基于密度測量的絲光機堿液濃度在線監控系統開發與應用

向 忠，洪乾耀，楊云濤，胡旭東

(浙江理工大學機械與自動控制學院，浙江杭州 310018)

棉織物絲光工藝過程中需采用堿溶液對其進行浸洗處理，使天然纖維素在燒堿作用下生成堿纖維素，從而使棉纖維發生不可逆溶脹，以提高其光澤、吸附能力、尺寸穩定性或紗線密度等。該工藝下堿液濃度的恒定是確保工藝再現的關鍵［1］，堿液濃度低則絲光質量不理想，濃度高則生產成本上升，嚴重時還會損傷坯布，因此需要對絲光過程中堿液濃度進行精確控制。

傳統堿液濃度控制多采用離線方式完成，即由人工定時自浸洗槽內取樣滴定獲取堿液濃度，再經人工判定后升高或降低堿濃度。該方式測量精度受人為因素影響大，且所測結果僅為某時刻的濃度值，易造成整個工藝過程中堿液濃度波動大、工藝穩定性差等問題［2］;堿液濃度在線控制系統是近年發展起來的新技術，它通過傳感器在線實時測定堿濃度，并結合電控閥門及相應控制技術實時調整堿液濃度，具有測控精度高、工藝穩定性強等優點［3－4］。

為實現堿液濃度在線控制，首先需完成對堿濃度的精確測量，現有系統中多采用成品傳感器來完成測定，該類傳感器的電信號以有線傳輸為主，且價格很高。由于印染生產線有近百米的長度，且印染車間內環境惡劣，在對生產線多點堿濃度進行測量時，傳感器信號在有線傳輸過程中受干擾嚴重，影響測控精度。此外，對車間內多條生產線進行在線控制時，必須為每條生產線配備專用控制器，實現成本較高。

針對上述問題，本文設計開發了一種具有ZigBee無線網絡通訊功能的智能壓差式堿液濃度計，有效解決了車間內堿濃度多點測量時信號傳輸過程中的抗干擾問題。通過將其應用在絲光機堿濃度在線控制系統中，取得了較好的運行效果。

1 測量原理

溶液濃度一般通過間接測量獲取。若設溶液密度為ρ，溶液質量為m，溶質的質量為d，溶液的質量分數為w，則溶液體積為

溶液的質量分數為

溶液的濃度為

由文獻［5］可知，堿溶液的質量分數是溶液自身密度ρ和溫度T的函數，計算公式為

圖1［5］示出堿溶液質量分數與密度、溫度之間的關系曲線。由圖可知，堿溶液的質量分數與密度、溫度之間具有較好的分段線性關系。結合式(3)、(4)可知，溶液濃度c可由其密度和溫度共同決定，若能同時測得堿液的密度與溫度值，則可參照圖1插值計算獲得堿液的濃度值。

圖1 堿液質量分數-溫度-密度關系特征曲線Fig.1 Curves for alkali's mass percent，density and temp

為測量液體密度，根據流體靜力學原理，在流速恒定的液體中，垂直高度固定的兩點間的壓強差為一定值［6－7］。假定在垂直管道上高度分別為H1、H2點處測得的壓力為P1、P2，根據流體靜力學原理可得管道內液體密度ρ:

式中g為重力加速度。令 H1－H2=h，P1－P2=△P，則待測液體密度為

因此，固定2個壓力傳感器的高度差，即可根據壓力差求得待測液體的密度。再輔以溫度測量，結合式(3)、(4)、(6)即可得到溶液濃度。

2 系統硬件設計與實現

2.1 堿液濃度計結構設計

基于密度測量原理設計的堿液濃度計結構示意圖如圖2(a)所示。濃度計上設計有一堿液取樣管道，且在取樣管道一側垂直間距為h的部位，開有2個測壓孔，用于安裝圖2(b)所示的瑞士Keller公司帶有溫度補償的壓力敏感元件。測試時，待測堿液自下而上流經取樣管道，系統通過讀取上下取樣點的壓力值后即可按式(6)求得當前堿液的密度，配合堿液溫度測量可進而求取堿液濃度。

2.2 堿液濃度計硬件電路設計

所設計堿液濃度計的硬件電路總體設計方案如圖3所示。系統基于MSP430單片機開發，選用帶電流源輸出的AD7794芯片實現對溫度和壓力信號的采樣功能，并完成對壓力芯體的電流激勵;圖示調理電路主要實現對模擬信號的降噪處理，提高系統抗干擾性能，而一線制溫度傳感器DS18B20主要用于環境溫度測量，實現對采樣電路的溫度補償;系統采用CC2531模塊組建ZigBee無線網絡，實現將采集的堿液溫度、密度信號遠程無線發送到無線接收模塊，再由接收模塊以RS485協議傳輸給用戶端;EEPROM以及按鍵實現密度計的參數設定與調零功能。信號輸出模塊主要用于實現所需的數字信號、模擬信號輸出。

圖2 堿濃度計結構及壓力敏感元件示意圖Fig.2 Schematic alkali meter structure(a)and pressure sensitive unit(b)

