硕士学位论文-基于PLC的丝光机碱溶液控制系统.pdf

Y 洳；：j 、甍 硕士学位论文 论文题H 墨王L 盥丝当扭越蓬越撞益4 丕统 作者姓名垂立蓝一 嘏导教帅 髓翅壁 学科( 专业)整倒堡监皇整剜王捏 所在学院虫皇王程堂脏一 提交日期 2 业! 笙且 浙江大学硕士学位论文 基于P L C 的丝光机碱溶液控制系统 摘要 在化工、纺织、造纸等行业，迫切需要根据工艺要求，对高浓度碱液的浓度 进行在线实时检测与控制。目前国内普遍采用手工滴定的方法，这不能实时反映 和控制生产过程中碱液的浓度，故难以满足连续生产的要求。为了实现碱溶液浓 度和液位的在线控制，本文给出了一种基于P L C 的控制方案，并重点分析了P L C 软硬件设计。 本文首先介绍了我国纺织业的现状、丝光工艺及丝光设备的概况。在此基础 上，结合我们所用的丝光机，针对存在的缺点，提出改进方案和控制目标。 接着提出了基于西门子P L C 和触摸屏的控制方案。我们选用了适用于测量 高浓度碱液的密度式浓度传感器，这非常适合丝光机的应拜 场合，避免了由于检 测需要稀释而带来的碱液回收问题。该传感器和液位传感器将检测信号传递给 P L C ，P L C 对这些信号进行分析和处理，然后发出指令，控制阀门开度，将碱溶 液浓度和液位控制在合适的水平。 然后对系统的硬件设计和软件设计进行了详细说明，包括P L C 流程图和具 体的程序设计，并对现场调试和遇到的问题进行了详细说明。 经过现场调试，该系统已经实现了稳定运行，达到了预期目标。 关键词：丝光，“e ，触摸屏，电动阀 浙江大学硕士学位论文 基于P L C 的丝光机碱溶液控制系统 A b s t r a c t I nc h e m i c a li n d u s t r y , P r i n t i n ga n dd y e i n gi n d u s t r ya n dP a p e r - m a k i n gi n d u s t r y , c o n c e n t r a t i o no fa l k a l il l e c d st ob ec e n s o r e da n dc o n t r o l l e do nr e a lt i m e A tp r e s e n t , w eu s et i t r a t i o nb yh a n di no m - c o u n t r y I nt h i sw a y , t h ec o n c e n t r a t i o no fa l k a l ie a t m o t b ec o n t r o l l e do nr e a lt i m e I no r d e rt oi n n o v a t et h ee x i s t i n gs y s t e m , 弛o n - t i m e i n s p e c t i n g c o n t r o l l i n gs y s t e mb a s e do nP L Ci sa d o p t e d , a n dt h eh a r d w a r e s o t b N a r ed e s i g ni sa n a l y z e d F i r s t l y , t h es i t u a t i o no f P r i n t i n ga n dd y e i n gi n d u s t r yi si n t r o d u c e d S o m em o d e l s o fm e r c e r i z a t i o nm a c h i n ea r el i s t e d T h eg o a l sa r eg i v e nb a s e do nt h ee x i s t i n g m e r e e r i z a t i o nm a c h i n e ， S e c o n d l y , t h ec o n t r o l l i n gs y s t e mb a s e do nP L Ca n dT o u c hP a n e lw a sa d o p t e d T h ec o n c e n t r a t i o ns e n s o rf o rh i g h - c o n c e n t r a t i o na l k a l ib n s d e do nd e n s i t yi s a d o p t e d , w h i c hi sv e r ys u i t a b l ef o rm e r c e r i z a t i o nm a c h i n e W i t ht h e s es e n s o r s , t h el e v e l a n dc o n c e n t r a t i o no fa l k a l ia l ec e n s o r e da n dt r a n s f e r r e dt ot h eP L C A f t e rc a l c u l a t i n g a n da n a l y s i so ft h e s es i g n