棉麻纤维纱线晶变改性系统控制工程与实验研究

第1章 绪 论1.1 课题研究背景及意义棉麻织物是我国最古老的纺织用料之一，据历史考证，早在我国的夏朝初年，棉麻纺纱织布工艺便在民间流行，在纺织原料领域棉麻纤维一直都是最重要的纺织原料之一，棉麻织物深受服装设计师的青睐[1]。但自上世纪 80 年代起，由于化纤技术的发展，各种合成材料不断被研究出来，各种性能的化纤织物越来越多。化纤织物以其质地柔软、色彩鲜艳、滑爽舒适、悬垂挺括的优点不断占领市场份额，极大地冲击了传统棉麻纺织品的开发和应用。进入 21 世纪以来，全球经济快速发展，消费升级，人们越来越注重衣服的舒适性和环保性，化纤织物耐热性、耐磨性、透气性、吸湿性较差，遇热易变形，易产生静电等缺点饱受诟病，具有优良穿着性能的天然纤维及其混纺产品重新引起人们的注意，棉麻纤维以吸水吸湿性好、抗菌保健、凉爽易储等优点越来越受人们的青睐，但传统棉麻纤维织物也有其固有的缺陷，如易起皱、韧性差、质地粗糙、缩水等，严重制约了其织物的高档化发展[2]。对棉麻纤维进行晶变改性研究，提高棉麻纤维性能及附加值，将大大拓展棉麻纤维的用途，使其往高档化发展。为了充分开发利用棉麻纤维潜在的功能性质，棉麻纤维的晶变改性及其产品的加工工艺和加工设备成为人们研究的一大方向。近年来，针对纤维素的改性研究开发了不少加工方法，如物理改性法中的等离子体改性、微波辐照改性、高压蒸汽闪爆改性和液氨改性等方法；化学改性法中的醚化、酯化、交联改性和接枝共聚；生物改性法中的生物酶改性等[3]。为棉麻纤维纱线晶变改性的研究提供了一定的理论依据，其中液氨改性是一种被业界公认的比较理想的能改善棉麻纤维织物固有缺陷且给予其与众不同性能的加工方法[4]。其机理是在一定工艺条件下，利用液氨具有的特质使天然纤维在保留原有优点的基础上克服自身缺陷，且增加新特质[5]。棉麻纤维制品的优势再次显现出来。当前，我国的纺织行业发展较低迷，国内纺织行业就业普遍偏低，其中原因一方面是因为纺织市场饱和，纺织品同质化严重，商品附加值少，多为劳动密集型产业。在如此严峻的环境下，提高纺织材料的档次进而提升纺织品质量是扭转我国目前的纺织行业现状、提升国际竞争力的突破口。这给棉麻纤维纱线晶变改性成套装备及其控制系统的研究应用带来了极佳的契机[6]。棉麻纤维晶变改性生产成套设备主要有连续性生产和间隙性生产两种。间歇性设备柔性较好，适宜小批量、多品种、高质量的晶变改性生产，因此间歇性晶变改性设备在印染整理加工领域得到了广泛的应用[7]。...........1.2 国内外棉麻纤维纱线液氨整理发展状况对纺织品的液氨加工技术系统理论研究始于上世纪 30 年代，到了上世纪 70年代该技术已可以正式投入工业生产。1963 年，挪威的德克斯塔尔里莎大学和中央工业研究所共同合作研究，从纱线整理入手，开发了液氨加工工艺，以替代纱线丝光处理的技术[8]。1968 年美国桑福公司获得专利后，冠以桑福纯棉牛仔布（Sanfor-set）品牌面世，其牛仔布制品质地柔软、成衣尺寸稳定，在当地风靡一时[9]。日本在液氨整理技术的研究发展方面扮演着及其重要的角色，为了在严峻的市场竞争下求得生存并与进口纺织品相抗衡，日本一直在积极探索、研究并开发新的纺织技术和生产工艺，生产新产品。纯棉液氨整理技术纷纷被日本各个大型纺织企业看好并大力引进液氨整理设备，将液氨整理加工技术作为重要发展对象，以维持日本国内生产基础。1993 年日清纺开发出超级柔软整理(S.S.P)，东洋纺也随之推出了气相整理(V.P)，日本不仅已占据世界 50%以上的液氨整理设备份额，而且还在液氨整理设备安装、技术发展、产品开发等方面积累了丰富经验和理论[10]。1998 年，比利时和德国的专家在对改性处理设备的发展趋势进行讨论时，纱线改性处理技术的发展问题被从新提了出来，主张对现有的改性设备进行改造升级，往纱线改性的方向发展，纱线改性技术由此成为近年来国际纺织界的前沿课题[11]。