薛家祥，恒功淳，龔 普，鄭照紅，陳 卓

（華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640）

熨燙在服裝行業(yè)對生產(chǎn)服裝的質(zhì)量十分重要。傳統(tǒng)服裝工廠熨燙工藝的高溫蒸汽都是采用集中供應(yīng)的方式，蒸汽溫度難以控制，同時也造成了大量的能源浪費(fèi)，污染環(huán)境的同時也增加了生產(chǎn)成本。

在服裝廠采用獨立分散的小型電加熱蒸汽發(fā)生器能高效地使用蒸汽，節(jié)約能源、降低成本。這時各個獨立的小型蒸汽發(fā)生器的自動控制和集中監(jiān)測對提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全性就顯得十分重要。不同的布料最合適的熨燙蒸汽溫度也不同，控制蒸汽發(fā)生器的溫度對熨燙質(zhì)量有關(guān)鍵影響。

本文設(shè)計的電熨斗蒸汽發(fā)生器無線監(jiān)控系統(tǒng)，對生產(chǎn)線的各臺蒸汽發(fā)生器的工作狀態(tài)自動控制，集中顯示，通過上位機(jī)無線設(shè)置各臺蒸汽發(fā)生器的蒸汽溫度，很好地滿足了服裝廠熨燙工藝的需求。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

電熨斗蒸汽發(fā)生器無線監(jiān)控系統(tǒng)由蒸汽發(fā)生器本體、自動控制采集板、WiFi模塊、上位機(jī)4大部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)Fig.1 Network communication diagram

各個獨立的小型電熨斗蒸汽發(fā)生器本體包含5 kW的加熱絲，220 V/50 Hz交流水泵和報警器3大裝置?？刂瓢逋ㄟ^繼電器控制3大裝置的工作狀態(tài)。并將狀態(tài)代碼通過WiFi模塊發(fā)送給上位機(jī)顯示。上位機(jī)可通過按鈕開啟或關(guān)閉各蒸汽發(fā)生器是否進(jìn)入自動控制的工作狀態(tài)及設(shè)置參考蒸汽壓力。

2 硬件設(shè)計

下位機(jī)電路由電源模塊、水位電極、蒸汽壓力變送器、驅(qū)動電路、WiFi模塊和控制芯片組成。控制芯片采用微芯公司的8位控制器PIC16F1823，該控制器通過水位檢測信號和蒸汽壓力信號實現(xiàn)電熨斗蒸汽發(fā)生器的自動控制并與上位機(jī)通訊，其含有的A/D模塊、SCI模塊和I/O口數(shù)量能充分滿足控制需求，性價比高?？刂瓢逵布w框架如圖2所示。

圖2 控制板框架Fig.2 Control board framework chart

2.1 電源部分

220 V的交流市電經(jīng)過工頻變壓器及整流橋后產(chǎn)生24 V的直流電源。該直流電源為2線制壓力變送器及水位探針電路和繼電器電路供電；同時作為LM7805L線性調(diào)壓器的輸入端產(chǎn)生5 V，1.5 A電源為PIC16F1823控制芯片[1]和運(yùn)放電路供電；5 V電壓經(jīng)過線性調(diào)壓器 ASM1173.3 產(chǎn)生 3.3 V，500 mA電源為WiFi通信模塊提供電源。

2.2 信號采樣部分

電熨斗蒸汽發(fā)生器的水位信號通過水位電極探針獲得，其簡化示意圖如圖3所示。

圖3 水位檢測Fig.3 Water level detection chart

當(dāng)水位較低時探針1與探針2接通時經(jīng)過采樣整流電路1和比較電路1后A端輸出高電平，當(dāng)探針1與探針3接通時水位信號分為低水位，中水位和高水位經(jīng)過采樣整流電路2和比較電路2后B端輸出高電平?？刂菩酒ㄟ^獲得A，B端的電平信號判斷水位的狀態(tài)[2]，然后控制相應(yīng)的繼電器，改變電熨斗蒸汽發(fā)生器的工作狀態(tài)。狀態(tài)規(guī)則如表1所示。

表1 狀態(tài)規(guī)則Tab.1 State rule table

系統(tǒng)采樣用二線制壓力變送器采樣電熨斗蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽壓力。根據(jù)蒸汽壓力和蒸汽溫度的關(guān)系間接采樣出蒸汽發(fā)生器的蒸汽溫度。

