葉森鋼， 馬海平， 謝志堃， 阮謝永

(紹興文理學(xué)院 物理與電子信息系，浙江 紹興 312000)

0 引 言

由于溢流染色機(jī)存在缸差、管差等缺陷，經(jīng)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(jī)缸差和管差是提高染色質(zhì)量和效率、降低能耗的一個(gè)研究方向[1-2]。

缸差和管差產(chǎn)生的原因較多，有2個(gè)是較常見但又經(jīng)常被忽視的問題。如在實(shí)際生產(chǎn)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(jìn)行了平衡，但每管的織物實(shí)際運(yùn)行速度并非一定相同，造成同一缸布內(nèi)有匹差、管差。另外,生產(chǎn)管理中雖然計(jì)劃中每管間的投放量相同，但實(shí)際生產(chǎn)中因各種不確定因素，有可能導(dǎo)致各管間織物的長度存在一定的差異，而這種差異不及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正，也會(huì)產(chǎn)生一定的管差，織物少的管內(nèi)產(chǎn)品顏色深，而織物多的管內(nèi)產(chǎn)品顏色淺。此外,缸中用水量是否一致也對(duì)缸差、管差的存在有很大的影響。因此如何檢測(cè)和控制好管內(nèi)織物的運(yùn)行速度以及管中用水量的一致性是減少缸差、管差的一個(gè)關(guān)鍵，目前溢流染色機(jī)對(duì)上述兩問題沒有很好地解決。對(duì)于用水量的一致性一般用流量計(jì)就能解決，而對(duì)織物運(yùn)行狀況的檢測(cè)控制則困難得多[3-4]。本文著力解決管內(nèi)織物運(yùn)行狀況的檢測(cè)和運(yùn)行速度的控制，以實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)、缸間不同管間管內(nèi)織物的印染條件的一致性，減少缸差、管差的發(fā)生。

1 織物運(yùn)行狀況檢測(cè)原理與磁敏傳感器

檢測(cè)溢流管中的布匹運(yùn)行速度時(shí)，可在封閉缸體中運(yùn)行的織物上某處(一般為布頭)縫制一個(gè)能產(chǎn)生磁場(chǎng)的小磁鋼，選缸體某一處管徑較細(xì)處(以保證有較好的靈敏度)附近放置一磁敏傳感器，當(dāng)小磁鋼通過磁敏傳感器附近時(shí)，傳感器產(chǎn)生一脈沖信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)，第二次再檢測(cè)磁鋼時(shí)，同樣產(chǎn)生一個(gè)脈沖，而此時(shí)織物通過的距離，實(shí)際就是該缸體的長度，以此長度除以兩脈沖信號(hào)間的時(shí)間就可得到織物運(yùn)行的速度，同時(shí)還可得到織物在管內(nèi)環(huán)繞1周的時(shí)間和已經(jīng)運(yùn)行的時(shí)間，這樣就可及時(shí)調(diào)整印染速度，使織物處于最佳印染狀態(tài)，達(dá)到預(yù)期的質(zhì)量。原理如圖1所示。

圖1 織物運(yùn)行狀況檢測(cè)原理圖

圖1中的磁敏傳感器采用霍尼韋爾公司生產(chǎn)的高性能磁阻傳感器HMC1021D，為單軸磁敏傳感器，配置成一個(gè)4個(gè)元件的惠斯頓電橋，將被測(cè)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為不同的輸出電壓，能感應(yīng)低至8.5 nT的磁場(chǎng)，測(cè)量的磁場(chǎng)范圍寬達(dá)±60 mT，靈敏度為1 mV/(V·Gs)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)部補(bǔ)償線圈引線，±表示電流極性，S/R+、S/R-為置位、復(fù)位線圈引出端，改變電流極性可分別實(shí)現(xiàn)置位、復(fù)位。當(dāng)電橋供電后傳感器將敏感軸方向的任何入射磁場(chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成差分電壓輸出。除了電橋電路外，傳感器芯片內(nèi)還具有2個(gè)磁耦合片：偏移帶和置位/復(fù)位帶，用于入射磁場(chǎng)調(diào)節(jié)和磁疇調(diào)整，有了它們就不需要在傳感器周圍安裝外部線圈進(jìn)行調(diào)整[5-8]。

