裴曉宇,王莉娜,張震,龐永剛

(北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院,北京 100191)

隨著國民經濟的飛速發(fā)展,對電影洗印業(yè)的生產和管理提出了更高的要求,所以要求洗印控制系統(tǒng)必須向無人化洗印監(jiān)控管理發(fā)展,以達到減員增效和提高管理水平的目的。

基于上述要求,以及國內電影洗印工業(yè)的自動化現(xiàn)狀,本文提出了一套基于DSP[1]的電影洗印工藝自動化控制系統(tǒng)的設計方案?，F(xiàn)場運行結果表明,系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠、操作方便,大大提高了電影洗印工業(yè)的自動化、信息化程度和電影洗印的工作效率。

1 洗印工藝流程及主要控制量

顯影液pH值,顯影液補充量,電動調節(jié)閥的閥門開度及片種狀態(tài)。

此外對顯示及控制精度也有要求,顯影液溫度達到1%以內,pH值精度要達到0.01個pH值以內,顯影液補充量精度要控制到10mL/min,閥門開度也要達到1%以內。且溫度值與pH值都有一定范圍,溫度范圍是(36.5±0.3)℃,pH值范圍是在9～10之間,超過此范圍產品質量大大下降甚至報廢,所以要對這兩種量做報警,在最短時間內盡量減少損失。

2 系統(tǒng)總體方案及硬件組成

電影洗印到最后印出大量發(fā)行放映拷貝,主要的工序有:工藝查驗與質量控制;洗片加工;半成品與成品鑒定;印片與配光;剪接合成;拷貝。其中工藝查驗與洗片環(huán)節(jié)至關重要。

需要實現(xiàn)自動化監(jiān)控的參量有:顯影液溫度,

考慮到現(xiàn)場噪音大,并且為了方便查驗人員工作,將系統(tǒng)確定為上、下位機的監(jiān)控管理形式。上位機包括計算機和打印機等硬件設施,設置在洗印車間旁邊的查驗室內,其除了具有實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲、歷史查詢及打印等功能外,還可以通過網絡與其他網內計算機相連,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網絡傳輸,并且網內其他計算機根據(jù)權限可以執(zhí)行不同級別的操作,從而實現(xiàn)洗片工藝的多級化遠程監(jiān)控[2]。

系統(tǒng)下位機設置在洗片機旁邊的數(shù)顯臺上,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和流量控制功能,并通過串口實現(xiàn)與上位機的通信。系統(tǒng)下位機選用 DSP芯片TMS320F2812作為核心處理器。系統(tǒng)上位機監(jiān)控軟件選用虛擬儀器(LABVIEW),采用圖形化的語言形式,使程序變得直接而形象。并且虛擬儀器直接以計算機為處理核心,使得在處理速度,網絡共享以及智能化程度上更具優(yōu)越性[3]。

根據(jù)洗片技術要求,整體方案及其硬件框圖如圖1所示,主要由數(shù)據(jù)采集、流量控制及報警、通信和實時監(jiān)控4部分組成。

圖1 系統(tǒng)總體結構Fig.1 The overall structure of the system

信號采集是將現(xiàn)場需要測量的物理量經過傳感器轉換成電信號,并經過信號調理進入DSP控制器作為監(jiān)控依據(jù)。傳感器作為信號采集的第1道關卡,在產品選型上需要注意以下問題:可測量物理量的范圍,耐壓耐溫程度,測量精度,輸出信號的種類和范圍,尤其要考慮到現(xiàn)場使用環(huán)境的限制。顯影液屬于強腐蝕的堿性液體,在選擇現(xiàn)場使用的傳感器時一定要把材料的耐腐蝕性能考慮進去。此外現(xiàn)場管路復雜,管道較細,在選擇傳感器和電動閥時還要注意口徑匹配的問題。

檢測控制部分是DSP以采集數(shù)據(jù)信號為依據(jù),結合從上位機上發(fā)出的命令對現(xiàn)場情況做出判斷分析并控制現(xiàn)場設備動作,達到控制人員的要求。實時監(jiān)控是系統(tǒng)利用現(xiàn)有的以太網,配備服務器和網內計算機,建立控制局域網,為遠程監(jiān)控和擴大系統(tǒng)做準備。通信部分是指上位機與下位機的交互,上、下位機的通信通過CAN總線實現(xiàn)。

3 關鍵技術介紹

片種探測和流量控制是控制系統(tǒng)的關鍵。兩部分有著息息相關的聯(lián)系,如果片種探測不精確,那么流量控制就會大受影響甚至失控,反過來流量控制不到位,片種探測就失去了意義。

