CN112882502B - 染料拼色轧染过程中补液系统的数字化控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种染料拼色轧染过程中补液系统的数字化控制方法及其系统，该方法是依据各染料的初始上染速率精确计算出整个染色过程中补液系统中各染料的实时添加量，按实时添加量补充染液；该系统包括自动计算K0，n值单元、中央处理单元和补液泵；自动计算K0，n值单元由染液浓度检测仪器、传感器Ⅰ和BP神经网络模型组成；所述BP神经网络模型是由染料数据库训练后的BP神经网络；自动计算K0，n值单元将K0，n值传输到中央处理单元，通过中央处理单元计算出补液量并控制补液泵进行补液。本发明的一种染料拼色的轧染过程中补液系统的数字化控制方法，能够精确计算染料的补液量，实现对补液系统的数字化控制；实现补液系统由人为经验控制到数字化控制的转换。
Description
技术领域
本发明属印染自动控制技术领域，涉及一种染料拼色的轧染过程中补液系统的数字化控制方法及其系统，特别涉及两种及以上染料拼色染色过程中补液系统的数字化控制方法及其控制系统。
背景技术
在两种及以上染料拼色的连续轧染过程中，需要不断的调整补液系统中各染料的给液量来确保染液槽内的染料浓度配比保持不变以获得稳定的色光。
目前染厂主要是有经验师傅根据渗圈或者比移值等实验大致判断各染料需要补加量，并通过打小样不断调整来实现控制实际染色实验中的补液系统。此方法依赖师傅的经验公式，通过过渡阶段使染槽内浓度最终达到动态平衡，最终平衡时染液槽内的浓度与初始浓度已不一致，这消耗大量染料和织物。且在实际放大实验中，以核准的颜色为准，其配方是作为大生产的原始配方，原始配方自然地变成过渡以后的平衡配方，发生了色差变化。同一组染料的拼色在不同的被染织物和染色工艺等条件下需要补加的染液量也会有差异，这种根据经验修正补液系统的方法会导致补液系统中各染料的添加量难以精确控制。
因此，研究一种方法简单，结果精准，染料适用范围广且能提高染色产品质量的一种染料拼色的过程中补液系统的数字化控制方法及其控制系统具有十分重要的意义。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种方法简单、分析结果精准、染料适用范围广且能提高染色产品质量的一种拼色轧染过程中补液系统的数字化控制方法及其控制系统。本发明旨在解决现有技术难以精确控制获得稳定的色光的技术问题，提供一种染料拼色的轧染过程中补液系统的数字化控制方法及其系统，特别针对两种及以上染料拼色轧染过程中补液系统的数字化控制方法及其控制系统。
为达到上述目的，本发明采用的方案如下：
一种染料拼色的轧染过程中补液系统的数字化控制方法，依据各染料的初始上染速率 K0，n精确计算出整个染色过程中补液系统中各染料的实时添加量，按实时添加量补充染液。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种染料拼色的轧染过程中补液系统的数字化控制方法，各染料的实时添加量m补，n(g)：
其中，Cn为染液中各染料的初始浓度，单位g/mL，n≥2，为染料种类数；K0，n为各染料的初始上染速率，单位mg·g-1·min-1；K0，1为第一支染料的初始上染速率，单位mg·g-1·min-1； K0，2为第二支染料的初始上染速率，单位mg·g-1·min-1；ρ0为初始轧染染色液的密度，单位g/mL； P为织物带液率(％)；t为织物在轧染液中浸渍的时间，单位s；T为轧染的时间，单位min；X为单位时间轧染织物重，单位g/min。
如上所述的一种染料拼色的轧染过程中补液系统的数字化控制方法，所述精确是指可量化拼色染料中每支染料的实时添加克数。
