嵌入式顏料分散性在線檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

摘 要：在課題組開發(fā)的現(xiàn)有狀態(tài)檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)和ARM技術(shù)的優(yōu)勢，對嵌入式狀態(tài)在線檢測的總體結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，特別是基于組態(tài)的嵌入式對象組件按需動態(tài)配置，在此基礎(chǔ)上開發(fā)一套具有網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程檢測、診斷、維護(hù)和在線升級功能的嵌入式顏料分散性在線檢測系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：顏料分散性；嵌入式；檢測系統(tǒng)

1 研究目標(biāo)與任務(wù)分析

在日常生活中，我們大量使用顏料來給物體著色，比如用于建筑物裝修的彩色涂料，以及用于制作大量塑料制品的彩色塑料，都是用顏料均勻分散到這些被著色的涂料和塑料等物質(zhì)中，使他們顯示相應(yīng)的顏色，給人視覺上以美的感覺。因此顏料是否容易分散以及分散體系的穩(wěn)定性直接影響被著色物體的性能。分散性作為顏料和體質(zhì)顏料的一項(xiàng)重要應(yīng)用性能，近年來越來越受到顏料生產(chǎn)企業(yè)以及其用戶的重視，目前國內(nèi)尚無評定分散性用的系列方法。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO制定了評定分散性用的分散方法系列標(biāo)準(zhǔn)ISO 8780——l～6以及分散性評定方法系列標(biāo)準(zhǔn)ISO 8781-1～3。根據(jù)德國DIN13900標(biāo)準(zhǔn)，顏料的分散性能是通過其過濾值來測定的，過濾值越低，分散性就越好。根據(jù)過濾值的計(jì)算公式：

FV=（Pmax-P0）/g

式中，F(xiàn)V-過濾值，

Pmax-出口壓力（Pa），

P0-進(jìn)口壓力（Pa），

g-顏料質(zhì)量（kg）

由上式可見，可以通過檢測顏料過濾設(shè)備的進(jìn)出口壓力差值來測定顏料的分散性。本次課題就是要研究設(shè)計(jì)出一套顏料性能的試驗(yàn)設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)其試驗(yàn)過程的自動控制，來對顏料的分散性進(jìn)行檢驗(yàn)，建立現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)檢測系統(tǒng)，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)企業(yè)的競爭力。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程檢測與診斷技術(shù)成為檢測與故障診斷學(xué)科的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)智能設(shè)備被賦予聯(lián)網(wǎng)能力，以微控制器為核心的測控部件已經(jīng)在工業(yè)設(shè)備的過程控制自動化、通信及家電等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。嵌入式技術(shù)是一項(xiàng)新興技術(shù)，將嵌入式系統(tǒng)連接到Internet上面，則可以方便、低廉地將信息傳送到幾乎世界上的任何一個(gè)地方。球磨機(jī)工作發(fā)出噪音，環(huán)境惡劣，將顏料分散性檢測系統(tǒng)接入Internet，便可以通過Internet觀察現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀況及各種參數(shù)，即不必親臨現(xiàn)場，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程被控對象的監(jiān)控。隨著嵌入式技術(shù)的迅猛發(fā)展，把嵌入式技術(shù)、DSP技術(shù)與現(xiàn)代檢測、診斷技術(shù)相結(jié)合成為目前設(shè)備設(shè)計(jì)制造和智能化的發(fā)展方向。

2 研究內(nèi)容、技術(shù)路線和創(chuàng)新點(diǎn)

（1）研究內(nèi)容

本課題研究的基本思想是，采用先進(jìn)的工業(yè)控制嵌入式技術(shù)、模糊控制技術(shù)，根據(jù)實(shí)際情況和具體要求，結(jié)合現(xiàn)今國內(nèi)外控制技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)研究能夠自動檢測顏料壓力測控系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)及意外情況的計(jì)算機(jī)檢測控制系統(tǒng)。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研的結(jié)果和廠家的要求，顏料分散性檢測系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成具有數(shù)據(jù)采集、檢測、控制加上檢測裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與被檢測控制的對象（生產(chǎn)過程）共同構(gòu)成的檢測系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，本檢測系統(tǒng)主要應(yīng)用雙核CPU——芯片TMS320VC5471，ARM7TDMI作為主CPU，負(fù)責(zé)整機(jī)的控制、通信管理與人機(jī)接口功能，在ARM7TDMI核上移植μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)，并在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上設(shè)計(jì)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；DSP作為從CPU，是信號采集和數(shù)據(jù)處理的核心，信號采集與數(shù)據(jù)處理功能，實(shí)現(xiàn)顏料分散性的在線檢測；以模糊控制理論與PID控制理論相結(jié)合，對工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行控制，完成對工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)檢測與控制。此檢測系統(tǒng)涉及的研究內(nèi)容主要有以下幾點(diǎn)：

（1）基于嵌入式的顏料分散性檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)原理，規(guī)劃嵌入式對象組件結(jié)構(gòu)體系，設(shè)計(jì)基于嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線檢測與故障診斷系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。

（2）機(jī)械和電氣部分的設(shè)計(jì)及安裝

機(jī)械部分包括擠出機(jī)、篩分機(jī)、減速機(jī)三大部分，還包括支架、聯(lián)軸器等輔助部分。電氣部分包括轉(zhuǎn)動電機(jī)、變頻器、電氣控制箱、控制電路板等部分。

