太原理工大学造纸原料蒸煮过程装料微机控制系统课程设计.docx
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太原理工大学造纸原料蒸煮过程装料微机控制系统课程设计
太原理工大学造纸原料蒸煮过程装料微机控制系统课程设计（总25页）
摘要
关键词：
隧道窑、计算机、压力控制
隧道窑一般是一条长的直线形隧道，其两侧及顶部有固定的墙壁及拱顶，底部铺设的轨道上运行着窑车。
目前我国陶瓷隧道窑炉大多采用人工或简单仪表控制，要想使窑炉长期达到最佳工作状态是不可能的，造成产品合格率、一级品率一直处于较低的水平。
陶瓷隧道窑炉是由预热带、烧成带和冷却带三个部分组成，瓷件烧成温度在1320℃左右，若用人工控制这个压力场，不仅控制上有难度控制精度上的问题更大，因此，我们此处引入了计算机控制，通过采集各点的压力（两到三个点），然后通过A/D转换送入计算机与设定值进行比较，再输出并经过相应的硬件进行处理后输出到执行机构进行控制，它不仅能改善控制的精度，还能用软件代替一些硬件，大大的降低了成本，更主要的是解放了人的劳动力。
陶瓷隧道窑微机压力控制系统
目前我国陶瓷隧道窑炉大多采用人工或简单仪表控制，要想使窑炉长期达到最佳工作状态是不可能的，造成产品合格率、一级品率一直处于较低的水平。
陶瓷隧道窑炉是由预热带、烧成带和冷却带三个部分组成，瓷件烧成温度在1320℃左右，窑内温度场主要由烧成带12对喷嘴燃冷煤气产生，窑炉系统用8组风机来调节窑内的压力场。
压力控制系统将采集的各点压力值，经Ａ/Ｄ转换后与设定值进行比较，控制器输出经由Ｄ/Ａ变换，变成4～20mA形式模拟量输出给电动执行器，驱动风机调节调节挡板，从而控制排烟风机和助燃风机来调节烧成带的压力。
关键词：
8088系统、WMS-1系列绝压传感器、MC1151/3351DP差压变送器，PID算法、STD总线、多路开关
.
一.总体方案设计
1.对象的工艺过程
目前我国陶瓷隧道窑炉大多采用人工或简单仪表控制，要想使窑炉长期达到最佳工作状态是不可能的，造成产品合格率、一级品率一直处于较低的水平。
陶瓷隧道窑炉是由预热带、烧成带和冷却带三个部分组成，瓷件烧成温度在1320℃左右，窑内温度场主要由烧成带12对喷嘴燃冷煤气产生，窑炉系统用8组风机来调节窑内的压力场。
压力控制系统将采集的各点压力值，经Ａ/Ｄ转换后与设定值进行比较，控制器输出经由Ｄ/Ａ变换，变成4～20mA形式模拟量输出给电动执行器，驱动风机调节调节挡板，从而控制排烟风机和助燃风机来调节烧成带的压力。
窑压力控制示意图
2.对象分析
被控过程传递函数
是一个二阶环节，而且压力的控制对系统的输出超调量有严格的限制，控制算法采用数字PID控制,数字PID控制是应用最广，技术最成熟的一种调节方式，其控制结构简单，参数容易调整，不必求出被控对象的数学模型便可以调节。
。
3.控制系统设计要求
根据系统总体方案，系统由8088基本系统、前向通道、后向通道和人机对话通道等4个主要的功能模块组成；8088系统是整个控制系统的核心，前向通道是信息采集的通道，主要包括传感器、信号放大、A/D转换等电路，后向通道是实现控制信号输出的通道，人机对话通道主要由键盘、LED显示和打印机组成。
2.设计支持计算机工作的外围电路（EPROM、RAM、键盘、显示、通信端口等）
键盘由10个数字键和6个功能键组成。
数字键包括0、1、2、3、4、5、6、7、8、9共10个，
功能键包括A、B、C、D、E、F共6个。
其中：
A表示确认，B表示取消，C表示温度设定，D表示修改PID参数，E表示运行，F表示打印。
在此，用8255A芯片来外接键盘，其电路图如下：
显示
本控制系统的采用LCD显示，液晶模块采用长沙太阳人电子有限公司生产的SMC2004A，该模块可显示20×4个字符，电路如图所示：
脚输出LCD的选通信号，SMC2004A的总线地址分别为：
3F00（写指令）7F00H（读状态）、BF00H（写数据）、FF00H（读数据）。
用于显示温度值。
压力变送器及A/DC574A转换电路
3.设计输入输出通道（压力测量、控制输出电路等）；