如上所述的一种染料拼色的轧染过程中补液系统的数字化控制方法，各染料的初始上染速率的计算基础是与轧染染色工艺条件一致，即染料种类、染液浓度及配比、染色温度、被染织物规格、浴比及助剂添加量相同。
如上所述的一种染料拼色的轧染过程中补液系统的数字化控制方法，所述染料拼色的轧染过程包括酸性染料、活性染料或直接染料的轧染过程。
如上所述的一种染料拼色的轧染过程中补液系统的数字化控制方法，所述染料拼色的轧染过程是指两种以上染料的拼色连续轧染过程。
如上所述的一种染料拼色的轧染过程中补液系统的数字化控制方法，所述染料拼色的轧染过程为通过轧车对织物连续施加染液的过程，包括但不限于连续轧染过程、间歇式轧染过程或冷轧堆轧染过程。
如上所述的一种染料拼色的轧染过程中补液系统的数字化控制方法，所述染液的初始浓度Cn(即各染料的质量与染液体积的比值)为0.01～200g/L；所述染色的温度为10～100℃，染液中中性盐用量(中性盐的质量与水的体积之比)为0～300g/L。
如上所述的一种染料拼色的轧染过程中补液系统的数字化控制方法，各染料的初始上染速率K0，n计算方法为：通过拉曼光谱仪、分光光度计或液相色谱仪，检测一定拼色染色条件下，一定配方染液中各染料浓度随染色时间的变化，根据染液中不同染色时间下各染料浓度计算单位质量织物上的各染料量，绘制上染过程曲线图，由拟合的上染过程曲线图得到零点斜率即为初始上染速率K0，n。
一种染料拼色的轧染过程中补液系统的数字化控制系统，包括自动计算K0，n值单元、中央处理单元和补液泵；自动计算K0，n值单元将K0，n值传输到中央处理单元，通过中央处理单元计算出补液量并控制补液泵进行补液；
自动计算K0，n值单元由染液浓度检测仪器、传感器Ⅰ和BP神经网络模型组成；所述染液浓度检测仪器为拉曼光谱仪、分光光度计或液相色谱仪；所述BP神经网络模型是由染料数据库训练后的BP神经网络，染料数据库包含多个历史染料配方及染料配方中各染料的K0，n值，训练时分别以各历史染料配方中不同染色时间下各染料浓度计算得到的单位质量织物上的各染料量作为输入项，以各染料量对应的K0，n值作为输出项；
中央处理单元由传感器Ⅱ和计算处理单元组成。
控制系统是由具体包括通过拉曼光谱仪、分光光度计或液相色谱仪，检测一定拼色染色条件下，一定配方染液中各染料浓度随染色时间的变化，根据染液中不同染色时间下各染料浓度计算单位质量织物上的各染料量并将其同时输入到同一神经网络模型中，由其输出各染料的初始上染速率K0，n。分别改变染色条件和染料配方，并根据不同染色条件和染料配方染液中各染料对应的各染料浓度随时间的变化，计算不同染色时间织物上各染料量与织物总质量的比值，及其对应的各染料的初始上染速率K0，n对神经网络进行训练。将一定染色条件，一定染料配方下各染料在不同染色时间下吸附到织物上的量与织物总质量的比值，输入训练好的神经网络中，由神经网络自动输出各染料的初始上染速率K0，n。将K0，n值由传感器传输到中央处理单元中并通过计算处理单元中补液系统数字化控制方法中的计算公式计算各染料实时添加量m补，n，最后通过补液泵精确控制各染料的添加量。
各染料的实时添加量m补，n(g)的计算方法的推理过程如下：
一种染料拼色的轧染过程中补液系统的数字化控制方法，拼色轧染过程中，织物浸渍染液的时间仅为4～6s，在这极短的初染时间内，纤维内外的浓度差大，这极短的初染时间内各染料的上染速率K0，n不变，若织物在轧槽浸渍染液的时间为ts时，则染料在ts吸附到单位克重织物上的染料量为mt，n(mg·g-1)：
式中：K0，n为第n(n≥1)种染料在染色过程中的初始上染速率，mg·g-1·min-1；
轧染过程中，若单位时间染色的织物重X(g/min)，则染色T(min)时间后，染料通过与纤维的亲和力作用吸附到织物上的量mT，n(g)为：
