基于DSP的電影洗印自動(dòng)控制系統(tǒng)

裴曉宇,王莉娜,張震,龐永剛

(北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院,北京 100191)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,對(duì)電影洗印業(yè)的生產(chǎn)和管理提出了更高的要求,所以要求洗印控制系統(tǒng)必須向無(wú)人化洗印監(jiān)控管理發(fā)展,以達(dá)到減員增效和提高管理水平的目的。

基于上述要求,以及國(guó)內(nèi)電影洗印工業(yè)的自動(dòng)化現(xiàn)狀,本文提出了一套基于DSP[1]的電影洗印工藝自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明,系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠、操作方便,大大提高了電影洗印工業(yè)的自動(dòng)化、信息化程度和電影洗印的工作效率。

1 洗印工藝流程及主要控制量

顯影液pH值,顯影液補(bǔ)充量,電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥門(mén)開(kāi)度及片種狀態(tài)。

此外對(duì)顯示及控制精度也有要求,顯影液溫度達(dá)到1%以?xún)?nèi),pH值精度要達(dá)到0.01個(gè)pH值以?xún)?nèi),顯影液補(bǔ)充量精度要控制到10mL/min,閥門(mén)開(kāi)度也要達(dá)到1%以?xún)?nèi)。且溫度值與pH值都有一定范圍,溫度范圍是(36.5±0.3)℃,pH值范圍是在9～10之間,超過(guò)此范圍產(chǎn)品質(zhì)量大大下降甚至報(bào)廢,所以要對(duì)這兩種量做報(bào)警,在最短時(shí)間內(nèi)盡量減少損失。

2 系統(tǒng)總體方案及硬件組成

電影洗印到最后印出大量發(fā)行放映拷貝,主要的工序有:工藝查驗(yàn)與質(zhì)量控制;洗片加工;半成品與成品鑒定;印片與配光;剪接合成;拷貝。其中工藝查驗(yàn)與洗片環(huán)節(jié)至關(guān)重要。

需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)控的參量有:顯影液溫度,

考慮到現(xiàn)場(chǎng)噪音大,并且為了方便查驗(yàn)人員工作,將系統(tǒng)確定為上、下位機(jī)的監(jiān)控管理形式。上位機(jī)包括計(jì)算機(jī)和打印機(jī)等硬件設(shè)施,設(shè)置在洗印車(chē)間旁邊的查驗(yàn)室內(nèi),其除了具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史查詢(xún)及打印等功能外,還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)內(nèi)計(jì)算機(jī)相連,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸,并且網(wǎng)內(nèi)其他計(jì)算機(jī)根據(jù)權(quán)限可以執(zhí)行不同級(jí)別的操作,從而實(shí)現(xiàn)洗片工藝的多級(jí)化遠(yuǎn)程監(jiān)控[2]。

系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)置在洗片機(jī)旁邊的數(shù)顯臺(tái)上,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和流量控制功能,并通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。系統(tǒng)下位機(jī)選用 DSP芯片TMS320F2812作為核心處理器。系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控軟件選用虛擬儀器(LABVIEW),采用圖形化的語(yǔ)言形式,使程序變得直接而形象。并且虛擬儀器直接以計(jì)算機(jī)為處理核心,使得在處理速度,網(wǎng)絡(luò)共享以及智能化程度上更具優(yōu)越性[3]。

根據(jù)洗片技術(shù)要求,整體方案及其硬件框圖如圖1所示,主要由數(shù)據(jù)采集、流量控制及報(bào)警、通信和實(shí)時(shí)監(jiān)控4部分組成。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of the system

信號(hào)采集是將現(xiàn)場(chǎng)需要測(cè)量的物理量經(jīng)過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào),并經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理進(jìn)入DSP控制器作為監(jiān)控依據(jù)。傳感器作為信號(hào)采集的第1道關(guān)卡,在產(chǎn)品選型上需要注意以下問(wèn)題:可測(cè)量物理量的范圍,耐壓耐溫程度,測(cè)量精度,輸出信號(hào)的種類(lèi)和范圍,尤其要考慮到現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境的限制。顯影液屬于強(qiáng)腐蝕的堿性液體,在選擇現(xiàn)場(chǎng)使用的傳感器時(shí)一定要把材料的耐腐蝕性能考慮進(jìn)去。此外現(xiàn)場(chǎng)管路復(fù)雜,管道較細(xì),在選擇傳感器和電動(dòng)閥時(shí)還要注意口徑匹配的問(wèn)題。

