，可以有效地實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制，用來改善控制質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益 [21]。根據(jù)被控對象的規(guī)模主要在工業(yè)控制中使用的計(jì)算機(jī)可以有：STD 工控機(jī)、 PLC 和單片機(jī)系統(tǒng)等。 可編程控制邏輯器（ Programmable Logical Controller），簡稱 PLC，是早期的繼電器邏輯控制系統(tǒng)與微型計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合。 由于 PLC 是專為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的，其結(jié)構(gòu)緊密、堅(jiān)固，體積小巧，易于裝入 機(jī)械設(shè)備內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備，但價格相對比較貴。單片機(jī)控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)相比具有很多優(yōu)點(diǎn) [15]： （ 1）單片機(jī)控制系統(tǒng)的算 法靈活，控制功能強(qiáng)：不改變硬件即可改變控制算法及控制方式，從而提高系統(tǒng)的性能。單片機(jī)不存在模擬調(diào)節(jié)器零點(diǎn)漂移問題，比較容易解決非線性特性以及各種噪聲干擾，通過重復(fù)測量可以有效的提高測量精度。 （ 6）容易實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化：通過與上位計(jì)算機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)信息處理、生產(chǎn)管理、整體優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制和控制管理一體化，提高自動化程度。它主要包括三個基本型 803 805 8751。 9 2． 2． 1 模擬量輸入通道方案的確定 輸入通道 主要 包括傳感器和 A/D 轉(zhuǎn)換器。 本 系統(tǒng)中紙張定量是主要的檢測量， 主要是檢測紙張的 厚度。 圖 22 定量測量原理圖 二、 模擬量通道數(shù)及通道形式的確定 本系統(tǒng)中需要對三點(diǎn)的紙張厚度進(jìn)行檢測，因此有三路模擬信號輸入。但是，如果模擬量輸入 通道較多，就會使系統(tǒng)造價增加很多，尤其 是 采用高精度的 A/D 轉(zhuǎn)換器 。 為了降低成本，本系統(tǒng)采用第二種方案，即三路通道公用一個 A/D 轉(zhuǎn)換器。位數(shù)越高，其分辨率也越高， 但價格也越貴。近年來，隨著微型計(jì)算機(jī)的大量使用，出現(xiàn)了許多物美價廉的串行 A/D 轉(zhuǎn)換器，如 MAX195 等。 2． 2． 2 模擬量輸出通道的確定 模擬輸出通道 主要 包括 D/A 轉(zhuǎn)換器和執(zhí)行器。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是執(zhí)行器的推動部分，它按照調(diào)節(jié)器所給信號的大小，產(chǎn)生推力或位移；調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是執(zhí)行器的調(diào)節(jié)部分，最常見的是調(diào)節(jié)閥，它受執(zhí)行機(jī)構(gòu)的操作，改變閥心與閥座間的流通面積，調(diào)節(jié)工藝介質(zhì)的流量 [19]。液動執(zhí)行器的特點(diǎn)是推力最大，但目前使用不多。 在選擇 D/A 轉(zhuǎn)換器時， 通常從下面幾個方面考慮。 （ 2） D/A 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部是否有 鎖存器 由于 D/A轉(zhuǎn)換是需要一定時間的，在這段時間內(nèi) D/A 轉(zhuǎn)換器輸入端的數(shù)字量應(yīng)保持穩(wěn)定，為此應(yīng)當(dāng)在 D/A 轉(zhuǎn)換器數(shù)字量輸入端的前面設(shè)置鎖存器 。設(shè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大輸 入值為 Umax ,最小輸入值為 Umin，靈敏度為λ，可得 D/A 轉(zhuǎn)換器字長 [14]： log )(2 m inm ax? ?n UU ? 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的電動執(zhí)行器的控制信號是 0~10mA 控制電流 ,其啟動電流 (即控制死區(qū) )通常是 150μ : 7lo glo g 672)150 001(2 ????n AmAmA ? 根據(jù)本系統(tǒng)的要求，選擇 DAC0832 作為電路的 D/A 轉(zhuǎn)換器。 2． 3． 1 鍵盤的選擇 鍵盤是若干按鍵的集合，是向系統(tǒng)提供操作人員干預(yù)命令及數(shù)據(jù)的接口設(shè)備。 