mT,n＝mt,n×T×X (2)
结合(1)和(2)式可得：
由上可知，染色时间Tmin后，染液槽内除去需补充轧染到织物上的染料外，额外需补充的各染料通过与纤维的亲和力作用吸附到纤维上的染料量。
轧染过程中，若织物带液率为P(％)，染液槽内各染料初始浓度分别为(C1，C2，…，Cn， n≥2，g/mL)则染色Tmin后根据轧染前后质量守恒：
TXP＝ρ0×L轧+(mT,1+mT,2+…+mT,n) (4)
则：
式中：ρ0为初始轧染染色液的密度，g/mL；L轧为轧染到织物上染液的体积，即为补充液体积(体积守恒：L补＝L轧)，mL。
由公式(5)可得通过轧辊轧到织物上的染料量m轧，n，g：
m轧，n＝L轧×Cn (6)
即为：
由上可知，染色时间Tmin后，轧染到织物上的各染料量m轧，n。
根据各染料质量守恒：m补，n＝m轧，n+mT，n，结合公式(3)和(7)可得：
式中：m补，n为染色Tmin时间后需要补充的第n组分染料的质量，单位g；m轧，n为染色Tmin 时间后第n组分通过轧辊轧染到织物上的染料质量，单位g。式中，计算各染料的初始上染速率K0，n的上染速率曲线的染色工艺条件需与轧染染色工艺条件一致，即染料种类、染液浓度及配比，染色温度，被染织物规格等染色条件相同。即可精确计算出整个染色过程中补液系统中各染料的实时添加量，达到数字化控制补液系统的目的。
本发明的原理如下：
本发明通过在一定染色条件下拼色染色中各染料的初始上染速率，量化一定轧染时间下各染料通过与纤维亲和力吸附到织物上的染料量；再通过轧液率可知一定轧染时间下各染料通过轧辊轧染到织物上的染料量，根据染料质量守恒，轧染一定时间后需要补充的各染料量即为其通过与纤维亲和力作用吸附到织物上的染料量与通过轧辊轧染到织物上的染料量之和。根据轧染到织物上的染液总量计算出轧染到织物上的染液体积即为需要补充的染液的体积，从而可求得各染料需要补充的浓度。
有益效果
(1)本发明的一种染料拼色的轧染过程中补液系统的数字化控制方法，能够精确计算染料的补液量，实现对补液系统的数字化控制；
(2)本发明的一种染料拼色的轧染过程中补液系统的数字化控制方法，方法简单，结果准确，方便实现染色过程中补液系统的精确控制，为提高染色产品质量提高理论技术支持，极具应用前景；
(3)本发明的一种染料拼色的轧染过程中补液系统的数字化控制系统，将染料初始浓度、染料初始配比、染色温度、助剂用量等变量通过神经网络转化为以初始上染速率K0，n为具体数值的可控变量，由中央处理单元计算各染料的实时添加量，并控制补液泵进行精准补液，实现补液系统由人为经验控制到数字化控制的转换。
附图说明
图1为实施例1中的原染液与计算补充液浓度补液后染液中各染料浓度变化对比图；
图2为实施例1中的原染液与计算补充液浓度补液后批次样织物的色差对比图；
其中，原液是指原染液浓度补液后的实验结果，补液是指补充液浓度补液后的实验结果。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
一种染料拼色的轧染过程中补液系统的数字化控制方法，是依据各染料的初始上染速率 K0，n计算出整个染色过程中补液系统中各染料的实时添加量，即每支染料的实时添加克数，按实时添加克数补充染液；具体过程如下：
(1)将棉织物剪成3g长宽相等的布块若干，配置5g/L的活性红3BE和活性蓝M-2G混合染料溶液(质量比为1:1)，硫酸钠60g/L，将棉织物置于混合染料溶液中进行拼色染色，控制浴比为1:25，染色温度为40℃；
(2)计算各染料的初始上染速率K0，n：通过拉曼光谱仪、分光光度计或液相色谱仪，检测一定拼色染色条件下，一定配方染液中各染料浓度随染色时间的变化，根据染液中不同染色时间下各染料浓度计算单位质量织物上的各染料量，绘制上染过程曲线图，由拟合的上染过程曲线图得到零点斜率即为初始上染速率K0，n，具体如下：
