染色工序在紡織品生產(chǎn)中占有重要地位,，染色質(zhì)量直接決定了紡織品的色澤、外觀,，甚至還影響紡織品的生產(chǎn)成本,。在染色工序中,，影響染色的因素主要有染液濃度、溫度,、液位等,，其中溫度控制是很重要而又復(fù)雜的控制過程。染色過程實(shí)際上是執(zhí)行由工藝人員針對(duì)不同織物的一條溫度曲線,，每個(gè)工藝對(duì)染色的溫度,、升降溫過程都有嚴(yán)格的要求，否則,，容易使織物產(chǎn)生色差,、缸差、條痕等疵點(diǎn),，造成復(fù)染率上升,，生產(chǎn)成本的增加。針對(duì)染色過程溫度控制的復(fù)雜性,，設(shè)計(jì)了基于PLC 的染色機(jī)溫度控制系統(tǒng),，實(shí)現(xiàn)對(duì)染色過程溫度的控制，從而減少織物疵點(diǎn)，提高生產(chǎn)效率,，降低生產(chǎn)成本,。
2 系統(tǒng)控制要求
1）溫度曲線存儲(chǔ)要求對(duì)于不同的染色品種，其對(duì)溫度的要求是不同的,，因此對(duì)應(yīng)的溫度工藝曲線也是不同的,，若將所有染色品種的溫度工藝曲線都存入現(xiàn)場(chǎng)溫度控制器中，則對(duì)該控制器的內(nèi)存要求非常高,，導(dǎo)致系統(tǒng)臃腫,，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過一臺(tái)中控機(jī)，將工藝人員設(shè)定的不同的溫度工藝曲線,，全部由工作人員在中控機(jī)上輸入后經(jīng)PROFIBUS—DP 現(xiàn)場(chǎng)總線下傳給現(xiàn)場(chǎng)控制器,，現(xiàn)場(chǎng)控制器根據(jù)接收的溫度工藝曲線進(jìn)行溫度控制，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)控制器可以隨時(shí)向中控機(jī)申請(qǐng)修改溫度工
藝曲線的參數(shù),。在網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí),，現(xiàn)場(chǎng)控制器可以保存當(dāng)前的溫度工藝曲線，并且具有斷電長(zhǎng)期保存當(dāng)前溫度曲線的功能,。
2）溫度控制要求
在染色工藝過程中,，典型的工藝曲線如圖1 下所示：
圖1 典型的工藝曲線
由圖 1 可知，染色工藝可以分為多個(gè)曲線段,，不同的曲線段對(duì)應(yīng)不同的溫度,。對(duì)染色過程的溫度控制主要是對(duì)染槽升溫、保溫,、降溫,，結(jié)合生產(chǎn)的實(shí)際要求又將升溫分為直接升溫到指定溫度和按斜率準(zhǔn)確地升溫到指定溫度；同理,，降溫也分為直接降溫到指定溫度和根據(jù)斜率準(zhǔn)確地降溫到指定溫度。因此溫度控制分為五個(gè)子程序：直接升溫,、按斜率升溫,、保溫、直接降溫,、按斜率降溫,。直接升溫還是斜率升溫、直接降溫還是斜率降溫根據(jù)實(shí)際需要通過中控機(jī)設(shè)定,，而后由現(xiàn)場(chǎng)控制器PLC 的主程序調(diào)用相應(yīng)子程序,。
3）報(bào)警及顯示功能
為系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè) TD 200 文本顯示器，顯示染色過程中的一些操作和報(bào)警信息,，該顯示器適用于所有西門子S7-200 系列的PLC,。
4）中控機(jī)監(jiān)控要求
采用西門子公司的WINCC 實(shí)現(xiàn)中控機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)PLC 的監(jiān)控，主要實(shí)現(xiàn)當(dāng)前溫度顯示、動(dòng)態(tài)溫度曲線顯示,、溫度等參數(shù)設(shè)置,、報(bào)警記錄和打印報(bào)表等功能。
3 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
