基于密度測(cè)量的絲光機(jī)堿液濃度在線監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

向 忠，洪乾耀，楊云濤，胡旭東

(浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江杭州 310018)

棉織物絲光工藝過(guò)程中需采用堿溶液對(duì)其進(jìn)行浸洗處理，使天然纖維素在燒堿作用下生成堿纖維素，從而使棉纖維發(fā)生不可逆溶脹，以提高其光澤、吸附能力、尺寸穩(wěn)定性或紗線密度等。該工藝下堿液濃度的恒定是確保工藝再現(xiàn)的關(guān)鍵［1］，堿液濃度低則絲光質(zhì)量不理想，濃度高則生產(chǎn)成本上升，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損傷坯布，因此需要對(duì)絲光過(guò)程中堿液濃度進(jìn)行精確控制。

傳統(tǒng)堿液濃度控制多采用離線方式完成，即由人工定時(shí)自浸洗槽內(nèi)取樣滴定獲取堿液濃度，再經(jīng)人工判定后升高或降低堿濃度。該方式測(cè)量精度受人為因素影響大，且所測(cè)結(jié)果僅為某時(shí)刻的濃度值，易造成整個(gè)工藝過(guò)程中堿液濃度波動(dòng)大、工藝穩(wěn)定性差等問(wèn)題［2］;堿液濃度在線控制系統(tǒng)是近年發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，它通過(guò)傳感器在線實(shí)時(shí)測(cè)定堿濃度，并結(jié)合電控閥門及相應(yīng)控制技術(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整堿液濃度，具有測(cè)控精度高、工藝穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［3－4］。

為實(shí)現(xiàn)堿液濃度在線控制，首先需完成對(duì)堿濃度的精確測(cè)量，現(xiàn)有系統(tǒng)中多采用成品傳感器來(lái)完成測(cè)定，該類傳感器的電信號(hào)以有線傳輸為主，且價(jià)格很高。由于印染生產(chǎn)線有近百米的長(zhǎng)度，且印染車間內(nèi)環(huán)境惡劣，在對(duì)生產(chǎn)線多點(diǎn)堿濃度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，傳感器信號(hào)在有線傳輸過(guò)程中受干擾嚴(yán)重，影響測(cè)控精度。此外，對(duì)車間內(nèi)多條生產(chǎn)線進(jìn)行在線控制時(shí)，必須為每條生產(chǎn)線配備專用控制器，實(shí)現(xiàn)成本較高。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種具有ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊功能的智能壓差式堿液濃度計(jì)，有效解決了車間內(nèi)堿濃度多點(diǎn)測(cè)量時(shí)信號(hào)傳輸過(guò)程中的抗干擾問(wèn)題。通過(guò)將其應(yīng)用在絲光機(jī)堿濃度在線控制系統(tǒng)中，取得了較好的運(yùn)行效果。

1 測(cè)量原理

溶液濃度一般通過(guò)間接測(cè)量獲取。若設(shè)溶液密度為ρ，溶液質(zhì)量為m，溶質(zhì)的質(zhì)量為d，溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為w，則溶液體積為

溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為

溶液的濃度為

由文獻(xiàn)［5］可知，堿溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是溶液自身密度ρ和溫度T的函數(shù)，計(jì)算公式為

圖1［5］示出堿溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)與密度、溫度之間的關(guān)系曲線。由圖可知，堿溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與密度、溫度之間具有較好的分段線性關(guān)系。結(jié)合式(3)、(4)可知，溶液濃度c可由其密度和溫度共同決定，若能同時(shí)測(cè)得堿液的密度與溫度值，則可參照?qǐng)D1插值計(jì)算獲得堿液的濃度值。

圖1 堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)-溫度-密度關(guān)系特征曲線Fig.1 Curves for alkali's mass percent，density and temp

為測(cè)量液體密度，根據(jù)流體靜力學(xué)原理，在流速恒定的液體中，垂直高度固定的兩點(diǎn)間的壓強(qiáng)差為一定值［6－7］。假定在垂直管道上高度分別為H1、H2點(diǎn)處測(cè)得的壓力為P1、P2，根據(jù)流體靜力學(xué)原理可得管道內(nèi)液體密度ρ:

