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(jī)墨盒壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(cè)試對(duì)象，通過(guò)PID控制算法對(duì)墨盒內(nèi)壓力進(jìn)行控制，利用觸摸屏對(duì)供墨系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，有效解決了壓電噴墨過(guò)程中的供墨不穩(wěn)定問(wèn)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(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)印花分色描稿系統(tǒng)編輯處理，再由計(jì)算機(jī)控制微壓電式噴頭把墨水流體分裂成均勻的細(xì)小墨滴直接噴射到承印物上形成像素點(diǎn)，顏色混合后還原成原來(lái)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(fù)壓氣包法來(lái)實(shí)現(xiàn)的墨壓控制在精度上和穩(wěn)定性上都無(wú)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(yùn)行速度低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和墨壓?jiǎn)我坏戎T多問(wèn)題。在實(shí)際應(yīng)用中，為了滿足市場(chǎng)上出現(xiàn)的工業(yè)級(jí)高速打印頭對(duì)供墨系統(tǒng)的要求，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問(wèn)題，提供一種既適用于正壓供墨又適用于負(fù)壓供墨的高精度墨壓控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述

整個(gè)供墨系統(tǒng)為全密封真空狀態(tài)，采用二級(jí)供墨。墨桶為供墨系統(tǒng)主要的儲(chǔ)墨設(shè)備，打印工作所需的油墨基本都儲(chǔ)存在主墨桶中。主墨桶應(yīng)有三個(gè)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(guò)過(guò)濾器(過(guò)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(guò)軟管到達(dá)次級(jí)墨盒，一路經(jīng)過(guò)脫氣模塊進(jìn)入到供墨盒，另一路直接流進(jìn)回墨盒，這樣給兩個(gè)墨盒進(jìn)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(shí)時(shí)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(guò)改變真空泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)墨盒內(nèi)的壓力值，實(shí)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(dá)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(huì)被倒吸進(jìn)墨室，也不會(huì)通過(guò)噴嘴滴下來(lái)。(3)控制精度要達(dá)到±0.1 kPa，控制范圍0～17.5 kPa。(4)墨泵動(dòng)態(tài)響應(yīng)要適應(yīng)工況要求。工作過(guò)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(jì)

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(jì)性原則，PLC選用三菱FX5U-80MT/ES，該P(yáng)LC為DC輸入晶體管輸出型，實(shí)際控制輸入點(diǎn)數(shù)40，輸出點(diǎn)數(shù)40，還可以擴(kuò)展176個(gè)I/O點(diǎn)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(jìn)行一些簡(jiǎn)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(biāo)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(shí)，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(guò)壓電晶體的振動(dòng)來(lái)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(lì)時(shí)，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(cè)試對(duì)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(gè)墨壓，墨水才能充滿墨腔、毛細(xì)管和噴嘴，并且不會(huì)缺墨或滴墨。同時(shí)，只有出入口的墨壓建立起來(lái)以后，墨水才能夠在噴頭里面循環(huán)流動(dòng)。針對(duì)這兩個(gè)條件，需要設(shè)計(jì)一個(gè)供墨端的墨盒和一個(gè)回墨端的墨盒，次級(jí)墨盒的供墨原理基于高差負(fù)壓供給原理，其安裝位置需與噴頭位置配合，因?yàn)楣┠械陌惭b高度要高于噴頭，所以會(huì)產(chǎn)生一個(gè)液位差，墨盒安裝平面的高度比噴頭安裝平面高出300 mm，對(duì)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(duì)高度(m)。

在工作初期，兩個(gè)墨盒內(nèi)都是空的，只需要開(kāi)啟加注泵，關(guān)閉調(diào)壓泵，打開(kāi)兩個(gè)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(shí)兩個(gè)墨盒與空氣是相通的，在墨水上升的過(guò)程中，一部分墨水會(huì)經(jīng)過(guò)噴嘴滴出，但滴出的量遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)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(guò)程中墨水經(jīng)過(guò)調(diào)壓泵滲透到墨桶端。

當(dāng)墨盒內(nèi)浮球開(kāi)關(guān)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)液位后，會(huì)給PLC發(fā)出一個(gè)電信號(hào)，PLC關(guān)閉排氣閥，供墨盒和回墨盒與大氣隔離。這時(shí)進(jìn)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(shí)監(jiān)測(cè)兩個(gè)墨盒內(nèi)的真空度。供墨盒的壓力傳感器把檢測(cè)的電信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D模塊轉(zhuǎn)換，模擬的壓力信號(hào)被轉(zhuǎn)化為數(shù)字壓力信號(hào)并反饋給PLC，PLC把反饋值與設(shè)定值進(jìn)行比較，產(chǎn)生的偏差值經(jīng)過(guò)內(nèi)部的PID運(yùn)算后把輸出值經(jīng)過(guò)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(kāi)始工作。同時(shí)，回墨盒也進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)過(guò)程，回墨調(diào)壓泵也開(kāi)始工作，此時(shí)加墨截止閥打開(kāi)。

