染整前处理过程烧碱浓度自动测量控制系统

　　德高

　　1指导思想

　　印染厂的环境条件恶劣，大量使用化学药剂，空气湿度大，属于高腐蚀环境；本系统测量的溶液属于具有强腐蚀性的强碱；环境温度变化大，有的工艺需要在高温条件下进行；设备大量使用变频调速装置，电网干扰严重；印染厂在电气维护方面配备的力量比较薄弱，操作工的文化程度相对较低。以上因素在系统设计时必须足够重视。

　　系统需要考虑适当的防护，选择耐腐蚀的零部件；传感器是最关键的部件，要求选用进口知名品牌产品，传感器应具有宽范围、高精度、耐腐蚀、长时间稳定工作、免维护的特点。控制器选择自主开发方案，要求具有很高的可靠性和抗干扰性能；显示直观，操作简单，符合印染厂传统习惯；成本适宜。

　　2技术方案

　　本系统中最关键的部件是传感器，根据我们掌握的情况决定丝光加工中的高浓度碱液测量和练漂加工中的低浓度碱液测量使用不同的传感器，高浓度测量采用密度法，低浓度测量采用电导法。两种传感器都要求是非接触式测量。

　　控制器是本系统的核心，由于系统任务比较简单，使用资源较少，设计者完全有能力管理所使用的资源和任务，系统数据处理的工作量较大，但实时性要求不是很高，同时外围接口比较固定，因此，使用单片机来实现比较合适。板级总线采用串行结构设计，便于实现隔离、减少干扰、提高可靠性，因此外围单元尽量选用带串行总线接口的器件。所有的外部接口都要进行电气隔离，以提高抗干扰能力。人机界面选用彩色液晶触摸显示屏，使用专用软件进行开发，效果好，设计容易。软件开发采用C语言编程，程序的结构化和可读性都非常好，可以大大提高了开发效率，为以后的产品升级提供了方便。

　　电气元件一般选用国外名牌产品，并且安装在控制柜内，控制柜的防护等级要求达到IP65。比例调节阀选用不锈钢电动球阀，阀动作平稳，不易泄露和堵塞。

　　自动布毛过滤机选用前处理设备主机厂的产品。

　　3技术指标和规格参数

　　3.1实现的功能

　　彩色液晶屏显示，触摸屏操作

　　浓度、温度模拟量采集及数字显示

　　数据记录及时、历史曲线显示

　　模拟量输出(4-20mA电流信号)，NaOH浓度连续控制

　　在线校准功能，可实现单点、多点校准

　　工艺方案管理功能

　　手动／自动工作方式

　　自动清洗功能

　　自动加水

　　实时时钟

　　RS232C通信接口

　　3.2技术指标

　　浓度测量范围：0-500g/L

　　浓度测量精度：±lg/L

　　浓度控制精度：±2g/L

　　温度测量范围：0-100℃

　　温度测量精度：±0.5℃

　　工作温度范围：5-80℃

　　控制器功耗：<12W

　　电源：380VAC±10%50Hz

　　4关键技术与技术创新

　　4.1对工艺液的认识

　　练漂加工的烧碱浓度较低，一般在10-80 g/L，多数在加热条件下进行。溶液含有大量的浆料、布毛等杂质，还含有一定量的表面活性剂，碱溶液常常使用丝光水洗。电导法可以用于这种淡碱的测量。丝光加工所用的烧碱溶液浓度高，一般在150-280g/L，超出了普通NaOH传感器的测量范围，因此需要进行间接测量，密度法就是其中一种方法。另外，碱溶液含有大量杂质，由于使用的是工业固体碱，甚至是回收碱，其中含有一定量其它盐类物质，使得溶液成为多组分的混合体，给测量带来很大的困难；在加工过程中还会有煮练过程未去干净的浆料、布毛混入碱液中，这些物质的含量变化很大，使得测量没有固定可以参照的模型。对工艺液的这些特殊性必须有充分的认识，才能正确选择传感器，并在软件设计时采取适当的方法加以解决。

　　4.2传感器

　　选择适合的测量传感器是本项目成功的关键。我们了解了各种碱液浓度测量的原理，分析了大量的市场现有的传感器的性能特点，对有些传感器还做了大量实验，以了解其性能，最后决定对丝光加工所用的浓碱测量和练漂加工所用的淡碱测量采用不同的传感器。通过软件对传感器输出进行进一步的补偿校准，最终达到了满意的结果。