近些年，意大利的 Permafix 液氨整理设备是由意大利 Lafer 公司传统液氨处理设备的基础上结合其自身多年在真空处理设备和动态密封装置方面的研究成果，开发研制出来得全新的液氨处理设备[12]。2004 年首台该型设备在意大利 Prato 的 TintoriaFramas 工厂正式投入生产，2006 年下半年， Lafer 公司开始投入改型升级后的第二代设备的生产与销售工作。2021 年，Lafer 公司在米兰 ITMA 展上展出了该总司最新研制的针织物液氨整理机组 Permafix，该机组结合了最新的工业自动化技术，专门设计了辊筒用于控制织物缩率，且加工中使用的液氨 95%可实现回收和回用。.........第2章 晶变改性过程分析及其控制策略设计2.1 棉麻纤维纱线晶变改性工艺流程在前一章的论述中，已经对现阶段的间歇式晶变改性成套装备做了概述。棉麻纤维纱线晶变改性是一个及其复杂的过程，按照其工艺流程细分后可简化为如下五大系统：晶变改性系统、液态介质回收系统、气态介质回收系统、微波干燥除介质系统及废气处理系统。晶变改性系统单元是整个系统的最核心的单元，主要设备包括反应釜、真空泵、介质泵、微波加热器及温度、压力、液压传感器。反应釜内的温度、压力和液位是影响改性效果的重要因素，其具有大时滞、非线性等特点，综合因素复杂，难以像一般的线性系统一样建立精确的数学模型。而在现有的理论和实验基础上，可借鉴现在流行的专家调控经验和监控设备，进行模糊控制，建立数据库，根据现场实际情况直观确定加介质量和改性时间。后续仍要对反应釜的控制算法作更深入的研究，以让系统达到最佳改性效果，这也是本课题研究的重点和难点之一。微波干燥除介质系统主要由微波发生器、反应釜、温度/压力传感器以及控制系统构成。在晶变改性完成后要经过液态介质回收、气态介质回收及废气处理等一系列操作，但在这过程中，改性后的棉麻纱线内会残留有改性介质，若不将这些残留介质除掉直接取出棉麻纱线，改性介质会挥发到空气中，造成空气污染，且介质挥发过程中会吸收大量热量，会将棉麻纱线冻结，影响棉麻纱线的后续处理。因此要在反应釜内将棉麻纱线中的残留介质清理整洁，微波干燥除介质是很好的处理方法。微波干燥具有干燥速度快、稳定、质量好的特点[33]。在棉麻纤维纱线的晶变改性处理过程中，去除棉麻纤维和纱线中残留的改性介质是最重要的工艺步骤之一，关系到环境保护，资源节约等一系列问题。对于微波干燥除氨工艺我课题组已经在理论、计算、实验等多方面多角度验证过该工艺的可行性，在此不再赘述。本系统在我课题组的研究的基础上继续沿用该方法。........2.2 本系统控制策略分析与制定影响棉麻纤维、纱线的改性效果主要有三个参数，即反应釜内的压力、温度和液位，故工艺过程中需要实时监测和调控这 3 个过程变量。反应釜的压力、液位和温度对晶变改性处理反应以及最后的改性效果有极大的影响，在构思系统控制方案初期时，忽略了改性介质对纤维素晶变改性过程中复杂的物理化学现象及不稳定因素、改性介质输送及回收过程中的热交换及热量损失以及现场环境对各个参数的影响等。事实上，本系统中反应釜的压力、液位和温度控制与一般的工业控制对象相比，具有如下四个方面特点：（1）时变性。反应釜内的压力特性跟釜内能量大小是成正比的，而整个晶变改性过程从抽真空、调压、改性处理、气液介质回收到最后微波烘干除介质，具有明显的时变性[5]。（2）时滞性大。本系统的反应釜内体积为 1 M3,罐体较大且较深，一次处理的棉麻纱线较多。晶变改性进行后应对反应釜内的温度、压力和液位进行控制，由于釜内纱线较厚，棉麻纱线被渗透的时间很难精确，改性完成的终点很难判定，处理罐内的参数变化具有较大的时滞性。在微波烘干阶段也同样存在类似问题。（3）测量环境复杂，参数获取困难。现场设备和改性过程中各种参数的测量和获取的准确性是控制系统的稳定性和准确性的保证。在工业现场存在不稳定因素以及大量的干扰，极大地影响着系统的稳定性和准确性。因此，系统中控制参数测量和获取模块必须采取软硬件结合并运用必要的算法的方法来保证测量精度。.......第 3 章 晶变改性控制系统的硬件设计......... 