基于ARM的染色机控制系统的研发

林楠+王帅+汤捷

【摘 要】 总结国内外染色机控制系统和产品KB300M功能的基础上，提出新的染色机控制系统的设计方案。本系统采用ARM芯片LPC1768作为主控芯片，通过采集外部状态来控制电机的运转，以实现染色机的自动控制。本文就系统的整体方案设计、软硬件设计进行详细介绍。

【关键词】 染色机 ARM UCGUI

纺织品市场需求的增长和科技水平的发展，给染整行业带来了巨大的机遇和挑战[1]。当前的染整加工主要依赖于染色机控制器，而传统的染色机控制器一般采用单片机和可编程控制器PLC[2]。其中单片机运算速度慢、抗干扰能力差、维护困难，可编程控制器PLC成本高、联网差。为了改善这种现状，本文设计了基于ARM的染色机新系统，采用新的自适应PID控制算法。

1 控制系统的设计方案

染色机自动控制的工序流程一般分为入水、入布、备料、加料、升温、保温、降温、检测PH值、取样、水洗、出布、排水[3]，但是现场环境复杂，而且不同布料的工艺步骤又各有差异，因此在参考佛山航星科技公司的KB300M基础上，我们总结提出了新型染色机的性能要求。

该染色机控制系统要求有：四路模拟量输入（两路液位值和两路温度值），四路PWM输出（改变PWM占空比可输出4-20mA恒定电流），USB主设备（可读取U盘等存储设备中印染工序），16路开关量输出（主要用于电机的控制，包括进水1-3，放水1-3，主泵，料泵，升温，降温，直加，卸压，反转，正转，呼叫，排冷），两路CAN通信（连接集中控制RQG7.0及现场终端机），一路脉冲输出（连接流量计用于测量流量），TFT液晶屏（大屏高清显示，可触控操作），FLASH存储电路（用于存储彩屏字库，图片及工艺流程等），一路RS485通信（连接YC600现场终端机），四路独立按键（可移动光标进行选择确认操作），8路开关量输入（外部工序开关状态的输入），一路蜂鸣器（过温可响亮警告）。

染色机控制系统的整机包括五大模块：电源模块，主控制板，模拟板，电机板和液晶屏模块。通过排线进行连接，实现整机装配。

2 硬件设计

根据前述染色机控制系统的要求，选用LPC1768作为主控芯片。其中电源模块使用DC/DC转换芯片L1117，电源隔离芯片D121212S-2W进行电路保护；使用高速CAN收发器芯片MCP2551，MAX485，LM3526芯片实现染色机和外部设备的通信；使用SPI通信协议连接KL070P800480彩屏和AT45DB321B存储电路；液位和温度采集电路是分别使用外部的压力传感器和PT100温度传感器将模拟量转化成电压，经过放大和滤波后，送入LPC1768的AD管脚；控制PWM的占空比可实现4-20mA的电流输出；开关量的输入输出电路主要判断的是逻辑真和假，例如当加水工作的开关量输入为真，则开关量输出为真，控制电机运转，执行加水工作。整个控制系统的硬件设计图如图1所示。

3 软件设计

系统的软件主要包括三部分，可视化的人机界面、数据的交互通讯和可控的现场编程。其中人机界面的实现，主要依赖于操作系统，UCGUI，文件系统的移植。操作系统能够合理的调度多任务，分配软硬件资源，控制协调好并发活动；UCGUI提供了图形用户接口，使操作更加直观方便；FatFS文件系统则能适用于嵌入式系统，方便文件的管理和操作。数据的交互通信主要实现RS485和CAN的通信协议。RS485依赖于MAX485芯片将异步串口通信UART转换为RS485通信，其实质还是基于UART的通信协议进行数据传输；CAN作为多主总线，其程序包括初始化程序、数据发送程序、数据接收程序和数据异常处理程序。可控的现场编程可以让操作人员根据印染工艺的现场需要，编写合适的程序进行自动控制。