圖3 系統硬件電路框圖Fig.3 Hardware circuit diagram of alkali meter

調理電路是被測量與A/D轉換之間的紐帶，其精度必須要高于A/D轉換的測量精度，否則，調理電路將成為測量精度的瓶頸［8］。為提高信號測量精度，降低采樣電阻熱噪聲及外圍器件噪聲的影響，設計中采用低阻值精密電阻做采用電阻，并對信號進行二級運放，調理電路如圖4所示。

圖中第1級運放U1構成電壓跟隨，第2級用兩個通用運放搭建了一個差分輸出調理電路，且R1=R2=R7=R8，R3=R5，R4=R6，放大系數 K=R4/R3=R6/R5。

2.3 絲光機堿液濃度在線控制系統設計

圖4 信號調理電路Fig.4 Signal conditioning circuit

圖5為所設計的絲光機堿液濃度在線控制系統原理圖［9］。工作時，在配液槽內完成一定濃度堿液的調配，配液槽堿液有2個來源，分別是濃堿、淡堿。調配好的堿液經循環泵一部分輸送至堿洗槽進行補液，一部分流經濃度計進行在線檢測;檢測數據經無線模塊反饋至上位機，上位機以目標濃度和濃堿耗量最低為目標，控制圖示比例閥、二通閥的開關;由于堿液長期靜止時會有晶體析出，故在停機前通過控制圖示三通閥的開啟，采用清水對濃度計進行反向沖洗，確保濃度計的測量準確性。

圖5 堿液濃度在線控制系統原理圖Fig.5 Schematic diagram of alkali consistency online monitoring system

3 系統軟件設計與實現

3.1 堿液濃度在線控制系統軟件構架

圖6為絲光機堿液濃度在線監控系統軟件框架圖。其主要由上、下位機程序組成，其中上位機程序在PLC中實現，負責與用戶之間的交互;下位機程序則基于堿濃度計的MSP430芯片實現，并采用RS485串行通訊協議與上位機交互;工作時堿濃度計的無線發送、接收模塊采用一對一通訊模式，而上位機與無線接收模塊之間則采用一對多通訊模式，可有效降低多點測控時的硬件成本;系統初始化程序主要負責完成系統的時鐘設置、寄存器配置等，參數設定與調零程序通過響應鍵盤的中斷信號來完成傳感器量程、通訊速率、顯示單位、零點等參數的設定，協調和引導壓差式密度計進入工作狀態;參數顯示模塊則完成LCD的初始化及相應測試信息的文字顯示。

圖6 絲光機堿液濃度在線監控系統軟件框架圖Fig.6 Software architecture of mercerizing machine alkali consistency online monitoring system

3.2 信號輸入輸出及軟件補償

信號采集/輸出模塊程序流程圖如圖7所示。程序的一個分支響應按鍵中斷，從而改變濃度計的零點電位、量程值等，并更新相應參數地址;另一個分支響應來自上位機的軟請求，從而在指定端口輸出信號，控制閥門、電動機的動作;第三個分支用于實時讀取來自敏感元件的壓力、溫度值及堿液的實時溫度，并通過處理、計算獲取堿液的濃度，最后通過無線網絡進行傳輸，及在LCD上進行顯示。

為修正環境溫度對測量精度的影響，系統對測量數據進行溫度的軟件補償［10－11］。補償模型建立在對壓力敏感元件的標定數據基礎上，即在n個標準溫度Ti(i=1，…，n)、m個標準壓力Pj(j=1，…，m)下，得到n×m實測數據U(Ti，Pj)，然后在某溫度Ti下對壓力P和測試數據U進行曲線擬合，得到二者關系曲線P=f(U)和n組標定溫度下的壓力值，再對經擬合函數求取的壓力和標定溫度進行拉格朗日插值，得到壓力P和溫度T、電壓U的關系曲線P=f(U，T)，一般該曲線函數可用下式表述:

式中:

圖7 信號采集/輸出模塊程序流程圖Fig.7 Program flow chart of the signal I/O module

3.3 無線通訊模塊

ZigBee模塊程序基于TI的Z-Stack2007協議棧在IAR7.60開發環境下實現。在組網時，堿液濃度計作為終端節點，ZigBee無線網絡由無線接收模塊負責建立，終端節點加入該網絡。應用中，濃度計將測量參數經ZigBee模塊以無線方式編碼發送到接收模塊，而接收模塊將接收到的無線信號后進行解碼，并把解碼后的數據再通過串口發送給上位機，ZigBee通訊程序流程如圖8所示。

圖8 ZigBee通訊流程圖Fig.8 Communication flowchart of ZigBee.(a)Consistency meter;(b)Receiving module

