用于印染前處理的淡堿濃度測量控制系統(tǒng)

武衛(wèi)強(qiáng)，武 桐

(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安710048)

織物的前處理質(zhì)量直接影響后道工序(染色、印花、后整理等)的產(chǎn)品質(zhì)量[1]。歐美一些國家、日本的印染技術(shù)位于世界前列，例如歐洲的布魯格曼（Brugman）和日本的東海染工。經(jīng)過多年的發(fā)展，國產(chǎn)染整裝備在“硬件”上和進(jìn)口裝備的差距正在逐步縮小，基本能夠滿足生產(chǎn)的需要，其差距主要表現(xiàn)在“軟件”上。進(jìn)口裝備的自動(dòng)化程度很高，工藝參數(shù)一般都能實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)監(jiān)控，工藝穩(wěn)定、重現(xiàn)性好，生產(chǎn)用工少，加工質(zhì)量有保證。隨著市場需求的變化和競爭的加劇，對加工質(zhì)量要求越來越高，量少但重復(fù)需求的訂單越來越多，對工藝參數(shù)的精準(zhǔn)控制和工藝重現(xiàn)要求越來越迫切[2]。因此，自動(dòng)在線測控系統(tǒng)能精確測量并穩(wěn)定控制淡堿溶液濃度，對滿足工藝要求、保證加工質(zhì)量具有重要意義。由西安德高印染自動(dòng)化工程有限公司開發(fā)的用于印染前處理的淡堿濃度測量控制系統(tǒng)采用了一種非接觸式電導(dǎo)率傳感器測量堿液的濃度，實(shí)現(xiàn)了對淡堿溶液濃度測量與控制的自動(dòng)化[3]。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由插入式電磁濃度傳感器、控制器、通信接口、各電源模塊、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、開關(guān)電磁閥、流體管路等組成。

1.2系統(tǒng)工作過程

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，YH1﹑YH2、YH3、YH4 是手動(dòng)閥，系統(tǒng)工作在自動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)之前時(shí)，應(yīng)先打開YH1和YH3，并關(guān)閉YH2和YH4。自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，電磁閥YV處于常開狀態(tài)；電控柜內(nèi)的控制器根據(jù)初始設(shè)定濃度值和軋堿槽中的傳感器測量得到的溶液實(shí)際濃度值的誤差，通過PID運(yùn)算，輸出4 mA～20 mA電流，以控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門YM的開度，補(bǔ)充堿液的流量，從而達(dá)到控制軋堿槽中溶液濃度的目的。停機(jī)時(shí)，電磁閥YV處于常閉狀態(tài)，切斷濃堿管路。系統(tǒng)工作在手動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)，應(yīng)先關(guān)閉 YH1﹑YH3，通過手動(dòng)調(diào)節(jié) YH2、YH4控制軋堿槽中堿液的濃度。

浮子開關(guān)閥的作用是維持軋堿槽的液面穩(wěn)定在一定高度，當(dāng)?shù)陀谶@個(gè)高度時(shí)，浮子開關(guān)閥打開，開始加水，軋堿槽的液面會逐漸升高；到達(dá)一定高度后，浮子開關(guān)閥關(guān)閉，停止加水。

測量濃度的傳感器采用非接觸式電磁傳感器，其特點(diǎn)是測量探頭的感應(yīng)部分不與燒堿溶液直接接觸，實(shí)現(xiàn)電解質(zhì)與傳感器檢測線圈完全非接觸，通過測量電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率值來間接測定離子濃度，解決了普通傳感器的電極易被燒堿溶液腐蝕以及由此而引起的干擾等問題，提高了測量精度，延長了傳感器的使用壽命[4]。

