【正文】 成品紙的重量，在不增加原料能耗的情況下增加產(chǎn)量。因此，為了保證產(chǎn)品合格 率，必須使定量的平均值高于公差下限。它們的基本組成相同，都是由網(wǎng)部、壓榨部、干燥部和卷紙機等組成。 長網(wǎng)造紙機是造紙工業(yè)中使用最廣泛的一種造紙機。濕部包括漿料流送設備、網(wǎng) 部和壓榨部；干部包括干燥部、壓光機和卷紙機（切紙機）。在這里把滑石粉等填料假如稀漿池中，再把稀漿池中的稀漿用泵打入流漿箱內。銅網(wǎng)上紙漿中的紙纖維量就決定了成品紙張中所含的紙纖維量。紙纖維量由濃紙漿的流量來控制。紙漿脫水和紙頁烘干由電機拖動勻速前進，最后成為成品紙卷在卷筒上。紙張的定量和水份分別由卷筒前面的β射線測厚儀和紅外線濕度計來測定，又分別通過調節(jié)漿料閥門和蒸汽閥門來 4 得到控制。我國東漢時期的蔡倫制成了人類歷史上的第一張紙，開創(chuàng)了人類社會文明進步的新紀元 ,對世界文明的發(fā)展與進步，做 出了無與倫比的貢獻。至今只有少數(shù)幾個國家不能造紙，絕大多數(shù)國家都擁有自己的造紙工業(yè)。紙與紙板的消費水平已經(jīng)成為衡量一個國家現(xiàn)代化水平的重要標志之一。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織（ FAO）的統(tǒng)計，全球紙和紙板產(chǎn)量已由 1950 年的 4300 多萬噸發(fā)展到 1998 年的 億噸。紙和紙板的產(chǎn)量從 1950 年的 38 萬噸猛增到 2021 年的 3200 萬噸，已躍居世界第三位。 1． 3． 1 國外造紙概況 隨著控制理論和計算機技術的發(fā)展，制漿造紙工業(yè)的自動化也得到了較快發(fā)展。七十年代初出現(xiàn)了以電子計算機為中心的 對整個制漿過程進行控制的自動化系統(tǒng)。目前國外先進的間歇計算機控制系統(tǒng)一般都是由過程級、優(yōu)化級和管理級三級組成，能對整個制漿過程的能源、原料、藥液和產(chǎn)量進行優(yōu)化、管理和控制。 國外對抄紙過程計算機控制的研究始于五十年代末。美國的 Measurex 公司和 AccuRay 公司，以及德國的 Lippika 公司，是當今世界造紙機定量、水分計算機控制系統(tǒng)最先進的三家公司，這三家公司已有商品化的計算機控制系統(tǒng)，它們的定量儀、水分儀、灰份儀、濃度儀、流量計、控制閥、掃描架和工業(yè)控制機都代表了當今世界的最高水平。 5 1． 3． 2 國內造紙發(fā)展概況 我國造紙行業(yè)現(xiàn)有造紙廠 4330 個，造紙機近 10000 臺，其中長網(wǎng)機 700 臺，大型圓網(wǎng)紙機 800 臺，大型圓長網(wǎng)結合紙機 1200 臺 [11]。未來發(fā)展計劃的重點在新聞紙、印刷、書寫紙和包裝紙，更多的低定量、高性能的產(chǎn)品將得到發(fā)展，低質量的非木纖維產(chǎn)品將被淘汰。在國外被廣泛重視和應用的 單片機控制技術，模糊控制技術，神經(jīng)元網(wǎng)絡自動化技術在我國還處于剛起步階段。當時全國造紙工業(yè)中只有一些常規(guī)儀表控制系統(tǒng)，用于鍋爐、蒸煮、打漿等工段的單回路控制，而且多在一些新建的大型紙廠，許多老廠和小廠的生產(chǎn)還是人工操作。后又陸續(xù)引進了多套計算機控制系統(tǒng)，全國各大紙廠基本都有了計算機控制設備。我國造紙企業(yè)多為年產(chǎn) 萬噸以下小廠，采用的造紙原料多為草漿，對于這樣的小廠，引進設備的投資往往超過其固定資產(chǎn)投資，而經(jīng)濟效益卻并不顯著。設備維修和零配件更換仍需花費大量外匯。 1983 年浙江大學造紙自動化研究推廣中心進行了紙機定量、水分控制系統(tǒng)的研制工作 [13]。