（控制理论与控制工程专业论文）基于plc的丝光机碱溶液控制系统.pdf

浙江大学硕士学位论文荃于p 尤的丝 光机碱溶液控制系统 ab s t r a c t inc h e m ic alindus t ry p r i n t i ngand d y e 吨 i n d ustryandp a per m aking i n d us t ry co ncent 洲io n ofai kali n ee dsto悦c c 川 幻 red and co n l r o l led on邝 a l t i m e aip re se n 仁 we 叹 次 m 幼 n byh 胡d 认 urcou n t ry int h i s w a y the c o n c e n t ra t io n ofal kali c a n n o t be con 汀 o l l ed o nrea l ti 哪in o r d er to i n n o v a t e1 h eexisti ng sys t e m an o n t i 献 in s pec t ing 印染布产量 127 4 5 亿米 同比增长2 2 7 0 5 月份单月产 量 2998亿米 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 一 5月份规模以上印染企业工业总产值 现行 价 5 17 9 7 亿元 同比 增长 23 33 销售收入4 89 55 亿元 同比 增长 22 2 3 出口交货值 177 08 亿元 同比增长 2 0 76 销售利润率为 2 3 8 产销率 9 7 4 0 3 投资 依然旺盛 生产能力继续加强 1 一 5 月份印染行业实际完成投资2 4 9 9 73万元 同比增加71 1 6 新开工项 目 数74个 比去年同期增加22 个 施工项目 数 1 52 个 比去年同期增加34 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 比 的丝光 机碱溶液控制系统 的再度扩大 4 出口 规模 进一步扩大 1 一 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 44 出 口金额为3 2 仍 亿美元 同比增长 1 5 5 9 出口平均单价为 0 8 1 美元尹 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 wl 0 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面料 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 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80 以上121 从整体风格与色彩上来看 中国纺织印染产品已基本与国际流行接轨 在 浙江大学硕士学位论文基于p lc 的丝光机碱溶掖控制系 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 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乎有了很大的提高 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45 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 需要从国外进口 印染产业的能耗量在纺织业首屈一指 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的丝光机喊溶液控制系统 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 人 也 进 入 了 染 整 生 产 操 作自 动 化 的 实 用 阶 段 阴 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 川 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141 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 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 13 2 美 国 普 林 顿公 司p r i n c o d e n sl 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 一 3 5 沙m3 精度范围 幻 3 瑞士贝 宁 格 公 司 直 辊 丝 光 机 应 用 湿 布 热 碱 丝 光 系 统 151 如图1 1 所 示 菩 图1 1碱溶液自 动控制图解 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 绕 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 iej 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 浆料和沾上的油污 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进行简要介绍 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 用浓烧碱伽a o 均或其它 化学药品处理 以改变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 lc 的丝光机碱溶液控制系统 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151 4 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 阁 总的来说 丝光工艺主要有以下几个功能 1 