檢測(cè)控制部分是DSP以采集數(shù)據(jù)信號(hào)為依據(jù),結(jié)合從上位機(jī)上發(fā)出的命令對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況做出判斷分析并控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備動(dòng)作,達(dá)到控制人員的要求。實(shí)時(shí)監(jiān)控是系統(tǒng)利用現(xiàn)有的以太網(wǎng),配備服務(wù)器和網(wǎng)內(nèi)計(jì)算機(jī),建立控制局域網(wǎng),為遠(yuǎn)程監(jiān)控和擴(kuò)大系統(tǒng)做準(zhǔn)備。通信部分是指上位機(jī)與下位機(jī)的交互,上、下位機(jī)的通信通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)。

3 關(guān)鍵技術(shù)介紹

片種探測(cè)和流量控制是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。兩部分有著息息相關(guān)的聯(lián)系,如果片種探測(cè)不精確,那么流量控制就會(huì)大受影響甚至失控,反過(guò)來(lái)流量控制不到位,片種探測(cè)就失去了意義。

3.1 片種探測(cè)

在洗片過(guò)程中往往要根據(jù)膠片的種類(lèi)調(diào)節(jié)顯影液的補(bǔ)充量,在洗片過(guò)程中如果遇到牽引片時(shí)應(yīng)停止補(bǔ)充藥液的供應(yīng),原來(lái)的工藝無(wú)法做到這一點(diǎn),往往會(huì)過(guò)補(bǔ)充,造成顯影液pH值升高,這樣不僅導(dǎo)致影片顏色失真,且會(huì)浪費(fèi)昂貴的藥液,無(wú)形中對(duì)廢液的處理加大了成本。在這個(gè)系統(tǒng)中我們針對(duì)牽引片和拷貝片透光量不同[4],制作了紅外探頭探測(cè)片種,這種探頭由直射式紅外發(fā)射二極管和紅外接收二極管組成,裝置安裝在洗片機(jī)前端的緩沖箱內(nèi),膠片從中間穿過(guò)。檢測(cè)及信號(hào)處理電路如圖2所示。

圖2 紅外檢測(cè)及信號(hào)處理電路Fig.2 Infrared detection and sig nal processing circuit

圖2中發(fā)射和接收二極管的距離約10 cm,膠片從中間穿過(guò),紅外發(fā)射二極管發(fā)出的是不可見(jiàn)的紅外光,波長(zhǎng)范圍是850～940 nm,這個(gè)波長(zhǎng)范圍的光不會(huì)使膠片曝光。根據(jù)牽引片和拷貝片的透光量的差別,通過(guò)牽引片時(shí)透光量要強(qiáng)一些,這時(shí)接收二極管回路流過(guò)的電流就大(大于100 μ A),通過(guò)拷貝片時(shí)透光量要弱一些,流過(guò)接收回路的電流就小(小于 0.1 μ A)。圖 2中電阻 R1,R2為限流電阻,接收回路的接收二極管是加反向偏壓,這樣可以獲得較高的靈敏度?？截惼跊](méi)有曝光前透光量很小,這時(shí)接收二極管幾乎接收不到發(fā)射二極管的光,接收回路輸出電流幾乎為零,電阻上壓降也很小,幾乎與負(fù)端的地是等電位的,這時(shí)經(jīng)過(guò)放大器輸出的電壓值也很小。牽引片幾乎是全透光,接收回路二極管反向?qū)?限流電阻R2上壓降在3.3V左右,經(jīng)過(guò)放大器放大輸出,送入DSP的AD通道。

在采集到紅外探測(cè)信號(hào)后,DSP的AD通道連續(xù)采樣20次做平均,濾除干擾。結(jié)合通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的牽引片與拷貝片分別通過(guò)紅外探頭時(shí)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后數(shù)字值的差別,定義一個(gè)閾值,平均采樣值一旦高于閾值,便被判斷為牽引片。

這種方法比測(cè)量高低電平的方法更可靠和穩(wěn)定,因?yàn)榫彌_箱內(nèi)上下兩個(gè)運(yùn)送膠片的滾動(dòng)滑輪間隔較遠(yuǎn),導(dǎo)致膠片在傳送過(guò)程中會(huì)晃動(dòng)不穩(wěn),速度特別快時(shí)甚至?xí)龅教筋^,造成DSP的誤判斷,從而不能及時(shí)補(bǔ)充藥液造成膠片質(zhì)量的下降。通過(guò)比較AD采樣值的方法將這種不穩(wěn)定大大降低,保證了系統(tǒng)的可靠性。