蒸汽壓力和蒸汽溫度的對應(yīng)關(guān)系按照Antoine公式：

式中：T在290 K～500 K之間，單位為K；P單位為MPa。

變送器采用二線制壓力變送器具有線路簡單，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點。由電源為24 V直流電，經(jīng)變送器兩接線端與200 Ω的緊密電阻串聯(lián)，電阻兩端的電壓通過LM354運(yùn)放跟隨并限壓后由控制芯片的AD模塊采樣，轉(zhuǎn)化為蒸汽壓力信號。

2.3 無線通訊部分

控制芯片將本地電熨斗蒸汽發(fā)生器的狀態(tài)信息通過UART串口與WiFi模塊通訊。在多臺電熨斗蒸汽發(fā)生器的監(jiān)控系統(tǒng)中，將一WiFi模塊設(shè)為AP模式產(chǎn)生無線網(wǎng)絡(luò)，其他WiFi模塊和上位機(jī)加入該網(wǎng)絡(luò)，形成無線通訊系統(tǒng)。并將上位機(jī)設(shè)置為Severs模式，被監(jiān)控的電熨斗蒸汽發(fā)生器WiFi模塊設(shè)置為Client模式。由WiFi模塊通過透明傳輸方式將信息傳送給上位機(jī)監(jiān)控終端。WiFi模塊以ESNT公司的M12L64164A-7T為核心，外置3DB符合802.11b/g/n 協(xié)議 2.4 GHz天線，有效增大發(fā)射功率。在工廠環(huán)境條件下通信有效范圍為300 m左右，滿足生產(chǎn)需求[3]。

3 軟件設(shè)計

3.1 控制板軟件設(shè)計

下位機(jī)控制板采用PIC16F1823單片機(jī)為核心，程序編譯環(huán)境Mplab X8。下位機(jī)軟件流程如圖4所示。

圖4 控制軟件流程Fig.4 Controller software flow chart

自定義接收到WiFi數(shù)據(jù)幀格式如表2所示。

表2 接收指令幀數(shù)據(jù)格式Tab.2 Instruction set data format

起始字節(jié)定義為0xfe，幀尾字節(jié)定義為0x16，在工廠條件下一組系統(tǒng)最多容納9臺電熨斗蒸汽發(fā)生器，地址字節(jié)定義為0xA0，0xA1……0xAC。命令字節(jié)定義為0xC0關(guān)閉蒸汽設(shè)備工作，0xC1開啟蒸汽設(shè)備工作。由地址字節(jié)和命令字節(jié)做或運(yùn)算后的字節(jié)作為自校驗字節(jié)[4]。當(dāng)正確接收完整的數(shù)據(jù)時CMD＝＝0x04，如果未能正確接收數(shù)據(jù)則CMD＝＝0x00.

3.2 上位機(jī)監(jiān)控軟件

上位機(jī)軟件采用Visual studio中的C#語言編寫[5]。其可視化編程方式可以比較方便的設(shè)計監(jiān)控界面。軟件基本流程如圖5所示。

圖5 上位機(jī)軟件流程Fig.5 PC software flow chart

本系統(tǒng)采用輪循的方式向各下位機(jī)發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，當(dāng)下位機(jī)接收到數(shù)據(jù)并判斷地址位為本機(jī)地址時，通過WiFi模塊以無線的方式向本機(jī)發(fā)送一幀數(shù)據(jù)。上位機(jī)接收數(shù)據(jù)幀的格式如表3所示。

PIC16F1823內(nèi)置10位ADC采樣模塊，存儲在2個8位寄存器中。數(shù)據(jù)1為采樣高8位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)2為采樣低8位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)3為本地蒸汽發(fā)生器的工作狀態(tài)。加水、加水且加熱、加熱、報警4種工作狀態(tài)分別表示為 0xc0，0xc1，0xc2，0xc3。