棉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 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 伽a 0 h 为 主 主 要 原因 是 烧 碱的 膨 化性能 好 价廉 操 作也 浙江大学硕士学位论文荃于p l c的丝光机碱溶液控制系统 方便 1 4 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 7 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 40 280 岁 l 由于碱浓在1 50一1 80 9 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 o 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巧 一 20 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 粘度大 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 60 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 浙江大学硕士学位论文基于p 比 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35 505 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 一 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 4 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 主要有布铁丝光机 弯辊丝光机和直辊丝光机三种 目 前也出 现布铁弯辊 布铁直辊 弯辊直辊联合丝 光机i l 布铁丝光机因 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54型的 l m221 单 层丝 光 机 l m22 2 双 层丝光 机 采 用5 0 一 3 03型布 铁 车 速 一 般在50 6 n 口 i n i n o 4 2 1布铁丝光机 1 5 4 型布铁丝光机 浙江大学硕士学位论文基于p l c的丝光机喊洛液控制系统 其 工艺 流 程如 下 进 布于 重型 轧车 轧 碱 令 绷布 辊筒争 重型轧 车 轧 碱 令 布 铁拉 幅 5 冲 5 吸 令 去 碱蒸 箱 今 平 洗今 烘 燥令 落 布 在布铁丝光机中为了 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排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 在布铁拉幅部分 一方面使碱作用时 间充分 另一方面通过布铁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 脱铁后经过充分的 水洗去碱使布面p h 8 2 l ma142 型和l m a 1 2 5 型高 速丝光机 改型设计后的工艺流程如下 进布令重型轧车 轧碱 今绷布辊筒令直辊槽 上六下 七 浸轧碱液 令重型 轧车 轧碱 今 绷布 辊 令 热 淡碱预 洗令 布 铁拉幅 5 冲 5 吸 令直辊槽 上六下七去 碱 去碱蒸箱令 平洗令 烘燥令落布口 在整个流程中增加前后二组小直辊槽和进布铁前的热预洗槽 前直辊槽的 目的是当车速提高到100 耐in in 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 的是使织物在脱铁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 进布铁拉幅前先用5 o 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铁因难 而且布铁受力 情况也比传统的没有热预洗槽的要好 布铁磨损情况也有所改善 这为高速丝 光创造了有利条件 布铁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 脱铁 皱条等 此外织物二边与中间径向密度不一 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挟丝光机 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 学位论文荃于p l c的丝光机碱溶液 控制系统 流程如 下 进布令 三弯辊 扩幅令 轧 车 今 直 辊反 应区 浸轧 碱液 令轧 车令 直辊稳 定区 冲洗去碱 净去碱蒸 箱今平洗今 烘燥令 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铁丝光机的诸多缺点 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 所以在欧洲被广泛使用 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 rug 以n m 盆 一x 型高速直辊丝光机 其直辊槽特点见图1 20 轧捉 直 辘 图1 zm x x 型直辊槽结构 浙江大学硕士学位论文基于p l c的丝光机碱溶液控制系统 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 m24 1 4 型 m36 1 8 型 等 稳 定区 和 反 应 区 的 直 辊 对 数 大 约卜2 上 直 辊 直 径 2 89inm 重1 00kg 下 直辊直径为2 99r n 表面车有l r o r n 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间速差来保持 对较长的丝光区段 则适当增加1 