造纸原料蒸煮过程温度微机控制系统.docx
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造纸原料蒸煮过程温度微机控制系统
太原理工大学现代科技学院
计算机控制技术课程设计
设计名称造纸原料蒸煮过程温度微机控制系统
专业班级
学号
姓名
指导教师
……………………………………装………………………………………订…………………………………………线………………………………………
专业班级学号姓名成绩
课程设计任务书.........................................................................................................................................................3
太原理工大学现代科技学院
专业班级
学生姓名
课程名称
计算机控制技术
设计名称
造纸原料蒸煮过程温度微机控制系统
设计周数
1
指导教师
设计
任务
主要
设计
参数
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。
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。
保证蒸球的实际工作温度准确跟踪给定温度曲线，允许偏差为±1℃。
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。
详细内容见附页
设计内容
设计要求
一、总体方案设计
二、硬件的设计和实现
三、数字控制器设计
四、控制算法仿真
五、软件设计
六、编写课程设计说明书，绘制完整的系统电路图（A3幅面）。
详细内容见附页
主要参考
资料
[1]潘新民，王燕芳.计算机控制技术.电子工业出版社,2011
[2]刘宝坤.计算机过程控制系统.机械工业出版社,2005
[3]刘焕彬.制浆造纸过程自动测量与控制（第二版）.中国轻工业出版社,2009
[4]何衍庆.工业生产过程控制.化学工业出版社,2010
学生提交
归档文件
（1）课程设计报告
（2）设计电路原理图
课程设计任务书
注：
1.课程设计完成后，学生提交的归档文件应按照：
封面—任务书—说明书—图纸的顺序进行装订上交（大张图纸不必装订）
2.可根据实际内容需要续表，但应保持原格式不变。
指导教师签名：
日期：
2013年06月20日
造纸原料蒸煮过程温度微机控制系统
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。
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。
温度控制系统示意图
控制要求
保证蒸球的实际工作温度准确跟踪给定温度曲线，允许偏差为±1℃。
典型的蒸煮过程工艺温度曲线如图所示。
被控过程传递函数：
要求实现系统基本功能
1微机自动调节：
正常工况下，系统投入自动。
2模拟手动操作：
当系统发生异常，投入手动控制。
3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。
硬件设计
传感器选择
本设计中为温度量测。
温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。
温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。
按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。
温度计的检测元件和变送器的类型选择与被控温度及进度等级有关。
镍鉻/镍铝热电偶适用于0~1000摄氏度的温度测量范围，相应输出电压为0~41.32mV。
变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成：
毫伏变送器用于把热电偶输出的0~41.32mV变换成0~10mA范围内的电流；电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的0~10mA电流变换成0~5V范围内的电压。
为了提高测量精度，变送器可以进行零点迁移。
例如，若温度测量范围为0~300摄氏度，则热电偶输出为0~12.396mV，毫伏变送器零点迁移后输出0~10mA范围的电流。
这样，采用8位A/D转换器就可以量化温度误差达到正负2.34摄氏度以内。
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。
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：
●一个8位CPU
●4KB的程序存储器，采用ROM或EPROM
●128字节RAM数据存储器
●21个特殊功能寄存器（SFR）
●两个16位定时器/计数器
●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
●4个8位并行口，其中P0、P2、P3是复用口
●一个可编程全双工串行口
●具有五个中断源，两个优先级嵌套中断结构
●时钟频率：
1.2MHZ～12MHZ
●一个片内振荡器及时钟电路
温度变送及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<±1/2LSB
ADC0809<±1LSB
功耗为15mW
转换速度取决于芯片的时钟频率。
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-2RT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1μs；数据输入可采用双缓冲、单缓冲或直通方式；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5～15V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
