漿液含固率在線檢測(cè)儀系統(tǒng)開發(fā)

李鉻1， 范銳冰1， 崔運(yùn)喜2， 許小黑1

(1.中原工學(xué)院, 鄭州 450007； 2.恒天重工股份有限公司， 鄭州 450006)

摘要：在漿紗機(jī)中漿液的循環(huán)管路上并聯(lián)引出一個(gè)回路，在該回路上安裝濃度計(jì)、PLC、電磁閥、氣控球閥、顯示屏等，形成一套漿液含固率在線檢測(cè)系統(tǒng)，并介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、檢測(cè)和控制原理。該檢測(cè)裝置能獨(dú)立用于漿液含固率的在線檢測(cè)，保證漿液含固率的穩(wěn)定性，配合復(fù)合加熱和自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠進(jìn)一步控制和穩(wěn)定上漿率。

關(guān)鍵詞：含固率；在線檢測(cè)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；檢測(cè)原理；穩(wěn)定

中圖分類號(hào)：TP21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2015.03.007

Abstract:In order to lead to a circuit, by adding a parallel connection in circulation lines of a sizing machine and installing a concentration meter, PLC, a solenoid valve, a pneumatic control valve and a screen, a set of sizing solid contend detection system is formed and the principles of design、detection and control of the system are introduced. The detection device can monitor sizing solid content on line in sizing production independently, it can ensure the stability of sizing solid content. It also can control and stabilize sizing percentage further with the systems of complex heating and automatic control.

收稿日期：2014-09-13 2015-01-13

作者簡(jiǎn)介：尹振華(1988-)，女，河南商丘人，碩士。 賀曉(1990-)，女，河南駐馬店人，碩士。

文章編號(hào)：1671-6906(2015)03-0052-04 1671-6906(2015)03-0037-04

在實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)紗上漿率很難及時(shí)地被檢測(cè)出來，上漿率的滯后檢測(cè)對(duì)紗線本批次生產(chǎn)質(zhì)量好壞于事無補(bǔ)。德國(guó)馬克Ⅲ型自動(dòng)漿槽、日本津田駒自動(dòng)漿槽以及美國(guó)專利Usp5101762介紹的新型漿紗機(jī)基本上都是利用自動(dòng)漿槽進(jìn)行上漿率控制的(如圖1所示)[1]，即通過對(duì)漿槽自動(dòng)補(bǔ)漿保障漿槽漿液的固定容積，以期穩(wěn)定漿液含固率，從而保證上漿率的穩(wěn)定。此種控制方式設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，成本較低，但是含固率控制精度低，無法及時(shí)調(diào)整上漿率。

圖1　自動(dòng)漿槽工作原理

國(guó)內(nèi)某單位研制的基于MCS-51單片機(jī)的上漿率自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　MCS-51單片機(jī)上漿率自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)

上漿率公式：B=D×W

(1)

根據(jù)上漿率公式推導(dǎo)出適于在線檢測(cè)用的數(shù)學(xué)模型[2]：

(2)

其中：B為上漿率(%)；D為漿液含固率(%)；W為壓出加重率(%)；G為濕漿紗中的含水量(%)；Nt為經(jīng)紗特?cái)?shù)；N為經(jīng)紗根數(shù)；L為經(jīng)紗長(zhǎng)度(m)；K為常數(shù)，其值為1 000；Wk為經(jīng)紗公定回潮率(%)。

由式(2)可知，除含水量G外，所有參數(shù)都是給定的值。含水量G可通過微波傳感器利用微波衰減法得到。由微波衰減量轉(zhuǎn)換的電平信號(hào)通過CPU處理單元，再由MCS一51STD系統(tǒng)進(jìn)行分析，最終得出上漿率。

這種裝置依據(jù)的數(shù)學(xué)模型僅適用于理論狀態(tài)，它忽略了實(shí)際生產(chǎn)過程中漿液含固率會(huì)受到漿槽供氣管流進(jìn)的冷凝水和經(jīng)軸紗片含水率的影響。所以，其檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際之間存在較大誤差。

總之，國(guó)內(nèi)外先進(jìn)漿紗機(jī)只能對(duì)漿槽內(nèi)的漿液容積進(jìn)行補(bǔ)償，而不能有目的地改變漿液的含固率。為了防止上漿率偏低，往往采取寧大勿小的原則。這就造成了漿液的極大浪費(fèi)和環(huán)境的污染，也影響了經(jīng)紗的上漿質(zhì)量。因此，急需一種反應(yīng)靈敏、能及時(shí)在線檢測(cè)上漿率變化的系統(tǒng)，使上漿率的在線控制成為可能[3]。本文采用新的檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)了漿液含固率的在線檢測(cè)系統(tǒng)。它可以并聯(lián)安裝在漿液循環(huán)管路上，實(shí)現(xiàn)漿液含固率的在線檢測(cè)。

1理論依據(jù)

由式(1)可知，上漿率B受到兩個(gè)因素的影響：漿液含固率D和壓出加重率W。若要控制上漿率的穩(wěn)定性，必須保證漿液含固率D和壓出加重率W的穩(wěn)定。