1.3系統(tǒng)硬件部分

系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。

圖2 硬件組成

系統(tǒng)以微處理器ATmega128為核心，配以A/D轉(zhuǎn)換單元、D/A轉(zhuǎn)換單元、存儲器單元、時(shí)鐘接口單元、人機(jī)通信界面（觸摸屏）、I/O控制單元等外部設(shè)備。由于該系統(tǒng)要處理的數(shù)據(jù)量比較大，因此選用Atmel公司的ATmega128單片機(jī),其處理器具備豐富的片上資源 (4 KB RAM，128 KB Flash，4 KB EEPROM 等)[5]，能滿足系統(tǒng)需要。

A/D轉(zhuǎn)換單元用于采樣傳感器的電導(dǎo)率和溫度信號，采用Maxim公司的 MAX1247，它有 12位轉(zhuǎn)換精度；D/A轉(zhuǎn)換單元輸出4 mA～20 mA的信號對電動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制操作，選用ADC公司的AD420；存儲器采用鐵電存儲器 FM24C256(I2C接口)，用于存儲數(shù)據(jù)；采用Philips公司的PCF8583(I2C接口)作為系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘接口。人機(jī)通信界面采用觸摸屏完成顯示和相關(guān)的操作功能，控制器采用RS-232C串口與觸摸屏通信。

板級總線采用串行體制，微處理器與AD轉(zhuǎn)換器、DA轉(zhuǎn)換器采用SPI總線連接，與擴(kuò)展存儲器及時(shí)鐘芯片采用I2C總線連接。采用串行總線有效降低了系統(tǒng)的噪聲，并且便實(shí)現(xiàn)模擬和數(shù)字部分的隔離，對于提高測量精度與系統(tǒng)的抗干擾能力很有幫助。

1.4系統(tǒng)軟件部分

該系統(tǒng)的軟件包括主程序、串行中斷程序、定時(shí)中斷程序、數(shù)據(jù)采集子程序、濃度校正子程序、輸出控制子程序、數(shù)據(jù)記錄子程序、通信處理子程序等。

主程序流程如圖3所示。在初始化過程中，主要完成對ATmega128、時(shí)鐘單元、A/D單元和D/A單元的初始化。

圖3 軟件主流程圖

主程序中，控制器首先對堿液的電導(dǎo)率和溫度進(jìn)行采樣，并對采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理，得到堿液的濃度數(shù)值。然后根據(jù)設(shè)定濃度數(shù)值和測量濃度數(shù)值的誤差，依據(jù) PID算法，通過D/A轉(zhuǎn)換單元，輸出4 mA～20 mA的電流控制電動(dòng)比例閥的開度，以保證堿液的濃度穩(wěn)定在設(shè)定值上；其次，對測量的工藝參數(shù)進(jìn)行記錄存儲，并處理有關(guān)人機(jī)操作和數(shù)據(jù)顯示方面的工作。

數(shù)據(jù)采集子程序主要完成堿液電導(dǎo)率和溫度的采集，并對A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理以增加數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。在數(shù)據(jù)處理子程序中，首先根據(jù)采集到的溫度和電導(dǎo)率數(shù)值，對濃度進(jìn)行非線性校準(zhǔn)，然后進(jìn)行溫度補(bǔ)償，最后進(jìn)行現(xiàn)場多點(diǎn)校準(zhǔn)。經(jīng)過處理得到精確的堿液濃度數(shù)值。

在比例閥的輸出控制子程序中，采用閉環(huán)增量式PID算法，這種算法只需保持當(dāng)前時(shí)刻之前三個(gè)時(shí)刻的誤差即可。它與位置式PID相比，有下列優(yōu)點(diǎn)：

(1)位置式PID算法每次輸出與整個(gè)過去狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算式中要用到過去誤差的累加值，因此，容易產(chǎn)生較大的累積計(jì)算誤差。而增量式PID只需計(jì)算增量，計(jì)算誤差或精度不足時(shí)對控制量的計(jì)算影響較小。

(2)手動(dòng)控制到自動(dòng)控制的切換時(shí)，位置式PID算法必須先將計(jì)算機(jī)的輸出值置為原始閥門開度，才能保證無沖擊切換。若采用增量算法，與原始值無關(guān)，易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無沖擊切換。