a l s ，P L Cc o n t r o l st h eo p e n i n gd e g r e eo fv a l v e s T h el e v e l a n dc o n c e n t r a t i o no f a l k a l ic a nb ec o n t r o l l e di nt h i sw a y T h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es y s t e mp l u st h ep r o c e d u r ed i a g r a ma n dt h e f i e l dd e b u ga r ei n t r o d u c e di nd e t a i l A f t e rt h ef i e l dd e b u g ，t h es y s t e mi so p e r a t i n gs u c c e s s f u l l ya n dt h ec h i e fg o a l sa l e c o m p l e t e d K e w o r d s ：m e r e e r i z a t i o n ，P L C , t o u c hp a n e l , e l e c t r i cv a l v e I I 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得澎鎏盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解滥姿叁茎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 基于P L C 的丝光机碱溶液控制系统 第一章绪论 1 1 课题来源和研究内容 本课题是浙江省科学技术厅攻关项目“染整生产过程在线控制、管理一体 化系统”( 项目编号2 0 0 5 C 1 1 0 2 9 - 0 3 ) 的子课题：丝光机碱溶液控制系统。研究 内容主要是在了解和参考国内外丝光机特点的基础上，尝试给出一种合适的丝 光机碱溶液控制系统方案。 1 2 课题背景 近年来，我国纺织工业有了很大的发展，己成为世界上第一纺织大国。依 据中国印染协会“2 0 0 5 年1 5 月份全国印染行业经济运行情况”报掣”，可以 发现2 0 0 5 年1 5 月份全国印染行业产销情况良好，进出口贸易走高，利润继续 增加。主要表现在以下几个方面： 1 ) 产量增长迅速，东部沿海集群进一步加强 据国家统计局统计，1 5 月份规模以上印染企业户数1 6 5 6 家，比2 0 0 4 年 底增加了2 3 9 家；印染布产量1 2 7 4 5 亿米，同比增长2 2 ：7 0 ， 5 月份单月产 量2 9 9 8 亿米。我国印染布主产区主要是东部沿海的河北、山东、江苏、浙江、 福建和广东。 2 ) 产销形势良好，各地区赢利能力差异悬殊 据国家统计局统计，1 5 月份规模以上印染企业工业总产值( 现行 价) 5 1 7 9 7 亿元，同比增长2 3 3 3 ；销售收入4 8 9 8 5 亿元，同比增长2 2 2 3 ； 出口交货值1 7 7 0 5 亿元，同比增长2 0 7 6 ；销售利润率为2 3 8 ；产销率 9 7 4 0 。 3 1 投资依然旺盛，生产能力继续加强 1 5 月份印染行业实际完成投资2 4 9 9 7 3 万元，同比增加7 1 1 6 。新开工项 目数7 4 个，比去年同期增加2 2 个，施工项目数1 5 2 个，比去年同期增加3 4 个。从一些企业了解到，目前地方政府正在采取切实可行措施，防止生产能力 浙江大学硕士学位论文 基于P L C 的丝光机碱溶渡控制系统 的再度扩大。 4 ) 出口规模进一步扩大 I 5 月份印染六大类产品出口数量为3 9 6 7 亿米，同比增长1 7 4 4 ，；出 口金额为3 2 0 3 亿美元，同比增长1 8 5 9 ，出口平均单价为O 8 1 美元米，同 比增加1 2 5 。 为可以看出，我国纺织业取得目前这样的成绩是值得庆贺的。随着加入 W T O ，我国已经成世界纺织服装的制造中心，这为我国纺织工业的可持续发展 奠定了良好的产业基础和发展空间。但是，总的来说，我国的纺织行业还处在 初级发展阶段，而染整业又是我国纺织工业中的最薄弱环节，印染产品在国际 市场上竞争力低下，出口的印染加工产品绝大多数为中低档产品，且我国每年 都要花费大量外汇进口服装恧料。另外，我国染整业落后还表现在装备方面， 设备自动化程度不高，精度不够，迫切需要升级改造。 在此背景下，为了进一步促进我国纺织业的健康发展，使我国从一个纺织 大国转变成一个纺织强国，浙江大学电气自动化研究所牵头承担了浙江省科学 技术厅重大科技攻关项目“染整生产过程在线控制、管理一体化系统”。 1 3 国内外印染行业现状 在纺织领域中，印染业是整个纺织产业链中的关键工序，扮演着纺织品化 妆师的角色。在整条纺织产业链中，印染业上托织造业，下承服装业；印染产 业的集聚与兴衰，直接关系着上下游产业的配套与完善，对于赋予织物的附加 价值具有重要的影响，是提升纺织品整体价值的重要加工工业。 