3.2 補(bǔ)充流量的控制

本系統(tǒng)對(duì)顯影液的補(bǔ)充流量采用了如圖3所示閉環(huán)控制。

圖3 補(bǔ)充流量閉環(huán)控制Fig.3 Closed loop-control of flow supplement

由上位機(jī)發(fā)送流量值送到DSP,流量計(jì)傳感器采集的實(shí)際流量值與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥反饋的開(kāi)度值也一并反饋給DSP,由DSP做出判斷并控制電動(dòng)閥開(kāi)度值從而達(dá)到控制顯影液補(bǔ)充流量的目的。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥由電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥體組成,調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)際上是一個(gè)單相交流供電的伺服電機(jī),控制信號(hào)為4～20 mA電流信號(hào),反饋的閥門(mén)開(kāi)度信號(hào)也是4～20 mA電流信號(hào)。

在控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中,調(diào)節(jié)閥的選擇是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié),閥體的流量特性直接關(guān)系到系統(tǒng)的控制質(zhì)量。本系統(tǒng)選用的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥在開(kāi)度值相對(duì)變化與流量值變化上呈現(xiàn)等百分比特性(對(duì)數(shù)特性)。即在行程的每一點(diǎn)上單位行程變化所引起的流量的變化與此點(diǎn)的流量成正比,流量變化的百分比是相等的。這種調(diào)節(jié)特性特點(diǎn)在于不同開(kāi)度上,具有相同的調(diào)節(jié)精度。由于開(kāi)度值變化與流量值變化并不是呈直線關(guān)系,在保證控制精度的同時(shí)卻給控制上帶來(lái)一定難度。并且根據(jù)文獻(xiàn)[5]可知閥門(mén)管路壓差不同時(shí)使得閥門(mén)工作時(shí)的特性曲線較理想曲線有所畸變,如圖4所示。圖4中S表示的閥門(mén)全開(kāi)時(shí)的壓差與管路壓差的比值,S越小,曲線畸變?cè)絿?yán)重,而實(shí)際工作過(guò)程中管路壓差是變化的。要克服系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)工作帶來(lái)的畸變,則要從DSP控制器軟件算法上彌補(bǔ)。

圖4 串聯(lián)管路調(diào)節(jié)閥實(shí)際工作特性Fig.4 The actual operating characteristics of the serial valve

根據(jù)調(diào)節(jié)閥的等百分比理想曲線,建立一個(gè)流量值對(duì)應(yīng)開(kāi)度值的數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)在DSP中,在上位機(jī)發(fā)送流量數(shù)據(jù)命令時(shí),查表找到相應(yīng)的理想開(kāi)度值,待流量計(jì)傳感器將實(shí)際值反饋給DSP時(shí)再進(jìn)行實(shí)際值與命令值的比較,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行微調(diào),最終得到希望的流量,于此同時(shí)調(diào)節(jié)閥反饋回來(lái)對(duì)應(yīng)的實(shí)際開(kāi)度值。流量調(diào)節(jié)閥反饋回來(lái)對(duì)應(yīng)的實(shí)際開(kāi)度值。流量調(diào)節(jié)的子程序?qū)崿F(xiàn)的流程圖如圖5所示,利用查表法結(jié)合DSP控制器的快速的計(jì)算能力,可以使閥門(mén)快速定位在指令流量范圍附近,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的快速性,在此基礎(chǔ)上微調(diào)可以實(shí)現(xiàn)最終誤差不超過(guò)10 mL/min的流量調(diào)節(jié),滿(mǎn)足系統(tǒng)的精度要求。此外,DSP為數(shù)字信號(hào)處理器,控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥時(shí)通過(guò)DSP的SPI外設(shè)模塊與外部DA芯片通信來(lái)實(shí)現(xiàn)從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。調(diào)節(jié)閥最終需要4～20 mA的電流信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)控制,DA輸出的電壓信號(hào)到電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換是通過(guò)ISO/EM系列隔離放大器實(shí)現(xiàn),此芯片專(zhuān)門(mén)用于0～5 V電壓信號(hào)到4～20 mA信號(hào)的轉(zhuǎn)換,使用方便,免零點(diǎn)和增益調(diào)節(jié)。

