CN104480769A - 一种稀释水水力式流浆箱稀释水阀控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种稀释水水力式流浆箱稀释水阀控制装置及控制方法，包括横幅定量控制计算机、稀释水阀控制计算机、若干稀释水控制器以及与一个稀释水控制器连接的最多四个稀释水阀，稀释水阀控制计算机从横幅定量控制计算机获取成纸各区域的定量数据并通过RS485总线向若干稀释水控制器发送定量数据及辅助控制信号，稀释水控制器内的单片机通过内载的横幅定量控制算法化解各自的运算任务，进行阀门开度调节，调节稀释白水通流量进而调节该区域的横幅定量，实时性强；稀释水控制器内有单片机、步进驱动芯片，单片机采用复用PWM端口产生步进驱动芯片控制所需的高速脉冲信号，采用复用模拟量端口与角位移传感器连接直接采集阀位信号。

Description

一种稀释水水力式流浆箱稀释水阀控制装置及控制方法

技术领域

本发明属于轻工技术工程领域，具体涉及一种稀释水水力式流浆箱稀释水阀控制装置及控制方法。

背景技术

近年来，纸张质量得到了很大的提高，但同时市场对纸张质量也提出了更高的要求。纸张的定量是反映纸张质量的重要参数，也是造纸自动控制系统中最主要的受控参量。定量控制是使纸张定量在纵向与横向都保持均匀。目前，纵向定量控制问题已经得到了解决，但基于唇板局部开度调节的横向定量控制效果并不理想。因此带有稀释水调节装置的水力式流浆箱应运而生，更适合于高速纸机。它的工作原理为：当纸张横幅上某处的定量值与期望值偏差过大时，通过调节该处所对应的上游稀释阀来稀释该处的纸浆，进而改变该处的浆浓度来调节横幅定量。假设进入流浆箱内的纸浆浓度绝对均匀，如果布浆总管设计得足够理想，流入各个阶梯扩散管内纸浆的流量和浓度本应是完全一致的，此时在每个阶梯扩散管的第一阶梯处以和浆流垂直的方向注入稀释水(通常选用浓度为0.2％的白水)，当扫描架的扫描结果显示纸张横幅某处的定量值过大时，加大该测量点对应的上游稀释水阀开度，由于白水的浓度要低于纸浆的浓度，这样就降低了该处纸浆的纤维含量，进而起到了定量调节的作用。这是一种更合理的横幅定量调节方式，但是其控制系统难度大、控制策略复杂，因此长期由国外的Voith、Metso、Valmet等公司垄断，国外产品价格高昂、售后服务费较贵，使国内很多造纸企业望而却步。稀释水阀无外乎分为直行程和角行程两类，在机械结构上大同小异，而稀释水阀控制器是稀释水水力式流浆箱横幅定量控制系统的重中之重，对于国内的诸多企业而言还有很多关键技术尚未攻破，还不得已使用国外的成套芯片实现堆积木式组装，成本高昂，阻碍了国内高速纸机技术的进步和发展，虽然国内也有公司从事这一方面的研究，比如绵阳同成高科技股份有限公司，申请了发明专利《纸张横幅定量稀释水智能控制装置》(公开号：CN102108651A)；华南理工大学的冯郁成、陈克复申请了发明专利《一种用于流浆箱的稀释水控制纸张横幅定量的智能执行器》(公开号：CN103757968A)，但他们主要在稀释水阀阀体机械结构、网络结构上做出了表述，而对于稀释水阀控制器的组成及控制策略缺乏相应的研究。专利《纸张横幅定量稀释水智能控制装置》(公开号：CN102108651A)：“权利要求1装置智能控制盒通过CAN-bus接口模块接受远程控制端传来的数据，装置智能盒内部的中央处理器MCU将前述数据进行计算并转换成装置执行机构要执行的信号”，以及计算机软件控制流程图可以看出，该发明所示的控制盒还需要远程控制端发送来的阀门开度数据，倘若远程控制端发生了失效，会引起整个系统的崩溃；专利《一种用于流浆箱的稀释水控制纸张横幅定量的智能执行器》(公开号：CN103757968A)：“权利要求7所述的CAN总线通讯模块接收纸张横幅定量控制系统的给定稀释水阀门开度数据”，系统对纸张横幅定量控制系统的依赖性强，一般横幅定量控制系统是由计算机负责实现，每一台稀释水阀的开度都由横幅定量控制系统经过运算才能够发出，倘若有100只稀释水阀，就需要横幅定量控制系统完成100个回路的运算，系统的运算量大，且易出错，一旦横幅定量控制系统失效，会引起系统的紊乱；加之Windows系统的非实时性，处理速度会随运算容量的增大而变慢，造成严重滞后。因此，研制一种切实可行的稀释水水力式流浆箱稀释水阀控制器对于我国造纸技术的进步具有重大的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种稀释水水力式流浆箱稀释水阀控制装置及控制方法，以满足稀释水水力式流浆箱横幅定量控制的应用。