數(shù)據(jù)記錄子程序根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔對濃度、溫度、日期時(shí)間等數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，以方便后來檢索。串行中斷程序主要完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，定時(shí)中斷程序完成多個(gè)任務(wù)的定時(shí)功能。通信處理子程序主要完成控制器與觸摸屏通信數(shù)據(jù)交換的功能。

2人機(jī)通信界面

作為人機(jī)接口的觸摸屏，本系統(tǒng)制作了很人性化的界面。可實(shí)現(xiàn)主要包括目標(biāo)濃度設(shè)定、實(shí)時(shí)濃度和溫度的顯示、現(xiàn)場多點(diǎn)校準(zhǔn)、PID參數(shù)整定、濃度/溫度實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線的顯示、濃度/溫度歷史記錄的查詢等功能。

微控制器和觸摸屏之間通過RS-232C串行接口進(jìn)行通信，采用MODBUS通信協(xié)議 RTU(遠(yuǎn)程終端單元)傳送模式。

MODBUS協(xié)議是一種串行的主從通信協(xié)議。此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識使用的消息結(jié)構(gòu),而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。它描述了控制器請求訪問其他設(shè)備的過程，如何回應(yīng)來自其他設(shè)備的請求，以及怎樣偵測錯(cuò)誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式[6]。

3產(chǎn)品特點(diǎn)和技術(shù)指標(biāo)

3.1產(chǎn)品特點(diǎn)

(1)友好的人機(jī)界面：彩色液晶觸摸屏，顯示單位為g/L，顯示直觀，操作方便；

(2)采用感應(yīng)傳感器，實(shí)現(xiàn)非接觸測量，耐用，免維護(hù)；

(3)高精度連續(xù)在線測量；

(4)方便的在線校準(zhǔn)功能；

(5)插入式安裝，簡單方便。

3.2技術(shù)指標(biāo)

(1)濃度測量范圍：0～100 g/L；

(2)濃度測量精度：±1 g/L；

(3)濃度控制精度：±1 g/L；

(4)溫度測量范圍：0～150℃；

(5)溫度測量精度：±5℃；

(6)工作溫度范圍：5～120℃。

由西安德高印染自動(dòng)化工程有限公司開發(fā)的用于印染前處理的淡堿濃度測量控制系統(tǒng)，針對印染廠傳統(tǒng)的以人工滴定來控制燒堿濃度精度低、不能連續(xù)檢測的缺點(diǎn)，采用非接觸式濃度傳感器和ATmega128微處理器，實(shí)現(xiàn)了對堿液濃度測量與控制的自動(dòng)化。適用于印染前處理的退漿、煮練和絲光水洗后落堿的淡堿濃度測量控制，對淡堿溶液濃度進(jìn)行在線檢測及連續(xù)控制，使淡堿溶液濃度穩(wěn)定在工藝要求的范圍內(nèi)。多家印染廠實(shí)際應(yīng)用的結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、測量準(zhǔn)確、操作簡便、維護(hù)方便，并在監(jiān)控、信息記錄和查詢等方面有獨(dú)特的功能，具有良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

[1]徐谷倉.印染前處理工序的工藝設(shè)計(jì)及管理(一)[J].印染，2008，34(5)：36-39.

[2]武衛(wèi)強(qiáng).印染前處理淡堿濃度在線檢測與控制的研究[D].西安工程大學(xué)，2007.

[3]陳立秋.染整工藝堿液的測控[J].染整技術(shù)，2005，27(6)：39-46.

[4]武衛(wèi)強(qiáng)，劉濤.非接觸式濃度計(jì)在印染前處理工藝中的應(yīng)用[J].印染，2007，33(06)：29-31.

[5]馬潮.高檔8位單片機(jī)ATmega128原理與開發(fā)應(yīng)用指南(上)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[6]Modicon modbus protocol reference guide.MODICON,Inc.,Industrial Automation Systems.