1 3 1 我国印染行业现状 1 ) 我国印染业取得了一定的进步 近几年，中国东部沿海地区产业集群带迅速崛起，浙江、江苏、广东、山 东、福建和广东产业集群带的形成推动了我国印染业的快速发展，并向这些地 区集中。这些地区的产量占全国产量的8 0 以上f 2 l 。 从整体风格与色彩上来看，中国纺织印染产品己基本与国际流行接轨，在 4 浙江大学硕士学位论文基于P L C 的丝光机碱溶渡控制系统 产品结构上紧跟国际市场需求，使印染长期制约我国纺织工业瓶颈的现象得到 改善，为印染行业自身的发展和中国纺织业的高速发展奠定了基础。 在新一代国产设备的开发方面，我国企业的整体水平在逐步上升。不足之 处是已有设备在电气传动、自控、计量和在线检测、关键部件等方面需进一步 提高水平：另外，数码印花开发成功也是可喜的，但在速度提高、墨水开发和 产业化应用方面有待进一步努力。 纺织助剂方面，浙江绍兴( 中国) 染料城已成为全国染料及其相关产品的集 散中心、交易中心和信息中心。福建晋江是东南沿海乃至全国纺织染整业最集 中的地区之一，业内以民营企业为主，决策、机制灵活，政府扶持，企业重视 技改和环保，新产品新材料不断推出，形成良好的发展势头。 2 1 我国印染业存在的问题 我国的印染业虽然取得了很大的进步，但是与发达国家相比，在软硬技术 以及信息、开发和销售渠道等重要方面还存在较大差距，印染业已成为我国纺 织工业中的最薄弱环节。 在装备水平上，上个世纪8 0 年代以来，通过技术引进、合作生产等多种途 径，我国染整机械的总体水平有了很大的提高，然而，与世界先进水平相比 还存在一定的差距，比较突出的有两个方面。一是产品开发缺乏创新性。二是 传感技术和在线检测、控制方面与国外先进水平差距很大。 前已提及，我国在纺织助剂方面成绩不错，但是从整体来看，我国是染料 大国但不是染料强国，染料总产量已占世界染料总量的4 5 以上，但大部分为 原染料或滤饼，在国际上只占据着低端市场。高档染料的染料由于国内不能生 产，需要从国外迸口。 印染产业的能耗量在纺织业首届一指，对能源质量的需求标准高，尤其是 印染的高耗水量。由于中国特别是长江以北地区水资源的全面短缺，取水成本 正在急剧、持续地上升。同时，污水排放标准日趋提高，而目前废水治理的工 艺技术则相对落后，国内许多印染企业虽积极投资治理，由于成本费用高昂， 依然“望污兴叹”。即使是低标准高投入的治理，也仍将重蹈发达国家印染业因 浙江大学硕士学位论文 基于P L C 的丝光帆碱溶渡控制系统 污染而衰退的覆辙。 1 3 2 国外印染工业自动化状况 在国际上，德国、瑞士、意大利等欧洲国家及日本的新型印染装备自动化 水平相当高，除电气传动自动化、生产过程自动化、工业系统管理自动化外， 机械手、机器入也进入了染整生产操作自动化的实用阶段嘲。 染整过程中，由于自然或人为的原因，工艺变量值往往发生波动，偏离工 艺变量的设定值产生偏差。要达到稳定操作，实现良好的工艺再现性，就必须 对它们及时地进行检测，并对生产过程实现自动控制，以消除这种偏差而使工 艺变量恢复到规定值吼。烧碱在前处理各道工序中都有应用，烧碱浓度直接影 响某些工艺变量，所以设计碱溶液控制系统，对其进行有效的检测与控制，有 利于提高产品质量，对整个染整行业具有重要意义 4 1 。 目前，在丝光机碱溶液控制系统方面，国外优秀的在线监控设备有： 1 1 瑞士L K R S T L 型碱浓溶液控制由计量容器、料斗、称重把杆、气压传 感器、F O X B O R O 计量装置、辅助比重计、温度监视器组成。属于比重法，可 由称重气压传感器测量浓碱浓度【3 】。 2 ) 美国普林顿公司P R r N C OD E N S I T R O L T M 远传信号密度计，是一台采 用质量平衡的技术对工艺液体密度测量、控制的在线液体密度计，灵敏度 士0 5 。测量范围0 5 3 5 9 c m 3 ，精度范围士3 。 3 ) 瑞士贝宁格公司直辊丝光机应用湿布热碱丝光系统 5 J ，如图1 1 所示， 图1 1 碱溶液自动控制图解 6 浙江大学硕士学位论文 基于P L C 的丝光机碱溶 夔控钥系统 浓度调整在碱液槽里进行，而织物浸渍碱液在浸渍槽进行。检测桶里装有 浮筒密度变送传感器。从实际运行情况来看，该机型可以节省3 0 以上的烧碱 和水蒸汽。热碱丝光工艺的成功与否在于对碱溶液的浓度、温度及液位控制。 1 4 丝光工艺和丝光设备 1 4 1 丝光工艺简介 纺织工业在国民经济中占有相当重要的地位，是创汇的重点行业，而纺织 品几乎都需经过染整加工后才能满足服装、装饰、工业和国防对纺织品的性能、 质量要求。随着人们物质文化生活水平的不断提高及工业生产和国防建设的发 展。国际纺织品竞争日趋激烈，对染整产品的需求已由产量向质量转移，从而 对染整产品的品种和质量提出更高的要求删。 染整设备是为满足染整生产的技术和经济要求而设计、制造的。不难理解， 染整设备与染整产品的质量、产量、加工成本和企业经济效益有着密切的关系。 同时设备性能的改进又可以促进工艺水平的提高。 染整加工的对象有各种纺织纤维的散纤维、纱线、机织物和针织物等，因 为它们染整加工的方法、工艺特点和要求不同，所以染整设备的种类很多。前 处理设备就是染整设备中的一个大类。 