基于PLC的数码印花机墨盒压力控制系统设计

林 杰，楚建安，马天凤

(西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安 710048)

基于PLC的数码印花机墨盒压力控制系统设计

林 杰，楚建安，马天凤

(西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安 710048)

采用三菱FX5U PLC、真空压力传感器和线性隔膜真空泵，以SG1024压电喷头作为测试对象，通过PID控制算法对墨盒内压力进行控制，利用触摸屏对供墨系统运行状态进行实时远程监控，有效解决了压电喷墨过程中的供墨不稳定问题。

PLC；墨盒压力；PID

数码喷墨打印技术是将花样图案以数字形式输入计算机，通过计算机印花分色描稿系统编辑处理，再由计算机控制微压电式喷头把墨水流体分裂成均匀的细小墨滴直接喷射到承印物上形成像素点，颜色混合后还原成原来的图案，因此墨水恒压稳定供应是影响数码喷墨印花图案质量的重要因素。传统的虹吸法、差压法或采用真空比例阀的负压气包法来实现的墨压控制在精度上和稳定性上都无法满足高速数码印刷的需要，经常出现供墨量不足、墨压不稳、可靠性差、运行速度低、结构复杂和墨压单一等诸多问题。在实际应用中，为了满足市场上出现的工业级高速打印头对供墨系统的要求，针对现有技术存在的技术问题，提供一种既适用于正压供墨又适用于负压供墨的高精度墨压控制系统。

1 系统概述

整个供墨系统为全密封真空状态，采用二级供墨。墨桶为供墨系统主要的储墨设备，打印工作所需的油墨基本都储存在主墨桶中。主墨桶应有三个孔，分别为出墨孔、注墨孔和通气孔。墨桶内为常压，墨桶内的墨水经过过滤器(过滤掉墨水里面的沉淀及结块等，保证供墨管道内墨流通畅)和加注泵被分成两路通过软管到达次级墨盒，一路经过脱气模块进入到供墨盒，另一路直接流进回墨盒，这样给两个墨盒进行加注。供墨控制系统结构图如图1所示。

系统由传感器实时采集压力值传递给PLC，转化成需要的流量值和压力值输出给真空泵，通过改变真空泵的转速来调节墨盒内的压力值，实现压力的精确控制，保证恒压供墨。墨盒压力控制系统需要达到以下要求：(1)供墨盒和回墨盒要保持恒定压力差，保证供墨回路墨水可以循环供墨，防止墨水干涸或者产生沉淀堵塞喷头。(2)供墨盒内的压力要正好保证喷嘴内的墨水既不会被倒吸进墨室，也不会通过喷嘴滴下来。(3)控制精度要达到±0.1 kPa，控制范围0～17.5 kPa。(4)墨泵动态响应要适应工况要求。工作过程中调压泵要工作在线性区，既不能低于死区，也不能高于失控区。

图1 供墨控制系统结构图

2 方案设计

供墨系统主要由PLC、真空压力传感器、调压泵、喷头、昆仑通态嵌入式一体化触摸屏等组成。

2.1 硬件选型

根据系统要求和经济性原则，PLC选用三菱FX5U-80MT/ES，该PLC为DC输入晶体管输出型，实际控制输入点数40，输出点数40，还可以扩展176个I/O点数，自带PID控制算法，使用PID指令就像调用子程序，只需进行一些简单的参数设置即可，完全满足系统的要求；真空传感器采用非标定制的KPL压力传感器，采用24 VDC供电，量程为0～15 kPa，控制精度为0.5%，输出为4～20 mA；调压泵采用KTDC线性隔膜真空泵，此泵是自带调速功能的单向隔膜泵，入口吸墨，出口排墨，正常工作时，出口压力大于入口压力；喷头采用SG1024的压电喷头，压电式按需喷墨的工作原理是通过压电晶体的振动来产生墨滴。其工作原理如图2所示，当喷头内的压电晶体被电流激励时，压电晶体的形状改变，表面凸起呈月牙形，并凸向墨水腔，使墨水腔容积减少，挤压墨水使微量墨水从喷孔挤出，并形成墨滴，转印到承印材料上，形成印迹；触摸屏采用北京昆仑通态公司的TPC1061Ti嵌入式一体化触摸屏，具有10.2 英寸的高亮TFT液晶显示屏，四线电阻式触摸屏。

图2 压电式喷墨工作原理

2.2 控制方案

采用SG1024的压电喷头作为测试对象，要使喷头能够正常工作，入墨口的压力要求为-0.45 kPa，出墨口的压力要求为-5.5 kPa，只有保证这两个墨压，墨水才能充满墨腔、毛细管和喷嘴，并且不会缺墨或滴墨。同时，只有出入口的墨压建立起来以后，墨水才能够在喷头里面循环流动。针对这两个条件，需要设计一个供墨端的墨盒和一个回墨端的墨盒，次级墨盒的供墨原理基于高差负压供给原理，其安装位置需与喷头位置配合，因为供墨盒的安装高度要高于喷头，所以会产生一个液位差，墨盒安装平面的高度比喷头安装平面高出300 mm，对应可以算出供墨盒内液面压力需要-4.5 kPa， 回墨盒内液面压力需要-7.5 kPa。压力与液位的关系如公式(1)：

(1)