陶瓷隧道窑炉中压力通过传感器变换为微弱电压信号再经变送器转换为4-20ma电压信号，A/D转换器，内部有一个带有采样保持器8通道的12位A/D转换器，由于本设计中有12个通道的值要送A/D转换，所以需外接多路开关，多路开关选用16通道的CD4067，分时地将12组模拟量送A/D转换器，实现数据的采集，输出通道有12组输出，单片机数据处理后送出数字量经D/A转换器DAC8830芯片，转换为模拟量再经过16通道的CD4067多路分配器输出经变送器变为4-20mA标准信号再通过电动调节阀来控制阀位的开度，以达到控制压力的目的。
4.所选用传感器、变送器及执行器的类型、型号及量程范围
传感器部分
出处：
西安微敏仪器仪表有限公司
选择原则：
窑内温度高。
需用耐高温的传感器稳定性好、可靠性高、抗干扰能力强、体积小、性价比高。
WMS-1系列绝压变送器采样瑞士高精度传感器做压力采集单元，再经线性处理、一体化温度补偿、低通滤波、抗干扰处理及放大量化，最小量程可到5KPA，实现在接近真空测量时仪器仍有很高的灵敏度,在真空测量和控制方面具有很高的优势。
稳定性好、可靠性高、抗干扰能力强、体积小、性价比高等优点。
特 点
温度补偿、精度高
稳定性好、寿命长
电源自稳定技术
自动恢复技术
过压、过流自动保护
应 用
航空航天、科研教学
医疗器械、化工试验
液压气动、油田
城市供水能源及自动化设备配套等
技术指标
测量介质：
与1Cr18Ni9Ti不锈钢兼容的气体或液体
测量范围：
5KPa～100MPa
零点输出：
0～2mv（传感器）
输出信号：
4～20mA、0～5V、1～5、50～100mv（传感器），可定做
精度等级：
级、级、级
稳定性：
%FS/年、最大值%FS/年
供电电源：
15～36VDC
适用温区：
-20～85℃
接口螺纹：
（亦可定做）
防爆等级：
ExiallBT6
防护等级：
IP65
变送器部分
选择原则：
耐高温。
精度高。
出处：
山东淄博西创测控技术开发有限公司
MC1151/3351DP差压变送器的关键原材料、元器件和零部件均源自进口或合资生产，整机经过严格组装和测试。
该产品具有设计原理先进、品种规格齐全、安装使用简便等特点。
由于该机型外观上完全融合了目前国内最为流行，并被广泛使用的两种变送器（罗斯蒙特3051与横河EJA）的结构优点，让使用者有耳目一新的感觉，并具有很强的通用性和替代能力。
为适合国内自动化水平的不断提高和发展，该系列产品除设计小巧精致外，更推出具有HART现场总线协议的智能化功能。
产品特点：
超级的测量性能，用于压力、差压、液位、流量测量
精度高：
数字精度+（-）%；模拟精度+（-）%~+（-）%
量程、零点外部连续可调，量程比100：
1
正迁移可达500%、负迁移可达600%
稳定性能好，稳定性：
%60个月
耐过压
固体传感器设计
全系列统一结构、互换性强
接触介质的膜片材料可选
低压浇铸铝合金壳体
测量速率：
小型化（）全不锈钢法兰，易于安装
过程连接与其它产品兼容，实现最佳测量
采用16位计算机的智能变送器
标准4-20mA，带有基于HART协议的数字信号，远程操控
支持向现场总线与基于现场控制的技术的升级
技术参数
使用对象：
液体、气体;和蒸汽
供电电压：
12～36VDC，标准值24VDC；
输出信号：
4～20mADC；（特殊可为四线制220VAC供电0-10mADC输出）
环境温度：
－25～70℃（一般变送器），－15～70℃（带现场指示器）
测量温度：
-40-104℃，法兰灌充硅油-40-104℃，灌充高温硅油15-315℃
储藏温度：
－40～100℃；
相对温度：
0-100%RH
防护等级：
dⅡBT4，iaⅡCT5；
电源影响：
小于输出范围的±%/V；
振动影响：
在任何方向上振动200Hz，引起的误差为最大范围的%／g（微差压为%／g）；
安装位置影响：
当工作膜片未垂直安装时，可能产生不大于的零位误差，误差可通过调整零位来消除，对量程无影响；
稳定性：
六个月内不超过变送器的精度；
指示器：
线性指示0～100%；3-1/2位LCD液晶显示
量程和零位：
外部连续可调
正负迁移：
最大正迁移量为500%，最大负迁移量为600%
材料：
隔离膜片：
316L不锈钢，哈式合金-C，蒙耐尔合金，钽
排气/排液阀：
316L不锈钢，哈式合金-C，蒙耐尔合金
法兰和接头：
316L不锈钢，哈式合金-C，蒙耐尔合金
"O"型圈：
氟橡胶
灌充液：
硅油惰性油
螺栓：
316L不锈钢
电子壳体：
低铜铝合金
电动调节阀