本系統(tǒng)采用西門子公司推出的 S7-200PLC 作為現(xiàn)場(chǎng)控制器,，選用CPU226 主機(jī)模塊,；通過CP5613 卡完成現(xiàn)場(chǎng)控制器同中控機(jī)之間的通信。現(xiàn)場(chǎng)控制器S7-200 擴(kuò)展了一塊智能溫度數(shù)據(jù)采集模塊EM231,，該模塊帶有4 個(gè)模擬輸入點(diǎn),，集成有16 位/轉(zhuǎn)換器，分辨率達(dá)0.1℃,，能自動(dòng)進(jìn)行線性化處理,，有冷端補(bǔ)償功能，不再需要外部變送器,，一個(gè)模塊就能完成數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理功能,。系統(tǒng)的溫度信號(hào)的檢測(cè)采用鉑電阻PT100，鉑電阻具有測(cè)量精度高,、性能穩(wěn)定可靠的特點(diǎn),，在工業(yè)上廣泛用于-200℃~+500℃之間的溫度測(cè)量。由于現(xiàn)場(chǎng)控制器S7-200 不能直接同PROFIBUS—DP 現(xiàn)場(chǎng)總線相連,，因而為S7-200 外擴(kuò)了PROFIBUSDP 模塊EM277,。
對(duì)于不同的染色品種，對(duì)應(yīng)的溫度工藝曲線也是不同的,，若將所有可能用到的溫度曲線存入現(xiàn)場(chǎng)控制器中,，則對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制器的內(nèi)存要求很高，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過中控機(jī),，將工藝人員設(shè)定的不同的溫度工藝曲線,，全部由工作人員在中控機(jī)上輸入后經(jīng)PROFIBUS—DP 現(xiàn)場(chǎng)總線下傳給現(xiàn)場(chǎng)控制器，現(xiàn)場(chǎng)控制器根據(jù)接收的溫度工藝曲線進(jìn)行溫度控制,，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)控制器可以隨時(shí)向中控機(jī)申請(qǐng)修改溫度工藝曲線的參數(shù),。在網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)控制器可以保存當(dāng)前的溫度工藝曲線,，并且具有斷電長(zhǎng)期保存當(dāng)前溫度曲線的功能,，同時(shí)可以將現(xiàn)場(chǎng)的溫度等信號(hào)上傳至中控機(jī)，形成監(jiān)控界面,，如果需要可以通過網(wǎng)卡將中控機(jī)同工廠信息網(wǎng)以及Internet 網(wǎng)相連,，實(shí)現(xiàn)底層到高層的信息共享。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示,。
4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
由圖 1 可知,，染色工藝可以分為幾個(gè)曲線段,，不同的曲線段對(duì)應(yīng)不同的目的溫度、升降溫時(shí)間,、保溫時(shí)間,。對(duì)染色過程的溫度控制主要是對(duì)染槽升溫、保溫,、降溫,，結(jié)合生產(chǎn)的實(shí)際要求又將升溫分為直接升溫到指定溫度和按斜率準(zhǔn)確地升溫到指定溫度；同理,，降溫也分為直接降溫到指定溫度和根據(jù)斜率準(zhǔn)確地降溫到指定溫度,。因此溫度控制分為五個(gè)子程序：直接升溫、按斜率升溫,、保溫,、直接降溫、按斜率降溫,。直接升溫還是斜率升溫,、直接降溫還是斜率降溫根據(jù)實(shí)際需要通過中控機(jī)設(shè)定，而后由現(xiàn)場(chǎng)控制器PLC 的主程序調(diào)用相應(yīng)子程序,。由于間歇式染色機(jī)的染缸體積較大,，加熱管道與冷水管道相對(duì)較小，造成比較大的溫度慣性,，一般可將其認(rèn)為是一種具有純滯后大慣性的被控對(duì)象,，因而在
升/降溫段采用趨勢(shì)判斷補(bǔ)償法，如果是升溫,，則在溫度到達(dá)T 目標(biāo)溫度-△Ti 時(shí)停止升溫,；若是降溫，則在溫度到達(dá)T 目標(biāo)溫度+△Tj 時(shí),，停止降溫,，其中△Ti、△Tj 為補(bǔ)償溫度,。由于溫度控制的程序都在現(xiàn)場(chǎng)控制器PLC中,，但是染色工藝參數(shù)是從中控機(jī)下傳給PLC的，因而在PLC 的主程序中,，需要根據(jù)接收到的來(lái)自中控機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，再執(zhí)行相應(yīng)的子程序,。在下傳的數(shù)據(jù)中包括目標(biāo)溫度,、斜率、保溫時(shí)間等,，因而PLC 可以根據(jù)這些數(shù)值判斷升溫,、保溫、還是降溫。但是判斷升溫,、降溫,、保溫，光憑目標(biāo)溫度,、斜率,、保溫時(shí)間不能得到精確的判斷，因而使用前一曲線段的目標(biāo)溫度輔助進(jìn)行判斷,。由下面溫度控制判斷表1 表示,。（說明：T*為本曲線段的目標(biāo)溫度，T*′為前一曲線段的目標(biāo)溫度）