3.1 片種探測

在洗片過程中往往要根據(jù)膠片的種類調節(jié)顯影液的補充量,在洗片過程中如果遇到牽引片時應停止補充藥液的供應,原來的工藝無法做到這一點,往往會過補充,造成顯影液pH值升高,這樣不僅導致影片顏色失真,且會浪費昂貴的藥液,無形中對廢液的處理加大了成本。在這個系統(tǒng)中我們針對牽引片和拷貝片透光量不同[4],制作了紅外探頭探測片種,這種探頭由直射式紅外發(fā)射二極管和紅外接收二極管組成,裝置安裝在洗片機前端的緩沖箱內,膠片從中間穿過。檢測及信號處理電路如圖2所示。

圖2 紅外檢測及信號處理電路Fig.2 Infrared detection and sig nal processing circuit

圖2中發(fā)射和接收二極管的距離約10 cm,膠片從中間穿過,紅外發(fā)射二極管發(fā)出的是不可見的紅外光,波長范圍是850～940 nm,這個波長范圍的光不會使膠片曝光。根據(jù)牽引片和拷貝片的透光量的差別,通過牽引片時透光量要強一些,這時接收二極管回路流過的電流就大(大于100 μ A),通過拷貝片時透光量要弱一些,流過接收回路的電流就小(小于 0.1 μ A)。圖 2中電阻 R1,R2為限流電阻,接收回路的接收二極管是加反向偏壓,這樣可以獲得較高的靈敏度?？截惼跊]有曝光前透光量很小,這時接收二極管幾乎接收不到發(fā)射二極管的光,接收回路輸出電流幾乎為零,電阻上壓降也很小,幾乎與負端的地是等電位的,這時經過放大器輸出的電壓值也很小。牽引片幾乎是全透光,接收回路二極管反向導通,限流電阻R2上壓降在3.3V左右,經過放大器放大輸出,送入DSP的AD通道。

在采集到紅外探測信號后,DSP的AD通道連續(xù)采樣20次做平均,濾除干擾。結合通過實驗測得的牽引片與拷貝片分別通過紅外探頭時經AD轉換后數(shù)字值的差別,定義一個閾值,平均采樣值一旦高于閾值,便被判斷為牽引片。

這種方法比測量高低電平的方法更可靠和穩(wěn)定,因為緩沖箱內上下兩個運送膠片的滾動滑輪間隔較遠,導致膠片在傳送過程中會晃動不穩(wěn),速度特別快時甚至會碰到探頭,造成DSP的誤判斷,從而不能及時補充藥液造成膠片質量的下降。通過比較AD采樣值的方法將這種不穩(wěn)定大大降低,保證了系統(tǒng)的可靠性。

3.2 補充流量的控制

本系統(tǒng)對顯影液的補充流量采用了如圖3所示閉環(huán)控制。

圖3 補充流量閉環(huán)控制Fig.3 Closed loop-control of flow supplement

由上位機發(fā)送流量值送到DSP,流量計傳感器采集的實際流量值與電動調節(jié)閥反饋的開度值也一并反饋給DSP,由DSP做出判斷并控制電動閥開度值從而達到控制顯影液補充流量的目的。電動調節(jié)閥由電動執(zhí)行機構和閥體組成,調節(jié)機構實際上是一個單相交流供電的伺服電機,控制信號為4～20 mA電流信號,反饋的閥門開度信號也是4～20 mA電流信號。

在控制系統(tǒng)的實現(xiàn)中,調節(jié)閥的選擇是很重要的一個環(huán)節(jié),閥體的流量特性直接關系到系統(tǒng)的控制質量。本系統(tǒng)選用的電動調節(jié)閥在開度值相對變化與流量值變化上呈現(xiàn)等百分比特性(對數(shù)特性)。即在行程的每一點上單位行程變化所引起的流量的變化與此點的流量成正比,流量變化的百分比是相等的。這種調節(jié)特性特點在于不同開度上,具有相同的調節(jié)精度。由于開度值變化與流量值變化并不是呈直線關系,在保證控制精度的同時卻給控制上帶來一定難度。并且根據(jù)文獻[5]可知閥門管路壓差不同時使得閥門工作時的特性曲線較理想曲線有所畸變,如圖4所示。圖4中S表示的閥門全開時的壓差與管路壓差的比值,S越小,曲線畸變越嚴重,而實際工作過程中管路壓差是變化的。要克服系統(tǒng)現(xiàn)場工作帶來的畸變,則要從DSP控制器軟件算法上彌補。

圖4 串聯(lián)管路調節(jié)閥實際工作特性Fig.4 The actual operating characteristics of the serial valve

