毕业设计长网造纸机的设计

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 100 克/米的纸张，允许定量偏差为±5 克/米，若实现下偏差卡边控制后，使定量稳定在 96 克/米，生产同样长度的纸，可节约纸浆 4％。

相反，实现上偏差卡边控制后，使定量稳定在 104 克/米，生产同样长度的纸，就多用纸浆 4％。

水分控制与定量控制类似。

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）。

图1－1纸张生产过程系统示意图
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。

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。

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100克/平方米；控制误差为±5克/平方米。

第二章系统总体方案论证
单位面积纸张中所含纸纤维及填料的重量称为绝干定量，它可以从纸的定量和水份中算出（单位是g/m2）：
绝干定量=定量-水份（g/m2）
因此，在只研究对定量的控制时，为了消除水份对定量的耦合影响，可以采用绝干定量作为系统的输出。

从绝干定量的定义可知，它与纸的含水量无关，也不受烘缸中蒸汽压力的影响，因此实现了解耦，它只是由浓浆流量来决定。

这样绝干定量的控制就变成了一个单输入单输出的系统。

一般的纸张绝干定量占定量的95%左右，含水约为5%，因此如果把绝干定量控制的很稳定，波动很小，那么定量的波动也就可以大大减小了，因此可以直接利用单变量的控制方法来对绝干定量加以控制，从而实现对系统定量的控制要求。

2．1 控制系统方案的确定
自动控制系统包括开环控制和闭环控制[14]。

闭环控制能对输入量和输出量进行比较，并且将他们的偏差作为控制手段，以保持两者之间的预定关系。

因此闭环控制具有抑制内、外扰动，精度高等优点，有利于实现高精度控制。

闭环控制系统的结构如图2-1所示：
图2-1 控制系统的典型结构
2．1．1 控制系统类型的确定
随着计算机在工业控制领域中的应用越来越广泛，控制系统中的控制器也越来越多的采用计算机来实现。

计算机控制系统可分为操作指导控制系统、直接数字控制（DDC）系统、监督控制系统（SCC）和分布控制系统。

在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接作用于生产对象，属于开环控制结构。

该系统常用在计算机控制系统设计与调试阶段，进行数据检测、处理及实验新的数学模型，调试新的控制程序等。

直接数字控制系统的（DDC）是闭环系统，是微机在工业生产过程中最普遍的一种应用。

该系统优点是灵活性大。

在常规模拟调节器控制系统中，控制器一经选定，
其控制方法也就确定了，要改变控制方法就必须改变硬件，这就往往难度较大。

而在DDC系统中，由于微机代替了常规模拟调节器，因此要改变控制方法，只要改变程序就可以实现了，无须对硬件线路作任何改动。

另外，计算机计算能力强，可以有效地实现较复杂的控制，用来改善控制质量，提高经济效益[21]。

根据纸张定量控制系统的控制要求，本系统采用DDC系统。

2．1．2 微控制器方案的确定
微型计算机的发展，促进了工业控制的进步。

目前，已有各种各样的微型控制系统在工业中得到应用。

根据被控对象的规模主要在工业控制中使用的计算机可以有：STD工控机、PLC和单片机系统等。

STD总线工业控制机是20世纪80年代发展起来的一种广泛应用于工业过程控制的计算机系统。

它具有：（1）小板结构模块化设计；（2）标准化及兼容性；（3）面向I/O口设计；（4）高可靠性等特点。

这种控制机采用STD（Standard）总线，该总线曾在20世纪80年代末20世纪90年代初风靡了整个工业控制领域，但近年来随着工业PC的发展，开始逐渐退出历史的舞台。

可编程控制逻辑器（Programmable Logical Controller），简称PLC，是早期的继电器逻辑控制系统与微型计算机技术相结合。

它吸收了微电子技术和微型计算机技术的最新成果，发展十分迅速。

如今的PLC几乎无一例外地采用微处理器作为主控制器，又采用大规模集成电路作为存储器及I/O接口，因而使其可靠性、功能、价格、体积都达到了比较成熟和完美的境地，并以其卓越的技术指标和优异的抗干扰能力得到了广泛的应用，受到工业界的瞩目。

它具有：（1）可靠性高、抗干扰能力强；（2）功能完善、扩展方便、组合灵活、实用性强；（3）编程简单、使用方便、控制过程可变、具有很好的柔性；（4）体积小、重量轻、功耗低等特点。

由于PLC是专为工业控制而设计的，其结构紧密、坚固，体积小巧，易于装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备，但价格相对比较贵。

