基于PLC的數(shù)碼印花機墨盒壓力控制系統(tǒng)設(shè)計

林 杰，楚建安，馬天鳳

(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048)

基于PLC的數(shù)碼印花機墨盒壓力控制系統(tǒng)設(shè)計

林 杰，楚建安，馬天鳳

(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048)

采用三菱FX5U PLC、真空壓力傳感器和線性隔膜真空泵，以SG1024壓電噴頭作為測試對象，通過PID控制算法對墨盒內(nèi)壓力進行控制，利用觸摸屏對供墨系統(tǒng)運行狀態(tài)進行實時遠程監(jiān)控，有效解決了壓電噴墨過程中的供墨不穩(wěn)定問題。

PLC；墨盒壓力；PID

數(shù)碼噴墨打印技術(shù)是將花樣圖案以數(shù)字形式輸入計算機，通過計算機印花分色描稿系統(tǒng)編輯處理，再由計算機控制微壓電式噴頭把墨水流體分裂成均勻的細小墨滴直接噴射到承印物上形成像素點，顏色混合后還原成原來的圖案，因此墨水恒壓穩(wěn)定供應(yīng)是影響數(shù)碼噴墨印花圖案質(zhì)量的重要因素。傳統(tǒng)的虹吸法、差壓法或采用真空比例閥的負壓氣包法來實現(xiàn)的墨壓控制在精度上和穩(wěn)定性上都無法滿足高速數(shù)碼印刷的需要，經(jīng)常出現(xiàn)供墨量不足、墨壓不穩(wěn)、可靠性差、運行速度低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和墨壓單一等諸多問題。在實際應(yīng)用中，為了滿足市場上出現(xiàn)的工業(yè)級高速打印頭對供墨系統(tǒng)的要求，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，提供一種既適用于正壓供墨又適用于負壓供墨的高精度墨壓控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述

整個供墨系統(tǒng)為全密封真空狀態(tài)，采用二級供墨。墨桶為供墨系統(tǒng)主要的儲墨設(shè)備，打印工作所需的油墨基本都儲存在主墨桶中。主墨桶應(yīng)有三個孔，分別為出墨孔、注墨孔和通氣孔。墨桶內(nèi)為常壓，墨桶內(nèi)的墨水經(jīng)過過濾器(過濾掉墨水里面的沉淀及結(jié)塊等，保證供墨管道內(nèi)墨流通暢)和加注泵被分成兩路通過軟管到達次級墨盒，一路經(jīng)過脫氣模塊進入到供墨盒，另一路直接流進回墨盒，這樣給兩個墨盒進行加注。供墨控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

系統(tǒng)由傳感器實時采集壓力值傳遞給PLC，轉(zhuǎn)化成需要的流量值和壓力值輸出給真空泵，通過改變真空泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)墨盒內(nèi)的壓力值，實現(xiàn)壓力的精確控制，保證恒壓供墨。墨盒壓力控制系統(tǒng)需要達到以下要求：(1)供墨盒和回墨盒要保持恒定壓力差，保證供墨回路墨水可以循環(huán)供墨，防止墨水干涸或者產(chǎn)生沉淀堵塞噴頭。(2)供墨盒內(nèi)的壓力要正好保證噴嘴內(nèi)的墨水既不會被倒吸進墨室，也不會通過噴嘴滴下來。(3)控制精度要達到±0.1 kPa，控制范圍0～17.5 kPa。(4)墨泵動態(tài)響應(yīng)要適應(yīng)工況要求。工作過程中調(diào)壓泵要工作在線性區(qū)，既不能低于死區(qū)，也不能高于失控區(qū)。

