印染前处理碱浓度测量控制系统设计-纺织技术中心

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印染前处理碱浓度测量控制系统设计

来源：印染在线　发布时间：2015年04月17日

中图分类号:TS192·1
文献标识码:A文章编号:1673-0356(2007)02-0044-03
经过多年的发展,国产染整装备在“硬件”上与进口装备的差距在逐步缩小,基本能够满足生产的需要,其差距主要表现在“软件”上。进口装备的自动化程度很高,工艺参数一般都能实现在线自动监控,工艺稳定,重现性好,生产用工少,加工质量有保证。随着市场需求的变化和竞争的加剧,对加工质量要求越来越高,量少但重复需求的订单越来越多。因此,对工艺参数的精准控制和工艺重现要求越来越迫切。
自动在线测控系统能精确测量并稳定控制碱液浓度,对满足印染前处理工艺要求,保证加工质量具有重要意义。本系统采用了一种非接触式电导率传感器测量碱液的浓度,取得了比较好的效果。

1系统组成

1·1系统结构组成

系统由插入式电磁浓度传感器、控制器、通信接口、电源模块、电动调节阀、开关电磁阀、流体管路等组成。

1·2系统结构图与工作过程

系统框图如图1所示。在图1中,YH1、YH2、YH3、YH4是手动阀,系统工作在自动调节状态之前,应先打开YH1和YH3,并关闭YH2和YH4。自动调节时,电磁阀YV处于常开状态;电控柜内的控制器根据初始设定浓度值和轧碱槽中的传感器测量得到的溶液实际浓度值的误差,通过PID运算,输出4~20mA电流,以控制电动调节阀门YM的开度,增减补充碱液的流量,达到控制轧碱槽中溶液浓度的目的。停机时,电磁阀YV处于常闭状态,切断浓碱管路。系统工作在手动调节状态时,应先关闭YH1、YH3,通过调节YH2、YH4来控制轧碱槽中碱液的浓度。

浮子开关阀的作用是维持轧碱槽的液面稳定在一定高度,当低于这个高度时,浮子开关阀打开,并加入水,轧碱槽的液面会逐渐升高;到达一定高度后,浮子开关阀关闭,并停止加水。测量浓度的传感器采用非接触式电磁传感器,其特点是测量探头的感应部分不与烧碱溶液直接接触,实现电解质与传感器检测线圈完全非接触

,通过测量电解质溶液的电导率值来间接测定离子浓度,解决了普通传感器的电极易被烧碱溶液腐蚀以及由此而引起的干扰等问题,提高了测量精度,延长了传感器的使用寿命。

1·3系统硬件组成

系统框图如图1所示。系统以微处理器Atmega128为核心,配以A/D转换单元、D/A转换单元、存储器单元、时钟接口单元、人机单元(触摸屏)、I/O控制单元组合而成。由于该系统的特点是数据处理量比较大,因此选用Atmel公司的Atmega128单片机,该单片机处理器有丰富的片上资(4KRAM,128KFLASH,4KEEPROM等),适合该系统使用。

A/D转换单元用于采样传感器的电导率和温度信号,采用MAXIM公司的MAX1247完成此功能,它有12位转换精度。D/A转换单元主要输出4~20mA的信号对电动比例调节阀进行控制操作,D/A转换器选用ADC公司的AD420器件。存储器采用铁电存储器FM24C256(I2C接口),用于存储数据记录。并采用PHILIPS公司的PCF8583(I2C接口)作为系统的实时时钟接口。
板级总线采用串行体制,微处理器与AD转换器、DA转换器采用SPI总线连接,与扩展存储器及时钟芯片采用I2C总线连接。采用串行总线有效降低了系统的噪声,并且便于实现模拟和数字部分的隔离,对于提高测量精度,提高系统的抗干扰能力很有帮助。人机接口采用触摸屏完成显示和相关的操作功能,控制器采用RS232C与触摸屏通信。

2系统软件设计

该系统的软件包括主程序、串行中断程序、定时中断程序、数据采集子程序、浓度校正子程序、输出控制子程序、数据记录子程序、通信处理子程序等。主程序流程如图3所示。在初始化过程中,主要完成初始化硬件(Atmega128)、时钟单元、A/D单元和D/A单元的初始化。

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主程序中,控制器首先对碱液的电导率和温度进行采样,并对采样的数据进行校正处理,得到碱液的浓度数