壓漿力FQ和壓出加重率W關(guān)系為：

(3)

由文獻(xiàn)[4]可知，壓漿力FQ與漿紗速度(車速)v呈線性變化關(guān)系。在實(shí)際生產(chǎn)中，只要保證漿紗機(jī)車速v的穩(wěn)定，就能使壓出加重率保持在穩(wěn)定范圍內(nèi)。因此，保證上漿率B穩(wěn)定的關(guān)鍵因素是保證漿液含固率D不變。所以，檢測(cè)漿液含固率即是間接檢測(cè)上漿率。

2含固率在線檢測(cè)儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

漿液含固率在線檢測(cè)儀由檢測(cè)部分和電氣控制系統(tǒng)組成,其設(shè)計(jì)原理圖見圖3。主要元器件有：濃度計(jì)、PLC、電磁閥、氣控球閥、顯示屏等。

圖3　含固率在線并聯(lián)檢測(cè)原理圖

漿液含固率在線檢測(cè)儀的工作原理是：在漿槽漿液的循環(huán)管路上，通過一個(gè)三通，并聯(lián)引出一回路(檢測(cè)回路)。在漿紗機(jī)工作過程中進(jìn)行漿液含固率在線檢測(cè)時(shí)，電磁閥1、電磁閥3動(dòng)作，使氣控球閥1、球閥3開啟，漿槽中的漿液在循環(huán)泵的作用下流入檢測(cè)回路。漿液經(jīng)過氣控球閥1流經(jīng)濃度計(jì)，再經(jīng)氣控球閥3流回到預(yù)熱漿箱中，即完成對(duì)漿液的檢測(cè)。

每一次檢測(cè)結(jié)束后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入清洗程序，及時(shí)將濃度計(jì)清洗。此時(shí)電磁閥1、電磁閥3動(dòng)作，氣控球閥1、3關(guān)閉，同時(shí)電磁閥2、電磁閥4動(dòng)作，使氣控球閥2、4開啟。這時(shí)取樣回路關(guān)閉，漿液不能流入濃度計(jì)，而溫水經(jīng)氣控球閥2流經(jīng)濃度計(jì)，再經(jīng)氣控球閥4排出，實(shí)現(xiàn)對(duì)濃度計(jì)的清洗。系統(tǒng)對(duì)清洗不做記錄。

檢測(cè)和清洗的時(shí)間均可在顯示屏上設(shè)定。根據(jù)時(shí)間設(shè)定，重復(fù)上述檢測(cè)動(dòng)作，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)漿液含固率的在線檢測(cè)。

3在線檢測(cè)原理

漿液含固率在線檢測(cè)儀的主要檢測(cè)元件是折光濃度計(jì)。當(dāng)光經(jīng)過不同濃度的溶液時(shí)會(huì)產(chǎn)生折射和反射，在達(dá)到臨界角時(shí)，折射角變成90°，稱為全反射效應(yīng)。這時(shí)反射光線會(huì)形成亮區(qū)和暗區(qū)，光電轉(zhuǎn)換器件將亮區(qū)和暗區(qū)的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而顯示出被測(cè)溶液的濃度。折射率測(cè)量法是一種非破壞性測(cè)量方法，迅速簡(jiǎn)便，適合漿液含固率的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

當(dāng)一束單色光在兩種不同媒質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)在它們的接觸面產(chǎn)生折射和反射現(xiàn)象。設(shè)其中一個(gè)媒質(zhì)的折射率為n0，另一媒質(zhì)的折射率為n，單色光的入射角為θ0，則其反射角也為θ0，折射角為θ，有關(guān)系式：

nsinθ=n0sinθ0

當(dāng)折射角為90°時(shí)，稱為全反射效應(yīng)，有關(guān)系式：

θ=arcsin(n/n0)

當(dāng)折射角大于反射角時(shí)，光線會(huì)在兩個(gè)媒質(zhì)的接觸面發(fā)生全反射現(xiàn)象。根據(jù)光學(xué)效應(yīng)，本儀器所用折光儀是青玉棱鏡，其折射率n0是已知值，只要得到全反射臨界角θ，就能求得另一媒質(zhì)的折射率n。采用電荷耦合元件CCD圖像傳感器，可以接收不同角度的反射光。反射光在圖像傳感器的接收面上會(huì)形成一個(gè)亮區(qū)和一個(gè)暗區(qū)，亮區(qū)由大于臨界角的入射光線產(chǎn)生，暗區(qū)由小于臨界角的入射光線產(chǎn)生。一旦被測(cè)漿液含固率發(fā)生變化，亮區(qū)和暗區(qū)的相對(duì)位置也會(huì)發(fā)生變化，通過對(duì)相對(duì)位置的檢測(cè)，就可以得到臨界角的變化情況。根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)室含固率濃度的工藝設(shè)定值，可以確定被測(cè)液體濃度和折射率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而得到被測(cè)液體的濃度[5]。

