一種染色自動化控制器的設(shè)計和實現(xiàn)-設(shè)計應(yīng)用

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-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，甚至還會影響紡織品的生產(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，其中溫度控制是一個很重要而又復(fù)雜的控制過程。每個工藝對染色的溫度、升降溫過程都有嚴(yán)格的要求，如果不按照溫度要求執(zhí)行，織物容易產(chǎn)生色差、缸差、條痕等疵點，造成復(fù)染率上升，企業(yè)生產(chǎn)成本增加。圖1所示為實際生產(chǎn)中的一個典型階梯升溫工藝示意圖。該工藝分為3段：第1段保溫溫度為80℃，保溫時需要正反轉(zhuǎn)的次數(shù)(道數(shù))為1道；第2段保溫溫度為90℃，道數(shù)為1道；第3段保溫溫度為135℃，道數(shù)為2道。

長期以來，染色工藝過程都是由通用型溫度控制器配合人工操作來完成。這種基于通用型溫度控制器的人工控制染色方式很難保證工藝上所要求的嚴(yán)格的升、降溫變化速率，而且不同的工人在操作同一種工藝要求時也會產(chǎn)生差異，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。同時染色車間溫度高、濕度大，操作人員的勞動條件十分惡劣，也在一定程度上影響了產(chǎn)品的質(zhì)量。為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量并降低工人勞動強度，設(shè)計了一套染色自動化控制器，主要用于實現(xiàn)染色工藝的單機控制，完成階梯升溫染色工藝的設(shè)置和顯示、自動化控制等功能，并為接入現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)預(yù)留接口。

1方案設(shè)計

在染色工藝過程中，染缸內(nèi)、外缸的溫度檢測采用PT100溫度傳感器；階梯升溫工藝采用PID算法控制電磁閥對染液實現(xiàn)溫度的控制；在保溫階段，利用固態(tài)繼電器控制卷筒直流電機正反轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)布料的均勻染色。

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（ControllerAreaNetwork,CAN）的簡稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)了的，并終成為國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO118?8）。是國際上應(yīng)用廣泛的現(xiàn)場總線之一。在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機械車輛設(shè)計的J1939協(xié)議。近年來，其所具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)境

染色自動化控制器采用MC9S12XDP512微控制器作為控制，其系統(tǒng)框圖如圖2所示。該系統(tǒng)分為人機交互單元、現(xiàn)場控制單元和CAN總線單元三部分。其中，人機交互單元由數(shù)碼顯示、LED顯示和鍵盤輸入部分組成，用于染色工藝的設(shè)置、顯示以及運行狀態(tài)的顯示、報警。現(xiàn)場控制單元采用并行總線，擴展了12位高精度A/D轉(zhuǎn)換器，采樣由PT100檢測、經(jīng)過調(diào)理過的溫度信號，采用PID算法控制染液溫度；同時完成織物正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)染色工藝過程自動化控制。CAN總線單元采用MC9S12XDP512內(nèi)置CAN模塊，實現(xiàn)了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的構(gòu)架。

2硬件設(shè)計

2.1MC9S12XDP512

MC9S12XDP512是Freescale公司生產(chǎn)的新一代16位微控制器，以增強型HCS12內(nèi)核為基礎(chǔ)，集成了外設(shè)協(xié)處理器XGATE[2].

XGATE是一個獨立于HCS12X主CPU的可編程RISC內(nèi)核，可作為高效的DMA控制器，在外設(shè)與RAM之間自主地進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳送，并在數(shù)據(jù)傳送過程中進(jìn)行靈活的數(shù)據(jù)處理。

XGATE精簡指令集內(nèi)核中有8個16位通用寄存器R0~R7,1個程序計數(shù)器PC,1個4位的條件碼寄存器CCR.XGATE共有72條獨立指令，指令時鐘可達(dá)100MHz,是HCS12X主CPU總線速度的2倍；可訪問64KB的片內(nèi)空間，包括2KB的片上外設(shè)寄存器、30KB的片上FLASH和32KB的片內(nèi)RAM.

2.2XGATE的編程

XGATE的代碼執(zhí)行是由事件（中斷）驅(qū)動的，圖3所示為S12X系統(tǒng)微控制器的典型中斷處理過程。其中，中斷的配置寄存器INT_CFGDATAx決定了該中斷的處理內(nèi)核及中斷優(yōu)先級。如果RQST位置為1,則選擇XGTE協(xié)處理器處理當(dāng)前中斷；反之則選擇HCS12X主處理器。當(dāng)XGATE的中斷服務(wù)程序處理結(jié)束后通知HCS12X,并將處理結(jié)果提交給HCS12X.這樣HCS12X只需關(guān)注上層的控制算法，而與底層密切相關(guān)的硬件操作由XGATE處理，極大地提高了系統(tǒng)性能[3].