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 ma 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 19 90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m36 18 直辊丝光机 2 瑞士贝宁格 b 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 3毗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的丝光机碱溶液控制系统 而是 均分为若千隔间 织物由 轧车 拖动 每隔间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 每一隔间又 用隔板分成若千室 可逐格逆流 无链丝光机上直辊直径有1 90 3 08nun 二种 下直辊直径2 39iyun 对巧0 9 m z 以 下 的 织 物 可 双 层 进 布 但 织 物 须 同 样 规 格 3 德国高尔乐公司 g oll e r 的川 型直辊丝光机 丝光浸渍区和稳定区上下直辊直径 均为 3 20mm 上直 辊重量19 0 kg 丝光 段每一对上下直辊之间 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 进方 向 图1 4翔 型直辊丝光机 1 993 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 47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铁丝光的 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 铁拉幅 使 织物在拉幅区纬向 处于全控制状态 这 浙江大学硕士学位论文基于p 比 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 en一 dim 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 布铁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 热碱浸渍区今冷却和 反应区令拉幅今稳定区今水洗中和区 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 织物出热碱浸渍区即进入冷却和反应区 冷却辊组成 过长而受损 用于防止对温度敏感的混纺织物在热碱丝光时 冷却区是由数根 受高温处理时间 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 浸溃梢 吸 庄 准备梢 图1 5热碱浸溃区 据介绍 热碱丝光工艺只需25 305 便能获得冷碱丝光45一505 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的丝光机喊溶液控制系统 等国内印染机械厂相继开发了 直辊 布铁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 g m 人 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 直辊十 布铁型丝光机 基本工艺流 程如 下 进布令 三弯辊扩幅 令 直 辊反 应区 长 度可根 据碱作 用时间来决 定 今 布 铁拉幅今去碱蒸箱今平洗令烘燥令落布 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铁直辊丝 光机 前己 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 l a是淡碱阀门 供应淡碱 b 是浓碱阀门 供应浓度3 创 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 浓暇 通 漫雌管道 卜e 一 占 进布抽 图2 1 丝光机碱溶液供应系统 2 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 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1 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1 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 浓度要靠人工滴定的方法进行确定 于浓碱溶液对皮肤有很强的腐蚀性 操作过程复杂 随机误差比较大 碱溶液 而且由 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 前人工操作的方式 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 这些指令用于控制阀门的开关 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 浙江大学硕士学位论文基于p lc 的丝光机碱溶液控制系统 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 配料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 lc 为核心来实现 通过上述硬件上的改进 结合p lc 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 lc 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 lc 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 lc 将打开阀门c及时向 进布槽补充溶液 以 满足生产需要 浙江大学硕士学位论文基于p lc 