单片微型计算机（Single Chip Microcomputer），简称单片机。

它是工业控制和智能化系统中应用最多的一种模式。

这种模式的最大特点是设计者可根据自己的实际需求开发、设计一个单片机系统，因而更加方便，更加灵活，并且成本低。

单片机控制系统与传统的仪表控制系统相比具有很多优点[15]：
（1）单片机控制系统的算法灵活，控制功能强：不改变硬件即可改变控制算法及控制方式，从而提高系统的性能。

容易实现较高级的控制。

（2）单片机控制系统精度高，量程大：模拟调节器的精度通常为0.5%左右，而数字计算机的精度可通过扩展字节不断提高。

对于15位有效字长的单片机，其精度可达0.01%以上。

单片机不存在模拟调节器零点漂移问题，比较容易解决非线性特性
以及各种噪声干扰，通过重复测量可以有效的提高测量精度。

（3）单片机控制系统的控制效率高：一个主机可以多路复用，分时对通道进行采集和实时控制。

（4）单片机控制系统的可重复性强：单片机由数字集成电路组成，受温度、振动等环境条件的变化影响不大，因此通常不须要进行现场调整，同类产品互换性强。

（5）单片机控制系统可集中操作显示：利用各种外部设备，可方便进行打印、显示、记录、读出数据及表格，容易实现各种逻辑判断，越线警报等功能，可以随时进行参数在线修改，便于集中操作显示[16]。

（6）容易实现整体优化：通过与上位计算机的通信，实现信息处理、生产管理、整体优化，实现实时控制和控制管理一体化，提高自动化程度。

根据上诉单片机系统的特点，以及本系统的控制要求，采用单片机扩展系统实现纸张定量的自动控制。

MCS是Intel公司生产的单片机系列，它包括Intel公司的MCS-48、MCS-51、MCS-96系列单片机。

由于MCS-51系列单片机具有性能稳定，价格低的特点，所以在现代工业生产中，主要采用MCS-51系列单片机。

它主要包括三个基本型8031、8051、8751。

本系统采用MCS-51系列单片机中的8031为中央处理单元。

2．2 输入输出通道方案的确定
被控过程的各种信息由传感器检测后，通过过程控制通道送到微型计算机中，经过计算处理后发出相应的控制信号，这些控制信号又通过过程通道输出到执行机构，从而控制生产过程按要求的目标有条不紊的运行。

因此，输入输出通道的设计是计算机控制系统设计中的一个非常重要的环节。

2．2．1 模拟量输入通道方案的确定
输入通道主要包括传感器和A/D转换器。

一、传感器的确定
传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

其中，敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分，转换元件是指传感器能将敏感元件的输出转换为适于传输和测量的电信号部分。

传感器输出信号有很多形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输出信号的形式由传感器的原理确定[17]。

本系统中纸张定量是主要的检测量，主要是检测纸张的厚度。

在厚度检测中通常使用核辐射传感器。

本系统采用β射线测厚仪测量纸张定量。

从源发射出来的β粒子穿过气隙中的纸吸收掉一部分，未被吸收的β穿过纸张在电离室中产生一个小电流，该电流是源和探测器间物质质量的函数，放大器测得该电流并变成电压送到高精度电压——频率转换器，所产生的脉冲串在一个精确的时间间隔之内，由一个计数器，并由计算机读取，原理图如2-2所示[32]。