圖1 供墨控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 方案設(shè)計

供墨系統(tǒng)主要由PLC、真空壓力傳感器、調(diào)壓泵、噴頭、昆侖通態(tài)嵌入式一體化觸摸屏等組成。

2.1 硬件選型

根據(jù)系統(tǒng)要求和經(jīng)濟性原則，PLC選用三菱FX5U-80MT/ES，該PLC為DC輸入晶體管輸出型，實際控制輸入點數(shù)40，輸出點數(shù)40，還可以擴展176個I/O點數(shù)，自帶PID控制算法，使用PID指令就像調(diào)用子程序，只需進行一些簡單的參數(shù)設(shè)置即可，完全滿足系統(tǒng)的要求；真空傳感器采用非標定制的KPL壓力傳感器，采用24 VDC供電，量程為0～15 kPa，控制精度為0.5%，輸出為4～20 mA；調(diào)壓泵采用KTDC線性隔膜真空泵，此泵是自帶調(diào)速功能的單向隔膜泵，入口吸墨，出口排墨，正常工作時，出口壓力大于入口壓力；噴頭采用SG1024的壓電噴頭，壓電式按需噴墨的工作原理是通過壓電晶體的振動來產(chǎn)生墨滴。其工作原理如圖2所示，當(dāng)噴頭內(nèi)的壓電晶體被電流激勵時，壓電晶體的形狀改變，表面凸起呈月牙形，并凸向墨水腔，使墨水腔容積減少，擠壓墨水使微量墨水從噴孔擠出，并形成墨滴，轉(zhuǎn)印到承印材料上，形成印跡；觸摸屏采用北京昆侖通態(tài)公司的TPC1061Ti嵌入式一體化觸摸屏，具有10.2 英寸的高亮TFT液晶顯示屏，四線電阻式觸摸屏。

圖2 壓電式噴墨工作原理

2.2 控制方案

采用SG1024的壓電噴頭作為測試對象，要使噴頭能夠正常工作，入墨口的壓力要求為-0.45 kPa，出墨口的壓力要求為-5.5 kPa，只有保證這兩個墨壓，墨水才能充滿墨腔、毛細管和噴嘴，并且不會缺墨或滴墨。同時，只有出入口的墨壓建立起來以后，墨水才能夠在噴頭里面循環(huán)流動。針對這兩個條件，需要設(shè)計一個供墨端的墨盒和一個回墨端的墨盒，次級墨盒的供墨原理基于高差負壓供給原理，其安裝位置需與噴頭位置配合，因為供墨盒的安裝高度要高于噴頭，所以會產(chǎn)生一個液位差，墨盒安裝平面的高度比噴頭安裝平面高出300 mm，對應(yīng)可以算出供墨盒內(nèi)液面壓力需要-4.5 kPa， 回墨盒內(nèi)液面壓力需要-7.5 kPa。壓力與液位的關(guān)系如公式(1)：

(1)

式中,P為液面所受壓力(Pa)；ρ為所用墨水密度(kg/m3)；g為重力加速度(9.8 N/kg)；h為液體的相對高度(m)。

在工作初期，兩個墨盒內(nèi)都是空的，只需要開啟加注泵，關(guān)閉調(diào)壓泵，打開兩個墨盒的排氣閥，隨著墨水的加入，空氣被排出，墨盒內(nèi)液位逐漸上升。此時兩個墨盒與空氣是相通的，在墨水上升的過程中，一部分墨水會經(jīng)過噴嘴滴出，但滴出的量遠遠低于加注的量。由于供墨調(diào)壓泵是單向隔膜泵，不工作的時候出口端的壓力低于入口端的壓力，需要把加墨截止閥關(guān)掉，否則可能在加注過程中墨水經(jīng)過調(diào)壓泵滲透到墨桶端。

當(dāng)墨盒內(nèi)浮球開關(guān)達到標準液位后，會給PLC發(fā)出一個電信號，PLC關(guān)閉排氣閥，供墨盒和回墨盒與大氣隔離。這時進行墨盒壓力調(diào)節(jié)，供墨盒和回墨盒內(nèi)都裝有真空壓力傳感器，可以隨時監(jiān)測兩個墨盒內(nèi)的真空度。供墨盒的壓力傳感器把檢測的電信號經(jīng)過A/D模塊轉(zhuǎn)換，模擬的壓力信號被轉(zhuǎn)化為數(shù)字壓力信號并反饋給PLC，PLC把反饋值與設(shè)定值進行比較，產(chǎn)生的偏差值經(jīng)過內(nèi)部的PID運算后把輸出值經(jīng)過D/A模塊轉(zhuǎn)換為模擬量，傳送給供墨調(diào)壓泵，供墨調(diào)壓泵開始工作。同時，回墨盒也進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)過程，回墨調(diào)壓泵也開始工作，此時加墨截止閥打開。