該中心也從事紙機數(shù)學模型開發(fā)、控制方案設計、控制算法推導、工藝流程改造、儀表研制和計算機硬件安裝調試、計算機軟件開發(fā)等大量研究開發(fā)工作。這套系統(tǒng)自 1984 年 7 月開始運行，至今仍保持良好的性能，證明了國產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性。 6 1． 4 本課題的研究內容 紙張質量主要取決于兩個指標：定量和水份。水份與紙纖維和填料一起決定了紙張的定量。 本系統(tǒng)主要研究紙張定量的自動控制， 控制要求 為： 紙張定量 設定值 為100克 /平方米； 控制 誤差為177。 第二章 系統(tǒng)總體方案論證 單位面積紙張中所含紙纖維及填料的重量稱為絕干定量，它可以從紙的定量和水份中算出（單位是 g/m2） ： 絕干定量 =定量 水份（ g/m2） 因此 ， 在只研究對定量的控制時，為了消除水份對定量的耦合影響，可以采用絕干定量作為系統(tǒng)的輸出。這樣絕干定量的控制就變成了一個單輸入 單 輸出的系統(tǒng)。 2． 1 控制系統(tǒng)方案的確定 自動 控制系統(tǒng)包括開環(huán)控制和閉環(huán)控制 [14]。 因此閉環(huán)控制 具有 抑制內 、外擾動 ， 精度高 等優(yōu)點 ，有利于實現(xiàn)高精度控制。 計算機控制系統(tǒng)可分 為操作指導控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制（ DDC）系統(tǒng)、監(jiān)督控制系統(tǒng)（ SCC）和分布控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)常用在計算機控制系統(tǒng)設計與調試階段，進行數(shù)據(jù)檢測、處理及實驗新的數(shù)學模型，調試新的控制程序等。該系統(tǒng) 優(yōu)點是靈活性大。而在DDC 系統(tǒng)中，由于微機代替了常規(guī)模擬調節(jié)器，因此要改變控制方法，只要改變程序就可以實現(xiàn)了，無須對硬件線路作任何改動。 根據(jù) 紙張定量控制系統(tǒng)的 控制 要求，本系統(tǒng)采用 DDC 系統(tǒng)。目前，已有各種各樣的微型控制系統(tǒng)在工業(yè) 中得到應用。 STD 總線工業(yè)控制機是 20 世紀 80 年代發(fā)展起來的一種廣泛應用于工業(yè)過程控制的計算機系統(tǒng)。 這種控制機采用 STD（ Standard）總線，該總線曾在 20 世紀 80 年代末 20 世紀 90 年代初風靡了整個工業(yè)控制領域，但近年來隨著工業(yè) PC 的發(fā)展，開始逐漸退出歷史的舞臺。它吸收了微電子技術和微型計算機技術的最新成果，發(fā)展十分迅速。 它具有 ： （ 1） 可靠性高、抗干擾能力強 ；（ 2）功能完善、擴展方便、組合靈活、實用性強 ；（ 3） 編程簡單、使用方便、控制過程可 8 變 、具有很好的柔性 ；（ 4） 體積小、重量輕、功耗低 等特點。 單片微型計算機（ Single Chip Microputer），簡稱單片機。這種模式的最大特點是設計者可根據(jù)自己的實際需求開發(fā)、設計一個單片機系統(tǒng)，因而更加方便，更加靈活，并且成本低。容易實現(xiàn)較高級的控制。對于 15 位有效字長的單片機，其精度可達 %以上。 （ 3）單片機控制系統(tǒng)的控制效率高：一個主機可以多路復用，分時對通道進行采集和實時控制。 （ 5）單片機控制系統(tǒng)可集中操作顯示：利用各種外部設備，可方便進行打印、顯示、記錄、讀出數(shù)據(jù)及表格，容易實現(xiàn)各種邏輯判斷，越線警報等功能，可以隨時進行參數(shù)在線修改，便于集中操作顯示 [16]。 根據(jù)上訴 單片機 系統(tǒng) 的特點， 以及 本系統(tǒng)的 控制要求 ， 采用單片機擴展系統(tǒng)實現(xiàn)紙張定量的自動控 制。