所谓前处理工艺，就是指棉、麻、毛、丝、化纤及其混纺织物在染色、印 花、整理之前，利用化学和物理方法，除去坯布上含有的天然杂质以及在纺织 过程中施加的浆料和沽上的油污，为染色、印花和整理等后加工提供优质的半 成品，而前处理设备就是泛指担当这些工艺目的的一类设备， 丝光正是前处理工艺中的一道工序，丝光机又是前处理设备中的一个个例。 下面对丝光工艺和丝光设备迸行简要介绍。 丝光是印染工艺中的基础工序之一，它对产品质量起着重要作用，绝大部 分棉及其混纺织物在进行染色和印花加工前都需进行丝光处理。通常，丝光是 指棉及其混纺织物在经纬向都受到一定张力的情况下，用浓烧碱( N a O H ) 或其它 化学药品处理，以改交棉纤维的结构和形态，从而达到改善纤维性能的加工过 7 浙江大学硕士学位论文基于P L C 的丝光机碱溶液控制系统 程【刀。 现今的丝光工艺对工艺综合效果的要求：最小的门幅收缩量、低的残余收 缩量、织物尺寸的稳定性、改善褶皱和弓纬，具有极佳的染料均匀上染率，改 善织物的表面色泽，有较好的手感及良好的加工重现性；同时降低烧碱耗量、 减少淡碱回收蒸发量1 5 1 。 1 4 1 1 丝光的功能 丝光工艺是使棉纤维在浓烧碱的作用下生成碱纤维，并且纤维发生了不可 逆的剧烈膨胀。其主要原因是：由于钠离子体积小，不仅能进入纤维的无定形 区，而且还能进入纤维的部分结晶区；同时钠离子又是一种水化能力很强的离 子，钠离子周围有很多的水分子，其水化层很厚。当钠离子进入纤维内并与纤维 结合时，大量的水分子也被带入，因而引起纤维的剧烈膨胀。一般来说，随着碱 液浓度的提高，与纤维结合的钠离子数就增多，水化程度就提高，因而纤维的 膨胀程度也相应增大。当烧碱浓度增大到一定的程度后，水全部以水化状态存 在，此时若再继续提高烧碱的浓度，对每个钠离子来说，能结合到的水分子数量 有减小的趋势。即离子的水化层变薄，因而纤维的膨胀程度反而减小f 引。 ，总的来说，丝光工艺主要有以下几个功能： 1 ) 捣纤维在浓碱和一定张力的共同作用下，纤维发生膨化，排列更加整 齐，对光线反射更有规律，因而产生丝般光泽。 2 ) 棉纤维在浓碱作用下，生成碱纤维素，物理结构发生了变化，所以对 染料的吸附能力有所增加，改善了染色性能，使色泽鲜艳。 3 ) 在浓碱作用下，纤维被充分膨润，消除了纤维的不均匀变形，排列整 齐，增加了相互作用的活动力，提高了棉布的强力。 4 1 丝光可以消除绳状皱痕，纤维的膨化拆散了原分子键的作用，丝光后 的分子键结合比丝光前更牢固，因此丝光具有定形作用，降低了缩水率。目前 丝光用剂仍以烧碱( N a O H ) 为主，主要原因是烧碱的膨化性能好、价廉、操作也 S 浙江大学硕士学位论文 基于P L C 的丝光机碱溶渡控钥系统 方便。 1 4 1 2 丝光工艺条件 丝光工艺条件不同所获得的丝光效果是不一致的，多年来为了达到丝光的 理想效果，实现丝光工艺的高效，国内外有关方面均作了大量试验研究和探讨。 影响丝光效果的因素很多，主要是烧碱的浓度、温度、作用时间，丝光时的张力 和丝光后去碱等州。 1 ) 碱液浓度 碱浓度是影响丝光效果的主要因素之一，因为只有当碱液浓度达到某一临 界值时，才能引起棉纤维的剧烈膨化，目前丝光时碱浓一般控制在2 4 0 2 8 0 9 L ，由于碱浓在1 5 0 1 8 0g L 时，丝光钡值已有较大提高，因此对某些 丝光要求不太高的品种可采用这种浓度进行丝光，以提高染色性能，这种丝光 工艺常被称作“半丝光”。 2 ) 碱液温度 丝光时，由于烧碱对纤维素的作用是放热反应，而且在温度较高的情况下 会影响碱纤维素形成的速度，国外最早发现棉纤维溶胀的最佳碱液温度为1 5 2 0 ，所以传统丝光工艺均采用低温或室温丝光。实际上低温或室温丝光有一 个很大的缺点，即丝光均匀性差。低温时，棉纤维溶胀较好，但碱液温度低， 秸度大，而膨化溶胀后的棉纤维截面积增大，空隙减少，因此碱液不容易渗入 纤维内部，使棉纤维产生了膨化溶胀不匀。从传统丝光工艺的纤维切片观察结 果发现，丝光仅表现在纤维的表面而未进入内芯，有较大比例的纤维还未溶胀， 形成丝光的。不透又不匀”，于是开始从不同的途经来寻找解决的办法。 7 0 年代热碱丝光的理论引起了国内外的关注，分析家认为热碱虽不能引起 足够的膨化作用，但却能降低碱液粘度，促进碱液快速均匀渗透到织物纤维结 构的内部，于是产生了先浸热碱后轧冷碱的二步法丝光工艺，先浸热碱( 6 0 1 2 左 右) ，这虽使织物表面纤维溶胀减缓，但为碱液较好地渗入纤维内部提供了有利 条件，当织物离开热碱浸轧冷碱，随着温度降低，内外纤维都可得到充分的反 9 浙江大学硕士学位论文 基于P L C 的丝光机碱溶液控制系统 应，从而使内外纤维溶胀一致，提高了丝光均匀性，所以近年来热碱丝光工艺 逐渐得到了认可及应用。 3 ) 碱作用时间 要使碱液均匀的渗透到织物中去并进行反应，需要一定的时间过程，这一 过程与织物的结构、碱液浓度、温度等密切相关，传统丝光工艺碱作用时间推 荐3 5 5 0s ，厚重织物还适当延长，但在获得相同的丝光效果条件下，不同的 丝光工艺和设备其碱作用时间也有所变化。 4 ) 丝光张力 当用浓碱处理棉织物时，织物会产生收缩，所以浸轧浓碱时必须在经纬向 都施加张力，才能防止收缩而获得良好的光泽。