4 系統測試與應用

4.1 堿濃度計性能測試

表1示出所設計堿濃度計的相關性能參數。圖9為堿濃度計及相關硬件電路實物圖。

表1 堿濃度計性能參數Tab.1 Performance parameters of alkali meter

圖9 堿濃度計Fig.9 Alkali meter.(a)Physical view;(b)Circuit board

在室溫為30℃時采用所設計濃度計對質量濃度分別為50～700 g/L(按50 g/L遞增)的堿液進行測試，所得的測試數據如表2所示。

表2 堿濃度計性能測試結果Tab.2 Performance test results for alkali meter

由表可知，濃度計在其量程范圍內的測量相對誤差在1.4%以內，且在濃度較低時誤差較大;在絲光工藝所要求的400 g/L堿濃度范圍內，濃度計的絕對誤差在5 g/L范圍以內，可滿足生產需求。

為驗證濃度計無線通訊的可靠性，在工廠內對濃度計信號發生與接收端之間的丟包率進行了測試，試驗結果如表3所示。由表可知其具有較好的通訊性能。

表3 濃度計通訊測試結果Tab.3 Communication test results for alkali meter

4.2 堿液濃度在線控制系統應用試驗

基于圖5所示堿液濃度在線控制系統，針對某企業內2條濕布絲光生產線設計的堿濃度在線控制系統如圖10所示。圖中，在每臺濕布絲光機上分別配置2套堿濃度在線控制系統，并采用同一套上位機系統進行控制;在6個月的生產過程中，該系統對堿濃度的有效控制精度在±5 g/L范圍內，滿足企業生產工藝要求，提高了企業生產效率和產品質量的穩定性，濃堿消耗量較人工控制減少15%左右，應用效果明顯。

圖10 絲光機堿濃度在線控制系統框圖Fig.10 Schematic diagram of mercerizing machine alkali consistency online monitoring system

5 結語

本文根據堿液密度-濃度之間的關系特性，設計開發了一種具有ZigBee無線網絡通訊功能的智能壓差式堿液濃度計，并將其應用于企業內的濕布絲光機堿液濃度在線控制系統中，實現了一定濃度堿液的在線自動配比、混合與輸送，降低了企業濃堿的消耗量。所設計的濃度計測量范圍為10～770 g/L，量程范圍內測量相對誤差可控制在1.4%范圍內。

［1］ 陳立秋.現代絲光設備:一［J］.印染，2004(4):39－42.CHEN Liqiu.Modern mercerizing equipment(I)［J］.Deying＆ Printing，2004，(4):39－42.

［2］ 路巖，楊公源.基于多傳感器的濃堿濃度在線檢測與配堿控制系統［J］.儀器儀表用戶，2013，20(1):34－36.LU Yan，YANG Gongyuan.The mulit-sensor strong alkaliconcentration online detection and automatic control system ［J］. Electronic Instrumentation Customer，2013，20(1):34 －36.

［3］ 陳立秋.染整工藝堿液的測控［J］.染整技術，2005，27(6):39－46.CHEN Liqiu.Measurement and control of alkali in textile dyeing and finishing process［J］.Textile Dyeing and Finishing Journal，2005，27(6):39 －46.

［4］ 董方武，華銓平，應玉龍.基于ZigBee的棉織物絲光堿濃度監控系統設計［J］.化工自動化及儀表，2010，37(4):45－48.DONG Fangwu，HUA Quanping，YING yulong.Design of zigbee-based monitoring system for alkali concentration in mercerized cotton fabric［J］.Control and Instruments in Chemical Industry，2010，37(4):45－48.

［5］ 劉光啟，馬連湘，劉杰.化學化工物性手冊［M］.北京:化學工業出版社，2002:291.LIU Guangqi，MA Lianxiang，LIU Jie.Handbook of Chemistry and Chemical properties［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2002:291.

［6］ XUE Cai，ZHAO Junguo，DU Ruisheng，et al.High sensitive piezoelectric quartz crystalliquid density sensor［J］. ChineseChemicalLetters， 2010(9):1129－1132.

［7］ 管文劍，金偉明.新型泥漿池差壓式密度計的設計與實現［J］.傳感技術學報，2006，19(1):199－201.GUAN Wenjian， JIN Weiming. Designing and realization of a new-type differential pressure densimeter for slurry density measurement［J］.Chinese Journal of Sensors and Actuators，2006，19(1):199 －201.

［8］ 高光天.傳感器與信號調理器件應用技術［M］.北京:科學出版社，2002:15－35.GAO Guangtian.Applying ofSensorand Signal Addtioner［M］.Beijing:Science Press，2002:15 －35.

［9］ 向忠，張建新，胡臻龍，等.基于PLC的絲光機堿液自動配送系統:中國，ZL201220188140.2［P］.2012－12－05.XIANG Zhong，ZHANG Jianxin，HU Zhenlong，et al.Alkali consistency monitoring system for mercerizing machinebaseonPLC:China，ZL201220188140.2［P］.2012－12－05.

［10］ PALMER J. Precise pressure sensor temperature compensationalgorithms［D］. New York:State University of New York，2006:67－75.

［11］ 卞金洪，王吉林，周鋒.高精度壓力傳感器中溫度補償技術研究［J］.哈爾濱理工大學學報，2011，16(6):55－57.BIAN Jinhong，WANG Jilin，ZHOU Feng.Research of temperature compensation on high accuracy pressure sensors［J］.Journal of Harbin University of Science And Technology，2011，16(6):55－57.