基于密度测量的丝光机碱液浓度在线监控系统开发与应用

向 忠，洪乾耀，杨云涛，胡旭东

(浙江理工大学机械与自动控制学院，浙江杭州 310018)

棉织物丝光工艺过程中需采用碱溶液对其进行浸洗处理，使天然纤维素在烧碱作用下生成碱纤维素，从而使棉纤维发生不可逆溶胀，以提高其光泽、吸附能力、尺寸稳定性或纱线密度等。该工艺下碱液浓度的恒定是确保工艺再现的关键［1］，碱液浓度低则丝光质量不理想，浓度高则生产成本上升，严重时还会损伤坯布，因此需要对丝光过程中碱液浓度进行精确控制。

传统碱液浓度控制多采用离线方式完成，即由人工定时自浸洗槽内取样滴定获取碱液浓度，再经人工判定后升高或降低碱浓度。该方式测量精度受人为因素影响大，且所测结果仅为某时刻的浓度值，易造成整个工艺过程中碱液浓度波动大、工艺稳定性差等问题［2］;碱液浓度在线控制系统是近年发展起来的新技术，它通过传感器在线实时测定碱浓度，并结合电控阀门及相应控制技术实时调整碱液浓度，具有测控精度高、工艺稳定性强等优点［3－4］。

为实现碱液浓度在线控制，首先需完成对碱浓度的精确测量，现有系统中多采用成品传感器来完成测定，该类传感器的电信号以有线传输为主，且价格很高。由于印染生产线有近百米的长度，且印染车间内环境恶劣，在对生产线多点碱浓度进行测量时，传感器信号在有线传输过程中受干扰严重，影响测控精度。此外，对车间内多条生产线进行在线控制时，必须为每条生产线配备专用控制器，实现成本较高。

针对上述问题，本文设计开发了一种具有ZigBee无线网络通讯功能的智能压差式碱液浓度计，有效解决了车间内碱浓度多点测量时信号传输过程中的抗干扰问题。通过将其应用在丝光机碱浓度在线控制系统中，取得了较好的运行效果。

1 测量原理

溶液浓度一般通过间接测量获取。若设溶液密度为ρ，溶液质量为m，溶质的质量为d，溶液的质量分数为w，则溶液体积为

溶液的质量分数为

溶液的浓度为

由文献［5］可知，碱溶液的质量分数是溶液自身密度ρ和温度T的函数，计算公式为

图1［5］示出碱溶液质量分数与密度、温度之间的关系曲线。由图可知，碱溶液的质量分数与密度、温度之间具有较好的分段线性关系。结合式(3)、(4)可知，溶液浓度c可由其密度和温度共同决定，若能同时测得碱液的密度与温度值，则可参照图1插值计算获得碱液的浓度值。

图1 碱液质量分数-温度-密度关系特征曲线Fig.1 Curves for alkali's mass percent，density and temp

为测量液体密度，根据流体静力学原理，在流速恒定的液体中，垂直高度固定的两点间的压强差为一定值［6－7］。假定在垂直管道上高度分别为H1、H2点处测得的压力为P1、P2，根据流体静力学原理可得管道内液体密度ρ:

式中g为重力加速度。令 H1－H2=h，P1－P2=△P，则待测液体密度为

因此，固定2个压力传感器的高度差，即可根据压力差求得待测液体的密度。再辅以温度测量，结合式(3)、(4)、(6)即可得到溶液浓度。

2 系统硬件设计与实现

2.1 碱液浓度计结构设计

基于密度测量原理设计的碱液浓度计结构示意图如图2(a)所示。浓度计上设计有一碱液取样管道，且在取样管道一侧垂直间距为h的部位，开有2个测压孔，用于安装图2(b)所示的瑞士Keller公司带有温度补偿的压力敏感元件。测试时，待测碱液自下而上流经取样管道，系统通过读取上下取样点的压力值后即可按式(6)求得当前碱液的密度，配合碱液温度测量可进而求取碱液浓度。

2.2 碱液浓度计硬件电路设计

所设计碱液浓度计的硬件电路总体设计方案如图3所示。系统基于MSP430单片机开发，选用带电流源输出的AD7794芯片实现对温度和压力信号的采样功能，并完成对压力芯体的电流激励;图示调理电路主要实现对模拟信号的降噪处理，提高系统抗干扰性能，而一线制温度传感器DS18B20主要用于环境温度测量，实现对采样电路的温度补偿;系统采用CC2531模块组建ZigBee无线网络，实现将采集的碱液温度、密度信号远程无线发送到无线接收模块，再由接收模块以RS485协议传输给用户端;EEPROM以及按键实现密度计的参数设定与调零功能。信号输出模块主要用于实现所需的数字信号、模拟信号输出。

图2 碱浓度计结构及压力敏感元件示意图Fig.2 Schematic alkali meter structure(a)and pressure sensitive unit(b)

图3 系统硬件电路框图Fig.3 Hardware circuit diagram of alkali meter

调理电路是被测量与A/D转换之间的纽带，其精度必须要高于A/D转换的测量精度，否则，调理电路将成为测量精度的瓶颈［8］。为提高信号测量精度，降低采样电阻热噪声及外围器件噪声的影响，设计中采用低阻值精密电阻做采用电阻，并对信号进行二级运放，调理电路如图4所示。

图中第1级运放U1构成电压跟随，第2级用两个通用运放搭建了一个差分输出调理电路，且R1=R2=R7=R8，R3=R5，R4=R6，放大系数 K=R4/R3=R6/R5。