由于 MCS51 系列單片機具有 性能 穩(wěn)定，價格低的特點，所以在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，主要采用 MCS51 系列單片機。本系統(tǒng)采用 MCS51 系列單片機 中的 8031 為中央處理單元。 因此，輸入輸出通道的設計是計算機控制系統(tǒng)設計中的一個非常重要的環(huán)節(jié)。 一 、 傳感器的確定 傳感器 是能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。傳感器輸出信號有很多形式，如電壓、電流、頻率、脈沖等，輸出信號的形式由傳感器的原 理確定 [17]。在厚度檢測中通常使用 核輻射傳感器。 從源發(fā)射出來的β粒子穿過氣隙中的紙吸收掉一部分，未被吸收的β穿過紙張在電離室中產(chǎn)生一個小電流，該電流是源和探測器間物質質量的函數(shù)，放大器測得該電流并變成電壓送到高精度電壓 —— 頻率轉換器 ， 所產(chǎn)生的脈沖串在一個精確的時間間隔之內，由一個計數(shù)器，并由計算機讀取 ， 原理圖如 22 所示 [32]。在 計算機控制系統(tǒng)中 對于 多路模擬量輸 入的 實現(xiàn)方法有兩種。這種方法的優(yōu)點是轉換速度快，精度高，工作可靠，即使某一通道出現(xiàn)故障也不 會影響其它通道的工作，相應的軟件也比較簡單。 （ 2） 多通道復 用一個 A/D 轉換器，并輔以多路模擬開關和采樣保持器來實現(xiàn)。其優(yōu)點是成本較低，但電路結構復雜、精度低、可靠性差[18]。 三 、 A/D 轉換器的確定 模擬量輸入通道的主要任務是將模擬量轉換成數(shù)字量。 A/D 轉換器的種類很多，就位數(shù)來分，有 8 位、 10 位、 12 位、 16位等。 A/D 轉換器就其結構而言，有單一的 A/D 轉換器（如 ADC083 AD673 等），有內含多路開關的 A/D 轉換器（如 ADC0809，ADC0816 均帶多路開關）。其內部結構有 16 路多路開關、數(shù)據(jù)放大器、采樣 保持器及 12 位 A/D轉換器，其本身就已構成了一個完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 根據(jù)輸入信號的最大值和最小值之差，按照下式可 以計算出 A/D轉換器 的 字長 。 log )1(2m inm ax? XXn ??? 綜上所述， 本系統(tǒng) 采用 ADC0809 作為 A/D轉換器。 一、執(zhí)行器的確定 執(zhí)行器是構成 自動調節(jié)系統(tǒng)不可缺少的重要部分。從結構上來說，執(zhí)行 器一般都由執(zhí)行機構和調節(jié)機構兩部分組成。 根據(jù)執(zhí)行機構的構成使用的能源種類，執(zhí)行器可分為氣動、電動、和液動三種。電動執(zhí)行器的優(yōu)點是能源取用方便，信號傳輸速度快和傳輸距離遠；缺點是結構復雜、推力小、價格貴，適用于防 爆要求不高及缺乏氣源的場所。本系統(tǒng)選用電動執(zhí)行器作為執(zhí)行機構 [31]。按 輸出 形式來分，有 電流 輸出 形式 和 電壓輸出型 ，其中電壓輸出型又有單極性輸出和雙極性輸出兩種形式。 （ 1） 輸出形式 D/A 轉換器有兩種輸出形式，一種是電壓輸出形式，即給 D/A 轉換器輸入的是數(shù)字量，而輸出為電壓。在實際應用中，對于電流輸出的 D/A轉換器，如果要模擬電壓輸出，可在其輸出端加一個由運算放大器構成的電 路 ，將電流輸出轉換為電壓輸出。 對于 內部無鎖存器的 D/A 轉換器 ，需要在轉換器芯片的前面增加鎖存器。 （ 3）字長的選擇 D/A 轉換器輸出一般都通過功率放大器推動執(zhí)行機構。 2． 