张力大小和光泽成正比，与染 色性能成反比，所以要适当控制张力，而且张力大小对织物经纬向的缩水率有 着重要的作用。控制张力在实际生产中以控制丝光后落布门幅及伸长率来达到。 5 ) 去碱 丝光后的去碱效果对织物定形作用和降低纬向缩水率影响很大，碱纤维素 在保持张力的情况下，通过充分的洗涤去碱，使织物上含碱量降低到一定范围 ( 6 7 ) 以下，这时碱纤维素在新的位置上重建氢键，不再回缩，然后纬向 张力松驰，把余碱洗净，达到定形作用。 1 A 2 丝光设备 丝光机有纱线丝光机和织物丝光机两类。织物丝光机又分为针织物丝光机 和机织物丝光机两类，主要有布铗丝光机、弯辊丝光机和直辊丝光机三种。目 前也出现布铗弯辊、布铗直辊、弯辊直辊联合丝光机1 6 1 。布铗丝光机因扩幅及 对降低纬向缩水、提高丝光光泽有较好效果，所以被广泛使用，如5 4 型的 L M 2 2 1 ( 单层丝光机) ，L M 2 2 2 ( 双层丝光机) 采用5 0 3 0 3 型布铗，车速一般在5 0 6 0m r a i n 。 1 4 2 1 布铗丝光机 1 ) 5 4 型布铗丝光机 1 0 浙江大学硕士学位论文基于P I C 的丝光机碱溶渡控制系统 其工艺流程如下：进布专重型轧车( 轧碱) 专绷布辊简专重型轧车( 轧碱) 专布 铗拉幅( 5 冲5 吸) 专去碱蒸箱专平洗专烘燥专落布。 在布铗丝光机中为了保证织物碱作用时间及防止织物轧碱后纬缩，所以在 二台重型轧车之间上方装有数十只交替捧列的空心被动绷布辊，使织物径向保 持一定张力，并保证一定的碱作用时间：在布铗拉幅部分，一方面使碱作用时 间充分，另一方面通过布铗链将带有浓碱的织物拉伸至规定幅度，并在保持张 力情况下将浓碱含量冲洗到5 7 以下，保持丝光效果。脱铗后经过充分的 水洗去碱使布面P H 8 。 2 ) L M A l 4 2 型和L M A l 2 5 型高速丝光机 改型设计后的工艺流程如下：进布专重型轧车( 轧碱) 专绷布辊筒专直辊槽 ( 上六下七浸轧碱液) 专重型轧车( 轧碱) 专绷布辊专热淡碱预洗专布铗拉幅( 5 冲5 吸) 专直辊槽( 上六下七去碱) 去碱蒸箱平洗专烘燥专落布。 在整个流程中增加前后二组小直辊槽和进布铗前的热预洗槽。前直辊槽的 目的是当车速提高到1 0 0m m i n 时，保证碱作用时间，另外防止织物表面丝光现 象。提高丝光效果。后直辊槽的目的是使织物在脱铗后仍能在保持张力的作用 下去碱，以提高织物尺寸的稳定性。 热预洗槽作用是使织物在进布铗拉幅前先用5 0 9 L 左右的热淡碱冲洗一 下，以利扩幅而不会因为织物浸轧浓碱后收缩而造成进铗因难，而且布铗受力 情况也比传统的没有热预洗槽的要好，布铗磨损情况也有所改善，这为高速丝 光创造了有利条件。 布铗丝光机是一种被广泛应用的丝光设备，其最大优点是扩幅较好，光泽 及缩水率均能满足要求，但缺点甚多，由于浸轧时间短，使布面带碱量低，限 制了碱液向布芯的进一步渗透扩散，另外能源消耗高，噪声大，易产生破边， 脱铗，皱条等，此外织物二边与中问径向密度不一，特别当幅宽增大时更严重， 所以对门幅宽的织物不适宜采用布铗丝光机。 1 4 2 2 直辊丝光机 该机特点是将平幅织物包绕于多只直辊上浸轧烧碱溶液和冲冼去碱。工艺 浙江大学硕士学位论文 基于P L C 的丝光机碱溶液控制系统 流程如下：进布专三弯辊扩幅专轧车专直辊反应区( 浸轧碱液) 轧车专直辊稳 定区( 冲洗去碱) 专去碱蒸箱专平洗专烘燥专落布。 由于直辊丝光机无伸幅作用，因此在进直辊槽之前装有三弯辊扩幅，使平 幅织物扩展去皱。织物通过弯辊扩幅便进入碱液浸轧直辊槽作反应区( 保证碱作 用时间) ，然后进入有淋洗碱直辊槽为稳定区( 能将织物含碱量冲洗至6 7 ) ， 最后蒸洗去碱烘干。 碱液浸轧槽和稳定槽是由不锈钢板制成的槽体和多对上下交替相互轧压的 直辊组成，上直辊是软橡胶包覆的空心辊，它以自重压在下直辊上，下直辊为 钢管辊，须耐腐蚀、耐磨，若采用碳钢管、表面需经特殊处理，下直辊上车制 有细螺纹以改善织物浸轧浓碱后的纬向收缩，直辊本身无扩幅作用，是利用织 物与直辊表面之间的磨擦力防止纬向收缩。一对上下直辊相当于一对轧点，多 对直辊使其反复浸轧，碱液就易渗透到织物内部，丝光效果均匀。稳定区的直 辊槽体在上直辊之间装有多道喷淋管，喷淋用的淡碱液由泵循环供给。 直辊丝光机的优点在于无布铗丝光机的诸多缺点，而且结构简单，操作方 便。因为织物品种适应性广，尤适用于幅宽厚重织物，所以在欧溯被广泛使用。 但由于对织物纬向不能施加张力，扩幅不足，落布门幅窄，影响了其在国内的 广泛使用。 国外进口的直辊丝光机在国内应用最多的是以下三种： 1 ) 荷兰布鲁格曼( B R U G M A N ) M x x 型高速直辊丝光机。 其直辊槽特点见图1 2 。 J 轧辊 l ： 辊 图1 2M x x 型直辊槽结构 浙江大学硕士学位论文基于P L C 的丝光机碱嚣随控制系统 丝光反应区和稳定区均由许多对直辊组成，反应区的长度( 即上下直辊的对 数) 可根据车速和碱作用时间确定。如M 2 4 1 4 型、M 3 6 1 8 型等。 稳定区和反应区的直辊对数大约h2 ，上直辊直径2 8 9m i l l ，重1 0 0k g ，下 直辊直径为2 9 9m m 表面车有lr a m 细螺纹，每个直辊是依靠轧车上轧辊与空 心上直辊的摩擦来进行传动，同时依靠织物的拖动来达到同步运转，没有松紧 架，织物张力是通过微调主动电机之问速差来保持。 