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染整企业数字化转型的基础构建(一)——工业参数的数字化测控②

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-10-18  作者:陈立秋  浏览次数:77
核心提示:陈立秋,中国纺织工程学会染整专业委员会特聘首席专家,获得中国染整行业终身荣誉奖。现从事染整工程的创新工作。
 3. 染整工艺过程的自动控制系统
染整生产为了获得合格的产品,质量控制便成为所有控制的核心。为了实现良好的质量控制,就必须对产品质量或与产品质量密切相关的重要过程工艺质量进行严格控制。
自动控制亦称自动调节。染整生产过程大多数是连续生产,由多台单元机组成的联合机完成工艺加工过程。在生产过程中某一工艺条件发生变动时,皆可能涉及到其他变量的波动,偏离正常的工艺条件。为此,就需要用一些自动控制装置,对生产中某些关键性变量进行自动控制,施加影响,使偏离工艺设定值的变量恢复到规定的变量差值范围内,或者按某种规律变化,保证生产过程正常进行。
由被控对象和自动化仪表组成的自控系统称为常规控制系 统,由被控对象和电子数字计算机组成的自控系统叫计算机控制系统。
3.1 直接数字控制系统( DDC )
控制系统中,用一台计算机代替多个常规调节器工作,一般要控制多个控制回路。它按一定的运行周期和顺序不断地循回,依次与每一个回路接通,进行采样、运算、输人输出信号。
每一个控制回路采用的是采样控制,即对被控变量的处理在时间上是离散断续进行的(某一时刻根据测量值与设定值的偏差,计算出的输出值要保持到下一采样时刻才可能发生变化)。因此,所用的控制规律应为离散的PID控制。在丝光加工碱浓度测量控制系统中,对传感器的输出进行了多级非线性校准和温补偿处理,浓度控制就采用了闭环增量式PID算法(离散的PID控制),PID参数现场设定,调整方便,较好地解决了丝光浓碱液的测量和控制;多分部(单元)速度协调控制传动系统,单元间速差信号由松紧架上的速度传感器馈人多路速度控制器(或IPC、PLC),经多路开路(例如8路)辆流采样后,共用一个采样/保持器(S/H)及一个A/D转换器经接口馈人单片机(见图3)
图3中VF1-VF8是单元间速差反馈信号或张力传感信号,V01-V08是馈人各单元变频器的控制信号。直接数字控制系统目前在染整工艺装备上应技改应用。
3.2 集中分散型控制系统(DCS)
DCS又称总体分散型控制系统。它是利用现代计算机技术、通讯技术、自动控制技术及图形显
示技术来实现过程控制、过程管理的现代控制技术装备。通常由过程控制单元、过程接口单元、CRT显示操作站、管理计算机及高速数据通道等五个主要部分组成。在DCS中,数据通信标准RS-232、RS-422、RS-485等被广泛采用,现场传感器、执行器与控制设备之间仍然是采用传统的模拟信号进行通信,控制设备(下位机)与管理计算机(上位机)间传递数字信号。因此,DCS是一种模拟数字混合系统。染整生产已将DCS广泛应用于多机台间歇式染色机的群控。
3.3 染整测控系统发展趋向
染整生产过程控制由常规仪表控制向计算机控制发展,常规PID控制向先进过程控制(APC)过渡;传统的DCS向国际统一标准的现场总线控制系统(FCS)提升;生产过程自动化水平从局部单机台自动化向综合自动化系统(CIPS)发展。 
3.3.1先进控制系统
先进控制系统是一:类在动态环境中基于模型,并借助充分的计算能力,为工厂获得最大利润而实施的运行和技术策略。这种新的控制策略实施后,染整生产的工艺过程运行在最佳工况。先进控制系统包含多变量预测控制系统、自适应控制系统、软测量技术、智能控制系统等。
3.1.1.1软测量技术
软测量的基本思想是把自动控制理论与生产过程有机结合起来,应用计算机技术,对于难以测量或暂时不能测量的重要变量(或称之为主导变量),选择另外一些容易测量的变量(或称之为辅助变量),通过构成某种数学关系来推断和估计,以软件来代替硬件(传感器)的功能。这种方法具有响应迅速,连续给出主导变量信息,且具有投资低,维持保养简单等优点。
(1)各种织物的红外辐射吸收特性皆可以从标准光谱中查得(如“萨特勒”标准红外光谱),也就是轧染工艺中的织物红外吸收带是已知的。那么,对红外预烘中辐射器的辐射特性测定,就成为判定被加热织物吸收效果的重要根据。应用红外分光度计可以测出远红外加热时辐射特性和吸收特性。但是,远红外辐射能的测定是一个繁杂且精细的过程,在线检测尤为困难。
λeTe=3625(μm.K)的工程最大值公式,告诉我们,对于给定的波长λe,有一特定的温度Te,在辐射源辐射通量值固定的情况下,辐射产生的效率最大。因此,只需采用在线测量辅助变量一温度的方法,便可控制辐射器的辐射波长,与织物预烘后剩余含水率的测量相结合,完成对辐射器的红外辐射能的监控。
(2)在定形工艺过程中;织物常添加树脂或助剂,需要在一特定的温度下持续一定作用时间完成键合反应,定形时间控制器通过对织物本身的温度(辅助变量)变化的测量,用控制定形机运行速度来调节各种不同织物的定形时间(主导变量),完成织物在各种升温曲线下精确地达到温度时间的完善定形效果。国产新型定形机上已配备。
3.3.1.2智能控制技术
