造纸原料蒸煮过程装料微机控制

1、微型计算机控制技术课程设计造纸原料蒸煮过程装料微机控制系统设计报告学 院：信息工程学院专 业：自动化班 级：1204班学生姓名：徐飞煜学 号：2012001393设计时间：2015.06.292015.07.03成 绩：微机原理课程设计造纸原料蒸煮过程装料微机控制系统摘 要本文对造纸原料蒸煮过程装料微机控制系统进行了研究，说明了造纸原料蒸煮过程装料微机控制系统实现所需要的步骤。蒸煮过程是制浆造纸生产中的关键工序之一，对于整个造纸生产过程中纸浆得率和纸的质量有很大影响。它要求根据原料的特点、纸浆的质量和生产设备的实际情况制定出合理的蒸煮工艺，确定装球量、用碱量、蒸煮温度和压力。硬件的选择，软件的

2、设计，能够基本实现造纸原料蒸煮过程装料。过程中使用了MCS-51系列的8051单片机作为中央处理器，差压流量变送器，A/D转换器,D/A转换器。A/D转换使用的是ADC0809，D/A转换使用的是DAC0832。本系统采用非编码行列式键盘，LED显示块使用七段LED。本设计中为流量测量，则使用差压式流量测量。执行机构选择智能式电动执行机构。系统程序用C语言编写，达到对系统的控制。关键词：造纸原料、蒸煮、计算机、温度控制Design for Temperature Control System of Resistance FurnaceAbstract This article fed the

3、microcomputer control system to the papermaking raw material steam boiling process to conduct the research.Explained the apermaking raw material steam boiling process feeds the step which the microcomputer control system realization needs.The steam boiling process is one of in system thick liquid pa

4、permaking production essential working procedures.The paper pulp rate and the paper quality have the very tremendous influence regarding the entire papermaking production process in.It requests according to raw material characteristic, the paper pulp quality and the production equipment actual situa

5、tion formulates the reasonable steam boiling craft, determined installs the ball quantity, with the alkali quantity, steams the temperature and the pressure.The hardware choice, the software design, can realize the papermaking raw material steam boiling process to feed basically.In the process used

6、the MCS-51 series 8051 monolithic integrated circuits to take the central processor, the difference pressed the current capacity transmitting instrument, the A/D switch, the D/A switch.The A/D transformation use is ADC0809, D/A transforms the use is DAC0832.This system uses the non-code determinant

7、keyboard, LED demonstrated the block uses seven section of LED.In this design is the flow measurement, then use differential pressure type flow measurement.Implementing agency choice intelligence type electrically operated implementing agency.The system program with the C language compilation, achie

8、ves to the system the control.目 录摘 要- 2 -Abstract- 3 -第一章控制系统原理- 5 -1.1工艺描述- 5 -1.2控制要求- 5 -1.3 要求实现系统基本功能- 6 -1.4 传感器选择- 6 -1.5执行机构的选择- 8 -1.6差压变送器- 8 -第二章详细设计- 9 -2.1 硬件设计- 9 -2.1.1 选择计算机机型与现场总线- 9 -2.1.2 流量变送及A/D电路- 9 -2.1.3 D/A转换及隔离输出电路- 11 -2.1.4 键盘显示接口与设计- 12 -（1）键盘选择- 12 -（2）LED显示器- 13 -（3）键盘

9、接口电路- 14 -2.2 软件设计- 15 -2.2.1 系统主程序流程图- 15 -2.2.2 编写数字调节器软件模块；- 16 -2.2.3 编写A/D转换器处理程序模块；- 17 -2.2.4 编写输出控制程序模块；- 19 -第三章系统调试- 21 -3.1 差压式流量变送器量程调整- 21 -3.2 给定参数设定- 21 -3.3 采样周期的调整- 21 -3.4 PID参数的整定- 21 -第四章数字控制器的设计- 22 -第五章总结和感想- 23 -参考文献- 23 -附录24系统电路图24关键程序代码27第一章 控制系统原理1.1工艺描述蒸煮过程是制浆造纸生产中的关键工序之一

10、，对于整个造纸生产过程中纸浆得率和纸的质量有很大影响。它要求根据原料的特点、纸浆的质量和生产设备的实际情况制定出合理的蒸煮工艺，确定装球量、用碱量、蒸煮温度和压力。造纸厂蒸煮车间有五个蒸球，依靠调节其进气量以达到控制蒸球工作压力和温度，调节喷料阀控制装料量。人工控制准确性和实时性差，浪费能源。因此需要用微机控制技术实现该过程的自动控制。图1装料控制系统示意图被控参数：保证每个蒸球内的碱液浓度恒定，即碱液与水的流量比值为60:40。所以被控参数为流量比值1.5。1.2控制要求保证每个蒸球内的碱液浓度恒定，即碱液与水的流量比值为60:40。蒸球的实际工作压力准确跟踪给定压力曲线，允许偏差为