对较长的丝光区段，则适当增加I 2 根下直辊为主动辊，以控制经向张力 过大。直辊槽内有控制碱液液面的溢流口，并利用隔板把槽体分成若干小槽， 隔板下面开有缺口，使碱液呈蛇形回流循环，每个槽体均有断布自仃装置及碱 浓度测量装置。 B R U G M A N 丝光机结构紧凑、剐性好、传动简单、运转平稳且机型整洁， 该公司产品价格较低，受到国内欢迎，并拥有一定市场。从某些用户的使用分 析中看到：该类型丝光机对纯棉中厚织物、涤棉厚织物( 线、卡其类) 比较适合； 幅宽及经向伸长变化不大，织物稳定性较好；而对纯棉稀薄织物变化较大，有 待进一步探讨。 1 9 9 0 年黄石纺织机械厂与荷兰B R U G M A N 公司合作生产了第一台M 3 6 1 8 直辊丝光机。 2 ) 瑞士贝宁格( 8 E N N I N G E R ) 直辊丝光机 早期进口的贝宁格直辊丝光机为M G A 型无链丝光机，直辊槽结构如图1 3 所示。 图1 30 1 G A 型直辊槽结构 其直辊反应区和稳定区，不像B R U G M A N 那样整个反应区为一个槽体， 浙江大学硕士学位论文 基于P L C 的丝光帆碱溶渡控制系统 而是均分为若干隔问，织物由轧车拖动。每隔问有一气动张力调节器，轧车电 机速度根据张力调节器的补偿辊筒所在位置而予以控制。据介绍，分为若干隔 间使织物张力在短距离内得到调整控制，保持了均匀的径向张力。每一隔问又 用隔板分成若干室，可逐格逆流。 无链丝光机上直辊直径有1 9 0 、3 0 8m i t t 二种，下直辊直径2 3 9m m ，对1 5 0 g m 2 以下的织物可双层迸布，但织物须同样规格。 3 ) 德国高尔乐公司( G O L L E R ) 的删型直辊丝光机 丝光浸渍区和稳定区上下直辊直径均为3 2 0 r a m ，上直辊重量1 9 0 蟾，丝光 段每一对上下直辊之问均配有喷淋管喷淋碱液。进出丝光段均采用卧式轧车。 其主要特点在稳定区：在稳定槽中设有问接蒸汽加热管，槽中分段分格，每对 直辊为一格，每格之间有液位差( 如图1 4 ) ，淡碱在槽中呈阶梯形逐格向前逆流。 同时，每格单独有循环泵抽吸，强制循环冲淋以增强去碱效果。这就是被外商 称作“具有特殊去碱功能”的西德专利。 织物行进厅向 图1 4 涮型直辊丝光机 1 9 9 3 年武汉纺织机械厂与德国高尔乐公司合作开发生产了M M 7 4 7 型直辊 丝光机。 1 4 2 3 混合型丝光机 由于当今纺织品市场的新品种不断出现，传统的丝光设备因品种适应性有 局限而不能满足用户要求，所以国内外纷纷开发以直辊为主拉幅为辅的混合型 丝光机，它主要使直辊丝光和布铗丝光的优点结合起来。最大特点是：织物在 丝光反应区里以直辊丝光原理受到加工处理，针对它对织物门幅控制有缺陷， 在直辊反应区后增加针( 布) 铗拉幅，使织物在拉幅区纬向处于全控制状态，这 1 4 浙江大学硬士学位论文基于P L C 的丝光机碱溶液控制系统 两个作用的结果使织物收缩明显减小，从而使织物在长度和幅宽方向均能达到 尺寸稳定的要求。 1 ) 国外混合型丝光机 最典型的为被誉作“完美丝光”的瑞士贝宁格的达曼莎( B E N - - D I M E N S A ) 直辊丝光机。从名称上看尺寸稳定性是该机的主要特点，它采用了直辊丝光和 布铗丝光二者的优点并进行了革新，打破了冷碱丝光的传统工艺，采用热碱丝 光的新工艺而设计的机型。按工艺作用来划分其组成为：热碱浸渍区专冷却和 反应区专拉幅专稳定区水洗中和区。 如图1 5 所示，热碱浸渍区分上下二槽，补充碱液及控制碱液温度均在下槽 进行，而织物浸渍碱液则在上槽进行。生产时利用循环泵将下槽内已加热的碱 液抽吸至上槽喷淋，织物出热碱浸溃区即进入冷却和反应区：冷却区是由数根 冷却辊组成，用于防止对温度敏感的混纺织物在热碱丝光时，受高温处理时间 过长而受损；反应区由直辊槽组成用以增加碱反应时间：在拉幅区用热淡碱冲 洗，这二个作用的结果使织物收缩明显减小，随后进入直辊槽稳定区 得渍精 政液准备持 图L5 热碱浸渍区 据介绍：热碱丝光工艺只需2 5 3 0s 便能获得冷碱丝光4 5 5 0s 的相同效 果。这个工艺流程除了获得最佳的丝光效果外，还可节省碱液及水蒸汽的耗量。 在机械设备上具有组成短、占地小、投资低等优点。 2 ) 国内印染机械厂开发的混合型直辊丝光机 近年来，上海印染机械厂、新昌印染机械厂、江苏宏源纺机股份有限公司 浙江大学硕士学位论文基于P L C 的丝光机碱溶液控制系统 等国内印染机械厂相继开发了直辊+ 布铗型的丝光机投放市场，其共同点有： 直辊部分均消化吸收了荷兰B R U O M A N 直辊丝光机的结构特点，结合国情，在 符合用户工艺需要的前提下，各生产了多台直辊+ 布铗型丝光机，基本工艺流 程如下：进布专三弯辊扩幅专直辊反应区( 长度可根据碱作用时间来决定) 专布 铗拉幅专去碱蒸箱专平洗专烘燥专落布。这些机台虽没有进行系统的测试，但 普遍反映其丝光综合效果均比传统丝光设备为优。 浙江大学硕士学位论文 基于P L C 的丝光机碱溶液控制系统 第二章丝光机碱溶液控制系统方案 2 1 传统丝光机介绍 作为本课题的实践单位，浙江江龙纺织印染有限公司采用的是布铗直辊丝 光机。