单片机造纸控制系统
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第一章 绪论
1．1 课题研究的目的和意义
纸张是人们生活和工作所不可缺少的，在人们的生活中占着重要地位。随着国民经济，科学文化教育事业的发展，对纸张的需要无论是数量还是质量都大大提高了。造纸机是生产纸张的主要工具,造纸机生产过程运行的好坏对纸张的产量，质量以及原料的消耗关系很大。造纸工业是许多国民经济配套的、必要的重要原材料工业。随着人们生活水平的提高，纸和纸板所需的品种和数量日益增长，在国民经济中占有越来越重要的地位。我国造纸工业的发展前景十分乐观，但与国外造纸工业相比，还有一定差距。我国造纸工业技术落后，自动化程度很低，绝大部分生产流程还是人工操作，限制了我国造纸工业的发展。另一方面，人们对纸的质量和产量要求越来越高，但是日益严重的世界性能源紧张和工业污染问题，迫使能量消耗多、污染影响大的纸浆造纸业采用各种措施来减少污染，降低能耗。整个制浆造纸生产过程变得越来越复杂，人工操作难以保证达到产品质量，对造纸过程进行自动控制迫在眉睫。所以研究纸机生产过程的控制是有意义的。
在纸张生产中，表示纸张的质量有一系列指标，如定量，水份，灰份，平滑度，光洁度等，其中最重要的是定量和水份。定量就是单位面积纸的重量，它反映了纸张的厚度和均匀度。水份就是纸中的含水率，起值过高，将导致纸页容易撕裂，过低有会导致纸张发脆，撕裂度差。在质量检验时，要求这两项指标都落在一定的公差范围之内。定量控制的效益来自定量偏差的减小。假如生产
从生产者来说，总是希望产品的定量靠近公差的下限，这样可以节省原料；同时希望水分靠近公差的上限，这样既可以减少烘干所需能源，又可以增加成品纸的重量，在不增加原料能耗的情况下增加产量。但是在生产过程中，由于种种干扰因素的影响，定量和水份的波动总是存在的，它们都是围绕各自平均值上下波动的随机变量。因此，为了保证产品合格率，必须使定量的平均值高于公差下限。
1．2 纸机的工艺过程
纸机按结构（主要是网部结构）不同，有长网纸机，圆网纸机，夹网纸机和复合纸机几种类型。它们的基本组成相同，都是由网部、压榨部、干燥部和卷纸机等组成。长网造纸机与其他三种的不同之处，主要是网部由网笼和网槽组成。
长网造纸机是造纸工业中使用最广泛的一种造纸机。如图1-1所示：典型长网造纸机可以看作由多台设备组成的联动机，通常分为湿部和干部两部分。湿部包括浆料流送设备、网部和压榨部；干部包括干燥部、压光机和卷纸机（切纸机）。
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经过打浆处理的浓纸浆（浓度约为3%），用回水池中的水稀释到0.3%左右，通过除砂与过滤处理后送入稀浆池中。在这里把滑石粉等填料假如稀浆池中，再把稀浆池中的稀浆用泵打入流浆箱内。流浆箱里的液位和压力都要求保持恒定，以保证稀纸浆以恒定的速度由流浆箱均匀地喷到铜网上。铜网上纸浆中的纸纤维量就决定了成品纸张中所含的纸纤维量。它的多少直接影响纸张的厚度，即纸张的定量。纸纤维量由浓纸浆的流量来控制。纸浆在网上被脱水，然后在烘干缸段被挤压，烘干和压光。纸浆脱水和纸页烘干由电机拖动匀速前进，最后成为成品纸卷在卷筒上。烘缸内充有蒸汽，蒸汽流量控制着烘干的程度，即纸张水份的含量。纸张的定量和水份分别由卷筒前面的β射线测厚仪和红外线湿度计来测定，又分别通过调节浆料阀门和蒸汽阀门来得到控制。
1．3 造纸过程国内外研究现状
造纸起源于我国，是我国古代的四大发明之一。我国东汉时期的蔡伦制成了人类历史上的第一张纸，开创了人类社会文明进步的新纪元,对世界文明的发展与进步，做出了无与伦比的贡献。约 200 年前，机制纸技术首先在欧洲出现，后逐渐传播到世界各地。至今只有少数几个国家不能造纸，绝大多数国家都拥有自己的造纸工业。
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随着文化和信息产业的飞速发展，造纸业在全世界产业中的地位已经变得越来越重要，被列为国民经济十大支柱制造产业之一。纸与纸板的消费水平已经成为衡量一个国家现代化水平的重要标志之一。1995 年，全球造纸工业的总销售额为 2600 亿美元，总资产为 4000 亿美元。根据联合国粮农组织（FAO）的统计，全球纸和纸板产量已由 1950 年的 4300 多万吨发展到 1998 年的 3.01 亿吨。建国以来，特别是改革开放以来，我国造纸工业得到了快速发展。纸和纸板的产量从 1950 年的 38 万吨猛增到 2001 年的 3200 万吨，已跃居世界第三位。按产量排序，我国目前可以称为纸业大国，但我国决不是纸业强国[11]-[13]。