11、7;0.01Mpa。典型的蒸煮过程工艺压力曲线如图所示。P1低压保压值，P2高压保压值，T1空转时间，T2升低压时间，T3低压保压时间，T4升高压时间，T5高压保压时间被控过程传递函数1.3 要求实现系统基本功能 微机自动调节：正常工况下，系统投入自动。 模拟手动操作：当系统发生异常，投入手动控制。 微机监控功能：显示当前被控量的设定值、实际值，控制量的输出值，参数报警时有灯光报警。1.4 传感器选择本设计中为流量测量，常用的流量测量方法有：差压式流量测量，电磁式流量测量，涡轮式流量测量，涡街式流量测量，超声式流量测量和质量流量测量。差压式流量计是一类历史悠久，技术成熟，应用最广泛的流量计。差

12、压式流量计按其检测件的作用原理，可分为节流式，动压头式，水力阻力式，李新事，动压增益式和射流式等几大类，其中以节流式和动压头式应用最为广泛，节流式的特点是：结构简单，使用寿命长，适应能力强，几乎能测量各种工况下的流量。差压流量计的测量原理是利用节流件前后的差压与流速之间的关系，通过差压值获得流体的流速，也称差压流量检测法。差压式流量计的参数：产品名称差压式流量传感器功能洁净的气、液体及蒸汽的流量测量工作原理利用节流件前、后压差与流量（流速）成平方根关系来测量规格名称说明常见参数管径501200mm测量范围5×1031×108m3/h工作压力2.520MPa工作温度500精

13、度0.6%1.5%最低雷诺数流体惯性力与粘性力之比> 2×105m2/s范围度最大流量与最小流量的比值3:1压力损失50020000PaTG21-E型液位差计是依据回波测距原理来测量换能器表面到被测物体表面的距离。两个超声波换能器分别测量上下游的液位高度，仪表显示两个液位及液位差，两路420mA可任意设置为液位或液位差输出，两路编程继电器可控制复杂逻辑。1.5 执行机构的选择执行器的选用是否得当 ，将直接影响控制系统的控制质量、安全性和可靠性，因此，必须根据工况特点、生产工艺及自动控制系统的要求等多方面的因素，综合考虑，正确选用。执行器的选择主要从以下三方面考虑：a执行器的结构

14、形式；b调节阀的流量特性c调节阀的口径。其中执行机构的选择尤为重要。执行机构包括气动、电动和液动三大类，而液动执行机构使用甚少，气动执行机构中使用最广的是气动薄膜执行机构，因此执行的选择主要是指气动薄膜执行机构和电动执行机构的选择。执行机构的选择一方面要与控制算法匹配，另一方面要根据被控对象的实际情况决定。根据实际使用要求，结合两种执行机构的特点本设计选用智能式电动执行机构。智能式电动执行机构不仅具有定位精度高，响应速度快，非接触式检测等优点，而且具有通讯、故障诊断和处理功能。1.6 差压变送器差压变送器用来将差压，流量，液位等被测参数转变为标准统一信号或数字信号，以实现对这些信号的自动控制。

15、差压变送器主要有：膜盒式差压变送器，电容式差压变送器，扩散硅式差压变送器，振先式差压变送器和电感式差压式变送器。本设计采用膜盒式差压式变送器。第二章 详细设计2.1 硬件设计2.1.1 选择计算机机型与现场总线MCS-51系列单片机是8位增强型，其主要的技术特征是为单片机配置了完善的外部并行总线和具有多级识别功能的串行通讯接口（UART），规范了功能单元的SFR控制模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统。由于单片机具有较高的性能比，国内尤以MCS-51系列单片机应用最广，易于开发、使用灵活、而且体积小、易于开发、抗干扰能力强，可以工作于各种恶劣的条件下，工作稳定等特点。设计本着应用性，因

16、此选择MCS-51系列的8051单片机作为中央处理器，如图1所示。 8051片内有4KB程序存储器和128字节的数据存储器，片内RAM和ROM最多可以扩展64K字节数据和程序存储器空间。采用8051的最小系统作为中央处理器，再加上必要的外围电路，形成自动控制电路。 8051的内部资源如下：l 一个8位CPUl 4KB的程序存储器，采用ROM或EPROMl 128字节RAM数据存储器l 21个特殊功能寄存器（SFR）l 两个16位定时器/计数器l 可寻址64K外部数据存储器和64K外部程序存储空间的控制电路l 4个8位并行口，其中P0、P2、P3是复用口l 一个可编程全双工串行口l 具有五个中断