前已提及，在丝光工艺条件中，烧碱是影响丝光效果的最主要因素，本 课题的研究内容就是尝试提出一种快速高效的在线碱溶液浓度检测和控制方 案。因此，我们的研究对象就是碱溶液浓度控制系统。 2 1 1 传统丝光机碱溶液控制系统 该印染厂丝光机碱溶液控制系统如图2 1 所示。其中进布槽和浸碱槽里的细 线表示正在进行丝光加工的布匹，A 、B 、C 、D 、E 、F 代表六个手动球阀，P 是一 个泵。 在该厂调研了一段时间后，同时经过和工作人员的交流，我们了解到该系 统的工作情况如下： 1 ) A 是淡碱阀门，供应淡碱，B 是浓碱阀门，供应浓度3 9 6 9 L 的浓碱溶 液，浓、淡碱中按一定比例配置，并由人工滴定的方法判断配置的溶液是否达 到要求。 图2 1 丝光机碱溶液供应系统 2 1 配料桶里的碱溶液浓度满足要求以后，分别通过c 、F 阀门流到进布槽 1 7 浙江大学硕士学位论文基于P L C 的丝光机碱溶液控制系统 和碱液槽里面，这一步也是由人工打开或关闭阀门C ，F 来实现的。 3 ) 碱液槽里的碱溶液通过泵l 、阀门D 供应给浸碱槽，并通过浸碱槽里的 泄流孔实现循环。如果碱液槽里的碱溶液过多而有溢出危险时，可以通过泵l 、 阀门E 送到配料桶里面。 4 ) 在布匹加工过程中，规定每隔半个小时的时间必须人工滴定碱溶液的浓 度，保证溶液浓度符合要求。 5 ) 同时，要根据情况，实时利用淡、浓碱阀门A 、B 调配新的碱溶液，以 满足布匹加工的需要。 从上述步骤可以看出，该系统主要存在的问题是自动化程度不高，碱溶液 浓度要靠人工滴定的方法进行确定，操作过程复杂，随机误差比较大：而且由 于浓碱溶液对皮肤有很强的腐蚀性，调配过程过多的人工因素会增加安全隐患。 2 1 2 课题目标 针对前述缺点，我们提出了以下课题目标： 1 ) 整个控制系统采用智能化控制方式，代替以前入工操作的方式，操作 员只需通过参数设置单元设置参数，然后控制系统就可以自动运行。 2 ) 传感器检测当前浓度信号，并且传递给控制单元。控制单元做出判断 并发出指令，这些指令用于控制N f J 的开关，从而实现将浓度和液位维持在一 定数值上的目的。 3 ) 当碱溶液浓度配制好以后，控制单元根据进布槽液位传感器信号，控 制阀门的开关，使进布槽液位维持在期望的高度。 2 2 丝光机碱溶液控制系统方案确定 2 2 1 改进后的系统及其主要功能 针对该印染厂丝光机的特点，在多方了解国内外现状和发展趋势的基础上， I g 浙江大学硕士学位论文 基于P L C 的丝光机碱溶渡控制系统 我们尝试着给出了一种新的碱溶液控制方案，如图2 2 所示。点划线代表进布 槽液位控制信号回路，虚线表示配料桶液位、浓度控制信号回路。 图2 2 经过改进的碱溶液供应系统 在新的系统中，我们对传统丝光机碱溶液控制系统进行了如下改进： 1 ) 阀门A 、B 更换成调节型电动阀门，阀门C 更换成开关型阀门。 2 ) 在配料桶和进布槽各安装液位传感器a 、b ，实时向P L C 提供液位信号。 3 ) 浓度检测桶G 、配料桶、碱液槽构成碱溶液浓度检测回路，实时检测配 料桶里碱溶液的浓度，并将浓度信号传递给P L C 4 ) 配科桶上安装大口径溢出管道，防止物料溢出。 5 ) 整个自动控制部分以P L C 为核心来实现。 通过上述硬件上的改进，结合P L C 程序，实现以下几个方面的功能： 1 ) 在调配碱溶液或者溶液浓度出现偏差的时候，由P L C 根据当前浓度信 号，以一定程序发出指令，控制电动阀A 、B 的开度，实现碱溶液的自动调配 和浓度维持。同时将配料桶液位维持在一定高度上，避免配料桶液位过低。 2 ) 液位传感器b 实时检测进布槽中碱溶液的液位并传递给P L C 。在正常 生产过程中，如果液位过高，那么P L C 将发出信号关闭阀门c ，如果液位过低， P L C 将打开阀门C 及时向进布槽补充溶液，以满足生产需要。 1 9 新江大学硕士学位论文基于P L C 的丝光机碱溶液控制系统 2 2 2 预期成果 由于在原有系统中，采用人工P H 滴定的办法，实时性差，不能连续检测 碱溶液的浓度，而且P H 滴定的方法测量浓度误差较大，而采用改进后的控制 系统能实时检测，实现自动控制，节省了人力，对提升丝光机自动化水平具有 重要意义。 中国的印染业十分庞大，但是印染产品以中低档为主，满足不了服装行业 的高中档服装面料的要求，不仅纺织印染产品出口竞争乏力，而且国内市场也 在丢失，目前印染布进口总量己超过出口总量。主要原因就是技术装备陈旧。 此项目可以通过改装现有设备，达到较高的技术含量，可以广泛应用在落后的 丝光机中，提高印染产品的质量，较广的应用前景。 2 0 浙江大学硕士学位论文 基于P L C 的丝光机碱溶液控制系统 第三章丝光机碱溶液控制系统硬件设计 丝光机碱溶液控制系统硬件平台主要包括P L C 、触摸屏、浓度传感器、液 位传感器、阀门等，系统结构如图3 1 所示。 图3 1 碱溶液供应系统机构框图 操作人员通过触摸屏设置参数，可以通过触摸屏进行手动控制，也可以让 系统进入自动运行状态。在自动运行状态下，浓度传感器和液位传感器将检测 信号传递给P L C ，P L C 对这些信号进行分析和处理，然后发出控制指令去控制 阀门开度，调节碱溶液浓度和液位。