为了达到上述目的，一种稀释水水力式流浆箱稀释水阀控制装置，包括横幅定量控制计算机、设置在造纸机干燥部的定量扫描架、稀释水阀控制计算机、若干稀释水控制器以及与一个稀释水控制器连接的最多四个稀释水阀，稀释水控制器内有单片机和步进驱动芯片，横幅定量控制计算机通过OPC协议向稀释水阀控制计算机发送成纸各区域的定量数据，稀释水阀控制计算机通过RS485总线向若干稀释水水控制器发送定量数据、传递控制，其通讯协议为Modbus协议，稀释水控制器内的单片机通过内载的横幅定量控制算法决定阀门开大、关小或者静止，调节稀释白水通流量进而调节该区域的横幅定量；

所述稀释水阀包括双出轴步进电机，双出轴步进电机的一端连接有角位移传感器，另一端连接精密减速机，精密减速器的输出端与稀释水阀阀体连接，稀释水阀具有全开指示信号OPEN、全关指示信号CLOSE；

所述稀释水控制器包括与对应稀释水阀中双出轴步进电机连接的步进驱动芯片，步进驱动芯片连接单片机，单片机还连接有角位移传感器，单片机接收稀释水阀的全开位置检测信号OPEN和全关位置检测信号CLOSE，以及步进驱动芯片的方向信号DIR和脱机信号FREE，单片机通过RS485通讯芯片接入RS485总线，单片机和若干步进驱动芯片均连接有电源。

每台稀释水控制器内有一块单片机及四块步进驱动芯片。

所述稀释水控制器具有不同的通讯地址编号，能够将多台不同通讯地址的稀释水控制器均挂在RS485总线上。

所述单片机采用STC12C5604AD单片机，共计32个引脚，16脚GND和32脚VCC分别为单片机工作电源的0V及5V，4脚RXD和5脚TXD接RS485通讯芯片，7脚XTAL2和8脚XTAL1接外置晶振，19脚PWM0接1#步进驱动芯片的脉冲信号输入端，端口13脚PWM1接2#步进驱动芯片的脉冲信号输入端，30脚PWM2接3#步进驱动芯片的脉冲信号输入端，14脚PWM3接4#步进驱动芯片的脉冲信号输入端，20脚ADC0接1#稀释水阀的角位移传感器的信号端，21脚ADC1接2#稀释水阀的角位移传感器的信号端，22脚ADC2接3#稀释水阀的角位移传感器的信号端，24脚ADC3接4#稀释水阀的角位移传感器的信号端，其他I/O端口接收全开位置检测信号OPEN、全关位置检测信号CLOSE、步进驱动芯片的方向信号DIR、脱机信号FREE。

所述若干步进驱动芯片均采用24V DC的控制器电源，单片机连接有能够将24V DC转化为5V DC的稳压芯片。

所述稳压芯片型号为LM2576。

所述RS485通讯芯片型号为MAX485，步进驱动芯片型号为TB6560。

一种稀释水水力式流浆箱稀释水阀控制装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：开机初始化后，稀释水控制器从控制总线获得控制状态，在稀释水阀控制计算机上选择手动状态或者自动状态；