选用原则：
具有状态设定功能，断信号后自动进入设定状态（开启、保持原位、关闭）。
在运行过程中，遇到断电，具有自锁功能，保持其原位。
行程零位及满位、死区、反馈零位及满位调整方便。
出处：
朝凯阀门公司
选用3610系列电子式电动调节阀其主要特点：
1.伺服控制器和执行器合二为一，集机电于一体，控制精度高，可构成高品质的调节系统。
2.伺服控制器功能多，高度集成化，可靠性高，操作简便。
3.具有选择功能：
控制信号：
DCO～10mA/DC4～20mA.动作方向：
正作用/反作用。
4.位置检测采用高可靠性器件，并有间隙补偿装置，通过发送器可输出DCO-10MA、DC4-20MA阀位信号。
具有自诊断及处理和指示功能。
5.具有状态设定功能，断信号后自动进入设定状态（开启、保持原位、关闭）。
6.在运行过程中，遇到断电，具有自锁功能，保持其原位。
7.行程零位及满位、死区、反馈零位及满位调整方便。
型号
量程范围
传感器
WMS-1
压力5KPa～100MPa
变送器
MC1151/3351DP
输出4mA～20mA
执行器
3610系列
输入4mA～20mA
三．数字控制器的设计
被控过程传递函数：
是一个二阶延迟环节。
算法采用数字PID控制,数字PID控制是应用最广，技术最成熟的一种调节方式，其控制结构简单，参数容易调整，不必求出被控对象的数学模型便可以调节。
PID调节的实质就是根据输入偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用以输出控制。
增量型PID表达式为：
u（k）=u（k-1）+Kp[e（k）-e（k-1）]+KIe（k）+KD[e（k）-2e（k-1）+e（k-2）]
离散的PID表达式为：
P（k）=P（k-1）+Kp[E（k）-E（k-1）]+KIE（k）+KD[E（k）-2E（k-1）+E（k-2）]
式中：
T：
采样周期
E（k）：
第K次采样时的偏差值
E（k-1）：
第K-1次采样时的偏差值
E（k-2）：
第K-2次采样时的偏差值
K：
采样序号：
K=0，1，2……
P（k）：
第K次采样时调节器的输出
Kp：
比例系数
TI为积分时间系数
TD为微分时间系数
KI：
积分系数,KI=Kp×T／TI
KD：
微分系数,KD=Kp×TD／T
在本系统中当压力高于给定值，调节阀应该关小，以降低压力，为达到这种控制效果，控制控制器必须彩反作用控制，这时输入E（k）=R（k）-C（k）。
对于PID控制器,当偏差值输出较大时,输出值会很大,可能导致系统不稳定,所以在实际中,需要对调节器的输出限幅。
四、控制算法仿真
系统仿真结构框图
示波器仿真图
系统输出响应曲线
仿真计算过程
设置PID参数初值：
Kp=；
ki=；
kd=；
仿真后的PID参数值
Kp=；
ki=；
kd=；
四．软件的设计
1.系统程序框图
2.数字调节器软件模块
floatDalin（floatM,floatR）
{
inti;
floatu;字滤波程序模块
FARIFTPORCNEAR
MOVCX,N
DECCX
MOVSI,0
MOVDX,0
MOVAX,SAMP[SI]
LOOP1:
ADDAX,SAMP[SI+2]
JNCNEXT
INCDX
NEXT:
INCSI
INCSI
LOOPLOOP1
MOVCX,N
DIVCX
MOVRESULT,AX
FARIFTENDP
4.输出控制程序模块
voidDataOut（unsignedcharnValue）
{
inti;
intj;
for（i=0;i<8;i++）
{
if（（nValue&0x01）==1）
{
P1OUT|=BIT0;他程序模块程序:
PID算式程序
PID:
MOVAX,SPEC
SUBAX,YK
MOVR0,AX
MOVR1,AX
SUBAX,EK_1
MOVR2,AX
SUBAX,AEK_1
MOVBEK,AX
MOVR8,AX
MOVAX,R1
MOVEK_1,AX
MOVAX,R2
MOVAEK_1,AX
TESTR1,8000H
JZEK1
NEGR1
EK1:
MOVAX,R1
SUBAX,TBAND
JCI1
MOVR3,00H
JMPDDD
I1:
MOVAL,TS
MOVAH,00H
MOVCX,R1
MULCX
MOVCX,KI1
DIVCX