在墨壓達到設(shè)定負壓值的時候，液位高度可能還沒有達到要求。在調(diào)壓模式下，當(dāng)液位高度低于要求高度時，液位浮球閥會發(fā)出缺墨信號給PLC，PLC會打開吸墨電磁閥，在吸墨電磁閥后面接有一個-39kPa的負壓氣包，這時會把墨盒上部的空氣抽出。當(dāng)多余的空氣被抽出以后，負壓會上升，這時調(diào)壓泵速度下降，加注量不變，會有墨水被注入墨盒，液位開始上升，并且保證墨盒內(nèi)壓力不變。當(dāng)液位高度高于要求高度時，液位浮球閥會發(fā)出溢墨信號給PLC，PLC打開壓墨電磁閥，在壓墨電磁閥后面接有一個39kPa的高壓氣包，壓縮空氣注入墨盒內(nèi)，墨盒內(nèi)部的真空度下降，調(diào)壓墨抽出流量開始加大，加注量不變，多余的墨會從墨盒里抽出來。整個調(diào)節(jié)過程是動態(tài)進行的，墨盒內(nèi)的負壓值最終還會維持恒定，液位高度和墨盒內(nèi)壓力會達到一個動態(tài)平衡。對液位的壓墨和吸墨操作可以看作是對墨壓控制的一個擾動信號，調(diào)壓泵的響應(yīng)速度和調(diào)壓效果可以滿足和克服對墨盒進行液位控制時壓墨和吸墨產(chǎn)生的干擾。墨盒壓力控制系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 墨盒壓力控制系統(tǒng)原理

調(diào)壓泵經(jīng)PLC的PID調(diào)節(jié)時，把上升通道的墨水向墨桶里面回抽，這時供墨盒墨管的流量是加注泵和調(diào)壓泵流量差值的合成，當(dāng)加注量大于調(diào)壓泵的流量時，墨水充入墨盒；反之，墨盒內(nèi)的墨水被抽回墨桶。通過這兩個泵的共同作用，可以使墨盒內(nèi)的墨壓穩(wěn)定到一定的數(shù)值。當(dāng)墨盒內(nèi)壓力沒有達到標準負壓時，調(diào)壓泵的排出墨量大于加注墨量，墨水從墨盒內(nèi)抽出產(chǎn)生負壓，負壓調(diào)到一定程度后，調(diào)壓泵的轉(zhuǎn)速下降，抽出量下降，加注泵轉(zhuǎn)速不變。當(dāng)達到設(shè)定的墨盒負壓后，調(diào)壓泵與加注泵達到平衡，抽出量等于加注量。墨盒壓力的PID控制流程圖如圖4所示。

圖4 墨盒壓力PID控制流程圖

3 軟件實現(xiàn)

3.1 編程設(shè)計

本設(shè)計中運用三菱FX5U-80MT/ESPLC提供的PID控制，并且編程軟件GXWorks3內(nèi)置了廠家提供的PID調(diào)試控制面板工具，可以利用圖形化的給定、反饋、調(diào)節(jié)器等輸出波形顯示，反復(fù)進行PID參數(shù)的手動調(diào)試，也可以先啟動自動調(diào)整模式進行參數(shù)匹配后，只需設(shè)定采樣時間、動作方向、濾波常數(shù)、輸入/出上下限等部分控制參數(shù)，再利用現(xiàn)場調(diào)試工作經(jīng)驗進行微調(diào)。墨盒壓力自動調(diào)節(jié)部分的PID程序梯形圖如圖5所示。

圖5 墨盒壓力PID程序梯形圖

3.2 人機界面設(shè)計

HMI系統(tǒng)采用的觸摸屏為北京昆侖自動化有限公司的嵌入式一體化觸摸屏，通過MCGS嵌入版組態(tài)軟件，可以完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與檢測，前端數(shù)據(jù)的處理與控制，具有可視化的操作界面及報警等多樣化功能，為用戶提供腳本程序編輯環(huán)境。通過以太網(wǎng)與PLC及上位機進行通信，用戶可以靈活地實現(xiàn)控制流程和各種操作，提高工作效率，優(yōu)化整個控制過程。設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)主界面，主要實現(xiàn)對系統(tǒng)工藝流程、設(shè)備的狀態(tài)和參數(shù)進行實時監(jiān)測和顯示，并且運用動畫的方式形象表示數(shù)據(jù)的變化。

人機界面主要包括參數(shù)設(shè)定、監(jiān)控、維護等幾個部分。觸摸屏控制器從觸摸點檢測裝置上接收觸摸信息，并將它轉(zhuǎn)換成標準信息格式，與PLC串行通信進行數(shù)據(jù)交換，PLC對信息處理后，按照程序驅(qū)動相關(guān)執(zhí)行器件，完成既定工作。在界面上可以通過屏幕上的按鈕控制系統(tǒng)的啟停，在參數(shù)設(shè)定界面中可以對CMYK四色墨盒的供墨壓力、回墨壓力、循環(huán)墨量及溫度進行設(shè)置。監(jiān)控畫面可以動態(tài)顯示墨桶墨量、墨盒液位和壓力及各種電磁閥的開關(guān)狀態(tài)等，并且在供墨系統(tǒng)出現(xiàn)異常的時候發(fā)出警報，其界面如圖6所示。