17、源，两个优先级嵌套中断结构l 时钟频率：1.2MHZ12MHZl 一个片内振荡器及时钟电路2.1.2 流量变送及A/D电路电路如图所示：模拟量输入通道的组成：A/D转换器的设计：ADC0809是带有8为A/D转换器、8路多路开关以及与微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS组件，其转换方法是逐次逼近型。采用双列直插式封装，共有28条引脚。其内部有一个8位“三态输出锁存器”可以锁存A/D转换后的数字量，故它本身既可看作一种输入设备，也可以认为是并行I/O接口芯片。流量变送器与A/D转换器ADC0809技术指标:单一电源,+5V供电,模拟量输入范围为0-5V分辨率为8位最大不可调误差:ADC0808&l

18、t;±1/2LSB ADC0809<±1LSB功耗为15mW转换速度取决于芯片的时钟频率。2.1.3 D/A转换及隔离输出电路DAC0832数/模转换器的内部，具有两极输入数据缓冲器和一个R-2R T型电阻网络。即包括一个数据寄存器、DAC 寄存器和D/A转换器三大部分。数据寄存器和DAC 寄存器实现两次缓冲，故在输出的同时，还可以接收一个数据，提高了转换速度。当多芯片工作时，可用同步信号实现各模拟量的同时输出。 该器件采用先进的CMOS工艺，功耗低，输出漏电流误差小，主要特性有：输出电流线性度可在满量程下调节；转换时间为1s；数据输入可采用双缓冲、单缓冲或直通方式；

19、增益温度补偿为0.02%FS/；每次输入数字为8 为二进数；功耗为20mW；逻辑电平与TTL 兼容；单一电源供电，可在515V 内。DAC0832 可工作在单，双缓冲器方式。单缓冲器方式即输入寄存器的信号和DAC 寄存器的信号同时控制，使一个数据直接写入DAC 寄存器。 这种方式适用于只有一路模拟量输出或几路模拟量不需要同步输出的系统； 双缓冲器方式即输入寄存器的信号和DAC 寄存器的信号分开控制， 这种方式适用于几路模拟量需要同步输出的系统。为了提高转换精度，可增加D/A转换器的位数。DAC0832接口电路：DAC0832内部结构及引脚2.1.4 键盘显示接口与设计（1）键盘选择本系统采用非

20、编码行列式键盘，即用I/O口线组成行列式结构，按键设置在行列的交点上。在按键数较多时，可节省I/O口线。该键盘采用的工作方式为编程扫描工作方式，它是利用CPU在完成其他工作的空余，调用键盘扫描子程序，来响应键输入要求。在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求。编程扫描工作方式只有在CPU空闲时才调用键盘扫描子程序。键盘采用的扫描法扫描方式，扫描法是在判定有键按下后逐行（或列）置低电平，同时读入行（或列）状态，如果行（或列）状态出现非全1状态，这时0状态的行、列交点的键就是所按下的键。（2）LED显示器LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件，常使用七段LED。这种显示块有共阴极与共阳极

21、两种接法。N位LED显示器有N根位选线和8×N根段选线。根据显示方式不同，位选线与段选线的连接方法不同。段选线控制字符选择，位选线控制显示器的亮暗。LED显示方式有静态显示方式（因其占用 I/O资源较多，故在位数较多时不采用）和动态显示方式，如八位LED动态显示电路只需要两个8位I/O口。其中一个控制段选码，另一个控制位选码。由于所有位的段选码皆由一个I/O控制，因此，在每个瞬间，八位LED只可能显示相同的字符，必须采用扫描显示方式。即在每一瞬间只使某一位显示相应字符。在此瞬间，段选控制I/O口输出相应字符段选码，位选控制I/O口在该显示位送入选通电平以保证该位显示相应字符。如此轮流

22、，使每位显示该位应显示字符，并保持延时一段时间，以造成视觉暂留效果。段选、位选码每送一次后延时15ms。 LED数码管显示接口电路（3）键盘接口电路2.2 软件设计2.2.1 系统主程序流程图2.2.2 编写数字调节器软件模块；主程序#inclde<reg51.h>#include<stdio.h>#inciude<display.h>#include<adc.h>#incldue<dac.h>Uart_Init ();xdata float sr1;xdata float sr2;xdata float K;xdata float

23、R=1.5;xdata float E1=0;xdata float E2;xdata float U1=0;xdata float U2;main ()Uart_Init ();uint i;for(i=0;i+)adc ();sr1=cdigtaldata0;sr2= cdigtaldata1;if (K>1.8)P3.1=0;else if (K<1.2)P3.0=0;display ();E2=R-K;U2=10*(E2-E1)+0.9*U1;dac (U1);2.2.3 编写A/D转换器处理程序模块； A/D转换程序 #include<stdio.h>#def