3軟件設(shè)計

在染色工藝過程中，染缸內(nèi)、外缸階梯升溫工藝的PID控制以及工藝過程控制為重要。同時，人機交互單元需完成染色工藝參數(shù)的設(shè)置和運行狀態(tài)的顯示，非常繁瑣。而CAN總線單元主要用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)，實現(xiàn)印染工藝、數(shù)據(jù)的集中管理控制。

所以在本系統(tǒng)中，現(xiàn)場工藝控制與數(shù)據(jù)傳遞分別用兩個不同的內(nèi)核完成，從而保證了現(xiàn)場控制的實時性、準(zhǔn)確性和可靠性。其中，人機交互單元和現(xiàn)場控制單元由MC9S12XDP512中功能強大的HCS12X主處理器來實現(xiàn)。CAN總線單元由XGATE協(xié)處理器實現(xiàn)，其中工藝參數(shù)的上傳由軟件中斷觸發(fā)XGATE中斷服務(wù)程序，而上位機的控制指令（如運行狀態(tài)控制、工藝參數(shù)下傳）由CAN發(fā)送中斷觸發(fā)。

3.1工藝流程控制

在染色工藝過程中，各參數(shù)的變化過程比較緩慢，所以在控制過程中以100ms為一個控制周期，其控制流程如圖4所示。

在每個控制周期中，首先進(jìn)行溫度采樣，獲得內(nèi)、外缸的溫度，然后調(diào)用溫度控制子函數(shù)實現(xiàn)快速升溫或保溫；接著判斷織物是否已到頭，如到頭則一道工藝結(jié)束，置轉(zhuǎn)動到位標(biāo)志，準(zhǔn)備反轉(zhuǎn)；然后調(diào)用工藝過程子函數(shù)，確定當(dāng)前工藝狀態(tài)，完成工藝控制。上述流程由HCS12X完成，工藝過程中需上傳的工藝參數(shù)（如溫度、道數(shù)、電磁閥的狀態(tài)、轉(zhuǎn)動方向、左右計數(shù)器的計數(shù)值）存儲在數(shù)據(jù)共享區(qū)。置軟件中斷位，觸發(fā)XGATE的軟件中斷。當(dāng)XGATE進(jìn)入軟件中斷服務(wù)程序后，首先初始化、清相關(guān)標(biāo)志位，然后將所有數(shù)據(jù)從共享區(qū)復(fù)制出來，再做數(shù)據(jù)解析，通過MC9S12XDP512內(nèi)置的CAN模塊將現(xiàn)場工藝參數(shù)發(fā)送到現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。

3.2數(shù)據(jù)共享的實現(xiàn)

實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，可以使更多的人更充分地使用已有數(shù)據(jù)資源，減少資料收集、數(shù)據(jù)采集等重復(fù)勞動和相應(yīng)費用，而把精力重點放在開發(fā)新的應(yīng)用程序及系統(tǒng)集成上。由于不同用戶提供的數(shù)據(jù)可能來自不同的途徑，其數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)質(zhì)量千差萬別，因而給數(shù)據(jù)共享帶來了很大困難，有時甚至?xí)龅綌?shù)據(jù)格式不能轉(zhuǎn)換或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式后丟失信息的棘手問題，嚴(yán)重地阻礙了數(shù)據(jù)在各部門和各軟件系統(tǒng)中的流動與共享。

本系統(tǒng)基于雙核處理方式，HCS12X與XGATE之間需進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其基本的方式是內(nèi)存空間的數(shù)據(jù)共享。由于兩個內(nèi)核都能獨立異步地訪問該共享空間，所以必須保證共享數(shù)據(jù)的完整性。S12X雙核微控制器集成了8個硬件互斥信號量，在訪問共享數(shù)據(jù)時，首先必須將特定信號量鎖定后才能操作，訪問結(jié)束時必須釋放該信號量。

（1）數(shù)據(jù)定義

工藝過程中需上傳的工藝參數(shù)有溫度（內(nèi)、外缸）、道數(shù)、電磁閥的狀態(tài)、轉(zhuǎn)動方向、左右計數(shù)器的計數(shù)值。本系統(tǒng)將所有工藝參數(shù)定義在如下結(jié)構(gòu)體中：

structTechPara{

floatVatTemp,DyeTemp;//內(nèi)、外缸溫度

unsignedcharTempNum;//道數(shù)

unsignedcharStatus;//電磁閥的狀態(tài)、轉(zhuǎn)動方向

unsignedintLeftCout,RightCount;//左右計數(shù)

};

（2）互斥信號的處理

XGATE用SSEM指令加上一個3位立即數(shù)來鎖定該信號量；若鎖定成功則XGATE的進(jìn)位標(biāo)志C置位，否則C被清零。同時XGATE用CSEM指令加上一個3位立即數(shù)來釋放該信號量。其具體操作宏定義如下：

#defineSET_SEM（x）（XGATE.XGSEM=0x0101《（x））

//鎖定互斥信號

#defineTST_SEM（x）（XGATE.XGSEM0x0001《（x））

//測試鎖定是否成功

#defineREL_SEM（x）（XGATEXGSEM=0x0100《（x））

//解鎖互斥信號

階梯升溫染色工藝的控制過程分快速加熱過程和保溫過程?？紤]到染缸系統(tǒng)的特性，通過設(shè)定低于保溫溫度下的某個閥值將一段快速升溫和保溫分為3段，即快速升溫的前期、后期、保溫期。對每個升溫期分別采取不同的控制策略：（1）染缸快速升溫的前期實行數(shù)字P