键盘显示接口与设计
键盘选择
本系统采用非编码行列式键盘，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。
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，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1～5ms。
LED数码管显示接口电路
（3）键盘接口电路如下：
软件设计
系统流程图
内存地址分配
数字控制器
本设计采用系统数字控制器
因为
所以
（T=0.5s）
所以
（式1-1）
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
系统的建模和仿真
此系统经过建模仿真得到的图形为
附录1
系统电路图
附录2
程序清单
主程序
ORG0400H
DISM0DATA78H
DISM1DATA79H
DISM2DATA7AH
DISM3DATA7BH
DISM4DATA7CH
DISM5DATA7DH
MOVSP,#50H;50H送SP
CLR5EH;清本次越限标志
CLR5FH;清上次越限标志
CLRA;清累加器A
MOV2FH,A;
MOV30H,A;
MOV3BH,A;
MOV3CH,A;
MOV3DH,A;清暂存单元
MOV3EH,A;
MOV44H,A;
MOVDISM0,A;
MOVDISM1,A;
MOVDISM2,A;
MOVDISM3,A;清显示缓冲区
MOVDISM4,A;
MOVDISM5,A;
MOVTMOD,#56H；设T0为计数器方式2，T1为方式1
MOVTL0,#06H；
MOVTH0,06H；T0赋初值
CLRPT0；令T0为低中断优先级
SETBTR0；启动T0工作
SETBET0；允许T0中断
SETBEA；开CPU中断
LOOP:
ACALLDISPLY；调用显示程序
ACALLSCAN；调用扫描程序
AJMPLOOP；等待中断
T0中断服务程序
ORG000BH
AJMPCT0
ORG0100H
CT0:
PUSHACC；
PUSHDPL；保护现场
PUSHDPH；
SETBD5H；置标志
ACALLSAMP；调用采样子程序
ACALLFILTER；调用数字滤波程序
CJNEA,42H,TPL；若Ui（k）不等于Umax，则TPL
WL:
MOVC,5EH；
MOV5FH,C；5EH送5FH
CLR5EH；清5EH单元
ACALLUPL；转上限处理程序
POPDPH
POPDPL
POPACC
RETI；中断返回
TPL:
JNCTPL1；若Ui（k）大等Umax，则TPL1
CLR5FH；清上次越限标志
CJNEA,43H,MTPL；若Ui（k）不等于Umin，则MTPL
HAT:
SETBP1.1；若温度不越限则令绿灯亮
ACALLPID；调用计算PID子程序
MOVA,2FH；PID值送A
CPLA；
INCA；对PID值求补，作为TL1值
NM:
SETBP1.3；令p1.3输出高电平脉冲
MOVTL1,A；
MOVTH1,#0FFH；T1赋初值
SETBPT1；T1高优先级中断
SETBTR1；启动T1
SETBET1；允许T1中断
ACALLTRAST；调用标度转换程序
LOOP:
ACALLDISPLY；显示温度
JBD5H,LOOP；等待T1中断
POPDPH；
POPDPL；恢复现场
POPACC；
RETI；中断返回
MTPL:
JNCHAT；若Ui（k）大于Umin，则HAT
SETBP1.0；否则越下限声光报警
MOVA,45H；取PID最大值输出
CPLA；
INCA；对PID值求补，作为TL1
AJMPNM；转NM执行
TPL1:
SETB5EH；若Ui（k）大于Umax，则5EH单元置位
JNB5FH,WL；若上次未越限，则转WL
INC44H；越限计数器加1
MOVA,44H
CLRC
SUBBA,#N；越限N次？
JNZWL；越限小于N次，则WL
SETBP1.2；否则，越上限声光报警
CLR5EH；
CLR5FH；清越限标志
POPDPH；
POPDPL；恢复现场
POPACC；
RETI；中断返回
T1中断服务程序
ORG001BH
AJMPCT1
ORG0200H
CT1:
CLRD5H;清标志
CLRP1.3;令p1.3变为低电平
RETI;中断返回
子程序
采样子程序SAMP：
SAMP：
MOVR0,#2CH;采样值起始地址送R0
MOVR2,#03H;采样次数初值送R2
MOVDPTR,#03F8
SAM1:
MOVX@DPTR,A;启动ADC0809工作
MOVR3,#20H
DLY:
DJNZR3,DLY;延时
HERE:
JBP3.3,HERE;等待A\D完成
MOVXA,@DPTR;采样值送A
MOV@R0,A;存放采样值
INCR0
DJNZR2,SAM1;若采样未完，则SAM1
RET;若已采样完，则返回
数字滤波子程序FILTER：
用于滤去来自控制现场对采样值的干扰
FILTER:
MOVA,2CH;2CH送A
CJNEA,2DH,CMP1;若2CH不等于2DH，则CMP1
AJMPCMP2;否则转CMP2
CMP1JNCCMP2;若2CH大于2DH,则CMP
XCHA,2D;2CH与2DH交换
XCHA,2C;
CMP2:
MOVA,2DH;2DH送A
CJNEA,2EH,CMP3;若2DH不等于2EH，则CMP3
MOV2AH,A;否则，2DH送2AH
RET;返回
CMP3:
JCCMP4;若2DH小于2EH，则CMP4
MOV2AH,A;否则，2DH送2AH
RET;返回
CMP4:
MOVA,2EH;2EH送A
CJNEA,2CH,CMP5;若2EH不等于2CH，则CMP5
MOV2AH,A;否则，2EH送2AH
RET;返回
CMP5:
JCCMP6;若2EH小于2CH则CMP6
XCHA,2CH;否则，2EH与2CH交换
CMP6:
MOV2AH,A;A送2AH
RET;返回
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