为了得到较准确的初染速率，在染色前期，即染色前2min，取的数据点为整个上染过程数据点的一半。因前2min取样间隔较近无法快速取样，且考虑取样后染液变化可以忽略不计，设置6组平行染色实验，每组取6个点，每次用移液枪取800μL，上述实验重复三次。通过拉曼光谱测试三次实验的上染过程曲线，每个时间点求平均值，最终得到平均后的上染速率曲线如图1所示，对此上染过程曲线过定点(0,0)进行非线性拟合，进而求得0点斜率即为 K0，n。通过计算可知：活性红3BE和活性蓝M-2G的初始上染速率分别为28.10mg·g-1·min-1， 36.63mg·g-1·min-1。
(3)配置相同的活性红3BE和活性蓝M-2G混合染料溶液，计算活性红3BE和活性蓝M-2G的实时添加量m补，n(g)，计算公式为：
其中，Cn为染液的初始浓度，K0，n为各染料的初始上染速率，单位mg·g-1·min-1，n＝2，为染料的种类数；K0，1为活性红3BE的初始上染速率，单位mg·g-1·min-1，取值为28.10mg·g-1·min-1；K0，2为活性蓝M-2G的初始上染速率，单位mg·g-1·min-1，取值为36.63 mg·g-1·min-1；ρ0为初始轧染染色液的密度，单位g/mL，取值为1.048g/mL；P为织物带液率(％)，取值为74％；t为织物在轧染染色液中浸渍的时间，单位s，取值为6s；T为轧染的时间，单位min，取值为0.1min；X为单位时间轧染织物重，单位g/min，取值为30g/min。
拼色轧染布块，每轧染一块后，收回轧出的染液，需补充轧染液体积为2.15mL，需补充的活性红3BE和活性蓝M-2G的质量分别为13.80mg和16.36mg，需补充各染料的浓度分别为6.42g/L和7.61g/L。
每组轧染液分别轧染5块，10块，15块，20块，25块织物后测试各组染液的浓度。并用原染液浓度作为补充液浓度，重复上述实验，做5组对比后，经补充液补充的染料浓度变化与原染液补充的各染料浓度变化与对应的织物色差变化分别如图1和图2所示。
实施例2
一种染料拼色的轧染过程中补液系统的数字化控制系统，包括自动计算K0，n值单元、中央处理单元和补液泵；自动计算K0，n值单元将K0，n值由传感器Ⅲ传输到中央处理单元，通过中央处理单元计算出补液量并控制补液泵进行补液。自动计算K0，n值单元由染液浓度检测仪器、传感器Ⅰ和BP神经网络模型组成；所述染液浓度检测仪器为拉曼光谱仪、分光光度计或液相色谱仪；中央处理单元由传感器Ⅱ和计算处理单元组成。
将染料拼色的轧染过程中补液系统的数字化控制系统用于实施例1中的拼色轧染过程中，具体步骤如下：
(1)通过拉曼光谱仪，检测多个历史染料配方中各染料的值(染色过程中单位质量织物上各染料的初始上染速率)，历史染料配方包括两种染料(活性红3BE和活性蓝M-2G)，以其中一种历史染料配方为例：首先按照历史染料配方配制5g/L的活性红3BE和活性蓝M-2G 混合染料溶液(质量比为1:1)，硫酸钠60g/L，将棉织物置于混合染料溶液中进行拼色染色，控制浴比为1:25，染色温度为40℃；根据染液中不同染色时间下各染料浓度计算单位质量织物上的各染料量；绘制不同染色时间下各染料浓度计算单位质量织物上的各染料量-时间拟合曲线，上染量-时间拟合曲线的相关系数不低于0.90，最后通过对上染量-时间拟合曲线进行一阶求导处理得到0时刻时上染量-时间拟合曲线的斜率，进而得到该染料配方中各染料的 K0，n值。依次针对多个历史染料配方进行以上操作获取多个历史染料配方中各染料的K0，n值；