MOVR3,AX
TESTR0,8000H
JZDDD
NEGR3
DDD:
TESTBEK,8000H
JZDDD1
NEGBEK
DDD1:
MOVAX,BEK
MOVCX,KDD
MULCX
PUSHAX
PUSHDX
MOVAL,TS
MOVAH,00H
MOVCX,0008H
MULCX
MOVCX,AX
POPDX
POPAX
DIVCX
MOVR4,AX
TESTR8,8000H
JZDD1
NEGR4
DD1:
MOVAX,R3
ADDAX,R4
MOVR5,AX
J0L9
L2:
MOVAX,R5
ADDAX,R2
MOVR6,AX
J0L3
L5:
MOVAX,R6
MOVCX,KPP
IMULCX
MOVCX,1000H
IDIVCX
MOVCX,AX
RCLAH,01H
PUSHF
RCRAL,01H
POPF
JCLLL1
CMPCH,00H
JZLLL2
MOVAL,7FH
JMPLLL2
LLL1:
CMPCH,0FFH
JZLLL2
MOVAL,80H
LLL2:
MOVR7,AL
ADDAL,CK_1
J0L8
L18:
MOVCK_1,AL
ADDAL,80H
MOVCK,AL
RET
越限报警程序
ALARMCPROCNEAR；越限报警子程序
MOVDX,PORTCNL；设置8255A为基本I/O方式
MOVAL,80H
OUTDX,AL
MOVYFCNB,0；报警及复位处理次数计数单元清零
MOVBH,FLAG；保护报警标志状态
MOVAX,SAMP；取测量值
CMPAX,ALADEG；越上限？
JABRAN1；越上限，转BRAN1
CMPAX,ALADEG+2；复上限？
JNBDONE；未复上限，返回主程序
SHRBH,1；已复上限
JCBRAN2；越上限报警标志位已置位，转BRAN2
CMPAX,ALADEG+4；越下限？
JNBBRAN3；越下限，转BRAN3
CMPAX,ALADEG+6；复下限？
JNADONE；未复下限，返回主程序
SHRBH,1
SHRBH,1
JNCDONE；越下限标志位未置位，返回主程序
ANDFLAG,0FDH；已置位，清除
JMPBRAN4
BRAN1：
SHRBH,1
JCDONE；越上限标志位已置位，转DONE
ORFLAG,01H；置越上限标志位
MOVAL,81H；输出报警类型
DECDX
DECDX
OUTDX,AL
JMPBRAN4
BRAN2：
ANDFLAG,0FEH；清除超上限报警标志位
JMPDONE
BRAN3：
SHRBH,1；越下限报警标志位
SHRBH,1
JCDONE；已置位，转DONE
ORFLAG,02H；越下限报警标志位置位
MOVAL,82H；输出报警模型
DECDX
DECDX
OUTDX,AL
BRAN4：
INCBYTEPTRYFCNB；记录调整次数
DONE：
RET
ALARMCENDP
五．主要结论
通过本次的课程设计，我受益匪浅。
不用说在其中学到的新知识是多么有价值，也不用说它拓宽了多少我的眼界，只是说它让我的能力得到的提高就已足以成为我努力付出的回报。
课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。
下面我对课程设计的过程做一下简单的总结。
通过这次设计，我们对数字电路设计和单片机有了一定的认识，对以前学的数字电路又有了一定的新认识，温习了以前学的知识，就像人们常说的温故而知新嘛，但在设计的过程中，遇到了很多的问题，有一些知识都已经不太清楚了，但是通过一些资料又重新的温习了一下数字电路部分及单片机方面的内容。
在这次比赛中也使我们的同学关系更进一步了，队友之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢我的队友，我从他们身上学到了很多东西。
希望以后有更多这样锻炼的机会。
六.参考文献
【1】潘新民、王燕芳.微型计算机控制技术.北京:
高等教育出版社,
【2】周泽魁.控制仪表与计算机控制装置.北京:
化学工业出版社,
【3】徐科军.传感器与检测技术.北京:
电子工业出版社,
【4】于海生计算机控制技术北京:
机械工业出版社
七，附录
1.程序方框图
2.电路原理图
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