基于ARM的染色機控制系統(tǒng)的研發(fā)

林楠+王帥+湯捷

【摘 要】 總結國內(nèi)外染色機控制系統(tǒng)和產(chǎn)品KB300M功能的基礎上，提出新的染色機控制系統(tǒng)的設計方案。本系統(tǒng)采用ARM芯片LPC1768作為主控芯片，通過采集外部狀態(tài)來控制電機的運轉，以實現(xiàn)染色機的自動控制。本文就系統(tǒng)的整體方案設計、軟硬件設計進行詳細介紹。

【關鍵詞】 染色機 ARM UCGUI

紡織品市場需求的增長和科技水平的發(fā)展，給染整行業(yè)帶來了巨大的機遇和挑戰(zhàn)[1]。當前的染整加工主要依賴于染色機控制器，而傳統(tǒng)的染色機控制器一般采用單片機和可編程控制器PLC[2]。其中單片機運算速度慢、抗干擾能力差、維護困難，可編程控制器PLC成本高、聯(lián)網(wǎng)差。為了改善這種現(xiàn)狀，本文設計了基于ARM的染色機新系統(tǒng)，采用新的自適應PID控制算法。

1 控制系統(tǒng)的設計方案

染色機自動控制的工序流程一般分為入水、入布、備料、加料、升溫、保溫、降溫、檢測PH值、取樣、水洗、出布、排水[3]，但是現(xiàn)場環(huán)境復雜，而且不同布料的工藝步驟又各有差異，因此在參考佛山航星科技公司的KB300M基礎上，我們總結提出了新型染色機的性能要求。

該染色機控制系統(tǒng)要求有：四路模擬量輸入（兩路液位值和兩路溫度值），四路PWM輸出（改變PWM占空比可輸出4-20mA恒定電流），USB主設備（可讀取U盤等存儲設備中印染工序），16路開關量輸出（主要用于電機的控制，包括進水1-3，放水1-3，主泵，料泵，升溫，降溫，直加，卸壓，反轉，正轉，呼叫，排冷），兩路CAN通信（連接集中控制RQG7.0及現(xiàn)場終端機），一路脈沖輸出（連接流量計用于測量流量），TFT液晶屏（大屏高清顯示，可觸控操作），F(xiàn)LASH存儲電路（用于存儲彩屏字庫，圖片及工藝流程等），一路RS485通信（連接YC600現(xiàn)場終端機），四路獨立按鍵（可移動光標進行選擇確認操作），8路開關量輸入（外部工序開關狀態(tài)的輸入），一路蜂鳴器（過溫可響亮警告）。

染色機控制系統(tǒng)的整機包括五大模塊：電源模塊，主控制板，模擬板，電機板和液晶屏模塊。通過排線進行連接，實現(xiàn)整機裝配。

2 硬件設計

根據(jù)前述染色機控制系統(tǒng)的要求，選用LPC1768作為主控芯片。其中電源模塊使用DC/DC轉換芯片L1117，電源隔離芯片D121212S-2W進行電路保護；使用高速CAN收發(fā)器芯片MCP2551，MAX485，LM3526芯片實現(xiàn)染色機和外部設備的通信；使用SPI通信協(xié)議連接KL070P800480彩屏和AT45DB321B存儲電路；液位和溫度采集電路是分別使用外部的壓力傳感器和PT100溫度傳感器將模擬量轉化成電壓，經(jīng)過放大和濾波后，送入LPC1768的AD管腳；控制PWM的占空比可實現(xiàn)4-20mA的電流輸出；開關量的輸入輸出電路主要判斷的是邏輯真和假，例如當加水工作的開關量輸入為真，則開關量輸出為真，控制電機運轉，執(zhí)行加水工作。整個控制系統(tǒng)的硬件設計圖如圖1所示。