智能控制技术是通过计算机模拟人类的思想过程,将其应用于自动控制领域之中。由于智能控制可以抛开控制对象的数学模型,能够很好地解决传统控制技术所面临的难题。模糊控制、专家系统及神经网络控制是三种典型的智能控制方法。
(1)模糊控制是建立在模糊集合和模糊逻辑的基础上的,相继出现于模糊控制器、模糊推理等专用芯片及“模糊控制通用系统”。模糊控制器不仅对被控量的偏差进行反馈控制,还同时对被控量偏差的变化率进行反馈控制,对保证控制系统的稳定工作,不致因调节“过冲”而发生振荡现象。带有模糊控制功能的温度控制仪表已广泛应用于染整工艺的温度测控系统;由于模糊控制器的最大特点就是能在不求取被控对象数学模型的前提下完成控制任务,并达到满意的动态特性和控制精度,这对于较复杂的系统和被控对象的数学模型难以求出的场合,如模糊控制收卷线速度恒定,毋须计算机建立数学模型间接测量收卷直径,使控制简单、快捷,符合卷绕非线性时变系统的特性要求。
(2)专家控制是使知识基于控制对象和控制规律的各种知识,并以智能式应用这些知识,使控制系统受控过程尽可能获得优化的过程。专家系统具有以下特点:善于解决不确定性的、非结构化的、没有算法解决或虽有算法解决但在现有的机器上无法实施的困难问题;一个专家系统汇集了某个领域多位专家的知识和经验,以及他们协作重大问题的能力。因此专家系统表现出更渊博的知识,更丰富的经验和更强的工作能力,而且能够高效准确、迅速和不知疲倦地工作,专家系统的程序可永久保存,并复制任意多的副本,以在不同地区和企业使用,使人类专家的领域知识突破了时间的限制。专家系统-般还具有解释功能,即在运行过程中一方面能回答用户提出的问题,另一方面还能对最后的结专家系统能够不断地获取知识,增加新的知识,修改原有知识。若所有的染整企业根据自己生产情况,选用生产过程所需的工艺、助剂及设备的专家系统软件,将对生产非常有利。研发软件是关键。
(3)传感器的智能化即智能传感器,是传统传感器和微处理器(或微计算机)相结合而构成的。它充分利用微处理器的计算和存储能力,对传感器的数据进行处理,并能对它的内部行为进行调节,使采集的数据最佳。智能传感器是利用模糊理论、人工神经网络及信息融合技术,使传感器具有分析、判断、自适应、自学习的功能,并可以完成图像识别、特征检测、多维检测等复杂任务。一般的智 能传感器都具有双向通信功能,即微处理器和基本传感器之间能够相互通信,微处理器不但接收处理传感器的数据,还可以将信息反馈至传感器,对测量过程进行校正和控制。研发染整工艺参数智能式传感器是关键。
3.3.2现场总线控制系统(FCS)
20世纪90年代初,用微处理器技术实现过程控制以及智能传感器的发展,导致用数字信号取代直流标准模拟信号,这就形成了一种先进的工业测控技术—现场总线(Fieldus)。现场总线是连接工业过程现场仪表和控制系统之间的全数字化、双向和多站点的串行通信网络,从各类传感器、变送器、人机接口或有关装置获取信息,通过控制器向执行器或机构传送信息,构成现场总线控制系统。FCS由于采用了智能的现场设备,能够把DCS中处于控制室的控制模块和I/O模块置人现场设备,加上现场设
备具有通信能力,现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号,因此,控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表,直接在现场完成,实现彻底的分散控制。这对于生产现场环境差的染整工艺过程控制来说,极大地减少了通信介质的用材;提高了安全性、可靠性,大量节省了停台维修时间。
    目前,染整企业的控制装备中已在应用现场总线,从系统上而言,正由DCS向FCS过渡,在新型的高效练漂机染色机、圆网独立传动印花机、双轴伺服传动平网印花机、定形机及预缩机上,皆已成功地应用。
3.3.3综合自动化系统(CIPS)
节能降耗、少投人多产出的高效生产和减少污染的清洁生产成为染整企业可持续发展的生产模式,企业把提高综合自动化水平作为挖潜增效、提高竞争能力的重要途径。集常规控制先进控制、过程优化、生产调度、企业管理、经营决策等功能于一体的综合自动化系统,成为当前企业自动化信息化发展的趋势。
现场总线、智能仪表及基于现场总线的FCS,是实现CIPS最有效的装备,为适合企业现有的DCS、PLC系统和投资的连续性,考虑到染整设备的控制柜组由多厂商提供,具有多种现场总线,在底层网络中皆已包容集成;CIPS在计算机通信网络和分布式数据库的支持下,实现信息与功能的集成,进而充分实现经营系统、技术系统及组织系统的集成,最终形,成一个能适应生产环境不确定性和市场要求多变性的全局优化的高质量、高效益、高柔性的智能生产系统。
4   数字化—网络化—智能化
生产过程控制由常规仪表控制向计算机控制发展,生产过程自动化从局部自动化向综合自动化迅速发展。生产自动化的技改,为企业数字化转型构建了基础。数字化→网络化→智能化是染整行业自动化发展的必然。AI=大数据+深度学习,实现染整智能化,染整生产工艺数据的搜索,建立实用的数据平台是关键。
染整数字化转型的基础,完成工艺参数的模拟量测控,模拟量信号经标准RS485/232串行接口与计算机组成直接数字控制系统,为生产网络化夯实基础。
 
 
 
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