式中g(shù)為重力加速度。令 H1－H2=h，P1－P2=△P，則待測(cè)液體密度為

因此，固定2個(gè)壓力傳感器的高度差，即可根據(jù)壓力差求得待測(cè)液體的密度。再輔以溫度測(cè)量，結(jié)合式(3)、(4)、(6)即可得到溶液濃度。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 堿液濃度計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于密度測(cè)量原理設(shè)計(jì)的堿液濃度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2(a)所示。濃度計(jì)上設(shè)計(jì)有一堿液取樣管道，且在取樣管道一側(cè)垂直間距為h的部位，開(kāi)有2個(gè)測(cè)壓孔，用于安裝圖2(b)所示的瑞士Keller公司帶有溫度補(bǔ)償?shù)膲毫γ舾性?。測(cè)試時(shí)，待測(cè)堿液自下而上流經(jīng)取樣管道，系統(tǒng)通過(guò)讀取上下取樣點(diǎn)的壓力值后即可按式(6)求得當(dāng)前堿液的密度，配合堿液溫度測(cè)量可進(jìn)而求取堿液濃度。

2.2 堿液濃度計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)堿液濃度計(jì)的硬件電路總體設(shè)計(jì)方案如圖3所示。系統(tǒng)基于MSP430單片機(jī)開(kāi)發(fā)，選用帶電流源輸出的AD7794芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和壓力信號(hào)的采樣功能，并完成對(duì)壓力芯體的電流激勵(lì);圖示調(diào)理電路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的降噪處理，提高系統(tǒng)抗干擾性能，而一線制溫度傳感器DS18B20主要用于環(huán)境溫度測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣電路的溫度補(bǔ)償;系統(tǒng)采用CC2531模塊組建ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)將采集的堿液溫度、密度信號(hào)遠(yuǎn)程無(wú)線發(fā)送到無(wú)線接收模塊，再由接收模塊以RS485協(xié)議傳輸給用戶端;EEPROM以及按鍵實(shí)現(xiàn)密度計(jì)的參數(shù)設(shè)定與調(diào)零功能。信號(hào)輸出模塊主要用于實(shí)現(xiàn)所需的數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)輸出。

圖2 堿濃度計(jì)結(jié)構(gòu)及壓力敏感元件示意圖Fig.2 Schematic alkali meter structure(a)and pressure sensitive unit(b)

圖3 系統(tǒng)硬件電路框圖Fig.3 Hardware circuit diagram of alkali meter

調(diào)理電路是被測(cè)量與A/D轉(zhuǎn)換之間的紐帶，其精度必須要高于A/D轉(zhuǎn)換的測(cè)量精度，否則，調(diào)理電路將成為測(cè)量精度的瓶頸［8］。為提高信號(hào)測(cè)量精度，降低采樣電阻熱噪聲及外圍器件噪聲的影響，設(shè)計(jì)中采用低阻值精密電阻做采用電阻，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行二級(jí)運(yùn)放，調(diào)理電路如圖4所示。

圖中第1級(jí)運(yùn)放U1構(gòu)成電壓跟隨，第2級(jí)用兩個(gè)通用運(yùn)放搭建了一個(gè)差分輸出調(diào)理電路，且R1=R2=R7=R8，R3=R5，R4=R6，放大系數(shù) K=R4/R3=R6/R5。

2.3 絲光機(jī)堿液濃度在線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4 信號(hào)調(diào)理電路Fig.4 Signal conditioning circuit

