1 引言

　　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。

　　染色即染上顏色，也稱上色，是指用化學(xué)的或其他的方法影響物質(zhì)本身而使其著色。通過染色可以使物體呈現(xiàn)出人們所需要的各種顏色，用五顏六色來裝點生活。染色之法自古有之，并不斷發(fā)展。

    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。染色過程實際上是執(zhí)行由工藝人員針對不同織物的一條溫度曲線，每個工藝對染色的溫度、升降溫過程都有嚴格的要求，否則，容易使織物產(chǎn)生色差、缸差、條痕等疵點，造成復(fù)染率上升，生產(chǎn)成本的增加。

　　染色方法

　　1、散纖維染色 在紡紗之前的纖維或散纖維的染色，裝入大的染缸，在適當(dāng)?shù)臏囟冗M行染色。色紡紗大多采用散纖維染色的方法（也有不同纖維單染的效果），常用于粗紡毛織物。

　　2、毛條染色 這也屬于纖維成紗前的纖維染色，與散纖維染色的目的一樣，是為了獲得柔和的混色效果。毛條染色一般用于精梳毛紗與毛織物。

　　3、紗線染色 織造前對紗線進行染色，一般用于色織物、毛衫等或直接使用紗線（縫紉線等）。紗線染色是染織的基礎(chǔ)。

　　常規(guī)紗線染色的方法有三種：

　　①絞紗染色——將松散的絞紗浸在特制的染缸中，這是一種成本的染色方法；

　?、谕沧尤旧沧尤旧募喚€卷繞在一個有孔的筒子上，然后將許多的筒子裝入染色缸，染液循環(huán)流動，蓬松效果與柔軟程度不如絞紗染色。

　?、劢?jīng)軸染色——是一種大規(guī)模卷裝染色，梭織制造前要先制成經(jīng)軸（整經(jīng)），將整個經(jīng)軸的紗線進行染色，如聯(lián)合漿染機與經(jīng)軸紗線束裝染色。由于是經(jīng)軸，所以多適用梭織染色使用。 但隨著經(jīng)軸落筒的出現(xiàn)，我們可以把染色后經(jīng)軸上的紗線落成筒子紗，這種染色的紗線使用范圍就更廣了，譬如靛藍染色大多使用的還原染色方法，只有使用經(jīng)軸染色才可以很好的解決，如果沒有經(jīng)軸落筒，是很難實現(xiàn)的。

　　4、匹染 對織物進行染色的方法為匹染，常用的方法有繩狀染色、噴射染色、卷染、軋染（不是扎染）和經(jīng)軸染色。這里不一一介紹。

　　5、成衣染色 把成衣裝入尼龍袋子，一系列的袋子一起裝入染缸，在染缸內(nèi)持續(xù)攪拌（槳葉式染色機）。成衣染色多適合于針織襪類、T恤等大部分針織服裝、毛衫、褲子、襯衫等一些簡單的成衣。

　　6、藝術(shù)染色—主要有扎染、蠟染、吊染、段染、潑染以及手繪等。

    針對染色過程溫度控制的復(fù)雜性，設(shè)計了基于PLC 的染色機溫度控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對染色過程溫度的控制，從而減少織物疵點，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

　　2 系統(tǒng)控制要求

　　1）溫度曲線存儲要求對于不同的染色品種，其對溫度的要求是不同的，因此對應(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)場溫度控制器中，則對該控制器的內(nèi)存要求非常高，導(dǎo)致系統(tǒng)臃腫，因此本系統(tǒng)設(shè)計通過一臺中控機，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上輸入后經(jīng)PROFIBUS—DP 現(xiàn)場總線下傳給現(xiàn)場控制器，現(xiàn)場控制器根據(jù)接收的溫度工藝曲線進行溫度控制，同時現(xiàn)場控制器可以隨時向中控機申請修改溫度工

　　藝曲線的參數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)中斷時，現(xiàn)場控制器可以保存當(dāng)前的溫度工藝曲線，并且具有斷電長期保存當(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曲線段，不同的曲線段對應(yīng)不同的溫度。對染色過程的溫度控制主要是對染槽升溫、保溫、降溫，結(jié)合生產(chǎn)的實際要求又將升溫分為直接升溫到指定溫度和按斜率準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)斜率準確地降溫到指定溫度。因此溫度控制分為五個子程序：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)實際需要通過中控機設(shè)定，而后由現(xiàn)場控制器PLC 的主程序調(diào)用相應(yīng)子程序。

　　3）報警及顯示功能

　　為系統(tǒng)設(shè)置了一個 TD 200 文本顯示器，顯示染色過程中的一些操作和報警信息，該顯示器適用于所有西門子S7-200 系列的PLC。

　　4）中控機監(jiān)控要求

　　采用西門子公司的WINCC 實現(xiàn)中控機對現(xiàn)場PLC 的監(jiān)控，主要實現(xiàn)當(dāng)前溫度顯示、動態(tài)溫度曲線顯示、溫度等參數(shù)設(shè)置、報警記錄和打印報表等功能。