3 軟件設計

系統(tǒng)的軟件主要包括三部分，可視化的人機界面、數(shù)據(jù)的交互通訊和可控的現(xiàn)場編程。其中人機界面的實現(xiàn)，主要依賴于操作系統(tǒng)，UCGUI，文件系統(tǒng)的移植。操作系統(tǒng)能夠合理的調度多任務，分配軟硬件資源，控制協(xié)調好并發(fā)活動；UCGUI提供了圖形用戶接口，使操作更加直觀方便；FatFS文件系統(tǒng)則能適用于嵌入式系統(tǒng)，方便文件的管理和操作。數(shù)據(jù)的交互通信主要實現(xiàn)RS485和CAN的通信協(xié)議。RS485依賴于MAX485芯片將異步串口通信UART轉換為RS485通信，其實質還是基于UART的通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸；CAN作為多主總線，其程序包括初始化程序、數(shù)據(jù)發(fā)送程序、數(shù)據(jù)接收程序和數(shù)據(jù)異常處理程序。可控的現(xiàn)場編程可以讓操作人員根據(jù)印染工藝的現(xiàn)場需要，編寫合適的程序進行自動控制。

4 自適應PID算法

在印染行業(yè)，溫度是一個很重要的參數(shù)，直接影響著染色的質量。經(jīng)典PID控制的結構簡單、可靠性高，但是參數(shù)整定困難。模糊控制使用構造簡單，魯棒性好，但是存在一定主觀性。本文采用模糊自適應PID控制算法，結合了兩者的優(yōu)點，在常規(guī)PID控制器的基礎上以偏差E和偏差變化率Ec作為輸入，利用模糊控制規(guī)則在線對Kp，Ki，Kd進行修改，使其滿足不同時刻偏差E和偏差變化率Ec對PID參數(shù)自整定的要求。即輸入E和Ec，通過查詢模糊控制表得到Kp，Ki，Kd，這三個參數(shù)還要進行模糊化處理。主要規(guī)則如表1所示。

其中模糊量“較小”，“適中”，“較大”等的界定和判斷還得根據(jù)系統(tǒng)本身特性以及實踐經(jīng)驗進行設定。在控制之前，首先要建立輸入輸出模糊化和隸屬函數(shù)，設定E，Ec，Kp，Ki，Kd的基本論域，將其均劃分為7個模糊集。

5 結語

本文設計的染色機控制系統(tǒng)，基于ARM芯片LPC1768，有著低能耗，高性能的工作特性，功能豐富的觸控操作，友好的人機界面，實現(xiàn)了優(yōu)異的溫度速率控制和保溫精度。相較以往的產(chǎn)品，得到了很大的提高和改進，從而改善整個印染工藝的自動化和信息化水平，使印染企業(yè)更具市場競爭力。

參考文獻：

[1]Printing Association.印染行業(yè) “十二五” 發(fā)展規(guī)劃[J].印染，2012，38（10）.

[2]吳立.染整工藝設備[M].紡織工業(yè)出版社， 1993.

[3]汪海燕.基于單片機的自動控制系統(tǒng)[J].自動化技術與應用，2006， 25（5）：71-73.endprint

【摘 要】 總結國內(nèi)外染色機控制系統(tǒng)和產(chǎn)品KB300M功能的基礎上，提出新的染色機控制系統(tǒng)的設計方案。本系統(tǒng)采用ARM芯片LPC1768作為主控芯片，通過采集外部狀態(tài)來控制電機的運轉，以實現(xiàn)染色機的自動控制。本文就系統(tǒng)的整體方案設計、軟硬件設計進行詳細介紹。

【關鍵詞】 染色機 ARM UCGUI

紡織品市場需求的增長和科技水平的發(fā)展，給染整行業(yè)帶來了巨大的機遇和挑戰(zhàn)[1]。當前的染整加工主要依賴于染色機控制器，而傳統(tǒng)的染色機控制器一般采用單片機和可編程控制器PLC[2]。其中單片機運算速度慢、抗干擾能力差、維護困難，可編程控制器PLC成本高、聯(lián)網(wǎng)差。為了改善這種現(xiàn)狀，本文設計了基于ARM的染色機新系統(tǒng)，采用新的自適應PID控制算法。

1 控制系統(tǒng)的設計方案

染色機自動控制的工序流程一般分為入水、入布、備料、加料、升溫、保溫、降溫、檢測PH值、取樣、水洗、出布、排水[3]，但是現(xiàn)場環(huán)境復雜，而且不同布料的工藝步驟又各有差異，因此在參考佛山航星科技公司的KB300M基礎上，我們總結提出了新型染色機的性能要求。