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 浙江大学硕士学位论文基于p l c的丝先机碱溶液控制系统 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 优 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 lc p lc 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s 7 2 0 0cpu 2 24x pc n 外加e m2 3 5 模拟量扩展模块 c p u224xp c n具有14 d 万 10 d o 4 a 叭a qe m 2 3 5 是4 a 珑a o 模拟量扩展模块 这样这个系统就有 6af z a d模拟量 2 0点 系统中一共有 s a 珑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 一 20m 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 控制单元采用西门子 57 2 00 一 p lc 外 扩e m 2 35模 拟 量 扩 展 模 块 qo 0 接 配 料 桶 溢出 信 号 灯 qo 1 接 换布调整完成信号灯 q 0 2 接继电 器 该继电 器控制开关型阀门3 的开 和关 aiwo 输入浓碱阀门1 开度反馈信号 a i w4 接配料桶液位传感器信号 a i w6 接进布槽液位信号 a l ws 接浓度传感器信号 a l wlo接淡碱阀门开 度反馈信 号 a o wo 接浓碱阀门开度控制信号 a o w4 接淡碱阀门开度控制信号 下面对各个模块分别进行介绍 浙江大学硕士学位论文基于p 比 的丝光 机喊溶液控 制系统 图3 2硬件接线图 3 2 p l c模块 在上述系统中 可 编程逻辑控制器p l c p ro g r 别 叮 m a b l e logi c c 0 n t r o l le r 是 设计的核心 是系统运转的主控单元 p lc 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 lc 本节介绍p lc 的工作原理和特点 3 2 i p l c的定义和发展 可编程序控制器 p ro g ramlnable c o n t r o l ler 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 na 1 c o m p uter 的 简称混淆 所以 将 可 编程序 控制器简 称p lc 9j 侧 1 987 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刀输出 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 lc 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 lc 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 高性能价格比己成为新型p lc 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 2 p 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 叹 电 叨 洲 一雕田 图1 3 可编程序控制器示意图 1 c p u 模块 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 lc 控制系统的工作过程 c pu 模块的工作电压一般是d cs v c pu 模块主要由微处理器 cp u芯片 和存储器组成 微处理器 微处理器分为 通用 微处理器 单片 微处理器和位片式微处理器 其主要 浙江大学硕士学位论文基于p 比 的丝光机喊溶液 控制系统 有如下功能 接收从编程器输入的用户 程序和数据 送入存储器存储 用扫描方式接收输入设备的状态信号 并存入相应的数据区 监测诊断电 源 p l c内 部电 路工作状态和用户程序编程过程中的语法错 误 执行用户程序 完成各种数据的运算 传递和存储等功能 根据数据处理的结果 刷新有关标志位的状态和输出状态寄存器表中内 容 以实现输出控制 制表打印或数据通信等功能 存储器 存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器 系统程序存储器存放着系 统程序 系统程序是由可编程序控制器生产厂家设计并固化只读存储器 r d m 中 能完成可编程序控制器设计者规定的工作 且用户不能读取 用户程序存储 器存放着用户编制的梓制程序 其容量以字为单位 用户程序由 用户设计 使 可编程序控制器完成用户要求的 特定功能 z j刀 0模块 输入模块和输出模块简称为咖模块 是联系外部现场和c p u模块的桥梁 输入 模块用来接收和采集输入 信号 数字量输入模块用来接收从按 钮 选 择开关 数字拨码开关 限位开关 接近开关 光电开关 压力继电器等来的 数字量输入信号 模拟量输入模块用来接收电 位器 测速发电 机和各种变送器提 供的连续变化的模拟量电流电压信号 输出 模块用来发送输出 信号 数字量 输出 模块用来控制接触器 电 磁阀 电 磁铁 指示灯 数字显示装置和报警装置等输出设备 模拟量 输出 模块用来控 制调节阀 变频器等执行装置 珊 模块除了 传递信号外 还有电平转换与隔离的作用 3 编程装置 浙江大学硕士学位论文基于p lc 的丝光机碱溶液控制系统 编程装置是p l c不可缺少的一部分 用来生成用户程序 并对其进行编辑 检查 和修改 还可以 在线监视p lc 的 工作状态 编程装置通过接口 与c p u模 块联系 实现人机对话 使用编程软件不仅可以设置可编程序控制器的各种参数 还可以在屏幕上 直接生成和编辑梯形图 指令表 功能块图和顺序功能图程序 并可以实现不 同编程语言的相互转换 程序被编译下载到可编程序控制器 也可以将可编程 