　　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)場控制器，選用CPU226 主機模塊；通過CP5613 卡完成現(xiàn)場控制器同中控機之間的通信?，F(xiàn)場控制器S7-200 擴展了一塊智能溫度數(shù)據(jù)采集模塊EM231，該模塊帶有4 個模擬輸入點，集成有16 位/轉(zhuǎn)換器，分辨率達0.1℃，能自動進行線性化處理，有冷端補償功能，不再需要外部變送器，一個模塊就能完成數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理功能。系統(tǒng)的溫度信號的檢測采用鉑電阻PT100，鉑電阻具有測量高、性能穩(wěn)定可靠的特點，在工業(yè)上廣泛用于-200℃～+500℃之間的溫度測量。由于現(xiàn)場控制器S7-200 不能直接同PROFIBUS—DP 現(xiàn)場總線相連，因而為S7-200 外擴了PROFIBUSDP 模塊EM277。

　　對于不同的染色品種，對應(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)場控制器中，則對現(xiàn)場控制器的內(nèi)存要求很高，因此本系統(tǒng)設(shè)計通過中控機，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上輸入后經(jīng)PROFIBUS—DP 現(xiàn)場總線下傳給現(xiàn)場控制器，現(xiàn)場控制器根據(jù)接收的溫度工藝曲線進行溫度控制，同時現(xiàn)場控制器可以隨時向中控機申請修改溫度工藝曲線的參數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)中斷時，現(xiàn)場控制器可以保存當(dāng)前的溫度工藝曲線，并且具有斷電長期保存當(dāng)前溫度曲線的功能，同時可以將現(xiàn)場的溫度等信號上傳至中控機，形成監(jiān)控界面，如果需要可以通過網(wǎng)卡將中控機同工廠信息網(wǎng)以及Internet 網(wǎng)相連，實現(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

　　由圖 1 可知，染色工藝可以分為幾個曲線段，不同的曲線段對應(yīng)不同的目的溫度、升降溫時間、保溫時間。對染色過程的溫度控制主要是對染槽升溫、保溫、降溫，結(jié)合生產(chǎn)的實際要求又將升溫分為直接升溫到指定溫度和按斜率準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)斜率準確地降溫到指定溫度。因此溫度控制分為五個子程序：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)實際需要通過中控機設(shè)定，而后由現(xiàn)場控制器PLC 的主程序調(diào)用相應(yīng)子程序。由于間歇式染色機的染缸體積較大，加熱管道與冷水管道相對較小，造成比較大的溫度慣性，一般可將其認為是一種具有純滯后大慣性的被控對象，因而在升/降溫段采用趨勢判斷補償法，如果是升溫，則在溫度到達T 目標溫度-△Ti 時停止升溫；若是降溫，則在溫度到達T 目標溫度+△Tj 時，停止降溫，其中△Ti、△Tj 為補償溫度。由于溫度控制的程序都在現(xiàn)場控制器PLC中，但是染色工藝參數(shù)是從中控機下傳給PLC的，因而在PLC 的主程序中，需要根據(jù)接收到的來自中控機的數(shù)據(jù)進行判別，再執(zhí)行相應(yīng)的子程序。在下傳的數(shù)據(jù)中包括目標溫度、斜率、保溫時間等，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，光憑目標溫度、斜率、保溫時間不能得到的判斷，因而使用前一曲線段的目標溫度輔助進行判斷。由下面溫度控制判斷表1 表示。（說明：T＊為本曲線段的目標溫度，T＊′為前一曲線段的目標溫度）

表1 溫度控制判斷表

　　根據(jù)表1，PLC 可以進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)前目標溫度是否小于上一步目標溫度，再判斷斜率不等于零，若滿足這兩個條件，就按照指定斜率降溫。在斜率降溫時，將降溫段曲線按時間分成若干個相等的小間隔，對每一小間隔計算出相應(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，又因為染機的大慣性，因而降溫曲線段可由圖4 表示。只要每一間隔的時間足夠小，則計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)采用采樣時間將降溫段曲線分成相

　　兩次目標溫度比較斜率K 保溫時間t 當(dāng)前動作圖示

　　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，每個間隔的溫度設(shè)定值可由下式計算（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、降溫斜率計算出降溫時間 t，再計算總采樣周期數(shù)N、溫差△T（其中T0 為溫控前的實際溫度，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，為了能準確的控制溫度值，設(shè)定了差溫報警值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”，同時報警。

　　2. Tc＜△T＜Te，則開始PID 控制，得出控制量U 作為冷卻閥開啟時間。

　　3. △T＜Tc，自然動作，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”，同時報警。

　　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

　　本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活，通過PROFIBUS-DP 總線將現(xiàn)場控制器互連成網(wǎng)，用戶可以在中控機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，同時可通過PROFIBUS—DP 控制網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的上載。

　　本系統(tǒng)不但可以實現(xiàn)溫度控制，而且根據(jù)需要還可擴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：采用S7-200PLC 作為生產(chǎn)現(xiàn)場的控制器，完成溫度控制，本系統(tǒng)能及時準確地控制染色產(chǎn)品的質(zhì)量，將產(chǎn)品的質(zhì)量隱患消滅在現(xiàn)場，保證染色一致性和準確化；通過PROFIBUS—DP 總線實現(xiàn)快速響應(yīng)、高效率、低成本生產(chǎn)，大大提高染整設(shè)備的自動化、連續(xù)化、智能化水平，同時，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)可為間歇式染色機與染色廠企業(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)。