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印染前處理堿濃度測(cè)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

來源：印染在線　發(fā)布時(shí)間：2015年04月17日

中圖分類號(hào):TS192·1
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1673-0356(2007)02-0044-03
經(jīng)過多年的發(fā)展,國(guó)產(chǎn)染整裝備在“硬件”上與進(jìn)口裝備的差距在逐步縮小,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(chǎng)需求的變化和競(jìng)爭(zhēng)的加劇,對(duì)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。因此,對(duì)工藝參數(shù)的精準(zhǔn)控制和工藝重現(xiàn)要求越來越迫切。
自動(dòng)在線測(cè)控系統(tǒng)能精確測(cè)量并穩(wěn)定控制堿液濃度,對(duì)滿足印染前處理工藝要求,保證加工質(zhì)量具有重要意義。本系統(tǒng)采用了一種非接觸式電導(dǎo)率傳感器測(cè)量堿液的濃度,取得了比較好的效果。

1系統(tǒng)組成

1·1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)由插入式電磁濃度傳感器、控制器、通信接口、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)結(jié)構(gòu)圖與工作過程

系統(tǒng)框圖如圖1所示。在圖1中,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,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(cè)量得到的溶液實(shí)際濃度值的誤差,通過PID運(yùn)算,輸出4~20mA電流,以控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門YM的開度,增減補(bǔ)充堿液的流量,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,通過調(diào)節(jié)YH2、YH4來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,并加入水,軋堿槽的液面會(huì)逐漸升高;到達(dá)一定高度后,浮子開關(guān)閥關(guān)閉,并停止加水。測(cè)量濃度的傳感器采用非接觸式電磁傳感器,其特點(diǎn)是測(cè)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(cè)線圈完全非接觸

,通過測(cè)量電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率值來間接測(cè)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(cè)量精度,延長(zhǎng)了傳感器的使用壽命。

1·3系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)框圖如圖1所示。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(chǔ)器單元、時(shí)鐘接口單元、人機(jī)單元(觸摸屏)、I/O控制單元組合而成。由于該系統(tǒng)的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)處理量比較大,因此選用Atmel公司的Atmega128單片機(jī),該單片機(jī)處理器有豐富的片上資(4KRAM,128KFLASH,4KEEPROM等),適合該系統(tǒng)使用。

A/D轉(zhuǎn)換單元用于采樣傳感器的電導(dǎo)率和溫度信號(hào),采用MAXIM公司的MAX1247完成此功能,它有12位轉(zhuǎn)換精度。D/A轉(zhuǎn)換單元主要輸出4~20mA的信號(hào)對(duì)電動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制操作,D/A轉(zhuǎn)換器選用ADC公司的AD420器件。存儲(chǔ)器采用鐵電存儲(chǔ)器FM24C256(I2C接口),用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)記錄。并采用PHILIPS公司的PCF8583(I2C接口)作為系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘接口。
板級(jí)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(chǔ)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,并且便于實(shí)現(xiàn)模擬和數(shù)字部分的隔離,對(duì)于提高測(cè)量精度,提高系統(tǒng)的抗干擾能力很有幫助。人機(jī)接口采用觸摸屏完成顯示和相關(guān)的操作功能,控制器采用RS232C與觸摸屏通信。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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,主要完成初始化硬件(Atmega128)、時(shí)鐘單元、A/D單元和D/A單元的初始化。

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主程序中,控制器首先對(duì)堿液的電導(dǎo)率和溫度進(jìn)行采樣,并對(duì)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(cè)量濃度數(shù)值的誤差,依據(jù)PID算法,通過DA轉(zhuǎn)換單元,輸出4~20mA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)定數(shù)值上。其次,對(duì)測(cè)量的工藝參數(shù)進(jìn)行記錄存儲(chǔ),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(duì)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(duì)濃度進(jìn)行非線性校準(zhǔn),然后再進(jìn)行溫度補(bǔ)償,最后再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)多點(diǎn)校準(zhǔn)。經(jīng)過這樣處理后,得到了精確的堿液濃度數(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(duì)控制量的計(jì)算影響較小。