上位機(jī)系統(tǒng)每隔10 ms發(fā)送并接收一幀數(shù)據(jù)。根據(jù)接收數(shù)據(jù)中電熨斗蒸汽發(fā)生器的狀態(tài)信息立即更新監(jiān)控顯示界面。而對于接收到的蒸汽壓力采樣值若立即顯示，則會由于信號的干擾或者蒸汽壓力本身的輕微波動引起顯示數(shù)據(jù)的不斷跳動，不利于觀察和正確表達(dá)蒸汽壓力[6]。因此針對便于觀察和正確穩(wěn)定表示蒸汽壓力的需求，對下位機(jī)每收到一次上位機(jī)的信號便進(jìn)行10次壓力采樣，每次采樣結(jié)果記為Zi然后將大于1024的采樣型號剔除，剩余數(shù)值的平均值Ni發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)同樣采用平均值濾波的方式求接受到的10次信號的平均值X，蒸汽壓力值為P，k為壓力和電壓檢測電壓之間的換算系數(shù)，計算公式為

當(dāng)蒸汽壓力大于參考值5%時屏蔽蒸汽發(fā)生器的加熱功能。當(dāng)蒸汽壓力小于設(shè)定值5%時開啟加熱功能，從而穩(wěn)定蒸汽壓力在一定的范圍內(nèi)。

對于9臺熨燙蒸汽發(fā)生器組成的監(jiān)控系統(tǒng)。每輪詢一次所需要的時間為90 ms，10次所需要的時間為0.9 s。每隔0.9 s調(diào)整一次蒸汽壓力顯示，既能滿足壓力及時正確監(jiān)控的要求，濾除了由于外界干擾引起的瞬時波動，又能符合人性化的觀察需求。

4 實驗測試

4.1 控制板實物

控制板實物圖如圖6所示。

圖6 控制板實物圖Fig.6 Control board realy picture

該電路板采用雙層板，同時將WiFi模塊置于電路板上方方便安裝、節(jié)省空間。

4.2 上位機(jī)監(jiān)控界面

如圖7所示，該界面可同時監(jiān)控9臺電熨斗的工作狀態(tài)。每臺機(jī)器由3個狀態(tài)燈顯示其工作狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)入加水狀態(tài)時加水狀態(tài)燈由灰色轉(zhuǎn)為綠色，當(dāng)進(jìn)入加熱狀態(tài)時加熱狀態(tài)燈由灰色轉(zhuǎn)為紅色，出現(xiàn)規(guī)定狀態(tài)之外的異常狀態(tài)時報警狀態(tài)由灰色轉(zhuǎn)為黃色。在輸入壓力框中輸入需要達(dá)到的蒸汽壓力，在返回數(shù)據(jù)框中顯示該電熨斗實際的蒸汽壓力。

圖7 軟件監(jiān)控界面Fig.7 PC monitoring interface

5 結(jié)語

本文針對服裝行業(yè)的熨燙工藝，設(shè)計了一套熨燙蒸汽發(fā)生器工作轉(zhuǎn)臺無線監(jiān)控系統(tǒng)。以PIC16F1823為核心的控制板，既作為蒸汽發(fā)生器的控制器，也作為將蒸汽發(fā)生器工作狀態(tài)與上位機(jī)通信的數(shù)據(jù)采集器。采用WiFi模塊與控制器進(jìn)行異步串行通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，然后再通過WiFi模塊與上位機(jī)實現(xiàn)無線通訊。WiFi模塊通訊穩(wěn)定，覆蓋范圍能夠滿足工廠現(xiàn)場通訊的環(huán)境。上位機(jī)界面簡潔明了。整個系統(tǒng)實現(xiàn)了服裝工廠熨燙環(huán)節(jié)的各熨燙平臺的總體控制，有利于提高生產(chǎn)效率和熨燙質(zhì)量及節(jié)約能源。測試過程中系統(tǒng)工作正常，數(shù)據(jù)實時性符合監(jiān)控要求。

[1]陶春波.基于PLC的蒸汽發(fā)生器給水水位控制系統(tǒng)[J].中國造船，2008（1）：103-106.

[2]陳立偉，王桐，徐賀.PIC單片機(jī)基礎(chǔ)與實例進(jìn)階[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[3]杜寶禎.嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].江西：江西理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

[4]梁宵宵.基于WIFI的LED照明控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2014.

[5]明日科技.C#從入門到精通[D].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[6]鄭堅璐，柯煜，王一，等.電熨斗在線溫度檢測系統(tǒng)的設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012（5）：101-103.