圖5 流量調(diào)節(jié)流程圖Fig.5 Flow chart of the flow regulation

此外,考慮到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,要注意2個(gè)閥體之間的連接以及安裝順序。流量計(jì)傳感器的測(cè)量原理是需要液體充滿(mǎn)閥體才能準(zhǔn)確測(cè)量,并且傳感器的流量測(cè)量是有方向指示的(不允許反方向安裝)。系統(tǒng)安裝方式最終確定為流量計(jì)安裝在調(diào)節(jié)閥的下游,并且閥體與流量計(jì)之間需要變徑。為了減小變徑而帶來(lái)的阻力,兩者之間要有10倍管路直徑的距離。

3.3 采集信號(hào)的處理

系統(tǒng)需要采集的信號(hào)紛繁復(fù)雜,有模擬量和數(shù)字量,在進(jìn)入DSP前要做好隔離放大,并注意強(qiáng)弱電隔離?，F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境噪音較大,通過(guò)做實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)也存在一定程度的電磁干擾,使得采集的信號(hào)會(huì)發(fā)生漂移或者失真。這就要對(duì)采集的信號(hào)做一些處理,在硬件上,我們做了信號(hào)處理和放大電路。在軟件中,采用了數(shù)字濾波方法,將信號(hào)中的毛刺濾掉,使得監(jiān)控系統(tǒng)更可靠更穩(wěn)定。此外整個(gè)下位機(jī)控制系統(tǒng)要注意接地問(wèn)題,盡量減少電磁干擾,直流供電電源進(jìn)線處還增設(shè)了電源濾波器。

4 上位機(jī)運(yùn)行結(jié)果及分析

本系統(tǒng)已投入某洗印廠現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行。圖6為測(cè)試過(guò)程中的實(shí)時(shí)顯示界面。工作人員可以清楚地觀察到溫度、流量、開(kāi)度、pH值及片種等參數(shù),從圖6中數(shù)據(jù)可以看出1號(hào)洗片機(jī)運(yùn)行正常。

圖6 上位機(jī)監(jiān)控界面Fig.6 Monitoring interface of the host machine

該上位機(jī)監(jiān)控界面還有數(shù)據(jù)保存的功能,如圖7所示,洗片工藝中的關(guān)鍵參數(shù)可以被定時(shí)地保存在監(jiān)控計(jì)算機(jī)的Access數(shù)據(jù)庫(kù)中。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)可以了解到洗片機(jī)各個(gè)時(shí)刻的工作狀態(tài),有利于系統(tǒng)的檢測(cè)和維護(hù)。同時(shí)在數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)等功能上還進(jìn)行了以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控測(cè)試,測(cè)試結(jié)果為:數(shù)據(jù)可正常在網(wǎng)內(nèi)傳輸,通過(guò)授權(quán)網(wǎng)內(nèi)計(jì)算機(jī)可以查看并操作現(xiàn)場(chǎng)洗片機(jī)工況。根據(jù)測(cè)試結(jié)果,這套洗片機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,各項(xiàng)功能滿(mǎn)足預(yù)計(jì)要求。

圖7 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)Fig.7 Data stored by database

5 結(jié)論

依據(jù)洗印車(chē)間工作管理現(xiàn)狀,在設(shè)計(jì)過(guò)程中根據(jù)實(shí)際要求,確立了整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,搭建了基于TMS320F2812控制的下位機(jī)硬件電路,利用LabVIEW完成整個(gè)系統(tǒng)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了洗印工藝的自動(dòng)控制。該系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn):1)系統(tǒng)人機(jī)交互界面清晰美觀,工作可靠性高、使用方便、抗干擾能力強(qiáng);2)減輕了查驗(yàn)員的工作量,提高了效率,同時(shí)節(jié)省藥液,減少了環(huán)境污染;3)系統(tǒng)靈活,可以根據(jù)需要修改,方便升級(jí)。目前,此系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于某洗印廠中,其功能滿(mǎn)足洗片要求,并可以進(jìn)一步擴(kuò)大規(guī)模。

[1]劉和平,鄧力,江渝,等.數(shù)字信號(hào)處理器原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用基礎(chǔ)-TMS320F28x[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[2]李文娟,韓福強(qiáng).基于LabVIEW 的排水泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009,32(9):160-163.

[3]LabVIEW basic Introduction Course Manual[Z].USA,National Instruments,2004.

[4]樊品昌.電影洗片機(jī)電氣控制(下)[J].影視技術(shù),1994(6):16-18.

[5]曹潤(rùn)生,黃禎地,周澤魁.過(guò)程控制儀表[M].第2版.杭州:浙江大學(xué)出版社,2008.