4 自适应PID算法

在印染行业，温度是一个很重要的参数，直接影响着染色的质量。经典PID控制的结构简单、可靠性高，但是参数整定困难。模糊控制使用构造简单，鲁棒性好，但是存在一定主观性。本文采用模糊自适应PID控制算法，结合了两者的优点，在常规PID控制器的基础上以偏差E和偏差变化率Ec作为输入，利用模糊控制规则在线对Kp，Ki，Kd进行修改，使其满足不同时刻偏差E和偏差变化率Ec对PID参数自整定的要求。即输入E和Ec，通过查询模糊控制表得到Kp，Ki，Kd，这三个参数还要进行模糊化处理。主要规则如表1所示。

其中模糊量“较小”，“适中”，“较大”等的界定和判断还得根据系统本身特性以及实践经验进行设定。在控制之前，首先要建立输入输出模糊化和隶属函数，设定E，Ec，Kp，Ki，Kd的基本论域，将其均划分为7个模糊集。

5 结语

本文设计的染色机控制系统，基于ARM芯片LPC1768，有着低能耗，高性能的工作特性，功能丰富的触控操作，友好的人机界面，实现了优异的温度速率控制和保温精度。相较以往的产品，得到了很大的提高和改进，从而改善整个印染工艺的自动化和信息化水平，使印染企业更具市场竞争力。

参考文献：

[1]Printing Association.印染行业 “十二五” 发展规划[J].印染，2012，38（10）.

[2]吴立.染整工艺设备[M].纺织工业出版社， 1993.

[3]汪海燕.基于单片机的自动控制系统[J].自动化技术与应用，2006， 25（5）：71-73.endprint

【摘 要】 总结国内外染色机控制系统和产品KB300M功能的基础上，提出新的染色机控制系统的设计方案。本系统采用ARM芯片LPC1768作为主控芯片，通过采集外部状态来控制电机的运转，以实现染色机的自动控制。本文就系统的整体方案设计、软硬件设计进行详细介绍。

【关键词】 染色机 ARM UCGUI

纺织品市场需求的增长和科技水平的发展，给染整行业带来了巨大的机遇和挑战[1]。当前的染整加工主要依赖于染色机控制器，而传统的染色机控制器一般采用单片机和可编程控制器PLC[2]。其中单片机运算速度慢、抗干扰能力差、维护困难，可编程控制器PLC成本高、联网差。为了改善这种现状，本文设计了基于ARM的染色机新系统，采用新的自适应PID控制算法。

1 控制系统的设计方案

染色机自动控制的工序流程一般分为入水、入布、备料、加料、升温、保温、降温、检测PH值、取样、水洗、出布、排水[3]，但是现场环境复杂，而且不同布料的工艺步骤又各有差异，因此在参考佛山航星科技公司的KB300M基础上，我们总结提出了新型染色机的性能要求。

该染色机控制系统要求有：四路模拟量输入（两路液位值和两路温度值），四路PWM输出（改变PWM占空比可输出4-20mA恒定电流），USB主设备（可读取U盘等存储设备中印染工序），16路开关量输出（主要用于电机的控制，包括进水1-3，放水1-3，主泵，料泵，升温，降温，直加，卸压，反转，正转，呼叫，排冷），两路CAN通信（连接集中控制RQG7.0及现场终端机），一路脉冲输出（连接流量计用于测量流量），TFT液晶屏（大屏高清显示，可触控操作），FLASH存储电路（用于存储彩屏字库，图片及工艺流程等），一路RS485通信（连接YC600现场终端机），四路独立按键（可移动光标进行选择确认操作），8路开关量输入（外部工序开关状态的输入），一路蜂鸣器（过温可响亮警告）。

染色机控制系统的整机包括五大模块：电源模块，主控制板，模拟板，电机板和液晶屏模块。通过排线进行连接，实现整机装配。

2 硬件设计

根据前述染色机控制系统的要求，选用LPC1768作为主控芯片。其中电源模块使用DC/DC转换芯片L1117，电源隔离芯片D121212S-2W进行电路保护；使用高速CAN收发器芯片MCP2551，MAX485，LM3526芯片实现染色机和外部设备的通信；使用SPI通信协议连接KL070P800480彩屏和AT45DB321B存储电路；液位和温度采集电路是分别使用外部的压力传感器和PT100温度传感器将模拟量转化成电压，经过放大和滤波后，送入LPC1768的AD管脚；控制PWM的占空比可实现4-20mA的电流输出；开关量的输入输出电路主要判断的是逻辑真和假，例如当加水工作的开关量输入为真，则开关量输出为真，控制电机运转，执行加水工作。整个控制系统的硬件设计图如图1所示。