(2)多个历史染料配方中不同染色时间下各染料浓度计算得到的单位质量织物上的各染料量及其对应的K0，n值构成染料数据库，该染料数据库中的多个历史染料配方中不同染色时间下各染料浓度计算单位质量织物上的各染料量及其对应的K0，n值分别作为输入项和输出项对神经网络模型进行训练，得到训练好的BP神经网络模型；训练的终止条件为：被错误识别的训练样本的数量占训练样本总数的比例不高于5％，被错误识别的训练样本是指BP神经网络模型输出的K0，n值与实际K0，n值不一致的训练样本；
(3)将活性红3BE和活性蓝M-2G染料配方中不同染色时间下各染料浓度计算得到的单位质量织物上的各染料量输入训练好的BP神经网络模型中，由其输出各染料的K0，n值，将各染料的K0，n值由传感器Ⅲ传输到中央处理单元中并通过计算处理单元中补液系统数字化控制方法中的计算公式计算各染料实时添加量m补，n，最后通过补液泵精确控制各染料的添加量。
Claims (6)
1.一种染料拼色的轧染过程中补液系统的数字化控制方法，其特征是：依据各染料的初始上染速率精确计算出整个染色过程中补液系统中各染料的实时添加量，按实时添加量补充染液；
拼色轧染过程中，织物浸渍染液的时间即初染时间为4～6s，在初染时间内各染料的上染速率K0，n不变，K0，n为第n种染料在染色过程中的初始上染速率，n≥1，染料的种类数≥2，若织物在轧槽浸渍染液的时间为t时，则染料在t吸附到单位克重织物上的染料量为mt，n：
式中，mt，n单位为mg·g-1；t单位为s；K0，n单位为mg·g-1·min-1；
各染料的初始上染速率K0，n计算方法为：通过拉曼光谱仪、分光光度计或液相色谱仪，检测一定拼色染色条件下，一定配方染液中各染料浓度随染色时间的变化，根据染液中不同染色时间下各染料浓度计算单位质量织物上的各染料量，绘制上染过程曲线图，由拟合的上染过程曲线图得到零点斜率即为初始上染速率K0，n；
轧染过程中，若单位时间染色的织物重X，则染色T时间后，染料通过与纤维的亲和力作用吸附到织物上的量mT，n为：
mT，n＝mt，n×T×X；
式中，mT，n单位为g；T单位为min；X单位为g/min；
L补＝L轧；
式中，L补为补充液体积，单位mL；L轧为轧染到织物上染液的体积，单位mL；
m补，n＝m轧，n+mT，n；
式中，m补，n为染色T时间后需要补充的第n组分染料的质量，单位g；m轧，n为染色T时间后第n组分通过轧辊轧染到织物上的染料质量，单位g；
其中，Cn为染液中各染料的初始浓度，单位g/mL；ρ0为初始轧染染色液的密度，单位g/mL；P为织物带液率，单位％；
所述精确是指可量化拼色染料中每支染料的实时添加克数。
2.根据权利要求1所述的一种染料拼色的轧染过程中补液系统的数字化控制方法，其特征在于，各染料的初始上染速率的计算基础是与轧染染色工艺条件一致，即染料种类、染液浓度及配比、染色温度、被染织物规格、浴比及助剂添加量相同。
3.根据权利要求1所述的一种染料拼色的轧染过程中补液系统的数字化控制方法，其特征在于，所述染料拼色的轧染过程包括酸性染料、活性染料或直接染料的轧染过程。
4.根据权利要求1所述的一种染料拼色的轧染过程中补液系统的数字化控制方法，其特征在于，所述染料拼色的轧染过程是指两种以上染料的拼色轧染过程。
5.根据权利要求4所述的一种染料拼色的轧染过程中补液系统的数字化控制方法，其特征在于，所述染料拼色的轧染过程为通过轧车对织物连续施加染液的过程，包括连续轧染过程、间歇式轧染过程或冷轧堆轧染过程。
6.根据权利要求1所述的一种染料拼色的轧染过程中补液系统的数字化控制方法，其特征在于，所述染液的初始浓度Cn为0.01～200g/L；所述染色的温度为10～100℃，染液中中性盐用量为0～300g/L。
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