3 系統(tǒng)外部設備的 確定 所謂人機交互接口 ，是指人與計算機之間建立聯(lián)系、交換信息的輸入 /輸出設備的接口。它們是計算機應用系統(tǒng)中必不可少 部分。常用鍵盤為獨立式鍵盤和行列式鍵盤 [19][22]。在按鍵數(shù)目較多時，獨立式鍵盤電路需要較多的輸入口線且電路結構繁雜，故此種鍵盤適用于按鍵較 少或操作速度較高的場合。列線通過上拉電阻接制正電源，以使無鍵按下時列線處于高電平狀態(tài)。還有 4 4 的行、列可以構成 16個按鍵的鍵盤等等。 2． 3． 2 顯示器的選擇 為了 使操作人員及時掌握生產(chǎn)情況，在一般的微型計算機控制系統(tǒng)或智能化儀器中，都配有顯示器。在這些顯示方法中，顯示和記錄儀表能連續(xù)進行顯示和記錄。 LED 數(shù)碼管由于具有結構簡單，體積小，功耗低，響應速度快，易于匹配，壽命長，可靠性高等優(yōu)點，目前已被微型計算機控制系統(tǒng)及智能化儀表廣泛采用。CRT終端是目前微型計算機控制系統(tǒng)中最常用的顯示設備。 根據(jù)本系統(tǒng)的要求，選取 LED 顯示器。 蜂鳴音報警接口電路的設計只需購買市售的壓電式蜂鳴器，然后通過 MCS51 的一根口線經(jīng)驅動器驅 動便可發(fā)生，電路簡單，價格便宜。 13 2． 4 系統(tǒng)總體框圖 根據(jù)總體方案的確定，紙張定量自動系統(tǒng)的方框圖如圖 23 所示。主要 包括單片機最小系統(tǒng)，檢測電路，輸入通道，執(zhí)行單元，輸出通道以及鍵盤顯示電路的設計。 MCS51 系列單片機結構由七個部件組成，由一個 8 位中央處理器 CPU、 128 字節(jié)的 RAM、片內振蕩器、 4個 8 位并行 I/O 端口（ P0、 P P P3）、 1個全雙工串行 I/O 端口、 2 個 16 位定時 /記數(shù)器（ T0、 T1）以及特殊功能寄存器。 15 但輸出的低位數(shù)據(jù)必須用鎖存器鎖存。 P2 口： 8 位雙向 I/O 端口，具有輸出鎖存功能，故 無 需加鎖存器。 P3 口： 8位準雙向 I/O 端口，另外還兼有中斷，定時器 /計數(shù)器，串行通道。 （ 1） VCC（ 40 引腳）：接 +5V 電源。 時鐘引腳 2 個時鐘引腳 XTAL XTAL2 外接晶體與片內的反向放大器構成了一個振蕩器，它為單片機提供了時鐘控制信號。 （ 1） XTAL1：接外部晶體的 1個引腳。這個反向放大器構成了片內振蕩器。 （ 2） XTAL2：接外部晶體的另一端，在該引腳內部接至內部反向放大器的輸出端。 三、控制引腳： PSEN (片外取指控制 )：此輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，讀取指令期間，每個機械周期兩次 PSEN 有效，但在次期間，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 PSEN 信號將不出現(xiàn)。即使不訪問外部程序存儲器， ALE 仍以不變的頻率周期性地出現(xiàn)正脈沖信號，此頻率為頻率的 1/6。 EA（片外存儲器選擇）：對于 8031 來講當 EA 為高電平時不能工作，只有 EA為低電平時，才能訪問外部程序存儲器，正常工作。 RESET 是復位鍵，當震蕩器運行時，此引腳出現(xiàn)兩個機器周期，高電平將使單片機復位，在 Vss 掉電期間，此引腳可接設備電源，當單片機進入掉電運行方式時，由 Vpp 向內部 RAM提供備用電源，以保持內部 RAM中的數(shù)據(jù)。地址鎖存為 ALE 鎖存器可使用三態(tài)緩沖輸出的鎖存器 74LS373 或 8282，也可以使用帶清除端的鎖存器 74LS273，根據(jù)需要，本系統(tǒng)使用 74LS373。在 16 條地址線中高 8位地址（ A15～ A8） 是利用 I/O 接口 P2直接給出的，而低 8 位地址（ A7～A