　　4.3控制器设计

　　微处理是整个系统的核心，本项目选用了ATMEL公司的最新的基于RISC架构的AVR系列单片机的最高一款ATMEGAl28。该产品采用HARVARD体系，具有两级流水线结构，具有很高的运行速度，可达16MIPS(每秒钟运行16百万次)，具有丰富的片上资源，它的内核专门针对C语言开发设计，其C语言代码效率极高。MEGA系列被越来越多的使用，属于市场上的主流产品，能够很好的满足我们的要求，对以后的产品升级也极为有利。板级总线采用串行体制，微处理与AD转换器、DA转换器及时钟芯片采用SPI总线连接；与扩展存储器采用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。

　　4.4数据处理

　　由于工艺液的特殊性，我们对传感器的输出进行了三级非线性校准和温度补偿处理，其中两级为现场校准。浓度控制采用闭环增量式PID算法，PID参数现场整定，调整方便。采取以上措施，能够较好地解决工艺液浓度的测量和控制问题。

　　4.5软件设计

　　本次软件开发的特点是计算量大，资源占用较多，因此选择采用C语言编程，AVR单片机也非常适合用C语言开发。我们选用了优秀的AVR C编译器HP Info Tech Code Vision AVR，大大提高了开发效率，程序的结构化和可读性都非常的好，为以后的产品升级提供了方便。

　　软件结构上引入了多任务并行操作的一些概念，充分利用中断处理，提高了处理器的处理能力，能够及时响应各种实时请求。

　　4.6传感器前端过滤器

　　传感器前端过滤器使用了一种低成本的方法有效解决了印染前处理过程碱液浓度测控系统中体积较大的杂物和沉淀性杂质对测量的影响，保护测量传感器不被损坏；同时该装置清理非常方便。该装置已经申请了国家专利，专利号200620078892.8。

　　4.7淡碱测量传感器漂浮式安装

　　该装置使得传感器的安装非常简单，自动适应液面高低变化，使得传感器维护更加容易。该装置已经申请了国家专利，专利号200620078893.2。

　　5检测及使用情况

　　本项目研制的CMS?100N/200N碱浓度在线测控系统，经陕西省电子工业产品质量监督检验站检验，检测结果各项功能指标符合产品标准中的规定(详见有关检测报告)。

　　CMS-lOON碱浓度在线测控系统在宁波维科精华床单厂有限公司的直辊丝光机(热丝光工艺)使用两年多，状态一直很好，用户反映比该厂进口车上带的国外系统更准确、更直观。该系统在土耳其USAK Agaoglu公司的直辊丝光机、绵阳佳联印染有限公司的布铗丝光机等也得到了成功应用。佳联公司不但在其扩大的生产线上第二次订购了我们的系统，还向它的合作单位中山泰昌印染有限公司推荐了我们的系统。CMS-200N碱浓度在线测控系统在海城中新印染有限公司练漂线上的应用也取得到很好的效果，该厂还和我们就该厂全面实施在线检测技术及企业信息化技改项目签定了合作协议。经过将近两年的应用实践，CMS-100N/200N碱浓度在线测控系统也经历了多次改进，系统在控制智能化、适应性方面有了更多的提高。实践证明该系统是成功的。(详见有关用户使用报告)。

　　6与国内外同类产品的比较

　　由于我们一开始就借鉴了几家国外同类产品的特点，博采众长，加之我们对国内企业的情况更加熟知，因此，我们的产品同国内外同类产品比较更有优势。与国内外同类产品对比如下表：

　　需进一步提高、解决的问题

　　1.自动布毛过滤机的过滤效果和排污方式需要和生产厂方协商加以改进。

　　2.为了确保传感器内部不结碱垢，增加停机前强制冲洗功能。

　　3.加强电控开关阀的质量把关，在管路的适当部位增加定制的Y形过滤器，防止管路堵塞。

　　4.随着使用量的增加，进一步降低一些零部件的采购价格，降低系统成本。

　　5.加强对印染前处理工艺研究，为用户提供优质的服务，更好地解决生产中出现的问题。