序控制器中的程序上传到计算机 程序可以存盘或打印 还可以通过网络实现 远程编程和传送 4 电 源 可编程序控制器使用220v 交流电源或24v直流电源 内部的开关电源为 各模块提供d cs v 24v等直流电 源 驱动可编程序控制器负载的直流电 源一 般有用户提供 3 2 3 p l c工作原理 最初研制生产的 p l c主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装 置 但这两者的运行方式是不相同的 继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式 即如果这个继电器的线 圈 通电 或断电 该继电 器所有 的 触点 包 括其常开 或常闭 触点 在 继电 器 控制线 路的哪个位置上都会立即同时动作 p lc 的c p u则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式 即如果一个输 出 线圈或逻辑线圈被接通或断开 该线圈的 所有触点 包括其常开或常闭触点 不会立即动作 必须等扫描到该触点时才会动作 为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异 考虑到继电器控制装 置各类触点的动作时间一般在10 0 m s 以上 而p lc 扫描用户程序的时间一般均 小于 技术 10 0 ins 因此 p lc 采用了 一种不同于一般微型计算机的运行方式 扫描 这样在对于f o响 应要求不高的场合 p lc 与继电器控制装置的处理结 果上就没有什么区别了 浙江大学硕士 学位论文基于p lc 的丝光 机碱溶液控制系统 1 扫描技术 当p lc 投入运行后 其工作过程一般分为三个阶段 即输入采样 用户程 序执行和输出 刷新三个阶段 完成上述三个阶段称作一个扫描周期 在整个运 行期间 p lc 的c p u以 一定的扫描速度重复执行上 述三个 阶段叫 如图3 4 所 不 怕 珠祥抽 出 侧 断 图3 4扫描周期 令 输入采样阶段 在输入采样阶段 p l c以 扫描方式依次 地读入所有输入状态和数据 并将 它们存入uo 映象区中的相应单元内 输入采样结束后 转入用户程序执行和 输出 刷新阶段 在这两个阶段中 即使输入状态和数据发生变化 f o映象区 中的相应单元的状态和数据也不会改变 因此 如果输入是脉冲信号 则该脉 冲信号的宽度必须大于一个扫描周期 才能保证在任何情况下 该输入均能被 读入 用户程序执行阶段 在 用 户 程 序执 行阶段 p l c 总是 按由 上而 下的 顺 序依 次 地扫描 用户 程 序 梯 形图 在扫描每一条梯形图时 又总是先 扫描梯形图 左边的由各触点 构成的 控 制线路 并按先左后右 先上 后下的 顺序对由 触点构成的 控制线路进行逻辑运 算 然后根据逻辑运算的结果 刷新该逻辑线圈在系统r a m存储区中 对应位 的 状态 或者刷新该输出线圈在 卯 映 象区中对应位的 状态 或者确定是否要执 行该梯形图所规定的特殊功能指令 今 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后 p lc 就进入输出刷新阶段 f o映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路 在此期间 c p u按照 再经输出电路驱动 浙江大学硕士学位论文 基于p lc 的丝先机碱溶液控 制系统 相应的外设 这时才是p lc 的真正输出 为了 提高 工作的可靠性 及时接收外来的控制命令 p lc 在每次扫描期间 除完成上述三步操作外 通常还要 进行故障自 诊断 完成通讯处理要求 因此 整个扫描过程如图3 5所示 每次扫描开始 先执行一次自 诊断 程序 对各输入输出点 存储器和c p u 等进行诊断 诊断的方法通常是测试出各部分是否工作正常 若不一致则认为 有故障 此时 p lc 立即启动关机程序 保留现行工作状态并关断所有输出点 然后停机 诊断结束后 如没发现故障 p lc 将继续往下扫描 检查是否有编程器等 的通信请求 如果没有则进行相应的处理 比 如 接受编程器发来的命令 把 要显示的状态数据 出错信息送给编程器显示等 图3 sp l c循环扫描过程 处理完通信后 p lc 继续扫描 输入现场信息 顺序执行用户程序 控制 信号 完成一 个扫描周期 然后又从自 诊断开始 进行第二轮扫描 输出 p lc 就这样不断反复循环 实现对机器的连续控制 直到接收到停机命令 或因停电 出现故障等才停止工作 浙江大 学硕士学位论文荃于p l c的丝光机碱溶液控制系 统 2 p lc 的f o响 应时间 为了 增强p lc 的 抗 干 扰能 力 提高 其 可 靠性 p lc 的 每个 开关量 输入 端都 采 用 光电 隔 离 等 技术 为了 能 实 现 继电 器 控 制 线 路 的 硬 逻 辑并 行 控 制 p l c 采 用了 不同 于一般 微型 计 算 机的 运 行方式 扫 描 技术 o 以 上两个主要原因 使得p l c得加响应比 一般微型计算机构成的工业控 制系统慢得多 其响应时 间至少等于一 个扫描周期 一般均大于一个扫描周期 甚至更长 所谓脚响 应时间 指从p l c的 某一输入信号变化开 始到系统有关输 出 端信号的改变所需的时间 其最短的阳 时间与最长的uo 响 应时间如图3 6 图3 7 所示 补 叶 愉 出 晰 歇 幻触时 图1 6最短盯 0相应时间 翻 朋 脚 即份 限 行 砚袱朗晰妒甚 掀 介劫脂 鱿脚 帕时 图3 7最长的 相应时间 3 3 浓度传感器 丝光时 棉织物一般在室温浸轧 1 80一 80 叭 的烧碱溶液 补充碱 30 小 35 叭 保 持 带 浓 碱 的 时 间 控 制 在50 义 刃 5 左 右 并 使 经 纬向 都 受 到 一 定 浙江大学硕士 学位论文基于p l c的丝光机喊溶液控制系统 的 张 力 然 后 在张力的 条 件下 洗去 烧碱 直 至 每 千克干 织物 上的 带 碱 量小 于7 19 后 才可以 放松纬向张力并继续洗去织物上的 烧碱 使丝光后落布门幅达到成 品 门 幅的 上 限 织 物 上ph 为7 一 矛 气 烧碱溶液的 浓