圖6 供墨系統(tǒng)監(jiān)控界面

4 仿真與分析

對本文所設(shè)計的控制方案進行仿真，設(shè)定壓力目標值為-4.5kPa，為了避免負壓過大對噴頭造成沖擊損壞噴頭，所以在調(diào)節(jié)過程中不允許過沖調(diào)節(jié)。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 仿真控制曲線

從仿真圖形可以看出，系統(tǒng)在調(diào)壓的過程中PID調(diào)壓的波動較小。在壓力調(diào)節(jié)到設(shè)定的目標值后，加入一個干擾信號模擬噴頭工作。此時，壓力值會出現(xiàn)跳變，跳變范圍在允許的±0.1kPa之內(nèi)，而且系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)較快，很快就調(diào)節(jié)到目標要求值。綜合分析，此系統(tǒng)可以滿足數(shù)碼印花機墨盒壓力的控制要求。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)采用全封閉雙負壓循環(huán)供墨，將液位控制和氣壓控制巧妙結(jié)合，結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，在保證可靠供墨的的前提下，充分利用了PLC及內(nèi)部PID的運算功能進行自動控制，通過設(shè)置封閉式的墨盒，加注泵將墨桶內(nèi)的墨水輸送至墨盒中，調(diào)壓泵將墨盒中的墨水調(diào)節(jié)回流至墨桶中，加注泵的加注量與調(diào)壓泵的調(diào)節(jié)回流量之間形成流量差，消除了墨盒內(nèi)的真空度波動，既能適用于正壓供墨打印機，又能適用于負壓供墨打印機，供墨壓力穩(wěn)定且精度高，打印頭出墨均勻，保證了良好的印刷效果，適合高速數(shù)碼打印。另外，它還可方便地與各種通用組態(tài)軟件連接，進行現(xiàn)場監(jiān)控和實現(xiàn)無人操作，故障率低，操作簡單，調(diào)試效果良好。

[1] 何 永.PLC在高精度液壓控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 電子專用設(shè)備研究， 2015， 32(6): 34-36.

[2] 顏志成. 基于PLC的真空壓力控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 機電工程技術(shù)， 2015， 44(7): 64-66.

[3]SHINP，SUNGJ，LEEMH.Controlofdropletformationforlowviscosityfluidbydoublewaveformsappliedtoapiezoelectricinkjetnozzle[J].MicroelectronicsReliability，2011，51(4)：797-804.

[4] 占紅武，胥 芳，郭維鋒，等. 壓電噴墨過程動力學(xué)建模與供墨方法[J]. 機械工程學(xué)報，2017，53(1)：140-149.

[5] 王曉明，譚中原，張文源，等. 基于模糊PID的SG1024墨水溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 自動化技術(shù)與應(yīng)用， 2017， 36(1): 36-38.

[6] 董宗慧. 基于PLC控制下閉環(huán)系統(tǒng)PID控制器的設(shè)計研究[J]. 電子測試，2015，(22): 37-38.

[7] 齊繼陽,孟 洋,李金燕,等. 模糊PID在恒壓供水控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 自動化與儀表,2015,30(3):44-47.

Design of Ink Cartridge Pressure Control System for Digital Printing Machine Based on PLC

LIN Jie, CHU Jian-an, MA Tian-feng

(College of Electronic and Information, Xi′an Polytechnic University, Xi′an 710048, China)

Mitsubishi FX5U PLC, vacuum pressure sensor and linear diaphragm vacuum pump were adopted. SG1024 piezoelectric nozzle was used as the test object. The pressure in the ink cartridge was controlled through PID control algorithm. Real time remote monitoring of the running status of ink supply system was realized by touch screen. It solved the problem of ink supply instability in piezoelectric inkjet process.

PLC; ink cartridge pressure; PID

2017-05-12；

2017-07-12

林 杰(1992-)，男，碩士研究生，主要從事數(shù)碼印花設(shè)備的研究，E-mail：542175600@qq.com。

TS194.3

B

1673-0356(2017)07-0016-04