步骤二：在手动状态下，操作人员向工控机输入控制开大、关小、静止的指令，稀释水阀控制计算机向稀释水控制器发送控制开大、关小、静止的指令；

在自动状态下，由横幅定量控制计算机检测到各区域定量信号通过OPC协议传递到稀释水阀控制计算机，稀释水阀控制计算机通过Modbus通讯协议向总线上的各稀释水控制器传递定量数据，各稀释水控制器的单片机通过模拟量复用端口采集角位移传感器的信息、全开位置检测信号OPEN和全关位置检测信号CLOSE，以及步进驱动芯片的方向信号DIR和脱机信号FREE及定量数据，稀释水控制器内的单片机通过内载的横幅定量控制算法决定阀门开大、关小或者静止；

步骤三：稀释水控制器的单片机的运算结果通过PWM复用端口向步进驱动芯片TB6560发送驱动脉冲，使驱动双出轴步进电机(2)正转、反转或保持转矩，调节系统加入的稀释白水量的变化，从而该区域内的定量数据维持在合理的范围内。

与现有技术相比，本发明使用稀释水阀控制计算机分别连接横幅定量控制计算机和稀释水控制器两个区域，横幅定量控制计算机负责检测纸张各区域的横幅定量及纵向定量，通过OPC协议将各区域定量数据传送到稀释水阀控制计算机，稀释水阀控制计算机再通过Modbus通讯协议将各区域定量数据发送到各对应的稀释水阀，稀释水阀内的单片机内载横幅定量控制算法，自行进行稀释水量调节每个控制器化解各自的运算任务，实时性强；本发明通过RS485总线进行控制，交互电缆少，有利于提高系统的可靠性；使用角位移传感器产生的模拟量电压信号检测阀位，控制系统掉电后如果有人对稀释水阀进行手动盘车，上电后角位移传感器输出电压仍然与稀释水阀开度成绝对相关，能够有效的反映绝对阀位，免受增量式编码器检测阀位在掉电状态下人工盘车造成阀位检测错误。

进一步的，本发明采用单片机的PWM复用端口，无需外部脉冲发生电路，若需要发生脉冲，则将该端口设置于PWM模式下，即可产生高速脉冲信号，而且不对程序产生延误；本发明采用单片机的AD复用端口对角位移传感器的信息进行采集，无额外的模拟量采集器，将该端口置于AD模拟量采集模式，即能够实现阀位这一模拟量信号的采集。

附图说明

图1是本发明的控制网络示意图；

图2为本发明稀释水控制器的原理图；

图3为本发明稀释水阀的结构示意图；

图4是本发明稀释水控制器的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1，一种稀释水水力式流浆箱稀释水阀控制装置，包括横幅定量控制计算机、设置在纸机干燥部的定量扫描架、稀释水阀控制计算机、若干稀释水控制器(编号分别为1#稀释水控制器、…、N#稀释水控制器)以及与一个稀释水控制器连接的最多四个稀释水阀(编号分别为1#稀释水阀、2#稀释水阀、…)，横幅定量控制计算机从定量扫描架获取纸张各区域的定量数据OPC通讯协议将定量数据发送到稀释水阀控制计算机，稀释水控制器具有不同的通讯地址编号，多台不同通讯地址的稀释水控制器均能够挂在RS485总线上，稀释水阀控制计算机又与若干稀释水控制器通过RS485总线相连接，并采用Modbus通讯协议进行通讯，稀释水阀控制计算机也通过总线向各稀释水控制器发送各区域定量数据、手自动工作状态控制信号、返回各稀释水阀的阀位、报警信息；

参见图2，稀释水控制器包括与对应稀释水阀中双出轴步进电机2连接的型号为TB6560的步进驱动芯片，步进驱动芯片连接单片机，单片机还连接有角位移传感器1，单片机接收稀释水阀的全开位置检测信号OPEN和全关位置检测信号CLOSE，以及步进驱动芯片的方向信号DIR和脱机信号FREE，单片机通过型号为MX485的RS485通讯芯片接入RS485总线，单片机和若干步进驱动芯片均连接有电源，若干步进驱动芯片均采用24V DC的控制器电源，单片机连接有能够将24V DC转化为5V DC的LM2576稳压芯片。