24、ine ADC0809CH0 0XD7FF8#define ADC0809CH1 0XD7FF9#define unsigned char#define unsigned intxdata uint cchannelindex;xdata uint cdigitaldata2=0;xdata uint ncrrentaddr;sbit P26=0XA6;sbit P25=0XA5;sbit P24=0XA4;sbit P32=0XB2;sbit P33=0XB3;xdata int ncounter=0;viod selectchannel (uint c0809addr,uchar s080

25、9data);uchar getresult ();viod Delay();adc () Uart_Init (); TH0=0x3C;TL0=0xAF;ET0=1;EA=1;TF0=0;TR0=1;while(1);void timer_overflow (0 interrupt 1 using 0TH0=0x3C;TL0=0XAF;If(ncounter=40)ncounter=0;P0=0XFF;P1=0XFF;P2=0XFF;P3=0XFF;EX0=1;EA=1;cchannelindex=0;ncurrentaddr=ADC0809CH0;selectchannel (ADC080

26、9CH0,cchannelindex);Delay ();cchannelindex+;ncurrentaddr=ADC0809CH1;selectchannel (ADC0809CH1,cchannelindex);Delay ();while(1);ncounter+;Uart_Init ()SCON=0X52;TMOD=0X21;TCON=0X69;TH1=0Xf3;void Delay ()uint i;for(i=0;i<200;i+);void seleclchannel (uint c0809addr,uchar c0809data)*(uchar xdata*) c080

27、9addr)=c0809data;void int0 () interrupt 0using 0cdigitaldatacchannelindex=getresult();uchar getresult()uchar cresult;cresut=*(uchar xdata*) ncurrentaddr);Uart_Init ()SCON=0X52;TMOD=0X21;TCON=0X69;TH1=0Xf3;2.2.4 编写输出控制程序模块；D/A 转换子程序#include<stdio.h>#define DAC0832addr 0X9FFF#define uchar unsign

28、ed char#define uint unsigned intsbit P26=0XA6;sbit P27=0XA7;viod transformdata (uchar c0832data);void Delay();dac (uchar cdigital)Uart_Init ();P0=0XFF;P1=0XFF;P2=0XFF;P3=0XFF;Delay();while(1)Transformdata(cdigital);Delay ();viod transformdata (uchar c0832data);*(uchar xdata *)DAC0832addr)=c0832data;

29、Uart_Init ()SCON=0X52;TMOD=0X21;TCON=0X69;TH1=0Xf3;void Delay ()uint i;for(i=0;i<200;i+);第三章 系统调试3.1 差压式流量变送器量程调整查阅差压式流量变送器的使用说明书，将其量程调整为01×108m3/hMPa。3.2 给定参数设定根据实工作需要，将源程序中“#define”定义的几个变量PP1、PP2、TT1、TT2、TT3、TT4、TT5的值加以修改。修改后的程序经编译，连接后将得到的目标代码通过ISP接口下载到单片机内部。3.3 采样周期的调整由香浓定时可知，当采样频率的上限为fs2

30、fmax时，系统可真实地恢复到原来的连续信号。从理论上讲，采样频率越高，失真越小，但从控制器本身而言，大都是依靠偏差信号 E（k）进行调节计算的。当采样周期T太小时，E(k)也会过小，此时计算机将会失去调节作用，采样周期T过长又会引起误差，因此采样周期必需进行综合考虑。采样周期的选择方法有多种，在本系统中采用经验法，根据经验，压力信号的采样周期一般为3-10s比较合适，可在其中选取一个采样周期送进控制系统中进行试验。根据实际控制效果反复修改T值。直到满意为止。采样周期T的设定方法同上。3.4 PID参数的整定PID参数整定的方法同样有许多种，此处采用优选法。其具体作法是根据经验，先把其他参数固

31、定，然后用0.618法对其中某一参数进行优选，直到把所有的参数选定完毕为止。最后根据T、Kp、KI、KD诸参数优选的结果取一组最佳值即可。PID参数在程序中的设定方式同上。第四章 数字控制器的设计 直接数字控制是根据采样理论，首先将被控对象的数学模型进行离散，然后由计算机根据离散化的数学模型进行控制。这种方法针对性强，调节品质好，可以从被控对象的实际出发。最少拍随动系统的设计如下：本设计采用最小拍随动系统数字控制器因为所以 （T=0.5s）所以 （ 式1-1）由式1-1知，该数字控制器为最少拍无波纹随动系统控制。假设输入为单位阶跃，取，所以又取采样周期T=0.5s，得 （式1-2）从而有 由差分方程得控制器输出为：（式1-3）最少拍随动系统的误差为：其中分为：1) 碱液设定值与实际输出碱液之差 2)水设定值与实际输出水之差因为=1.5所以 为第k次采样时实际输出碱液或实际输出水第五章 总结和感想通过这次课程设计，我把学到的知识与实际理论结合起来，使理论知识应用于实际中。本设计为造纸原料蒸煮过程装料微型机控制系统，利用传感