含固率在線檢測(cè)選用的濃度計(jì)為青玉棱鏡，測(cè)量范圍：0%～78.0%，最小顯示值0.1%，精度±0.2%；測(cè)量溫度為5～100 ℃(自動(dòng)溫度補(bǔ)償范圍)；輸出信號(hào)為DC 4～20 mA(可進(jìn)行標(biāo)定)。

4在線檢測(cè)控制系統(tǒng)

含固率在線檢測(cè)系統(tǒng)由在線檢測(cè)單元和電氣控制單元組成，其中電氣控制單元是基于西門子S7-200PLC進(jìn)行設(shè)計(jì)的。S7-200是一種通用型的PLC，具有易于實(shí)現(xiàn)分布式配置、循環(huán)周期短、指令集功能強(qiáng)大以及用戶易于掌握等特點(diǎn)。S7-200PLC由基本單元(S7-200PLC CPU模塊)、數(shù)字量和模擬量擴(kuò)展模塊、個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)、STEP7-Micro/WIN32編程軟件以及通信電纜等組成[6]，其編程設(shè)備是計(jì)算機(jī)和PLC軟件包。

使用西門子STEP7編程軟件可進(jìn)行用戶程序的輸入、調(diào)試和功能仿真。西門子STEP7編程軟件以PLC的用戶程序編輯功能為主，用戶程序所用的邏輯處理、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、數(shù)學(xué)運(yùn)算、通信指令的編輯工具都已集成在軟件中，為開發(fā)、編輯和監(jiān)控應(yīng)用程序提供了良好的編輯環(huán)境。STEP7的基本功能是完成開發(fā)應(yīng)用軟件的任務(wù)。此外，其還具有一些工具性的功能，如程序的文檔管理和加密等，也可以直接用軟件設(shè)置PLC的工作方式、參數(shù)和運(yùn)行監(jiān)控等。設(shè)置界面如圖4所示。

圖4　設(shè)置界面

含固率在線檢測(cè)儀的PLC程序可以對(duì)漿槽中的漿液含固率進(jìn)行標(biāo)定，設(shè)立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值，每隔一個(gè)周期對(duì)含固率進(jìn)行檢測(cè)。每一次檢測(cè)可以通過時(shí)間設(shè)定獲取多個(gè)數(shù)值。檢測(cè)數(shù)據(jù)記錄在PLC中，并在顯示屏上顯示其當(dāng)前含固率值，最終的檢測(cè)結(jié)果通過數(shù)據(jù)和變化曲線顯示在顯示屏上并進(jìn)行存儲(chǔ)，最終得出含固率的變化規(guī)律。根據(jù)含固率的當(dāng)前值和變化趨勢(shì)，對(duì)調(diào)漿桶內(nèi)漿液進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而使得漿液含固率穩(wěn)定在工藝要求的范圍內(nèi)，保證經(jīng)紗上漿質(zhì)量。

5結(jié)語

在經(jīng)紗上漿過程中保證上漿率的穩(wěn)定一直是生產(chǎn)中難以解決的問題，檢測(cè)并控制漿液的含固率，進(jìn)而控制上漿率，并使之穩(wěn)定、可控，是保證經(jīng)紗上漿率穩(wěn)定的重要途徑。漿液含固率在線檢測(cè)儀，既可應(yīng)用于漿紗生產(chǎn)實(shí)際，又可應(yīng)用于科研實(shí)驗(yàn)。通過在線檢測(cè)漿液含固率，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決漿紗質(zhì)量問題，這對(duì)穩(wěn)定和提高經(jīng)紗上漿質(zhì)量起到了重要作用，在節(jié)約漿料成本、減少環(huán)境的污染方面也有積極意義。

參考文獻(xiàn):

[1]深田要，一見輝彥. 經(jīng)紗上漿[M].劉冠洪,譯.北京：紡織工業(yè)出版社， 1997： 333-336.

[2]崔慧杰，施鴻才，秦京華.漿紗上漿率計(jì)算機(jī)控制的實(shí)時(shí)檢測(cè)[J].天津紡織工學(xué)院學(xué)報(bào)， 1998(4)： 33-37.

[3]李鉻，崔運(yùn)喜.漿槽加熱方式對(duì)漿液含固率穩(wěn)定性的影響[J].棉紡織技術(shù)， 2010， 38(7)： 17-20.

[4]崔江紅，董意民，崔運(yùn)喜. GA311型漿紗機(jī)工藝特性及應(yīng)用實(shí)踐[J].棉紡織技術(shù)， 2011， 39(12)： 53-56.

[5]劉香斌，吳月艷.高精度數(shù)字折光儀[J].計(jì)量技術(shù)， 2007(10)： 9-10.

[6]王東署.S7-200PLC基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社， 2013： 18-19.

(責(zé)任編輯：姜海芹)

Development of Online Testing of Sizing Solid Content

LI Ge1， FAN Rui-bing1， CUI Yun-xi2， XU Xiao-hei1

(1.Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007;

2.Hi-tech Heavy Industry Co., Ltd., Zhengzhou 450006， China)

Key words:solid content; online testing; system design; detection principle; stability