該染色機控制系統(tǒng)要求有：四路模擬量輸入（兩路液位值和兩路溫度值），四路PWM輸出（改變PWM占空比可輸出4-20mA恒定電流），USB主設備（可讀取U盤等存儲設備中印染工序），16路開關量輸出（主要用于電機的控制，包括進水1-3，放水1-3，主泵，料泵，升溫，降溫，直加，卸壓，反轉，正轉，呼叫，排冷），兩路CAN通信（連接集中控制RQG7.0及現(xiàn)場終端機），一路脈沖輸出（連接流量計用于測量流量），TFT液晶屏（大屏高清顯示，可觸控操作），F(xiàn)LASH存儲電路（用于存儲彩屏字庫，圖片及工藝流程等），一路RS485通信（連接YC600現(xiàn)場終端機），四路獨立按鍵（可移動光標進行選擇確認操作），8路開關量輸入（外部工序開關狀態(tài)的輸入），一路蜂鳴器（過溫可響亮警告）。

染色機控制系統(tǒng)的整機包括五大模塊：電源模塊，主控制板，模擬板，電機板和液晶屏模塊。通過排線進行連接，實現(xiàn)整機裝配。

2 硬件設計

根據(jù)前述染色機控制系統(tǒng)的要求，選用LPC1768作為主控芯片。其中電源模塊使用DC/DC轉換芯片L1117，電源隔離芯片D121212S-2W進行電路保護；使用高速CAN收發(fā)器芯片MCP2551，MAX485，LM3526芯片實現(xiàn)染色機和外部設備的通信；使用SPI通信協(xié)議連接KL070P800480彩屏和AT45DB321B存儲電路；液位和溫度采集電路是分別使用外部的壓力傳感器和PT100溫度傳感器將模擬量轉化成電壓，經(jīng)過放大和濾波后，送入LPC1768的AD管腳；控制PWM的占空比可實現(xiàn)4-20mA的電流輸出；開關量的輸入輸出電路主要判斷的是邏輯真和假，例如當加水工作的開關量輸入為真，則開關量輸出為真，控制電機運轉，執(zhí)行加水工作。整個控制系統(tǒng)的硬件設計圖如圖1所示。

3 軟件設計

系統(tǒng)的軟件主要包括三部分，可視化的人機界面、數(shù)據(jù)的交互通訊和可控的現(xiàn)場編程。其中人機界面的實現(xiàn)，主要依賴于操作系統(tǒng)，UCGUI，文件系統(tǒng)的移植。操作系統(tǒng)能夠合理的調度多任務，分配軟硬件資源，控制協(xié)調好并發(fā)活動；UCGUI提供了圖形用戶接口，使操作更加直觀方便；FatFS文件系統(tǒng)則能適用于嵌入式系統(tǒng)，方便文件的管理和操作。數(shù)據(jù)的交互通信主要實現(xiàn)RS485和CAN的通信協(xié)議。RS485依賴于MAX485芯片將異步串口通信UART轉換為RS485通信，其實質還是基于UART的通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸；CAN作為多主總線，其程序包括初始化程序、數(shù)據(jù)發(fā)送程序、數(shù)據(jù)接收程序和數(shù)據(jù)異常處理程序?？煽氐默F(xiàn)場編程可以讓操作人員根據(jù)印染工藝的現(xiàn)場需要，編寫合適的程序進行自動控制。

4 自適應PID算法

在印染行業(yè)，溫度是一個很重要的參數(shù)，直接影響著染色的質量。經(jīng)典PID控制的結構簡單、可靠性高，但是參數(shù)整定困難。模糊控制使用構造簡單，魯棒性好，但是存在一定主觀性。本文采用模糊自適應PID控制算法，結合了兩者的優(yōu)點，在常規(guī)PID控制器的基礎上以偏差E和偏差變化率Ec作為輸入，利用模糊控制規(guī)則在線對Kp，Ki，Kd進行修改，使其滿足不同時刻偏差E和偏差變化率Ec對PID參數(shù)自整定的要求。即輸入E和Ec，通過查詢模糊控制表得到Kp，Ki，Kd，這三個參數(shù)還要進行模糊化處理。主要規(guī)則如表1所示。