圖2 HMC1021D內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 總體電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)原理框圖見圖3，系統(tǒng)以AT89S51為核心，利用磁敏電阻芯片HMC1021D檢測(cè)布頭上縫制的小磁鋼的磁信號(hào)，經(jīng)放大過零比較整形輸出矩形脈沖信號(hào)，為單片機(jī)所采集，同時(shí)流量計(jì)上的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換也為單片機(jī)采集，得到管內(nèi)水量和布匹運(yùn)行速度。然后通過控制水量控制閥門和管染液噴嘴閥調(diào)節(jié)管內(nèi)的水量和管內(nèi)布匹運(yùn)行的速度，系統(tǒng)還可通過RS485與上位機(jī)通信。

圖3 系統(tǒng)原理框圖

當(dāng)磁阻傳感器暴露于干擾磁場(chǎng)中，傳感器元件會(huì)分成若干方向隨機(jī)的區(qū)域，從而導(dǎo)致靈敏度衰減，傳感器特性也會(huì)改變，針對(duì)這一破壞性的磁場(chǎng)，需對(duì)敏感元件施加一個(gè)瞬態(tài)的強(qiáng)恢復(fù)磁場(chǎng)來恢復(fù)或保持傳感器特性，為此需添加一個(gè)置位/復(fù)位電路。

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)為0時(shí)，磁敏傳感器仍可能有信號(hào)輸出，為此還需利用磁敏傳感器的補(bǔ)償線圈，添加一個(gè)補(bǔ)償電路，以便在沒有測(cè)量磁場(chǎng)的作用下時(shí)，消除環(huán)境磁場(chǎng)和鐵磁性物質(zhì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，即起到系統(tǒng)調(diào)零的作用。同時(shí)，為保證磁敏元件橋路激勵(lì)電源的恒定性，系統(tǒng)還增加了電源檢測(cè)模塊，以便在電源改變時(shí)發(fā)出報(bào)警提示調(diào)整信號(hào)。

系統(tǒng)采用HD7279A做鍵盤顯示接口，其具有串行接口，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰數(shù)碼管(或64只獨(dú)立LED)的智能顯示，該芯片同時(shí)可連接多達(dá)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(shè)定管內(nèi)水量，調(diào)節(jié)磁敏傳感器的置位/復(fù)位電流等等[9-10]。

3 軟件流程

系統(tǒng)啟動(dòng)后，先進(jìn)行初始參數(shù)的設(shè)置，然后進(jìn)行管內(nèi)水量的檢測(cè)，根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)水量控制閥使管內(nèi)水量與預(yù)設(shè)值一致。其次進(jìn)行電源電壓檢測(cè)，并進(jìn)行置位/復(fù)位操作，確保干擾磁場(chǎng)信號(hào)的消除，同時(shí)讀取磁敏傳感器的數(shù)據(jù)再進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，得到織物運(yùn)行的速度。管內(nèi)水量值和織物運(yùn)行的速度值分時(shí)交替在數(shù)碼管上顯示。織物運(yùn)行速度檢測(cè)采用外部中斷與定時(shí)器中斷相結(jié)合的方式，如圖4所示，

圖4 單片機(jī)脈沖信號(hào)采集示意圖

分別在脈沖1、脈沖2的下降沿所產(chǎn)生的外部中斷中啟動(dòng)和關(guān)閉定時(shí)器計(jì)時(shí)。在外部中斷中由設(shè)定的軟件標(biāo)志flag來確定是啟動(dòng)計(jì)時(shí)還是關(guān)閉計(jì)時(shí)，flag為0時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)；flag為1時(shí)關(guān)閉計(jì)時(shí)。兩脈沖間的時(shí)間t即為織物運(yùn)行1周的時(shí)間(脈沖寬度對(duì)應(yīng)小磁鋼檢測(cè)處，因此脈沖寬度與t相比實(shí)際是非常小的，可忽略其帶來的誤差)，則織物運(yùn)行速度v為

v=s/t

(1)

式中，s為染色機(jī)染缸管周長。則織物運(yùn)行速度誤差:

(2)