图 2-2 定量测量原理图
二、模拟量通道数及通道形式的确定
本系统中需要对三点的纸张厚度进行检测，因此有三路模拟信号输入。

在计算机控制系统中对于多路模拟量输入的实现方法有两种。

（1）每个通道设置一个独立的A/D转换器。

这种方法的优点是转换速度快，精度高，工作可靠，即使某一通道出现故障也不会影响其它通道的工作，相应的软件也比较简单。

但是，如果模拟量输入通道较多，就会使系统造价增加很多，尤其是采用高精度的A/D转换器。

（2）多通道复用一个A/D转换器，并辅以多路模拟开关和采样保持器来实现。

这种电路工作时，是由计算机通过多路模拟开关，分时地把一个A/D转换器的输出送至各个采样保持器，对模拟电压进行保持。

其优点是成本较低，但电路结构复杂、精度低、可靠性差[18]。

为了降低成本，本系统采用第二种方案，即三路通道公用一个A/D转换器。

三、A/D转换器的确定
模拟量输入通道的主要任务是将模拟量转换成数字量。

能够完成这一任务的器件叫做A/D转换器。

A/D转换器的种类很多，就位数来分，有8位、10位、12位、16位等。

位数越高，其分辨率也越高，但价格也越贵。

A/D转换器就其结构而言，有单一的A/D转换器（如ADC0831、AD673等），有内含多路开关的A/D转换器（如ADC0809，ADC0816均带多路开关）。

随着大规模集成电路的发展，又生产出多功能A/D转换芯片，AD363就是它的一种典型芯片。

其内部结构有16路多路开关、数据放大器、采样-保持器及12位A/D转换器，其本身就已构成了一个完整的数据采集系统。

近年来，
随着微型计算机的大量使用，出现了许多物美价廉的串行A/D 转换器，如MAX195等。

根据输入信号的最大值和最小值之差，按照下式可以计算出A/D 转换器的字长。

本系统采用8位A/D 转换器。

log )1(2min max λX X n -+
≥
综上所述，本系统采用ADC0809作为A/D 转换器。

2．2．2 模拟量输出通道的确定
模拟输出通道主要包括D/A 转换器和执行器。

一、执行器的确定
执行器是构成自动调节系统不可缺少的重要部分。

执行器在系统中的作用是根据调节器的命令，直接控制能量或物料等被调介质的输送量，达到调节温度、压力、流量等工艺参数的目的。

从结构上来说，执行器一般都由执行机构和调节机构两部分组成。

执行机构是执行器的推动部分，它按照调节器所给信号的大小，产生推力或位移；调节机构是执行器的调节部分，最常见的是调节阀，它受执行机构的操作，改变阀心与阀座间的流通面积，调节工艺介质的流量[19]。

根据执行机构的构成使用的能源种类，执行器可分为气动、电动、和液动三种。

其中，气动执行器具有结构简单，工作可靠、价格便宜、维护方便、防火防爆等优点，在自动控制中获得最普遍的应用。

电动执行器的优点是能源取用方便，信号传输速度快和传输距离远；缺点是结构复杂、推力小、价格贵，适用于防爆要求不高及缺乏气源的场所。

液动执行器的特点是推力最大，但目前使用不多。

本系统选用电动执行器作为执行机构[31]。

二、D/A 转换器的确定
D/A 转换器的种类很多，按输入数字量位数来分，D/A 转换器有8位、10位、12位和16位等。

按输出形式来分，有电流输出形式和电压输出型，其中电压输出型又有单极性输出和双极性输出两种形式。

在选择D /A 转换器时，通常从下面几个方面考虑。

（1）输出形式
D/A 转换器有两种输出形式，一种是电压输出形式，即给D/A 转换器输入的是数字量，而输出为电压。

另一种是电流输出形式，即输出电流。

在实际应用中，对于电流输出的D/A 转换器，如果要模拟电压输出，可在其输出端加一个由运算放大器构成的电路，将电流输出转换为电压输出。

（2）D/A 转换器内部是否有锁存器
由于D/A 转换是需要一定时间的，在这段时间内D/A 转换器输入端的数字量应保
持稳定，为此应当在D/A 转换器数字量输入端的前面设置锁存器。

对于内部无锁存器的D/A 转换器，需要在转换器芯片的前面增加锁存器。

对于内部带有锁存器的D/A 转换器，可与单片机直接相接。

（3）字长的选择
D/A 转换器输出一般都通过功率放大器推动执行机构。

设执行机构的最大输入值为U max ,最小输入值为U min ，灵敏度为λ，可得D/A 转换器字长[14]：
log )(2min max ≥-n U U λ
因为本设计的电动执行器的控制信号是0~10mA 控制电流,其启动电流(即控制死区)通常是150μA.代入公式有:
7log log 672)150001(2≈≥≥-n A
mA mA μ
根据本系统的要求，选择DAC0832作为电路的D/A 转换器。

2．3 系统外部设备的确定
所谓人机交互接口，是指人与计算机之间建立联系、交换信息的输入/输出设备的接口。

这些输入/输出设备主要有键盘、显示器和打印机等。

它们是计算机应用系统中必不可少部分。

2．3．1 键盘的选择
键盘是若干按键的集合，是向系统提供操作人员干预命令及数据的接口设备。

常用键盘为独立式键盘和行列式键盘[19]-[22]。

独立式键盘就是各键相互独立，每个按键各接一根输入线，通过检测输入线的电平状态可以很容易的判断哪个按键被按下。

在按键数目较多时，独立式键盘电路需要较多的输入口线且电路结构繁杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。

行列式（也称矩阵式）键盘适用于按键数目较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上，行列线分别连在按键开关的两端。

列线通过上拉电阻接制正电源，以使无键按下时列线处于高电平状态。

行列式键盘有3×3的行、列结构可以构成1个具有9个按键的键盘。

还有4×4的行、列可以构成16个按键的键盘等等。

本系统中用到的键盘数目较少，只有几个功能键，因此采用独立式按键即可。