行列式 （也稱矩陣式） 鍵盤適用于按 鍵數(shù)目較多的場合，它由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點(diǎn)上，行列線分別連在按鍵開關(guān)的兩端。 本系統(tǒng) 中用到的鍵盤數(shù)目較少，只有幾個功能鍵，因此采用 獨(dú)立式按鍵即可。但它的價錢較貴，且為模擬信號表示，讀數(shù)不方便，有一定的誤差，所以它只能用于企業(yè)的技術(shù)改造，在新設(shè)計(jì)的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不宜采用。他直觀、靈活、不但可以顯示數(shù)字，而且可以顯示畫面及報表，如生產(chǎn)流程圖、報警畫面、動態(tài)趨勢圖、條形圖，以及狀態(tài)和回路查詢畫圖等 [23][24][25]。因此我們選用蜂鳴器報警。 3． 1 8031 單片機(jī)的最小系統(tǒng) 控制系統(tǒng)采用功能較強(qiáng)的 MCS51 系列中的 8031 單片機(jī) 。 P1 口： 8位準(zhǔn)雙向 I/O 端口，為用戶使用的 I/O 口線，在編程和校驗(yàn)時接低8位地址，任一位可以獨(dú)立地輸入 /輸出。 二、電源及時鐘引腳 電源引腳 電 源引腳接入單片機(jī)的電源。 2個時鐘引腳也可外接獨(dú)立的晶體振蕩器。如果采用外接晶體振蕩器是，此引腳應(yīng)接地。 ALE（地址鎖存控制）：當(dāng)訪問外部程序存儲器時，用于鎖存 P0 口輸出的低 8位地址數(shù)據(jù)總線，通 常 ALE 在 P0 口輸出地址期間用下降沿控制鎖存信號來鎖存地址數(shù)據(jù)。因此在擴(kuò)展外部程序存儲器，必須 使 EA 接地。 74LS373 在 MCS― 51 的 8031 單片機(jī)中，為用戶提供 16 位地址總線。然后作為數(shù)據(jù)總線 D7～ D0。 （ 2）若 OE =0 時，鎖存器開放輸出（ 2態(tài)） Q7～ Q0→ A7～ A0(低 8 位地址 )。 OE Q0 D0 D1 Q1 Q2 D2 D3Q3 GND 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 Vcc Q7 D7 D6 Q6 Q5 D5 D4 Q4 LE 17 （ 2） LE=0 時，觸發(fā)器時鐘無效，則 Qin+1 =Qin (鎖存不會改變 ) 根據(jù)分析可知： OE 接地，長期處于兩態(tài)。 A015：地址線引腳。 PGM ：編程時，加編程脈沖的輸入端。 NC ：無用端。當(dāng) PSEN 有效時，把 27128 中的指令送上 P0 口線。系統(tǒng)擴(kuò)展用控制線有 WR， RD， PSEN， ALE， EA。 ALE 用于鎖存 P0 口輸出的低 8 位地址數(shù)據(jù)的控制線。 程序存儲器有單獨(dú)的地址編號，雖然與數(shù)據(jù)存儲器地址重疊，但不會被占用；用單獨(dú)的控制信號和命令，程序存儲器的指令，數(shù)據(jù)讀取控制不同數(shù)據(jù)存儲器的 RD 控制和 MOVX 指令，而是由 PSEN 控制，讀取數(shù)據(jù)用 MOVC 查表指令。 圖 36 內(nèi)部時鐘 振蕩電路 c 1 c 2 XTAL 1 XTAL 2 MCS 51 至內(nèi)部時鐘電路 20 電路中的電容 C1和 C2典型值通常選擇為 30 pF 左右。但反過來運(yùn)行速度快對存儲器的要求速度也就越高，對印制電路板（也稱印刷電路板）的工藝 要求也越高，即要求線間的寄生電容要??；晶振和電容應(yīng)盡可能安裝的與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定、可靠的工作。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)，為擺脫死鎖狀 態(tài)，也需按復(fù)位鍵使RST引腳為高電平使 8031重新啟動 [14]。表 38 中各寄存器復(fù)位時的狀態(tài)決定了單片機(jī)內(nèi)有關(guān)功能部件的初始狀態(tài)。當(dāng)采用 6MHz時鐘時， CR取 22uF、 R1 取 220 歐姆、 R2取 1K 歐姆可靠的上電復(fù)位及手動復(fù)位。 一、 A/D 轉(zhuǎn)換器 [15] 本系統(tǒng)的 A/D 轉(zhuǎn)換器采用 ADC0809。圖 312 為 8031 單片機(jī)與 ADC0809 接口圖，該電路即 采用 查詢方式。 312 ADC0809和 8031的連接圖 三、 V/I 變換電路的設(shè)計(jì) D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE117 4L S 3 73I N 026m s b 2 1212 220I N 1272 3192 418I N 2282 582 615I N 312 714l s b 2 817I N 42E O C7I N 53A D D A25I N 64A D D B24A D D C23I N 75A L E22r e f ( )16E N A B L E9S T A R T6r e f ( + )12C L O C K10A D C 08 0 9E A / V P31X119X218R E S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 101P 112P 123P 134P 145P 156P 16