单片机采用STC12C5604AD单片机，共计32个引脚，16脚GND和32脚VCC分别为单片机工作电源的0V及5V，4脚RXD和5脚TXD接型号为MX485的RS485通讯芯片，7脚XTAL2和8脚XTAL1接外置晶振，19脚PWM0接1#步进驱动芯片的脉冲信号输入端，端口13脚PWM1接2#步进驱动芯片的脉冲信号输入端，30脚PWM2接3#步进驱动芯片的脉冲信号输入端，14脚PWM3接4#步进驱动芯片的脉冲信号输入端，20脚ADC0接1#稀释水阀的角位移传感器1的信号端，21脚ADC1接2#稀释水阀的角位移传感器1的信号端，22脚ADC2接3#稀释水阀的角位移传感器1的信号端，24脚ADC3接4#稀释水阀的角位移传感器1的信号端，其他I/O端口接收全开位置检测信号OPEN、全关位置检测信号CLOSE、步进驱动芯片的方向信号DIR、脱机信号FREE。

参见图3，稀释水阀包括双出轴步进电机2，双出轴步进电机2的一端连接有角位移传感器1，另一端连接精密减速机3，精密减速器3的输出端与稀释水阀阀体4连接，稀释水阀布置有检测全开指示信号OPEN的检测开关及全关指示信号CLOSE的检测开关。

参见图4，一种稀释水水力式流浆箱稀释水阀控制装置的控制方法，其工作流程包括以下步骤：

步骤一：开机初始化后，稀释水控制器从控制总线获得控制状态，在工控机上选择手动状态或者自动状态；

步骤二：在手动状态下，操作人员向工控机输入控制开大、关小、静止的指令，稀释水阀控制计算机向稀释水控制器发送控制开大、关小、静止的指令；

在自动状态下，由横幅定量控制系统检测到各区域定量信号通过OPC协议传递到稀释水阀控制计算机，稀释水阀控制计算机通过Modbus通讯协议向总线上的各稀释水控制器传递定量数据，各稀释水控制器的单片机通过模拟量复用端口采集角位移传感器(1)的信息、全开位置检测信号OPEN和全关位置检测信号CLOSE，以及步进驱动芯片的方向信号DIR和脱机信号FREE及定量数据，稀释水控制器内的单片机通过内载的横幅定量控制算法决定阀门开大、关小或者静止；

步骤三：稀释水控制器的单片机的运算结果通过PWM复用端口向步进驱动芯片TB6560发送驱动脉冲，使驱动双出轴步进电机(2)正转、反转或保持转矩，调节系统加入的稀释白水量的变化，从而该区域内的定量数据维持在合理的范围内。

声明本发明中所述的单片机型号STC12C5604AD、步进驱动芯片TB6560系列、稳压芯片LM2576均属典型称谓，采用其他具有PWM复用功能及模拟量复用功能的单片机组成类似系统均属本发明的权利要求范围，采用其他型号步进驱动芯片组成类似系统均属于本发明的权利要求范围，采用其他稳压芯片组成类似系统均属于本发明的权利要求范围。

稀释水阀控制计算机在总线上起到人机监控的作用，提供人机交互平台，主要的功能是定量曲线显示、设定值输入、控制参数设定、手自动切换等；横幅定量控制计算机从定量扫描架获取纸张各区域的定量数据OPC通讯协议将定量数据发送到稀释水阀控制计算机、稀释水阀控制计算机又与若干稀释水控制器通过RS485总线相连接，并采用Modbus通讯协议进行通讯，稀释水阀控制计算机也通过总线向各稀释水控制器发送各区域定量数据、手自动工作状态控制信号、返回各稀释水阀的阀位、报警信息；稀释水控制器内的单片机根据从总线接收来的定量检测数据进行运算，向各个步进驱动芯片TB6560发送控制信号，使步进电机根据控制信号正转或者反转，驱动阀门阀芯旋转，改变加入系统稀释白水的量，使定量稳定在合理的范围内，并将所辖区域的稀释水阀的阀位、全开状态指示、全关状态指示数据发送到RS485总线，供工控机显示和监控；从稀释水阀控制计算机将系统分为相对独立的两个区域，横幅定量检测数据可以遵守国际通用的OPC协议，稀释水阀控制计算机能够与不同厂家、品牌的定量检测系统兼容，使该系统具有良好的国际统一标准接口，增强本系统的普适性；稀释水阀控制计算机通过Modbus通讯协议连接各稀释水控制器，组成一套相对封闭的系统，稀释水控制器内的单片机除了完成稀释水阀的阀位运动控制职能之外，还通过内载的程序直接从获取的定量数据运算控制稀释水阀的通流量调节，减少横幅定量控制系统的运算负荷，具有更好的实时性；每台稀释水控制器可以控制多台稀释水阀的运行。

