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印染前處理堿濃度測量控制系統(tǒng)設(shè)計

來源：印染在線　發(fā)布時間：2015年04月17日

中圖分類號:TS192·1
文獻標識碼:A文章編號:1673-0356(2007)02-0044-03
經(jīng)過多年的發(fā)展,國產(chǎn)染整裝備在“硬件”上與進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。進口裝備的自動化程度很高,工藝參數(shù)一般都能實現(xiàn)在線自動監(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。因此,對工藝參數(shù)的精準控制和工藝重現(xiàn)要求越來越迫切。
自動在線測控系統(tǒng)能精確測量并穩(wěn)定控制堿液濃度,對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是手動閥,系統(tǒng)工作在自動調(diào)節(jié)狀態(tài)之前,應(yīng)先打開YH1和YH3,并關(guān)閉YH2和YH4。自動調(diào)節(jié)時,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際濃度值的誤差,通過PID運算,輸出4~20mA電流,以控制電動調(diào)節(jié)閥門YM的開度,增減補充堿液的流量,達到控制軋堿槽中溶液濃度的目的。停機時,電磁閥YV處于常閉狀態(tài),切斷濃堿管路。系統(tǒng)工作在手動調(diào)節(jié)狀態(tài)時,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?shù)陀谶@個高度時,浮子開關(guān)閥打開,并加入水,軋堿槽的液面會逐漸升高;到達一定高度后,浮子開關(guān)閥關(guān)閉,并停止加水。測量濃度的傳感器采用非接觸式電磁傳感器,其特點是測量探頭的感應(yīng)部分不與燒堿溶液直接接觸,實現(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。

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、存儲器單元、時鐘接口單元、人機單元(觸摸屏)、I/O控制單元組合而成。由于該系統(tǒng)的特點是數(shù)據(jù)處理量比較大,因此選用Atmel公司的Atmega128單片機,該單片機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,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的信號對電動比例調(diào)節(jié)閥進行控制操作,D/A轉(zhuǎn)換器選用ADC公司的AD420器件。存儲器采用鐵電存儲器FM24C256(I2C接口),用于存儲數(shù)據(jù)記錄。并采用PHILIPS公司的PCF8583(I2C接口)作為系統(tǒng)的實時時鐘接口。
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,與擴展存儲器及時鐘芯片采用I2C總線連接。采用串行總線有效降低了系統(tǒng)的噪聲,并且便于實現(xiàn)模擬和數(shù)字部分的隔離,對于提高測量精度,提高系統(tǒng)的抗干擾能力很有幫助。人機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

該系統(tǒng)的軟件包括主程序、串行中斷程序、定時中斷程序、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,控制器首先對堿液的電導(dǎo)率和溫度進行采樣,并對采樣的數(shù)據(jù)進行校正處理,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DA轉(zhuǎn)換單元,輸出4~20mA的電流控制電動比例閥的開度,以保證堿液的濃度穩(wěn)定在設(shè)定數(shù)值上。其次,對測量的工藝參數(shù)進行記錄存儲,并處理有關(guān)人機操作和數(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,對濃度進行非線性校準,然后再進行溫度補償,最后再進行現(xiàn)場多點校準。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前時刻之前三個時刻的誤差即可。它與位置式PID相比,有下列優(yōu)點:

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

(2)控制從手動切換到自動時,位置式PID算法必須先將計算機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),易于實現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換。

數(shù)據(jù)記錄子程序根據(jù)設(shè)定的時間間隔對濃度、溫度、日期時間等數(shù)據(jù)進行記錄,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,定時中斷程序完成多個任務(wù)的定時功能。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人機通訊

作為人機接口的觸摸屏,本系統(tǒng)制作了很人性化的界面。主要包括現(xiàn)目標濃度設(shè)定、實時濃度和溫度的顯示,現(xiàn)場多點校準、PID參數(shù)整定,濃度/溫度實時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)議定義了一個控制器能認識使用的消息結(jié)構(gòu),而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)

絡(luò)進行通信的。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(美國標準信息交換代碼)模式和RTU(遠程終端單元)模式。ASCII模式消息中每個8Bit字節(jié)都作為兩個ASCII字符發(fā)送,而RTU模式消息中每個8Bit字節(jié)包含兩個4Bit的十六進制字符,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個字符時間的停頓間隔開始。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,控制器可以與多個從設(shè)備進行通信,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錯誤檢測域(CRC校驗域)

CRC域檢測了整個消息的內(nèi)容,它由發(fā)送設(shè)備計算后加入到消息中。接收設(shè)備重新計算收到消息的CRC,并與接收到的CRC域中的值比較,如果兩個值不同,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,控制器為從機。在實際使用中,遇到了一些問題并采取了對應(yīng)措施:

(1)通信速度快慢的把握?？刂破髟诨貞?yīng)通訊之前,應(yīng)當做適當?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,時間分配會不均,而導(dǎo)致效率下降。

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

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

4結(jié)論

本系統(tǒng)實現(xiàn)了對堿液濃度測量與控制的自動化,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量控制,對堿液濃度進行在線檢測及連續(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際運行了10個月,實踐表明,系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、測量準確、操作簡便、維護方便,并在監(jiān)控、信息記錄和查詢等方面有獨特的功能,具有良好的社會經(jīng)濟效益。