染色精確控制系統的研發

葉森鋼， 馬海平， 謝志堃， 阮謝永

(紹興文理學院 物理與電子信息系，浙江 紹興 312000)

0 引 言

由于溢流染色機存在缸差、管差等缺陷，經常需要重新返工，增加了水、電、汽的消耗，因此解決溢流染色機缸差和管差是提高染色質量和效率、降低能耗的一個研究方向[1-2]。

缸差和管差產生的原因較多，有2個是較常見但又經常被忽視的問題。如在實際生產過程中，每管間織物裝載量相同，每一管染液噴射量也盡可能地進行了平衡，但每管的織物實際運行速度并非一定相同，造成同一缸布內有匹差、管差。另外,生產管理中雖然計劃中每管間的投放量相同，但實際生產中因各種不確定因素，有可能導致各管間織物的長度存在一定的差異，而這種差異不及時發現和糾正，也會產生一定的管差，織物少的管內產品顏色深，而織物多的管內產品顏色淺。此外,缸中用水量是否一致也對缸差、管差的存在有很大的影響。因此如何檢測和控制好管內織物的運行速度以及管中用水量的一致性是減少缸差、管差的一個關鍵，目前溢流染色機對上述兩問題沒有很好地解決。對于用水量的一致性一般用流量計就能解決，而對織物運行狀況的檢測控制則困難得多[3-4]。本文著力解決管內織物運行狀況的檢測和運行速度的控制，以實現缸內、缸間不同管間管內織物的印染條件的一致性，減少缸差、管差的發生。

1 織物運行狀況檢測原理與磁敏傳感器

檢測溢流管中的布匹運行速度時，可在封閉缸體中運行的織物上某處(一般為布頭)縫制一個能產生磁場的小磁鋼，選缸體某一處管徑較細處(以保證有較好的靈敏度)附近放置一磁敏傳感器，當小磁鋼通過磁敏傳感器附近時，傳感器產生一脈沖信號，同時啟動計時，第二次再檢測磁鋼時，同樣產生一個脈沖，而此時織物通過的距離，實際就是該缸體的長度，以此長度除以兩脈沖信號間的時間就可得到織物運行的速度，同時還可得到織物在管內環繞1周的時間和已經運行的時間，這樣就可及時調整印染速度，使織物處于最佳印染狀態，達到預期的質量。原理如圖1所示。

圖1 織物運行狀況檢測原理圖

圖1中的磁敏傳感器采用霍尼韋爾公司生產的高性能磁阻傳感器HMC1021D，為單軸磁敏傳感器，配置成一個4個元件的惠斯頓電橋，將被測磁場轉化為不同的輸出電壓，能感應低至8.5 nT的磁場，測量的磁場范圍寬達±60 mT，靈敏度為1 mV/(V·Gs)。其內部結構見圖2，UBR為橋壓供電+5 V，GND為公共地，OUT+、OUT-為差分輸出端，OFFSET-、OFFSET+為內部補償線圈引線，±表示電流極性，S/R+、S/R-為置位、復位線圈引出端，改變電流極性可分別實現置位、復位。當電橋供電后傳感器將敏感軸方向的任何入射磁場強度轉換成差分電壓輸出。除了電橋電路外，傳感器芯片內還具有2個磁耦合片：偏移帶和置位/復位帶，用于入射磁場調節和磁疇調整，有了它們就不需要在傳感器周圍安裝外部線圈進行調整[5-8]。

圖2 HMC1021D內部結構圖

2 總體電路設計

系統原理框圖見圖3，系統以AT89S51為核心，利用磁敏電阻芯片HMC1021D檢測布頭上縫制的小磁鋼的磁信號，經放大過零比較整形輸出矩形脈沖信號，為單片機所采集，同時流量計上的信號經A/D轉換也為單片機采集，得到管內水量和布匹運行速度。然后通過控制水量控制閥門和管染液噴嘴閥調節管內的水量和管內布匹運行的速度，系統還可通過RS485與上位機通信。

圖3 系統原理框圖

當磁阻傳感器暴露于干擾磁場中，傳感器元件會分成若干方向隨機的區域，從而導致靈敏度衰減，傳感器特性也會改變，針對這一破壞性的磁場，需對敏感元件施加一個瞬態的強恢復磁場來恢復或保持傳感器特性，為此需添加一個置位/復位電路。

當系統檢測磁場信號為0時，磁敏傳感器仍可能有信號輸出，為此還需利用磁敏傳感器的補償線圈，添加一個補償電路，以便在沒有測量磁場的作用下時，消除環境磁場和鐵磁性物質對測量結果的影響，即起到系統調零的作用。同時，為保證磁敏元件橋路激勵電源的恒定性，系統還增加了電源檢測模塊，以便在電源改變時發出報警提示調整信號。

系統采用HD7279A做鍵盤顯示接口，其具有串行接口，可同時驅動8位共陰數碼管(或64只獨立LED)的智能顯示，該芯片同時可連接多達64鍵的鍵盤矩陣，一片即可完成LED顯示和鍵盤接口的全部功能，通過鍵盤可設定管內水量，調節磁敏傳感器的置位/復位電流等等[9-10]。