单片机作为一种微控制器，能够实现运算和控制的功能，单片机读取定量扫描架发送对应区域的定量数据，经过内置的程序，典型的算法位增量式PID算法计算对应的稀释水阀开度的调节量，向步进驱动芯片发送控制信号，步进驱动芯片主要的控制信号有方向信号(DIR)、脱机信号(FREE)、脉冲信号(PLUS)，其中方向信号决定步进电机的转动方向、脱机信号决定步进电机是否处于有力矩的状态，脉冲信号的数量决定步进电机转动的角度大小，脉冲信号的频率决定步进电机转动速度的快慢。当单片机将方向信号(DIR)和脱机信号(FREE)置于有效，并发出脉冲信号(PLUS)时，驱动步进电机正转；当单片机将脱机信号(FREE)置于有效，并发出脉冲信号(PLUS)时，驱动步进电机反转；当单片机将脱机信号(FREE)置于有效时，步进电机处于力矩保持状态即静止；在需要手动采用机械方式盘车时，将脱机信号(FREE)信号清除，则步进电机处于无力矩状态，可以使用手动盘车功能。

本发明所述的使用方向信号(DIR)、脱机信号(FREE)、脉冲信号(PLUS)的状态根据步进电机接线的不同，也可能是造成相反的结果，诸如将方向信号(DIR)和脱机信号(FREE)置于有效，并发出脉冲信号(PLUS)时，驱动步进电机反转；当单片机将脱机信号(FREE)置于有效，并发出脉冲信号(PLUS)时，驱动步进电机正转；但这不影响本发明的解决问题的思路和方法。本发明设定电机正转，阀门开大；电机反转，阀门关小。

声明本发明中所述的方向信号(DIR)、脱机信号(FREE)、脉冲信号(PLUS)、全开位置检测信号(OPEN)、全关位置检测信号(CLOSE)均属典型称谓，仅仅改变称谓而无实质变化组成类似系统均属于本发明的权利要求范围。

方向信号和脱机信号属于低速I/O信号，使用单片机普通的控制端口既能够实现控制，但是脉冲控制信号属于高速信号，单片机是一种单任务处理系统，如果单纯依靠程序对单片机控制端口的清零和置一操作，会使程序停留在这一阶段不停运行，而不能够处理其他事件，造成系统挂起，无法满足实时响应的要求。本发明采用单片机的PWM复用端口，无需外部脉冲发生电路，若需要发生脉冲，则将该端口置于PWM模式下，即可产生高速脉冲信号，而且不对程序产生延误。

对于阀位这一电压模拟量信号，本发明采用单片机的AD复用端口，无额外的模拟量采集器，将该端口置于AD模拟量采集模式，即能够实现阀位这一模拟量信号的采集。

阀门通常都具备的全开位置检测信号(OPEN)、全关位置检测信号(CLOSE)属于普通的信号，送入单片机的普通I/O端口处理。

本发明是使用STC12C5604AD这一类型的单片机，若采用其他类型的单片机，根据片上资源数量，诸如PWM端口数量、AD端口数量、普通IO端口数量的情况，本稀释水控制器能够控制其它数量的稀释水阀工作。

Claims (8)

1.一种稀释水水力式流浆箱稀释水阀控制装置，其特征在于：包括横幅定量控制计算机、设置在造纸机干燥部的定量扫描架、稀释水阀控制计算机、若干稀释水控制器以及与一个稀释水控制器连接的最多四个稀释水阀，稀释水控制器内有单片机和步进驱动芯片，横幅定量控制计算机通过OPC协议向稀释水阀控制计算机发送成纸各区域的定量数据，稀释水阀控制计算机通过RS485总线向若干稀释水水控制器发送定量数据、传递控制，其通讯协议为Modbus协议，稀释水控制器内的单片机通过内载的横幅定量控制算法决定阀门开大、关小或者静止，调节稀释白水通流量进而调节该区域的横幅定量；