（3）應(yīng)用模糊控制技術(shù)對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理

將待檢測數(shù)據(jù)的誤差量作為模糊控制器的輸入變量，模糊控制器的輸出變量作為監(jiān)控對象的檢測量。

（4）基于嵌入式系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線檢測的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

根據(jù)顏料分散性檢測系統(tǒng)的要求，用嵌入式操作系統(tǒng)的裁剪與定制和開發(fā)環(huán)境編寫對此系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測的監(jiān)控程序，以便顯示要檢測的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行趨勢分析，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

（5）系統(tǒng)的軟硬件集成及系統(tǒng)的工程化應(yīng)用

將上述所開發(fā)的硬件系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集與通信、信號分析、在線監(jiān)控、功能組件管理以及目前在現(xiàn)場得到廣泛應(yīng)用的、成熟的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障智能診斷系統(tǒng)等軟件系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)集成，形成完整的基于嵌入式系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線檢測與故障智能診斷系統(tǒng)，并在合作企業(yè)進(jìn)行工程化實(shí)施與完善。

2.2 技術(shù)路線

（1）軟件開發(fā)研究。應(yīng)用C/C++開發(fā)嵌入式對象組件模塊，如SPC方法組件庫，并進(jìn)行嵌入式操作系統(tǒng)的裁剪和定制；進(jìn)行功能組件按需動態(tài)配置的柔性化組件裝配技術(shù)研究，并開發(fā)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的功能組件動態(tài)配置管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多類型輸入接口、在線實(shí)時(shí)顯示與分析、結(jié)果圖表的可視化、聲光報(bào)警提示、異地上傳下載及數(shù)據(jù)庫管理等功能。

（2）現(xiàn)場應(yīng)用研究。依據(jù)企業(yè)的實(shí)際情況，建立檢測系統(tǒng)模型，并進(jìn)行系統(tǒng)方案優(yōu)化研究，為研究開發(fā)的系統(tǒng)軟件的推廣應(yīng)用提供可靠的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。

（3）總結(jié)與提高。在軟件開發(fā)和現(xiàn)場研究的基礎(chǔ)上，對檢測系統(tǒng)軟件、應(yīng)用途徑、應(yīng)用條件等進(jìn)行詳細(xì)歸納和提煉，總結(jié)主要研究成果和創(chuàng)新點(diǎn)。

研究開發(fā)路線如圖所示。

2.3 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）設(shè)計(jì)方案采用先進(jìn)的ARM嵌入式控制系統(tǒng)，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性要求；（2）提出和設(shè)計(jì)基于DSP技術(shù)的信號采集卡，滿足信號的高速采集和實(shí)時(shí)分析，充分發(fā)揮DSP強(qiáng)大的信號處理能力；（3）將模糊邏輯技術(shù)引入智能檢測控制系統(tǒng)中。利用模糊控制理論與數(shù)字PID控制器原理設(shè)計(jì)參數(shù)自整定Fuzzy-PID控制器，實(shí)現(xiàn)顏料壓力檢測的自動控制。建立模糊控制系統(tǒng)，確定模糊自整定PID參數(shù)控制模型，離線編制模糊矩陣查詢表，使控制達(dá)到最佳效果。（4）本課題所開發(fā)的系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程通信與監(jiān)控功能，可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程異地在線監(jiān)控及診斷，為設(shè)備設(shè)計(jì)、制造廠家提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低維護(hù)成本，提供了技術(shù)支持，系統(tǒng)設(shè)計(jì)能接受多種類型數(shù)據(jù)接口（如RS232、RS485、RJ45、射頻、USB），能同時(shí)處理緩變及快變信號，可提高系統(tǒng)的通用性和適用性。

3 項(xiàng)目完成的主要技術(shù)指標(biāo)

（1）建立模糊控制系統(tǒng)，確定模糊自整定PID參數(shù)控制模型，離線編制模糊矩陣查詢表，使控制達(dá)到最佳效果，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制參數(shù)整定的智能化，相對于傳統(tǒng)的開環(huán)控制方式，擠出機(jī)出口壓力的精度和穩(wěn)定性大為提高，其中出口壓力精度控制在±1.00Bar的范圍內(nèi)。

（2）系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程通信與監(jiān)控功能，可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程異地在線監(jiān)控及診斷，為設(shè)備設(shè)計(jì)、制造廠家提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低維護(hù)成本，提供了技術(shù)支持。

（3）具備能接受多種類型輸入數(shù)據(jù)接口（如RS232、RS485、RJ45、射頻、USB）、能處理緩變及快變信號，以提高系統(tǒng)的通用性，使之能在條件稍差的中小企業(yè)推廣使用。

4 結(jié)束語

分散性作為顏料和體質(zhì)顏料的一項(xiàng)重要應(yīng)用性能，近年來越來越受到顏料生產(chǎn)企業(yè)以及其用戶的重視，目前國內(nèi)尚無評定分散性用的系列方法。本課題的研究成果的推廣應(yīng)用對我省乃至全國化工、印染行業(yè)具有重要的實(shí)用價(jià)值。因此本研究成果將具有廣闊的市場前景，具有巨大的社會價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，同時(shí)可以在利用高新技術(shù)改造與提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)設(shè)備的過程中起到促進(jìn)作用。

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作者簡介：張建榮（1974-）男，江西南康人，副教授、技師、碩士研究生，現(xiàn)從事電子信息及自動化技術(shù)教學(xué)與科研。