在墨壓達(dá)到設(shè)定負(fù)壓值的時(shí)候，液位高度可能還沒(méi)有達(dá)到要求。在調(diào)壓模式下，當(dāng)液位高度低于要求高度時(shí)，液位浮球閥會(huì)發(fā)出缺墨信號(hào)給PLC，PLC會(huì)打開(kāi)吸墨電磁閥，在吸墨電磁閥后面接有一個(gè)-39kPa的負(fù)壓氣包，這時(shí)會(huì)把墨盒上部的空氣抽出。當(dāng)多余的空氣被抽出以后，負(fù)壓會(huì)上升，這時(shí)調(diào)壓泵速度下降，加注量不變，會(huì)有墨水被注入墨盒，液位開(kāi)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(shí)，液位浮球閥會(huì)發(fā)出溢墨信號(hào)給PLC，PLC打開(kāi)壓墨電磁閥，在壓墨電磁閥后面接有一個(gè)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(kāi)始加大，加注量不變，多余的墨會(huì)從墨盒里抽出來(lái)。整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程是動(dòng)態(tài)進(jìn)行的，墨盒內(nèi)的負(fù)壓值最終還會(huì)維持恒定，液位高度和墨盒內(nèi)壓力會(huì)達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)液位的壓墨和吸墨操作可以看作是對(duì)墨壓控制的一個(gè)擾動(dòng)信號(hào)，調(diào)壓泵的響應(yīng)速度和調(diào)壓效果可以滿足和克服對(duì)墨盒進(jìn)行液位控制時(shí)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(shí)，把上升通道的墨水向墨桶里面回抽，這時(shí)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(shí)，墨水充入墨盒；反之，墨盒內(nèi)的墨水被抽回墨桶。通過(guò)這兩個(gè)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(méi)有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)負(fù)壓時(shí)，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(fù)壓，負(fù)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(dá)到設(shè)定的墨盒負(fù)壓后，調(diào)壓泵與加注泵達(dá)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(shí)現(xiàn)

3.1 編程設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中運(yùn)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(jìn)行PID參數(shù)的手動(dòng)調(diào)試，也可以先啟動(dòng)自動(dòng)調(diào)整模式進(jìn)行參數(shù)匹配后，只需設(shè)定采樣時(shí)間、動(dòng)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(chǎng)調(diào)試工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行微調(diào)。墨盒壓力自動(dòng)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(jī)界面設(shè)計(jì)

HMI系統(tǒng)采用的觸摸屏為北京昆侖自動(dòng)化有限公司的嵌入式一體化觸摸屏，通過(guò)MCGS嵌入版組態(tài)軟件，可以完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與檢測(cè)，前端數(shù)據(jù)的處理與控制，具有可視化的操作界面及報(bào)警等多樣化功能，為用戶提供腳本程序編輯環(huán)境。通過(guò)以太網(wǎng)與PLC及上位機(jī)進(jìn)行通信，用戶可以靈活地實(shí)現(xiàn)控制流程和各種操作，提高工作效率，優(yōu)化整個(gè)控制過(guò)程。設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)主界面，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)工藝流程、設(shè)備的狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示，并且運(yùn)用動(dòng)畫(huà)的方式形象表示數(shù)據(jù)的變化。

人機(jī)界面主要包括參數(shù)設(shè)定、監(jiān)控、維護(hù)等幾個(gè)部分。觸摸屏控制器從觸摸點(diǎn)檢測(cè)裝置上接收觸摸信息，并將它轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信息格式，與PLC串行通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，PLC對(duì)信息處理后，按照程序驅(qū)動(dòng)相關(guān)執(zhí)行器件，完成既定工作。在界面上可以通過(guò)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(duì)CMYK四色墨盒的供墨壓力、回墨壓力、循環(huán)墨量及溫度進(jìn)行設(shè)置。監(jiān)控畫(huà)面可以動(dòng)態(tài)顯示墨桶墨量、墨盒液位和壓力及各種電磁閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)等，并且在供墨系統(tǒng)出現(xiàn)異常的時(shí)候發(fā)出警報(bào)，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(duì)本文所設(shè)計(jì)的控制方案進(jìn)行仿真，設(shè)定壓力目標(biāo)值為-4.5kPa，為了避免負(fù)壓過(guò)大對(duì)噴頭造成沖擊損壞噴頭，所以在調(diào)節(jié)過(guò)程中不允許過(guò)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(guò)程中PID調(diào)壓的波動(dòng)較小。在壓力調(diào)節(jié)到設(shè)定的目標(biāo)值后，加入一個(gè)干擾信號(hào)模擬噴頭工作。此時(shí)，壓力值會(huì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，很快就調(diào)節(jié)到目標(biāo)要求值。綜合分析，此系統(tǒng)可以滿足數(shù)碼印花機(jī)墨盒壓力的控制要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)采用全封閉雙負(fù)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(jiǎn)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(yùn)算功能進(jìn)行自動(dòng)控制，通過(guò)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(dòng)，既能適用于正壓供墨打印機(jī)，又能適用于負(fù)壓供墨打印機(jī)，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(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作，故障率低，操作簡(jiǎn)單，調(diào)試效果良好。

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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