193.1 系统的具体配置和设备选型 ............193.2 DSP 集控板外围电路设计 ..............263.3 电气系统设计 .............293.4 本章小结 ......34第 4 章 晶变改性控制系统的软件设计......... 354.1 控制系统 PLC 程序设计 .....354.2 DSP 集控板程序设计 .......424.3 控制系统数据通信设计 .....454.4 传感器信号处理方案 .......514.5 上位机监控系统设计 .......534.6 本章小结 ......58第 5 章 系统安装调试与实验分析............. 595.1 工业现场安装与实验调试 ..............595.2 实验方案制定 .............635.3 现场实验及实验结果分析 ..............655.4 本章小结 ......67第5章 系统安装调试与实验分析5.1 工业现场安装与实验调试5.1.1 前期技术准备控制系统在正式安装与调试前，为保证系统的安装与调试等顺利进行，必须进行一系列的前期技术准备工作，主要包括如下几个部分：（1）熟悉晶变改性工艺流程及设备：晶变改性控制系统是为晶变改性工艺服务的，而晶变改性是一个复杂的过程，其控制系统也包含很多子模块，所以安装控制设备前要对工艺流程充分熟悉，以及熟悉晶变改性工艺对生产设备的控制要求和各工艺设备的布局、性能参数、安装要求等。（2）掌握控制系统的设计资料：包括系统电气机型配置、功能及现场分布情况；通讯结构；现场各 I/O 信号的数量、名称、类型及分布；各仪表及执行器的功能及现场分布等。（3）检查系统软硬件产品。检查所购买设备的型号、数量、规格等是否与设计时所要求的一致。确认上位机已经安装了必要的编程开发软件。（4）掌握系统的功能：包括系统电控原理图、工艺流程图、逻辑框图等；除此之外，还要熟悉上位机各个功能，系统软件结构、代码等。（5）实验室调试。对现场设备进行实验室调试，包括设备的质量、性能、和系统结构合理性等。按系统配置要求安装好板卡，对执行设备要不间断通电运行 72 h 以上。

........总结本课题在参考国内外文献，综合我课题组研究的第一代棉麻纤维纱线晶变改性成套装备基础上，通过对棉麻纤维纱线晶变改性处理工艺流程的细致深入了解、分析其工艺特点，完成了棉麻纤维纱线晶变改性控制系统设计，并对控制系统进行了安装调试，制定实验方案。具体如下：（1）通过对棉麻纤维纱线晶变改性系统的工艺及流程分析，对系统中的关键参数和关键控制对象进行了控制策略分析，制定系统总体控制方案。在综合分析现在常用的控制系统基础上，最后采用集散控制（DCS）系统，设计出了系统总体控制方案，主要包括 DSP 集控板、现场 PLC 和上位机 3 个部分。（2）根据棉麻纤维纱线晶变改性系统的实际工况，完成了系统所需设备的选型与配置；完成晶变改性系统各模块电路设计；完成了各个电控柜的设计、布线及现场调试工作。（3）根据棉麻纤维晶变改性系统的各个模块对 PLC 程序进行模块化编程；以现场数据采集与通讯为研究对象，设计了自定义串口通信协议（SSPCP），对数据帧进行了定义，实现了 DSP 集控板和上位机的快速通讯；设计了基于 HostLin通讯协议和 MSComm 控件的 PC-PLC 通讯系统，通过上位机对 PLC 的读/写，实现了对工业现场数据的采集和设备控制；根据控制系统的监控要求，首先对上位机监控软件功能进行了分析，然后对上位机监控主界面及子界面进行了设计，界面效果良好。（4）对系统的安装调试流程以及安装调试过程中的关键步骤进行了说明，并对系统进行安装调试，确保系统能满足晶变改性工艺的控制要求，且能按照设计意图安全可靠运行；将晶变改性工艺流程与控制系统相结合，制定出实验方案；根据制定的实验方法进行实验，并分析实验结果。验证了微波加热除介质方法的可行性和有效性。..........参考文献（略）