其中模糊量“較小”，“適中”，“較大”等的界定和判斷還得根據(jù)系統(tǒng)本身特性以及實踐經(jīng)驗進行設定。在控制之前，首先要建立輸入輸出模糊化和隸屬函數(shù)，設定E，Ec，Kp，Ki，Kd的基本論域，將其均劃分為7個模糊集。

5 結語

本文設計的染色機控制系統(tǒng)，基于ARM芯片LPC1768，有著低能耗，高性能的工作特性，功能豐富的觸控操作，友好的人機界面，實現(xiàn)了優(yōu)異的溫度速率控制和保溫精度。相較以往的產(chǎn)品，得到了很大的提高和改進，從而改善整個印染工藝的自動化和信息化水平，使印染企業(yè)更具市場競爭力。

參考文獻：

[1]Printing Association.印染行業(yè) “十二五” 發(fā)展規(guī)劃[J].印染，2012，38（10）.

[2]吳立.染整工藝設備[M].紡織工業(yè)出版社， 1993.

[3]汪海燕.基于單片機的自動控制系統(tǒng)[J].自動化技術與應用，2006， 25（5）：71-73.endprint

【摘 要】 總結國內(nèi)外染色機控制系統(tǒng)和產(chǎn)品KB300M功能的基礎上，提出新的染色機控制系統(tǒng)的設計方案。本系統(tǒng)采用ARM芯片LPC1768作為主控芯片，通過采集外部狀態(tài)來控制電機的運轉，以實現(xiàn)染色機的自動控制。本文就系統(tǒng)的整體方案設計、軟硬件設計進行詳細介紹。

【關鍵詞】 染色機 ARM UCGUI

紡織品市場需求的增長和科技水平的發(fā)展，給染整行業(yè)帶來了巨大的機遇和挑戰(zhàn)[1]。當前的染整加工主要依賴于染色機控制器，而傳統(tǒng)的染色機控制器一般采用單片機和可編程控制器PLC[2]。其中單片機運算速度慢、抗干擾能力差、維護困難，可編程控制器PLC成本高、聯(lián)網(wǎng)差。為了改善這種現(xiàn)狀，本文設計了基于ARM的染色機新系統(tǒng)，采用新的自適應PID控制算法。

1 控制系統(tǒng)的設計方案

染色機自動控制的工序流程一般分為入水、入布、備料、加料、升溫、保溫、降溫、檢測PH值、取樣、水洗、出布、排水[3]，但是現(xiàn)場環(huán)境復雜，而且不同布料的工藝步驟又各有差異，因此在參考佛山航星科技公司的KB300M基礎上，我們總結提出了新型染色機的性能要求。

該染色機控制系統(tǒng)要求有：四路模擬量輸入（兩路液位值和兩路溫度值），四路PWM輸出（改變PWM占空比可輸出4-20mA恒定電流），USB主設備（可讀取U盤等存儲設備中印染工序），16路開關量輸出（主要用于電機的控制，包括進水1-3，放水1-3，主泵，料泵，升溫，降溫，直加，卸壓，反轉，正轉，呼叫，排冷），兩路CAN通信（連接集中控制RQG7.0及現(xiàn)場終端機），一路脈沖輸出（連接流量計用于測量流量），TFT液晶屏（大屏高清顯示，可觸控操作），F(xiàn)LASH存儲電路（用于存儲彩屏字庫，圖片及工藝流程等），一路RS485通信（連接YC600現(xiàn)場終端機），四路獨立按鍵（可移動光標進行選擇確認操作），8路開關量輸入（外部工序開關狀態(tài)的輸入），一路蜂鳴器（過溫可響亮警告）。