表1 溫度控制判斷表
根據(jù)表1,，PLC 可以進(jìn)行染色過程的溫度控制,。
下面以斜率降溫為例，說明 PLC 的溫控過程,。首先在主程序中判斷當(dāng)前目標(biāo)溫度是否小于上一步目標(biāo)溫度,，再判斷斜率不等于零，若滿足這兩個(gè)條件,，就按照指定斜率降溫,。在斜率降溫時(shí)，將降溫段曲線按時(shí)間分成若干個(gè)相等的小間隔,，對(duì)每一小間隔計(jì)算出相應(yīng)的溫度作為這
一小段的溫度給定值,，因而工藝曲線的降溫段可以用階梯性表示，如圖3 所示,，又因?yàn)槿緳C(jī)的大慣性,，因而降溫曲線段可由圖4 表示。只要每一間隔的時(shí)間足夠小,，則計(jì)算的每一間隔的溫度給定值與理想值的偏差就可忽略,。本系統(tǒng)采用采樣時(shí)間將降溫段曲線分成相
兩次目標(biāo)溫度比較斜率K 保溫時(shí)間t 當(dāng)前動(dòng)作圖示
K≠0 t="0" 按斜率升溫
T*-T*′>0 K≠0 t≠0 按斜率升溫后保溫
K=0 t="0" 直接升溫
K=0 t≠0 直接升溫后保溫
K≠0 t="0" ERROR
T*-T*′=0 K≠0 t≠0 保溫
K=0 t="0" ERROR
K=0 t≠0 保溫
K≠0 t="0" 按斜率降溫
T*-T*′<0 K≠0 t≠0 按斜率降溫后保溫
K=0 t="0" 直接降溫
K=0 t≠0 直接降溫后保溫
等的小間隔，每個(gè)間隔的溫度設(shè)定值可由下式計(jì)算（其中 T 設(shè)J 為每一間隔的溫度給定值）：
同理,，根據(jù)采樣周期,、降溫斜率計(jì)算出降溫時(shí)間 t，再計(jì)算總采樣周期數(shù)N,、溫差△T（其
中T0 為溫控前的實(shí)際溫度,，KJ 為降溫斜率，Tt 為采樣周期,，T 為當(dāng)前溫度）：
△T= T -T 設(shè)J
在斜率降溫時(shí),，為了能準(zhǔn)確的控制溫度值，設(shè)定了差溫報(bào)警值Te 和控制輸出域值Tc,，根據(jù)
溫差△T 與它們的比較,，得出以下控制規(guī)律：
a． △T＞0
1． △T≥Te,，則全開冷卻閥并顯示“降溫太慢”，同時(shí)報(bào)警,。
2． Tc＜△T＜Te,，則開始PID 控制，得出控制量U 作為冷卻閥開啟時(shí)間,。
3． △T＜Tc,，自然動(dòng)作，當(dāng)前采樣周期數(shù)加1,。
b． △T ＜0
1．|△T|≥Te,，全開加熱閥并顯示“降溫太快”，同時(shí)報(bào)警,。
2．|△T|＜Te, 關(guān)閉冷卻閥,，并將當(dāng)前采樣周期數(shù)加1。
5 結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活,，通過PROFIBUS-DP 總線將現(xiàn)場(chǎng)控制器互連成網(wǎng),，用戶可以在中控機(jī)上編輯各種條件下的溫度曲線，通過總線快速下傳給現(xiàn)場(chǎng)的控制器,，使其依據(jù)接收到的溫度曲線控制染色過程中的溫度,，同時(shí)可通過PROFIBUS—DP 控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的上載。
本系統(tǒng)不但可以實(shí)現(xiàn)溫度控制,，而且根據(jù)需要還可擴(kuò)展其他染色工藝過程的控制如水位,、液位等參數(shù)的控制，具有良好的發(fā)展前景,。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn):采用S7-200PLC 作為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的控制器,，完成溫度控制，本系統(tǒng)能及時(shí)準(zhǔn)確地控制染色產(chǎn)品的質(zhì)量,，將產(chǎn)品的質(zhì)量隱患消滅在現(xiàn)場(chǎng),，保證染色一致性和一次準(zhǔn)確化；通過PROFIBUS—DP 總線實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng),、高效率,、低成本生產(chǎn)，大大提高染整設(shè)備的自動(dòng)化,、連續(xù)化,、智能化水平，同時(shí),，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)可為間歇式染色機(jī)與染色廠企業(yè)信息管理層,、互連網(wǎng)的連網(wǎng)提供了基礎(chǔ)，使設(shè)備的控制系統(tǒng)具有開放性的體系結(jié)構(gòu),。