3 軟件流程

系統啟動后，先進行初始參數的設置，然后進行管內水量的檢測，根據所測數據調節水量控制閥使管內水量與預設值一致。其次進行電源電壓檢測，并進行置位/復位操作，確保干擾磁場信號的消除，同時讀取磁敏傳感器的數據再進行數據的處理，得到織物運行的速度。管內水量值和織物運行的速度值分時交替在數碼管上顯示。織物運行速度檢測采用外部中斷與定時器中斷相結合的方式，如圖4所示，

圖4 單片機脈沖信號采集示意圖

分別在脈沖1、脈沖2的下降沿所產生的外部中斷中啟動和關閉定時器計時。在外部中斷中由設定的軟件標志flag來確定是啟動計時還是關閉計時，flag為0時啟動計時；flag為1時關閉計時。兩脈沖間的時間t即為織物運行1周的時間(脈沖寬度對應小磁鋼檢測處，因此脈沖寬度與t相比實際是非常小的，可忽略其帶來的誤差)，則織物運行速度v為

v=s/t

(1)

式中，s為染色機染缸管周長。則織物運行速度誤差:

(2)

即誤差由管周長誤差和脈沖間時間誤差組成。另外，時間t是不確定的且比定時器定時1機器周期(如12 MHz晶振時為1 μs)要大得多，而在51系列單片機的定時器工作方式1下，定時可為1～65 536 μs，為此可設定1個較為合適的定時值如圖4所示t0，由t0作為t的最小計時刻度，t中t0的次數即定時器溢出的次數則由軟件設定的標志counter來計數，最終根據counter的值和t0來計算得到t，而定時器的提前或延后關閉產生的計時誤差值必小于t0，因此t0的設置就很重要。考慮到誤差組成和染色機管周長實際測量的誤差、數據處理時間、中斷服務程序運行時間及染液噴嘴閥的實際反應調節要求，可將脈沖時間的誤差控制在0.1%內，因此定時器最小定時長度設置為0.001 s，即計數值為1 000(設單片機晶振為12 MHz)，在定時方式1下，計數初值應賦值為65 536-1 000=64 536。圖5為主軟件流程圖。

在正確測得管內用水量和織物運行速度后，還要采用適當的控制方案，控制閥門電動執行機構，使管內用水量和織物運行速度與要求相一致。實際中，常存在閥門電動裝置難以實現閥門快速定位和柔性關斷的問題，在此采用模糊PID控制策略，即利用模糊邏輯算法并根據一定的模糊規則對PID控制的比例、積分、微分系數進行實時優化，以達到較為理想的控制效果。CPU根據所設定的輸入和反饋信號，計算實際位置偏差e以及當前的偏差變化ec，并根據模糊規則進行模糊推理，最后對模糊參數進行解模糊，輸出模糊PID控制器的比例、積分、微分系數。圖6為模糊PID控制器的原理圖，圖中：e為給定速度與測量速度的速度偏差信號；ec為e的變化量；Kp、Ki、Kd分別為PID比例、積分、微分系數，ΔKp、ΔKi、ΔKd分別為Kp、Ki、Kd對應的變化量，圖7為本系統模糊控制算法流程圖[11-15]。

圖5 主軟件流程圖

圖6 模糊PID控制器

4 應用試驗

系統完成后，安裝于某染色機上，用某織物進行了測試。圖8是利用示波器測量得到的脈沖信號(系統只顯示實際的速度值，無脈沖信號的顯示)。可見，系統能有效地探測到小磁鋼經過磁敏傳感器時的磁信號。圖9是設定速度和實測速度與閥門間的關系圖。由圖看出，織物的運行速度隨閥門開啟度的變化而變化，隨設定值的增大，閥門在系統的控制下開啟度增大，實測的速度也隨之增大，可見實際速度很好地實現了對設定速度的跟蹤。最終使該染色機染色產品的缸內色差由原先的3～3.5級提高到4.0級以上，系統達到設計的目的。

圖7 模糊控制算法流程

圖8 系統實測脈沖信號

5 結 論

系統以磁敏傳感器HMC1021D和流量計為檢測元件，同時運用模糊PID控制策略實現閥門控制過程中的快速準確定位和柔性關斷，達到系統的測控要求，系統具有成本低、精度高、性能可靠等特點。另外系統的實現過程中也要注意以下幾點：

圖9 速度響應曲線

(1) 小磁鋼在染色機管內且位置的不確定性，且總體在管外所呈現出來的磁場強度非常弱，雖然選用了能檢測弱磁場的HMC1021D來檢測，但也要考慮到這么弱的磁場較易受外界磁場的干擾。因此在實際安裝時盡可能在磁敏傳感器位置附近避免安置干擾磁場源(如通電的電線、電纜等)。

(2) 染色機在實際使用時，管子所呈現出來的溫度是較高的，高溫對磁敏傳感器的影響較為復雜，因此在選用HMC1021D來檢測時要充分考慮到這點。實際應用時用絕熱的改性環氧樹脂膠密封該磁敏傳感器，同時還可起到防潮、防水、防油、防塵、絕緣等效果。

(3) 閥門的控制使用了模糊PID算法，其核心是總結工程設計人員的技術知識和實踐經驗，建立合適的模糊規則表，得到針對PID的3個參數整定的模糊控制表。

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