根據(jù)調節(jié)閥的等百分比理想曲線,建立一個流量值對應開度值的數(shù)據(jù)表存儲在DSP中,在上位機發(fā)送流量數(shù)據(jù)命令時,查表找到相應的理想開度值,待流量計傳感器將實際值反饋給DSP時再進行實際值與命令值的比較,在此基礎上進行微調,最終得到希望的流量,于此同時調節(jié)閥反饋回來對應的實際開度值。流量調節(jié)閥反饋回來對應的實際開度值。流量調節(jié)的子程序實現(xiàn)的流程圖如圖5所示,利用查表法結合DSP控制器的快速的計算能力,可以使閥門快速定位在指令流量范圍附近,實現(xiàn)了系統(tǒng)的快速性,在此基礎上微調可以實現(xiàn)最終誤差不超過10 mL/min的流量調節(jié),滿足系統(tǒng)的精度要求。此外,DSP為數(shù)字信號處理器,控制電動調節(jié)閥時通過DSP的SPI外設模塊與外部DA芯片通信來實現(xiàn)從數(shù)字量到模擬量的轉換。調節(jié)閥最終需要4～20 mA的電流信號來驅動控制,DA輸出的電壓信號到電流驅動信號的轉換是通過ISO/EM系列隔離放大器實現(xiàn),此芯片專門用于0～5 V電壓信號到4～20 mA信號的轉換,使用方便,免零點和增益調節(jié)。

圖5 流量調節(jié)流程圖Fig.5 Flow chart of the flow regulation

此外,考慮到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性,要注意2個閥體之間的連接以及安裝順序。流量計傳感器的測量原理是需要液體充滿閥體才能準確測量,并且傳感器的流量測量是有方向指示的(不允許反方向安裝)。系統(tǒng)安裝方式最終確定為流量計安裝在調節(jié)閥的下游,并且閥體與流量計之間需要變徑。為了減小變徑而帶來的阻力,兩者之間要有10倍管路直徑的距離。

3.3 采集信號的處理

系統(tǒng)需要采集的信號紛繁復雜,有模擬量和數(shù)字量,在進入DSP前要做好隔離放大,并注意強弱電隔離?，F(xiàn)場環(huán)境噪音較大,通過做實驗發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場也存在一定程度的電磁干擾,使得采集的信號會發(fā)生漂移或者失真。這就要對采集的信號做一些處理,在硬件上,我們做了信號處理和放大電路。在軟件中,采用了數(shù)字濾波方法,將信號中的毛刺濾掉,使得監(jiān)控系統(tǒng)更可靠更穩(wěn)定。此外整個下位機控制系統(tǒng)要注意接地問題,盡量減少電磁干擾,直流供電電源進線處還增設了電源濾波器。

4 上位機運行結果及分析

本系統(tǒng)已投入某洗印廠現(xiàn)場試運行。圖6為測試過程中的實時顯示界面。工作人員可以清楚地觀察到溫度、流量、開度、pH值及片種等參數(shù),從圖6中數(shù)據(jù)可以看出1號洗片機運行正常。

圖6 上位機監(jiān)控界面Fig.6 Monitoring interface of the host machine

該上位機監(jiān)控界面還有數(shù)據(jù)保存的功能,如圖7所示,洗片工藝中的關鍵參數(shù)可以被定時地保存在監(jiān)控計算機的Access數(shù)據(jù)庫中。通過數(shù)據(jù)庫可以了解到洗片機各個時刻的工作狀態(tài),有利于系統(tǒng)的檢測和維護。同時在數(shù)據(jù)顯示、存儲等功能上還進行了以太網的遠程監(jiān)控測試,測試結果為:數(shù)據(jù)可正常在網內傳輸,通過授權網內計算機可以查看并操作現(xiàn)場洗片機工況。根據(jù)測試結果,這套洗片機自動控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠,各項功能滿足預計要求。

圖7 數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)Fig.7 Data stored by database

5 結論

依據(jù)洗印車間工作管理現(xiàn)狀,在設計過程中根據(jù)實際要求,確立了整體系統(tǒng)設計方案,搭建了基于TMS320F2812控制的下位機硬件電路,利用LabVIEW完成整個系統(tǒng)的上位機軟件設計,實現(xiàn)了洗印工藝的自動控制。該系統(tǒng)有如下優(yōu)點:1)系統(tǒng)人機交互界面清晰美觀,工作可靠性高、使用方便、抗干擾能力強;2)減輕了查驗員的工作量,提高了效率,同時節(jié)省藥液,減少了環(huán)境污染;3)系統(tǒng)靈活,可以根據(jù)需要修改,方便升級。目前,此系統(tǒng)已經應用于某洗印廠中,其功能滿足洗片要求,并可以進一步擴大規(guī)模。

[1]劉和平,鄧力,江渝,等.數(shù)字信號處理器原理、結構及應用基礎-TMS320F28x[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

[2]李文娟,韓福強.基于LabVIEW 的排水泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術,2009,32(9):160-163.

[3]LabVIEW basic Introduction Course Manual[Z].USA,National Instruments,2004.

[4]樊品昌.電影洗片機電氣控制(下)[J].影視技術,1994(6):16-18.

[5]曹潤生,黃禎地,周澤魁.過程控制儀表[M].第2版.杭州:浙江大學出版社,2008.