值。然后根据设定浓度数值和测量浓度数值的误差,依据PID算法,通过DA转换单元,输出4~20mA的电流控制电动比例阀的开度,以保证碱液的浓度稳定在设定数值上。其次,对测量的工艺参数进行记录存储,并处理有关人机操作和数据显示方面的工作。数据采集子程序主要完成碱液电导率和温度的采集,并对A/D转换的数据进行滤波处理以增加数据的稳定性。
在数据处理子程序中,首先根据采集到的温度和电导率数值,对浓度进行非线性校准,然后再进行温度补偿,最后再进行现场多点校准。经过这样处理后,得到了精确的碱液浓度数值。在比例阀的输出控制子程序中,采用闭环增量式PID算法,这种算法只需保持当前时刻之前三个时刻的误差即可。它与位置式PID相比,有下列优点:

(1)位置式PID算法每次输出与整个过去状态有关,计算式中要用到过去误差的累加值,因此,容易产生较大的累积计算误差。而增量式PID只需计算增量,计算误差或精度不足时对控制量的计算影响较小。

(2)控制从手动切换到自动时,位置式PID算法必须先将计算机的输出值置为原始阀门开度,才能保证无冲击切换。若采用增量算法,与原始值无关,易于实现手动到自动的无冲击切换。

数据记录子程序根据设定的时间间隔对浓度、温度、日期时间等数据进行记录,以方便后来检索查询。

串行中断程序主要完成数据的发送和接收,定时中断程序完成多个任务的定时功能。而通信处理子程序主要完成控制器与触摸屏通信数据交换的功能。
3人机通讯

作为人机接口的触摸屏,本系统制作了很人性化的界面。主要包括现目标浓度设定、实时浓度和温度的显示,现场多点校准、PID参数整定,浓度/温度实时曲线和历史曲线的显示,浓度/温度历史记录的查询等功能。
微控制器和触摸屏通过RS-232C串行接口进行通讯信,采用MODBUS通讯协议。
MODBUS协议是一种串行的主从通讯协议。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网

络进行通信的。它描述了控制器请求访问其他设备的过程,如何回应来自其他设备的请求,以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。

它有两种传送方式,ASCII(美国标准信息交换代码)模式和RTU(远程终端单元)模式。ASCII模式消息中每个8Bit字节都作为两个ASCII字符发送,而RTU模式消息中每个8Bit字节包含两个4Bit的十六进制字符,在同等波特率下比ASCII模式要传送更多的数据。

3·1RTU模式消息的组成

我们使用RTU模式,消息格式如下所示:
消息发送至少要以3.5个字符时间的停顿间隔开始。典型的消息帧格式如表1所示。

3·1·1设备地址

单个设备的地址范围是1~247。通过不同的地址,控制器可以与多个从设备进行通信,该系统的设备地址设置为5。

3·1·2功能代码

消息帧中的功能代码的范围是1~255。当然,有些代码是适用于所有控制器,有些是应用于某种控制器,还有些以后保留备用。我们使用了功能03和16,具体含义如下。

3·1·3错误检测域(CRC校验域)

CRC域检测了整个消息的内容,它由发送设备计算后加入到消息中。接收设备重新计算收到消息的CRC,并与接收到的CRC域中的值比较,如果两个值不同,则有误。

生成CRC的具体步骤可参考MODBUS技术文件。此处给出以C语言写成的子程序。

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3·2使用情况

在通讯中,触摸屏(采用Eview触摸屏)为主机,控制器为从机。在实际使用中,遇到了一些问题并采取了对应措施:

(1)通信速度快慢的把握。控制器在回应通讯之前,应当做适当的延迟(视任务繁忙程度而定),否则,通讯过快,控制器在处理别的任务时,时间分配会不均,而导致效率下降。

(2)在传输浮点数时应注意数据组成顺序的差异。例如控制器要回应单精度浮点数12.46,它由四个字节按顺序组成应当为0x29、0x5C、0x47、0x41,但和触摸屏通信不成功。后经分析发

现触摸屏表达的顺序为0x5C、0x29、0x41、0x47,与正常的组成顺序不同,后改成和触摸屏表达方式一致通信成功。

4结论

本系统实现了对碱液浓度测量与控制的自动化,适用于印染前处理的退浆、煮练和丝光水洗后落碱的碱浓度测量控制,对碱液浓度进行在线检测及连续控制,使碱液浓度稳定在工艺要求的范围内。该系统在海城中新印染厂实际运行了10个月,实践表明,系统稳定可靠、测量准确、操作简便、维护方便,并在监控、信息记录和查询等方面有独特的功能,具有良好的社会经济效益。