3 软件设计

系统的软件主要包括三部分，可视化的人机界面、数据的交互通讯和可控的现场编程。其中人机界面的实现，主要依赖于操作系统，UCGUI，文件系统的移植。操作系统能够合理的调度多任务，分配软硬件资源，控制协调好并发活动；UCGUI提供了图形用户接口，使操作更加直观方便；FatFS文件系统则能适用于嵌入式系统，方便文件的管理和操作。数据的交互通信主要实现RS485和CAN的通信协议。RS485依赖于MAX485芯片将异步串口通信UART转换为RS485通信，其实质还是基于UART的通信协议进行数据传输；CAN作为多主总线，其程序包括初始化程序、数据发送程序、数据接收程序和数据异常处理程序。可控的现场编程可以让操作人员根据印染工艺的现场需要，编写合适的程序进行自动控制。

4 自适应PID算法

在印染行业，温度是一个很重要的参数，直接影响着染色的质量。经典PID控制的结构简单、可靠性高，但是参数整定困难。模糊控制使用构造简单，鲁棒性好，但是存在一定主观性。本文采用模糊自适应PID控制算法，结合了两者的优点，在常规PID控制器的基础上以偏差E和偏差变化率Ec作为输入，利用模糊控制规则在线对Kp，Ki，Kd进行修改，使其满足不同时刻偏差E和偏差变化率Ec对PID参数自整定的要求。即输入E和Ec，通过查询模糊控制表得到Kp，Ki，Kd，这三个参数还要进行模糊化处理。主要规则如表1所示。

其中模糊量“较小”，“适中”，“较大”等的界定和判断还得根据系统本身特性以及实践经验进行设定。在控制之前，首先要建立输入输出模糊化和隶属函数，设定E，Ec，Kp，Ki，Kd的基本论域，将其均划分为7个模糊集。

5 结语

本文设计的染色机控制系统，基于ARM芯片LPC1768，有着低能耗，高性能的工作特性，功能丰富的触控操作，友好的人机界面，实现了优异的温度速率控制和保温精度。相较以往的产品，得到了很大的提高和改进，从而改善整个印染工艺的自动化和信息化水平，使印染企业更具市场竞争力。

参考文献：

[1]Printing Association.印染行业 “十二五” 发展规划[J].印染，2012，38（10）.

[2]吴立.染整工艺设备[M].纺织工业出版社， 1993.

[3]汪海燕.基于单片机的自动控制系统[J].自动化技术与应用，2006， 25（5）：71-73.endprint

【摘 要】 总结国内外染色机控制系统和产品KB300M功能的基础上，提出新的染色机控制系统的设计方案。本系统采用ARM芯片LPC1768作为主控芯片，通过采集外部状态来控制电机的运转，以实现染色机的自动控制。本文就系统的整体方案设计、软硬件设计进行详细介绍。

【关键词】 染色机 ARM UCGUI

纺织品市场需求的增长和科技水平的发展，给染整行业带来了巨大的机遇和挑战[1]。当前的染整加工主要依赖于染色机控制器，而传统的染色机控制器一般采用单片机和可编程控制器PLC[2]。其中单片机运算速度慢、抗干扰能力差、维护困难，可编程控制器PLC成本高、联网差。为了改善这种现状，本文设计了基于ARM的染色机新系统，采用新的自适应PID控制算法。

1 控制系统的设计方案

染色机自动控制的工序流程一般分为入水、入布、备料、加料、升温、保温、降温、检测PH值、取样、水洗、出布、排水[3]，但是现场环境复杂，而且不同布料的工艺步骤又各有差异，因此在参考佛山航星科技公司的KB300M基础上，我们总结提出了新型染色机的性能要求。