即誤差由管周長誤差和脈沖間時(shí)間誤差組成。另外，時(shí)間t是不確定的且比定時(shí)器定時(shí)1機(jī)器周期(如12 MHz晶振時(shí)為1 μs)要大得多，而在51系列單片機(jī)的定時(shí)器工作方式1下，定時(shí)可為1～65 536 μs，為此可設(shè)定1個(gè)較為合適的定時(shí)值如圖4所示t0，由t0作為t的最小計(jì)時(shí)刻度，t中t0的次數(shù)即定時(shí)器溢出的次數(shù)則由軟件設(shè)定的標(biāo)志counter來計(jì)數(shù)，最終根據(jù)counter的值和t0來計(jì)算得到t，而定時(shí)器的提前或延后關(guān)閉產(chǎn)生的計(jì)時(shí)誤差值必小于t0，因此t0的設(shè)置就很重要?？紤]到誤差組成和染色機(jī)管周長實(shí)際測(cè)量的誤差、數(shù)據(jù)處理時(shí)間、中斷服務(wù)程序運(yùn)行時(shí)間及染液噴嘴閥的實(shí)際反應(yīng)調(diào)節(jié)要求，可將脈沖時(shí)間的誤差控制在0.1%內(nèi)，因此定時(shí)器最小定時(shí)長度設(shè)置為0.001 s，即計(jì)數(shù)值為1 000(設(shè)單片機(jī)晶振為12 MHz)，在定時(shí)方式1下，計(jì)數(shù)初值應(yīng)賦值為65 536-1 000=64 536。圖5為主軟件流程圖。

在正確測(cè)得管內(nèi)用水量和織物運(yùn)行速度后，還要采用適當(dāng)?shù)目刂品桨福刂崎y門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使管內(nèi)用水量和織物運(yùn)行速度與要求相一致。實(shí)際中，常存在閥門電動(dòng)裝置難以實(shí)現(xiàn)閥門快速定位和柔性關(guān)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(jù)一定的模糊規(guī)則對(duì)PID控制的比例、積分、微分系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，以達(dá)到較為理想的控制效果。CPU根據(jù)所設(shè)定的輸入和反饋信號(hào)，計(jì)算實(shí)際位置偏差e以及當(dāng)前的偏差變化ec，并根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，最后對(duì)模糊參數(shù)進(jìn)行解模糊，輸出模糊PID控制器的比例、積分、微分系數(shù)。圖6為模糊PID控制器的原理圖，圖中：e為給定速度與測(cè)量速度的速度偏差信號(hào)；ec為e的變化量；Kp、Ki、Kd分別為PID比例、積分、微分系數(shù)，ΔKp、ΔKi、ΔKd分別為Kp、Ki、Kd對(duì)應(yīng)的變化量，圖7為本系統(tǒng)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(yīng)用試驗(yàn)

系統(tǒng)完成后，安裝于某染色機(jī)上，用某織物進(jìn)行了測(cè)試。圖8是利用示波器測(cè)量得到的脈沖信號(hào)(系統(tǒng)只顯示實(shí)際的速度值，無脈沖信號(hào)的顯示)。可見，系統(tǒng)能有效地探測(cè)到小磁鋼經(jīng)過磁敏傳感器時(shí)的磁信號(hào)。圖9是設(shè)定速度和實(shí)測(cè)速度與閥門間的關(guān)系圖。由圖看出，織物的運(yùn)行速度隨閥門開啟度的變化而變化，隨設(shè)定值的增大，閥門在系統(tǒng)的控制下開啟度增大，實(shí)測(cè)的速度也隨之增大，可見實(shí)際速度很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)定速度的跟蹤。最終使該染色機(jī)染色產(chǎn)品的缸內(nèi)色差由原先的3～3.5級(jí)提高到4.0級(jí)以上，系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。

圖7 模糊控制算法流程

圖8 系統(tǒng)實(shí)測(cè)脈沖信號(hào)

5 結(jié) 論

系統(tǒng)以磁敏傳感器HMC1021D和流量計(jì)為檢測(cè)元件，同時(shí)運(yùn)用模糊PID控制策略實(shí)現(xiàn)閥門控制過程中的快速準(zhǔn)確定位和柔性關(guān)斷，達(dá)到系統(tǒng)的測(cè)控要求，系統(tǒng)具有成本低、精度高、性能可靠等特點(diǎn)。另外系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中也要注意以下幾點(diǎn)：

圖9 速度響應(yīng)曲線

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

(2) 染色機(jī)在實(shí)際使用時(shí)，管子所呈現(xiàn)出來的溫度是較高的，高溫對(duì)磁敏傳感器的影響較為復(fù)雜，因此在選用HMC1021D來檢測(cè)時(shí)要充分考慮到這點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)用絕熱的改性環(huán)氧樹脂膠密封該磁敏傳感器，同時(shí)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(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊規(guī)則表，得到針對(duì)PID的3個(gè)參數(shù)整定的模糊控制表。

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