同时将当前的运行状态在触摸屏上显示。 图3 1 中，P L C 采用德国西门子公司$ 7 2 0 0C P U 2 2 4 x PC N ，外加E M 2 3 5 模拟量扩展模块。C P U 2 2 4 X PC N 具有1 4 D 们O D O 4 A I ，I A O ，E M 2 3 5 是4 A I 2 A O 模拟量扩展模块，这样这个系统就有6 A I 2 A D 模拟量F O 点。系统中一共有 5 A I 2 A O ，分别是：两个液位传感器信号、一个浓度传感器信号、两个阀门位 置反馈信号、两个阀门开度控制信号，它们都是4 - 2 0 m A 电流信号。 3 1 控制系统硬件连接 系统硬件接线图如图3 2 所示。如图3 2 所示，控制单元采用西门予 $ 7 2 0 0 一P L C 外扩E M 2 3 5 模拟量扩展模块。Q o 0 接配料桶溢出信号灯，Q o 1 接 换布调整完成信号灯，Q O 2 接继电器，该继电器控制开关型阀门3 的开和关。 A I W 0 输入浓碱阀门l 开度反馈信号，A l W 4 接配料桶液位传感器信号，A I W 6 接进布槽液位信号，A I W 8 接浓度传感器信号，A I W l 0 接淡碱阀门开度反馈信 号。A Q W 0 接浓碱阀门开度控制信号，A Q W 4 按淡碱阀门开度控制信号。 下面对各个模块分别进行介绍。 2 l 浙江大学颐士学位论文 基于P L C 的丝光机碱溶渡控制系统 3 2 P L C 模块 图3 2 硬件接线图 在上述系统中，可编程逻辑控制器P L C ( P r o g r a m m a b l eL o g i cC o n t r o l l e r ) 是 设计的核心，是系统运转的主控单元，P L C 的正确选择与使用直接关系到系统 的功能和性能，我们选用了西门子P L C 。本节介绍P L C 的工作原理和特点。 3 2 1P L C 的定义和发展。 可编程序控$ 1 器( P r o g r a n u n a b l e C o n t r o l l e r ) 是计算机家族中的一员，是为工 业控制应用而设计制造的。早期的可编程序控制器主要用来代替继电器实现逻 辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能己经大大超过了逻辑控制的范围， 因此，今天这种装置称作可编程序控制器，简称P C 。但是为了避免与个人计算 机( P e r s o n a lC o m p u t e r ) 的简称混淆，所以将可编程序控制器简称P L C ”。 1 9 8 7 年，国际电工委员会( I E c ) 颁布了新的P L C 标准及其标准定义：可编程 序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它 采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制， 定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输3 , 输出控制 各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与 工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 浙江大学硕士学位论文 基于P L C 的丝光机碱溶液控制系统 P L C 进入国内工业控制领域已经十余年，早期的P L C 由于受硬件的构成及 软件环境的局限，其应用范围受到限制。近几年来，随着微电子技术、计算机 技术和数字通信技术的高速发展，P L C 产品高度融合了计算机产业最新进的技 术与工业自动控制的经典理论，在其功能及性能指标上得以丰富和完善，从而 突破了传统P L C 的概念，在中、小型控制领域内极大地扩展了其应用范围。在 特定的范围内，高性能价格比已成为新型P L C 的最突出的特点。P L C 以其高可 靠性、适应性强和使用方便等突出优点在自动化控制领域应用广泛。 总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的 计算机。它具有丰富的输入输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控 制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要 进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。 3 2 2P L C 的基本结构 可编程序控制器主要有C P U 模块、输入模块、输出模块、编程装置和电源 组成，如图3 3 所示“。 1 1C P U 模块 电蠹 图3 3 可编程序控制器示意图 在可编程序控制器控制系统中，C P U 模块不断地采集输入信号，执行用户 程序，刷新系统的输出，统一命令和协调整个P L C 控制系统的工作过程。C P U 模块的工作电压一般是D C5 V 。 C P U 模块主要由微