2.3 丝光机碱液浓度在线控制系统设计

图4 信号调理电路Fig.4 Signal conditioning circuit

图5为所设计的丝光机碱液浓度在线控制系统原理图［9］。工作时，在配液槽内完成一定浓度碱液的调配，配液槽碱液有2个来源，分别是浓碱、淡碱。调配好的碱液经循环泵一部分输送至碱洗槽进行补液，一部分流经浓度计进行在线检测;检测数据经无线模块反馈至上位机，上位机以目标浓度和浓碱耗量最低为目标，控制图示比例阀、二通阀的开关;由于碱液长期静止时会有晶体析出，故在停机前通过控制图示三通阀的开启，采用清水对浓度计进行反向冲洗，确保浓度计的测量准确性。

图5 碱液浓度在线控制系统原理图Fig.5 Schematic diagram of alkali consistency online monitoring system

3 系统软件设计与实现

3.1 碱液浓度在线控制系统软件构架

图6为丝光机碱液浓度在线监控系统软件框架图。其主要由上、下位机程序组成，其中上位机程序在PLC中实现，负责与用户之间的交互;下位机程序则基于碱浓度计的MSP430芯片实现，并采用RS485串行通讯协议与上位机交互;工作时碱浓度计的无线发送、接收模块采用一对一通讯模式，而上位机与无线接收模块之间则采用一对多通讯模式，可有效降低多点测控时的硬件成本;系统初始化程序主要负责完成系统的时钟设置、寄存器配置等，参数设定与调零程序通过响应键盘的中断信号来完成传感器量程、通讯速率、显示单位、零点等参数的设定，协调和引导压差式密度计进入工作状态;参数显示模块则完成LCD的初始化及相应测试信息的文字显示。

图6 丝光机碱液浓度在线监控系统软件框架图Fig.6 Software architecture of mercerizing machine alkali consistency online monitoring system

3.2 信号输入输出及软件补偿

信号采集/输出模块程序流程图如图7所示。程序的一个分支响应按键中断，从而改变浓度计的零点电位、量程值等，并更新相应参数地址;另一个分支响应来自上位机的软请求，从而在指定端口输出信号，控制阀门、电动机的动作;第三个分支用于实时读取来自敏感元件的压力、温度值及碱液的实时温度，并通过处理、计算获取碱液的浓度，最后通过无线网络进行传输，及在LCD上进行显示。

为修正环境温度对测量精度的影响，系统对测量数据进行温度的软件补偿［10－11］。补偿模型建立在对压力敏感元件的标定数据基础上，即在n个标准温度Ti(i=1，…，n)、m个标准压力Pj(j=1，…，m)下，得到n×m实测数据U(Ti，Pj)，然后在某温度Ti下对压力P和测试数据U进行曲线拟合，得到二者关系曲线P=f(U)和n组标定温度下的压力值，再对经拟合函数求取的压力和标定温度进行拉格朗日插值，得到压力P和温度T、电压U的关系曲线P=f(U，T)，一般该曲线函数可用下式表述:

式中:

图7 信号采集/输出模块程序流程图Fig.7 Program flow chart of the signal I/O module

3.3 无线通讯模块

ZigBee模块程序基于TI的Z-Stack2007协议栈在IAR7.60开发环境下实现。在组网时，碱液浓度计作为终端节点，ZigBee无线网络由无线接收模块负责建立，终端节点加入该网络。应用中，浓度计将测量参数经ZigBee模块以无线方式编码发送到接收模块，而接收模块将接收到的无线信号后进行解码，并把解码后的数据再通过串口发送给上位机，ZigBee通讯程序流程如图8所示。

图8 ZigBee通讯流程图Fig.8 Communication flowchart of ZigBee.(a)Consistency meter;(b)Receiving module

4 系统测试与应用

4.1 碱浓度计性能测试

表1示出所设计碱浓度计的相关性能参数。图9为碱浓度计及相关硬件电路实物图。

表1 碱浓度计性能参数Tab.1 Performance parameters of alkali meter

图9 碱浓度计Fig.9 Alkali meter.(a)Physical view;(b)Circuit board

在室温为30℃时采用所设计浓度计对质量浓度分别为50～700 g/L(按50 g/L递增)的碱液进行测试，所得的测试数据如表2所示。

表2 碱浓度计性能测试结果Tab.2 Performance test results for alkali meter

由表可知，浓度计在其量程范围内的测量相对误差在1.4%以内，且在浓度较低时误差较大;在丝光工艺所要求的400 g/L碱浓度范围内，浓度计的绝对误差在5 g/L范围以内，可满足生产需求。

为验证浓度计无线通讯的可靠性，在工厂内对浓度计信号发生与接收端之间的丢包率进行了测试，试验结果如表3所示。由表可知其具有较好的通讯性能。

表3 浓度计通讯测试结果Tab.3 Communication test results for alkali meter

4.2 碱液浓度在线控制系统应用试验

基于图5所示碱液浓度在线控制系统，针对某企业内2条湿布丝光生产线设计的碱浓度在线控制系统如图10所示。图中，在每台湿布丝光机上分别配置2套碱浓度在线控制系统，并采用同一套上位机系统进行控制;在6个月的生产过程中，该系统对碱浓度的有效控制精度在±5 g/L范围内，满足企业生产工艺要求，提高了企业生产效率和产品质量的稳定性，浓碱消耗量较人工控制减少15%左右，应用效果明显。

图10 丝光机碱浓度在线控制系统框图Fig.10 Schematic diagram of mercerizing machine alkali consistency online monitoring system

5 结语

本文根据碱液密度-浓度之间的关系特性，设计开发了一种具有ZigBee无线网络通讯功能的智能压差式碱液浓度计，并将其应用于企业内的湿布丝光机碱液浓度在线控制系统中，实现了一定浓度碱液的在线自动配比、混合与输送，降低了企业浓碱的消耗量。所设计的浓度计测量范围为10～770 g/L，量程范围内测量相对误差可控制在1.4%范围内。

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