1．3．1 国外造纸概况
随着控制理论和计算机技术的发展，制浆造纸工业的自动化也得到了较快发展。国外对制浆过程计算机控制的研究始于上世纪六十年代末，在此期间，研究者建立了各种能适用于计算机控制的数学模型。七十年代初出现了以电子计算机为中心的对整个制浆过程进行控制的自动化系统。1974 年瑞典 Modocell AB 和 ASEALME AutomationAB 公司,研制出具有蒸锅内碱液浓度在线分析的间歇蒸煮计算机控制系统[1]。目前国外先进的间歇计算机控制系统一般都是由过程级、优化级和管理级三级组成，能对整个制浆过程的能源、原料、药液和产量进行优化、管理和控制。国外对回收过程的动态建模和控制方面的研究始于五六十年代，但至今建立的各种模型大多是过阻尼类的线性模型，很难解释多效蒸发系统的欠阻尼振荡现象，而控制策略大多是 PID 反馈加前馈的传统控制方法，现代控制理论的应用还不成熟。
国外对抄纸过程计算机控制的研究始于五十年代末。美国于 1960 年最早实现了造纸过程计算机控制[2]-[3]。美国的 Measurex 公司和 AccuRay 公司，以及德国的 Lippika 公司，是当今世界造纸机定量、水分计算机控制系统最先进的三家公司，这三家公司已有商品化的计算机控制系统，它们的定量仪、水分仪、灰份仪、浓度仪、流量计、控制阀、扫描架和工业控制机都代表了当今世界的最高水平。它们的成套技术和实施技术也是最高水平的，模型和控制算法比较简单。
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1．3．2国内造纸发展概况
我国造纸行业现有造纸厂 4330 个，造纸机近 10000 台，其中长网机 700 台，大型圆网纸机 800 台，大型圆长网结合纸机 1200 台[11]。1998 年全国造纸企业年产量在10 万吨以上的只有 32 家,急需用规模化和现代化技术取代旧模式。未来发展计划的重点在新闻纸、印刷、书写纸和包装纸，更多的低定量、高性能的产品将得到发展，低质量的非木纤维产品将被淘汰。
纵观国内外自控技术的发展情况，我国自动控制技术的研究和应用水平还很欠缺，造纸过程控制更是如此。在国外被广泛重视和应用的单片机控制技术，模糊控制技术，神经元网络自动化技术在我国还处于刚起步阶段。
我国造纸企业中，1978 年之前还没有一套造纸机定量、水分计算机控制系统[12]。当时全国造纸工业中只有一些常规仪表控制系统，用于锅炉、蒸煮、打浆等工段的单回路控制，而且多在一些新建的大型纸厂，许多老厂和小厂的生产还是人工操作。
1978 年，我国开始引进了几套定量水分计算机控制系统，用于大型纸机的控制，
取得了经验。后又陆续引进了多套计算机控制系统，全国各大纸厂基本都有了计算机控制设备。引进的控制系统多用于生产牛皮纸、新闻纸的大型高速纸机上，产量高，效益显著。我国造纸企业多为年产 0.5 万吨以下小厂，采用的造纸原料多为草浆，对于这样的小厂，引进设备的投资往往超过其固定资产投资，而经济效益却并不显著。使用进口设备的弊端是国外公司的技术保密，引进后只能使用，而对其内部硬、软件原理都不能了解。设备维修和零配件更换仍需花费大量外汇。对于大规模提高我国造纸工业自动化水平极为不利。
1983 年浙江大学造纸自动化研究推广中心进行了纸机定量、水分控制系统的研制工作[13]。虽然当时国内已有厂家引进了几套国外成套的纸机定量、水分计算机控制系统，但国外厂商的技术保密使得国内的研究工作几乎是白手起家。该中心也从事纸机数学模型开发、控制方案设计、控制算法推导、工艺流程改造、仪表研制和计算机硬件安装调试、计算机软件开发等大量研究开发工作。1984 年 7 月，国内第一套纸机定量、水分计算机控制系统在浙江嘉兴民丰造纸厂的 1 号纸机上运行成功，取得了重大得经济效益，打破了外国垄断造纸机计算机控制系统的局面。这套系统自 1984 年 7月开始运行，至今仍保持良好的性能，证明了国产系统的可靠性。目前该公司开发成功了SYQCS3000增强型定量水分控制系统、SYGCS－3000热泵供汽控制系统、SYNCS3000纸浆浓度控制系统、SYHCS3000 上网流送过程控制系统、SYDCS3000 制浆造纸过程集散控制系统、SYWIS3000 在线纸病检测系统、SYNET3000 制浆造纸企业网络监控系统等面向制浆造纸行业自动化系列产品。
1．4 本课题的研究内容
纸张质量主要取决于两个指标：定量和水份。定量反映了纸张的厚度。水份与纸纤维和填料一起决定了纸张的定量。因此，控制的首要任务是使定量和水份保持在设定值上。本系统主要研究纸张定量的自动控制，控制要求为：纸张定量设定值为