染色機控制系統(tǒng)的整機包括五大模塊：電源模塊，主控制板，模擬板，電機板和液晶屏模塊。通過排線進行連接，實現(xiàn)整機裝配。

2 硬件設計

根據(jù)前述染色機控制系統(tǒng)的要求，選用LPC1768作為主控芯片。其中電源模塊使用DC/DC轉換芯片L1117，電源隔離芯片D121212S-2W進行電路保護；使用高速CAN收發(fā)器芯片MCP2551，MAX485，LM3526芯片實現(xiàn)染色機和外部設備的通信；使用SPI通信協(xié)議連接KL070P800480彩屏和AT45DB321B存儲電路；液位和溫度采集電路是分別使用外部的壓力傳感器和PT100溫度傳感器將模擬量轉化成電壓，經(jīng)過放大和濾波后，送入LPC1768的AD管腳；控制PWM的占空比可實現(xiàn)4-20mA的電流輸出；開關量的輸入輸出電路主要判斷的是邏輯真和假，例如當加水工作的開關量輸入為真，則開關量輸出為真，控制電機運轉，執(zhí)行加水工作。整個控制系統(tǒng)的硬件設計圖如圖1所示。

3 軟件設計

系統(tǒng)的軟件主要包括三部分，可視化的人機界面、數(shù)據(jù)的交互通訊和可控的現(xiàn)場編程。其中人機界面的實現(xiàn)，主要依賴于操作系統(tǒng)，UCGUI，文件系統(tǒng)的移植。操作系統(tǒng)能夠合理的調度多任務，分配軟硬件資源，控制協(xié)調好并發(fā)活動；UCGUI提供了圖形用戶接口，使操作更加直觀方便；FatFS文件系統(tǒng)則能適用于嵌入式系統(tǒng)，方便文件的管理和操作。數(shù)據(jù)的交互通信主要實現(xiàn)RS485和CAN的通信協(xié)議。RS485依賴于MAX485芯片將異步串口通信UART轉換為RS485通信，其實質還是基于UART的通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸；CAN作為多主總線，其程序包括初始化程序、數(shù)據(jù)發(fā)送程序、數(shù)據(jù)接收程序和數(shù)據(jù)異常處理程序。可控的現(xiàn)場編程可以讓操作人員根據(jù)印染工藝的現(xiàn)場需要，編寫合適的程序進行自動控制。

4 自適應PID算法

在印染行業(yè)，溫度是一個很重要的參數(shù)，直接影響著染色的質量。經(jīng)典PID控制的結構簡單、可靠性高，但是參數(shù)整定困難。模糊控制使用構造簡單，魯棒性好，但是存在一定主觀性。本文采用模糊自適應PID控制算法，結合了兩者的優(yōu)點，在常規(guī)PID控制器的基礎上以偏差E和偏差變化率Ec作為輸入，利用模糊控制規(guī)則在線對Kp，Ki，Kd進行修改，使其滿足不同時刻偏差E和偏差變化率Ec對PID參數(shù)自整定的要求。即輸入E和Ec，通過查詢模糊控制表得到Kp，Ki，Kd，這三個參數(shù)還要進行模糊化處理。主要規(guī)則如表1所示。

其中模糊量“較小”，“適中”，“較大”等的界定和判斷還得根據(jù)系統(tǒng)本身特性以及實踐經(jīng)驗進行設定。在控制之前，首先要建立輸入輸出模糊化和隸屬函數(shù)，設定E，Ec，Kp，Ki，Kd的基本論域，將其均劃分為7個模糊集。

5 結語

本文設計的染色機控制系統(tǒng)，基于ARM芯片LPC1768，有著低能耗，高性能的工作特性，功能豐富的觸控操作，友好的人機界面，實現(xiàn)了優(yōu)異的溫度速率控制和保溫精度。相較以往的產(chǎn)品，得到了很大的提高和改進，從而改善整個印染工藝的自動化和信息化水平，使印染企業(yè)更具市場競爭力。

參考文獻：

[1]Printing Association.印染行業(yè) “十二五” 發(fā)展規(guī)劃[J].印染，2012，38（10）.

[2]吳立.染整工藝設備[M].紡織工業(yè)出版社， 1993.

[3]汪海燕.基于單片機的自動控制系統(tǒng)[J].自動化技術與應用，2006， 25（5）：71-73.endprint