圖5為所設(shè)計(jì)的絲光機(jī)堿液濃度在線控制系統(tǒng)原理圖［9］。工作時(shí)，在配液槽內(nèi)完成一定濃度堿液的調(diào)配，配液槽堿液有2個(gè)來(lái)源，分別是濃堿、淡堿。調(diào)配好的堿液經(jīng)循環(huán)泵一部分輸送至堿洗槽進(jìn)行補(bǔ)液，一部分流經(jīng)濃度計(jì)進(jìn)行在線檢測(cè);檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)無(wú)線模塊反饋至上位機(jī)，上位機(jī)以目標(biāo)濃度和濃堿耗量最低為目標(biāo)，控制圖示比例閥、二通閥的開(kāi)關(guān);由于堿液長(zhǎng)期靜止時(shí)會(huì)有晶體析出，故在停機(jī)前通過(guò)控制圖示三通閥的開(kāi)啟，采用清水對(duì)濃度計(jì)進(jìn)行反向沖洗，確保濃度計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確性。

圖5 堿液濃度在線控制系統(tǒng)原理圖Fig.5 Schematic diagram of alkali consistency online monitoring system

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 堿液濃度在線控制系統(tǒng)軟件構(gòu)架

圖6為絲光機(jī)堿液濃度在線監(jiān)控系統(tǒng)軟件框架圖。其主要由上、下位機(jī)程序組成，其中上位機(jī)程序在PLC中實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)與用戶之間的交互;下位機(jī)程序則基于堿濃度計(jì)的MSP430芯片實(shí)現(xiàn)，并采用RS485串行通訊協(xié)議與上位機(jī)交互;工作時(shí)堿濃度計(jì)的無(wú)線發(fā)送、接收模塊采用一對(duì)一通訊模式，而上位機(jī)與無(wú)線接收模塊之間則采用一對(duì)多通訊模式，可有效降低多點(diǎn)測(cè)控時(shí)的硬件成本;系統(tǒng)初始化程序主要負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)的時(shí)鐘設(shè)置、寄存器配置等，參數(shù)設(shè)定與調(diào)零程序通過(guò)響應(yīng)鍵盤的中斷信號(hào)來(lái)完成傳感器量程、通訊速率、顯示單位、零點(diǎn)等參數(shù)的設(shè)定，協(xié)調(diào)和引導(dǎo)壓差式密度計(jì)進(jìn)入工作狀態(tài);參數(shù)顯示模塊則完成LCD的初始化及相應(yīng)測(cè)試信息的文字顯示。

圖6 絲光機(jī)堿液濃度在線監(jiān)控系統(tǒng)軟件框架圖Fig.6 Software architecture of mercerizing machine alkali consistency online monitoring system

3.2 信號(hào)輸入輸出及軟件補(bǔ)償

信號(hào)采集/輸出模塊程序流程圖如圖7所示。程序的一個(gè)分支響應(yīng)按鍵中斷，從而改變濃度計(jì)的零點(diǎn)電位、量程值等，并更新相應(yīng)參數(shù)地址;另一個(gè)分支響應(yīng)來(lái)自上位機(jī)的軟請(qǐng)求，從而在指定端口輸出信號(hào)，控制閥門、電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作;第三個(gè)分支用于實(shí)時(shí)讀取來(lái)自敏感元件的壓力、溫度值及堿液的實(shí)時(shí)溫度，并通過(guò)處理、計(jì)算獲取堿液的濃度，最后通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，及在LCD上進(jìn)行顯示。

為修正環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量精度的影響，系統(tǒng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度的軟件補(bǔ)償［10－11］。補(bǔ)償模型建立在對(duì)壓力敏感元件的標(biāo)定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，即在n個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溫度Ti(i=1，…，n)、m個(gè)標(biāo)準(zhǔn)壓力Pj(j=1，…，m)下，得到n×m實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)U(Ti，Pj)，然后在某溫度Ti下對(duì)壓力P和測(cè)試數(shù)據(jù)U進(jìn)行曲線擬合，得到二者關(guān)系曲線P=f(U)和n組標(biāo)定溫度下的壓力值，再對(duì)經(jīng)擬合函數(shù)求取的壓力和標(biāo)定溫度進(jìn)行拉格朗日插值，得到壓力P和溫度T、電壓U的關(guān)系曲線P=f(U，T)，一般該曲線函數(shù)可用下式表述:

式中:

圖7 信號(hào)采集/輸出模塊程序流程圖Fig.7 Program flow chart of the signal I/O module

3.3 無(wú)線通訊模塊

ZigBee模塊程序基于TI的Z-Stack2007協(xié)議棧在IAR7.60開(kāi)發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。在組網(wǎng)時(shí)，堿液濃度計(jì)作為終端節(jié)點(diǎn)，ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由無(wú)線接收模塊負(fù)責(zé)建立，終端節(jié)點(diǎn)加入該網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用中，濃度計(jì)將測(cè)量參數(shù)經(jīng)ZigBee模塊以無(wú)線方式編碼發(fā)送到接收模塊，而接收模塊將接收到的無(wú)線信號(hào)后進(jìn)行解碼，并把解碼后的數(shù)據(jù)再通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)，ZigBee通訊程序流程如圖8所示。

圖8 ZigBee通訊流程圖Fig.8 Communication flowchart of ZigBee.(a)Consistency meter;(b)Receiving module

4 系統(tǒng)測(cè)試與應(yīng)用

4.1 堿濃度計(jì)性能測(cè)試

表1示出所設(shè)計(jì)堿濃度計(jì)的相關(guān)性能參數(shù)。圖9為堿濃度計(jì)及相關(guān)硬件電路實(shí)物圖。

表1 堿濃度計(jì)性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of alkali meter

圖9 堿濃度計(jì)Fig.9 Alkali meter.(a)Physical view;(b)Circuit board

在室溫為30℃時(shí)采用所設(shè)計(jì)濃度計(jì)對(duì)質(zhì)量濃度分別為50～700 g/L(按50 g/L遞增)的堿液進(jìn)行測(cè)試，所得的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 堿濃度計(jì)性能測(cè)試結(jié)果Tab.2 Performance test results for alkali meter

由表可知，濃度計(jì)在其量程范圍內(nèi)的測(cè)量相對(duì)誤差在1.4%以內(nèi)，且在濃度較低時(shí)誤差較大;在絲光工藝所要求的400 g/L堿濃度范圍內(nèi)，濃度計(jì)的絕對(duì)誤差在5 g/L范圍以內(nèi)，可滿足生產(chǎn)需求。

為驗(yàn)證濃度計(jì)無(wú)線通訊的可靠性，在工廠內(nèi)對(duì)濃度計(jì)信號(hào)發(fā)生與接收端之間的丟包率進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表可知其具有較好的通訊性能。

表3 濃度計(jì)通訊測(cè)試結(jié)果Tab.3 Communication test results for alkali meter

4.2 堿液濃度在線控制系統(tǒng)應(yīng)用試驗(yàn)

基于圖5所示堿液濃度在線控制系統(tǒng)，針對(duì)某企業(yè)內(nèi)2條濕布絲光生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的堿濃度在線控制系統(tǒng)如圖10所示。圖中，在每臺(tái)濕布絲光機(jī)上分別配置2套堿濃度在線控制系統(tǒng)，并采用同一套上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制;在6個(gè)月的生產(chǎn)過(guò)程中，該系統(tǒng)對(duì)堿濃度的有效控制精度在±5 g/L范圍內(nèi)，滿足企業(yè)生產(chǎn)工藝要求，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，濃堿消耗量較人工控制減少15%左右，應(yīng)用效果明顯。

圖10 絲光機(jī)堿濃度在線控制系統(tǒng)框圖Fig.10 Schematic diagram of mercerizing machine alkali consistency online monitoring system

5 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)堿液密度-濃度之間的關(guān)系特性，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種具有ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊功能的智能壓差式堿液濃度計(jì)，并將其應(yīng)用于企業(yè)內(nèi)的濕布絲光機(jī)堿液濃度在線控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了一定濃度堿液的在線自動(dòng)配比、混合與輸送，降低了企業(yè)濃堿的消耗量。所設(shè)計(jì)的濃度計(jì)測(cè)量范圍為10～770 g/L，量程范圍內(nèi)測(cè)量相對(duì)誤差可控制在1.4%范圍內(nèi)。

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