该染色机控制系统要求有：四路模拟量输入（两路液位值和两路温度值），四路PWM输出（改变PWM占空比可输出4-20mA恒定电流），USB主设备（可读取U盘等存储设备中印染工序），16路开关量输出（主要用于电机的控制，包括进水1-3，放水1-3，主泵，料泵，升温，降温，直加，卸压，反转，正转，呼叫，排冷），两路CAN通信（连接集中控制RQG7.0及现场终端机），一路脉冲输出（连接流量计用于测量流量），TFT液晶屏（大屏高清显示，可触控操作），FLASH存储电路（用于存储彩屏字库，图片及工艺流程等），一路RS485通信（连接YC600现场终端机），四路独立按键（可移动光标进行选择确认操作），8路开关量输入（外部工序开关状态的输入），一路蜂鸣器（过温可响亮警告）。

染色机控制系统的整机包括五大模块：电源模块，主控制板，模拟板，电机板和液晶屏模块。通过排线进行连接，实现整机装配。

2 硬件设计

根据前述染色机控制系统的要求，选用LPC1768作为主控芯片。其中电源模块使用DC/DC转换芯片L1117，电源隔离芯片D121212S-2W进行电路保护；使用高速CAN收发器芯片MCP2551，MAX485，LM3526芯片实现染色机和外部设备的通信；使用SPI通信协议连接KL070P800480彩屏和AT45DB321B存储电路；液位和温度采集电路是分别使用外部的压力传感器和PT100温度传感器将模拟量转化成电压，经过放大和滤波后，送入LPC1768的AD管脚；控制PWM的占空比可实现4-20mA的电流输出；开关量的输入输出电路主要判断的是逻辑真和假，例如当加水工作的开关量输入为真，则开关量输出为真，控制电机运转，执行加水工作。整个控制系统的硬件设计图如图1所示。

3 软件设计

系统的软件主要包括三部分，可视化的人机界面、数据的交互通讯和可控的现场编程。其中人机界面的实现，主要依赖于操作系统，UCGUI，文件系统的移植。操作系统能够合理的调度多任务，分配软硬件资源，控制协调好并发活动；UCGUI提供了图形用户接口，使操作更加直观方便；FatFS文件系统则能适用于嵌入式系统，方便文件的管理和操作。数据的交互通信主要实现RS485和CAN的通信协议。RS485依赖于MAX485芯片将异步串口通信UART转换为RS485通信，其实质还是基于UART的通信协议进行数据传输；CAN作为多主总线，其程序包括初始化程序、数据发送程序、数据接收程序和数据异常处理程序。可控的现场编程可以让操作人员根据印染工艺的现场需要，编写合适的程序进行自动控制。

4 自适应PID算法

在印染行业，温度是一个很重要的参数，直接影响着染色的质量。经典PID控制的结构简单、可靠性高，但是参数整定困难。模糊控制使用构造简单，鲁棒性好，但是存在一定主观性。本文采用模糊自适应PID控制算法，结合了两者的优点，在常规PID控制器的基础上以偏差E和偏差变化率Ec作为输入，利用模糊控制规则在线对Kp，Ki，Kd进行修改，使其满足不同时刻偏差E和偏差变化率Ec对PID参数自整定的要求。即输入E和Ec，通过查询模糊控制表得到Kp，Ki，Kd，这三个参数还要进行模糊化处理。主要规则如表1所示。

其中模糊量“较小”，“适中”，“较大”等的界定和判断还得根据系统本身特性以及实践经验进行设定。在控制之前，首先要建立输入输出模糊化和隶属函数，设定E，Ec，Kp，Ki，Kd的基本论域，将其均划分为7个模糊集。

5 结语

本文设计的染色机控制系统，基于ARM芯片LPC1768，有着低能耗，高性能的工作特性，功能丰富的触控操作，友好的人机界面，实现了优异的温度速率控制和保温精度。相较以往的产品，得到了很大的提高和改进，从而改善整个印染工艺的自动化和信息化水平，使印染企业更具市场竞争力。

参考文献：

[1]Printing Association.印染行业 “十二五” 发展规划[J].印染，2012，38（10）.

[2]吴立.染整工艺设备[M].纺织工业出版社， 1993.

[3]汪海燕.基于单片机的自动控制系统[J].自动化技术与应用，2006， 25（5）：71-73.endprint