(2)控制從手動(dòng)切換到自動(dòng)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(duì)濃度、溫度、日期時(shí)間等數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄,以方便后來檢索查詢。

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。而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。
3人機(jī)通訊

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。主要包括現(xiàn)目標(biāo)濃度設(shè)定、實(shí)時(shí)濃度和溫度的顯示,現(xiàn)場(chǎng)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。
微控制器和觸摸屏通過RS-232C串行接口進(jìn)行通訊信,采用MODBUS通訊協(xié)議。
MODBUS協(xié)議是一種串行的主從通訊協(xié)議。此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)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)行通信的。它描述了控制器請(qǐng)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(qǐng)求,以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。

它有兩種傳送方式,ASCII(美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼)模式和RTU(遠(yuǎn)程終端單元)模式。ASCII模式消息中每個(gè)8Bit字節(jié)都作為兩個(gè)ASCII字符發(fā)送,而RTU模式消息中每個(gè)8Bit字節(jié)包含兩個(gè)4Bit的十六進(jìn)制字符,在同等波特率下比ASCII模式要傳送更多的數(shù)據(jù)。

3·1RTU模式消息的組成

我們使用RTU模式,消息格式如下所示:
消息發(fā)送至少要以3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開始。典型的消息幀格式如表1所示。

3·1·1設(shè)備地址

單個(gè)設(shè)備的地址范圍是1~247。通過不同的地址,控制器可以與多個(gè)從設(shè)備進(jìn)行通信,該系統(tǒng)的設(shè)備地址設(shè)置為5。

3·1·2功能代碼

消息幀中的功能代碼的范圍是1~255。當(dāng)然,有些代碼是適用于所有控制器,有些是應(yīng)用于某種控制器,還有些以后保留備用。我們使用了功能03和16,具體含義如下。

3·1·3錯(cuò)誤檢測(cè)域(CRC校驗(yàn)域)

CRC域檢測(cè)了整個(gè)消息的內(nèi)容,它由發(fā)送設(shè)備計(jì)算后加入到消息中。接收設(shè)備重新計(jì)算收到消息的CRC,并與接收到的CRC域中的值比較,如果兩個(gè)值不同,則有誤。

生成CRC的具體步驟可參考MODBUS技術(shù)文件。此處給出以C語(yǔ)言寫成的子程序。

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3·2使用情況

在通訊中,觸摸屏(采用Eview觸摸屏)為主機(jī),控制器為從機(jī)。在實(shí)際使用中,遇到了一些問題并采取了對(duì)應(yīng)措施:

(1)通信速度快慢的把握。控制器在回應(yīng)通訊之前,應(yīng)當(dāng)做適當(dāng)?shù)难舆t(視任務(wù)繁忙程度而定),否則,通訊過快,控制器在處理別的任務(wù)時(shí),時(shí)間分配會(huì)不均,而導(dǎo)致效率下降。

(2)在傳輸浮點(diǎn)數(shù)時(shí)應(yīng)注意數(shù)據(jù)組成順序的差異。例如控制器要回應(yīng)單精度浮點(diǎn)數(shù)12.46,它由四個(gè)字節(jié)按順序組成應(yīng)當(dāng)為0x29、0x5C、0x47、0x41,但和觸摸屏通信不成功。后經(jīng)分析發(fā)

現(xiàn)觸摸屏表達(dá)的順序?yàn)?/span>0x5C、0x29、0x41、0x47,與正常的組成順序不同,后改成和觸摸屏表達(dá)方式一致通信成功。

4結(jié)論

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)堿液濃度測(cè)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堿濃度測(cè)量控制,對(duì)堿液濃度進(jìn)行在線檢測(cè)及連續(xù)控制,使堿液濃度穩(wěn)定在工藝要求的范圍內(nèi)。該系統(tǒng)在海城中新印染廠實(shí)際運(yùn)行了10個(gè)月,實(shí)踐表明,系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、測(cè)量準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)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(huì)經(jīng)濟(jì)效益。