所述稀释水阀包括双出轴步进电机(2)，双出轴步进电机(2)的一端连接有角位移传感器(1)，另一端连接精密减速机(3)，精密减速器(3)的输出端与稀释水阀阀体(4)连接，稀释水阀具有全开指示信号OPEN、全关指示信号CLOSE；

所述稀释水控制器包括与对应稀释水阀中双出轴步进电机(2)连接的步进驱动芯片，步进驱动芯片连接单片机，单片机还连接有角位移传感器(1)，单片机接收稀释水阀的全开位置检测信号OPEN和全关位置检测信号CLOSE，以及步进驱动芯片的方向信号DIR和脱机信号FREE，单片机通过RS485通讯芯片接入RS485总线，单片机和若干步进驱动芯片均连接有电源。

2.根据权利要求1所述的一种稀释水水力式流浆箱稀释水阀控制装置，其特征在于：每台稀释水控制器内有一块单片机及四块步进驱动芯片。

3.根据权利要求1所述的一种稀释水水力式流浆箱稀释水阀控制装置，其特征在于：所述稀释水控制器具有不同的通讯地址编号，多台不同通讯地址的稀释水控制器均能够挂在RS485总线上。

4.根据权利要求1所述的一种稀释水水力式流浆箱稀释水阀控制装置，其特征在于：所述单片机采用STC12C5604AD单片机，共计32个引脚，16脚GND和32脚VCC分别为单片机工作电源的0V及5V，4脚RXD和5脚TXD接RS485通讯芯片，7脚XTAL2和8脚XTAL1接外置晶振，19脚PWM0接1#步进驱动芯片的脉冲信号输入端，端口13脚PWM1接2#步进驱动芯片的脉冲信号输入端，30脚PWM2接3#步进驱动芯片的脉冲信号输入端，14脚PWM3接4#步进驱动芯片的脉冲信号输入端，20脚ADC0接1#稀释水阀的角位移传感器(1)的信号端，21脚ADC1接2#稀释水阀的角位移传感器(1)的信号端，22脚ADC2接3#稀释水阀的角位移传感器(1)的信号端，24脚ADC3接4#稀释水阀的角位移传感器(1)的信号端，其他I/O端口接收全开位置检测信号OPEN、全关位置检测信号CLOSE、步进驱动芯片的方向信号DIR、脱机信号FREE。

5.根据权利要求1所述的一种稀释水水力式流浆箱稀释水阀控制装置，其特征在于：所述若干步进驱动芯片均采用24V DC的控制器电源，单片机连接有能够将24V DC转化为5V DC的稳压芯片。

6.根据权利要求5所述的一种稀释水水力式流浆箱稀释水阀控制装置，其特征在于：所述稳压芯片型号为LM2576。

7.根据权利要求1所述的一种稀释水水力式流浆箱稀释水阀控制装置，其特征在于：所述RS485通讯芯片型号为MAX485，步进驱动芯片型号为TB6560。

8.权利要求1所述的一种稀释水水力式流浆箱稀释水阀控制装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：开机初始化后，稀释水控制器从控制总线获得控制状态，在稀释水阀控制计算机上选择手动状态或者自动状态；

步骤二：在手动状态下，操作人员向工控机输入控制开大、关小、静止的指令，稀释水阀控制计算机向稀释水控制器发送控制开大、关小、静止的指令；

在自动状态下，由横幅定量控制计算机检测到各区域定量信号通过OPC协议传递到稀释水阀控制计算机，稀释水阀控制计算机通过Modbus通讯协议向总线上的各稀释水控制器传递定量数据，各稀释水控制器的单片机通过模拟量复用端口采集角位移传感器(1)的信息、全开位置检测信号OPEN和全关位置检测信号CLOSE，以及步进驱动芯片的方向信号DIR和脱机信号FREE及定量数据，稀释水控制器内的单片机通过内载的横幅定量控制算法决定阀门开大、关小或者静止；

步骤三：稀释水控制器的单片机的运算结果通过PWM复用端口向步进驱动芯片TB6560发送驱动脉冲，使驱动双出轴步进电机(2)正转、反转或保持转矩，调节系统加入的稀释白水量的变化，从而该区域内的定量数据维持在合理的范围内。