式中,P为液面所受压力(Pa)；ρ为所用墨水密度(kg/m3)；g为重力加速度(9.8 N/kg)；h为液体的相对高度(m)。

在工作初期，两个墨盒内都是空的，只需要开启加注泵，关闭调压泵，打开两个墨盒的排气阀，随着墨水的加入，空气被排出，墨盒内液位逐渐上升。此时两个墨盒与空气是相通的，在墨水上升的过程中，一部分墨水会经过喷嘴滴出，但滴出的量远远低于加注的量。由于供墨调压泵是单向隔膜泵，不工作的时候出口端的压力低于入口端的压力，需要把加墨截止阀关掉，否则可能在加注过程中墨水经过调压泵渗透到墨桶端。

当墨盒内浮球开关达到标准液位后，会给PLC发出一个电信号，PLC关闭排气阀，供墨盒和回墨盒与大气隔离。这时进行墨盒压力调节，供墨盒和回墨盒内都装有真空压力传感器，可以随时监测两个墨盒内的真空度。供墨盒的压力传感器把检测的电信号经过A/D模块转换，模拟的压力信号被转化为数字压力信号并反馈给PLC，PLC把反馈值与设定值进行比较，产生的偏差值经过内部的PID运算后把输出值经过D/A模块转换为模拟量，传送给供墨调压泵，供墨调压泵开始工作。同时，回墨盒也进行相应的调节过程，回墨调压泵也开始工作，此时加墨截止阀打开。

在墨压达到设定负压值的时候，液位高度可能还没有达到要求。在调压模式下，当液位高度低于要求高度时，液位浮球阀会发出缺墨信号给PLC，PLC会打开吸墨电磁阀，在吸墨电磁阀后面接有一个-39kPa的负压气包，这时会把墨盒上部的空气抽出。当多余的空气被抽出以后，负压会上升，这时调压泵速度下降，加注量不变，会有墨水被注入墨盒，液位开始上升，并且保证墨盒内压力不变。当液位高度高于要求高度时，液位浮球阀会发出溢墨信号给PLC，PLC打开压墨电磁阀，在压墨电磁阀后面接有一个39kPa的高压气包，压缩空气注入墨盒内，墨盒内部的真空度下降，调压墨抽出流量开始加大，加注量不变，多余的墨会从墨盒里抽出来。整个调节过程是动态进行的，墨盒内的负压值最终还会维持恒定，液位高度和墨盒内压力会达到一个动态平衡。对液位的压墨和吸墨操作可以看作是对墨压控制的一个扰动信号，调压泵的响应速度和调压效果可以满足和克服对墨盒进行液位控制时压墨和吸墨产生的干扰。墨盒压力控制系统原理如图3所示。

图3 墨盒压力控制系统原理

调压泵经PLC的PID调节时，把上升通道的墨水向墨桶里面回抽，这时供墨盒墨管的流量是加注泵和调压泵流量差值的合成，当加注量大于调压泵的流量时，墨水充入墨盒；反之，墨盒内的墨水被抽回墨桶。通过这两个泵的共同作用，可以使墨盒内的墨压稳定到一定的数值。当墨盒内压力没有达到标准负压时，调压泵的排出墨量大于加注墨量，墨水从墨盒内抽出产生负压，负压调到一定程度后，调压泵的转速下降，抽出量下降，加注泵转速不变。当达到设定的墨盒负压后，调压泵与加注泵达到平衡，抽出量等于加注量。墨盒压力的PID控制流程图如图4所示。

图4 墨盒压力PID控制流程图

3 软件实现

3.1 编程设计

本设计中运用三菱FX5U-80MT/ESPLC提供的PID控制，并且编程软件GXWorks3内置了厂家提供的PID调试控制面板工具，可以利用图形化的给定、反馈、调节器等输出波形显示，反复进行PID参数的手动调试，也可以先启动自动调整模式进行参数匹配后，只需设定采样时间、动作方向、滤波常数、输入/出上下限等部分控制参数，再利用现场调试工作经验进行微调。墨盒压力自动调节部分的PID程序梯形图如图5所示。

图5 墨盒压力PID程序梯形图

3.2 人机界面设计

HMI系统采用的触摸屏为北京昆仑自动化有限公司的嵌入式一体化触摸屏，通过MCGS嵌入版组态软件，可以完成现场数据的采集与检测，前端数据的处理与控制，具有可视化的操作界面及报警等多样化功能，为用户提供脚本程序编辑环境。通过以太网与PLC及上位机进行通信，用户可以灵活地实现控制流程和各种操作，提高工作效率，优化整个控制过程。设计监控系统主界面，主要实现对系统工艺流程、设备的状态和参数进行实时监测和显示，并且运用动画的方式形象表示数据的变化。

人机界面主要包括参数设定、监控、维护等几个部分。触摸屏控制器从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成标准信息格式，与PLC串行通信进行数据交换，PLC对信息处理后，按照程序驱动相关执行器件，完成既定工作。在界面上可以通过屏幕上的按钮控制系统的启停，在参数设定界面中可以对CMYK四色墨盒的供墨压力、回墨压力、循环墨量及温度进行设置。监控画面可以动态显示墨桶墨量、墨盒液位和压力及各种电磁阀的开关状态等，并且在供墨系统出现异常的时候发出警报，其界面如图6所示。

图6 供墨系统监控界面

4 仿真与分析

对本文所设计的控制方案进行仿真，设定压力目标值为-4.5kPa，为了避免负压过大对喷头造成冲击损坏喷头，所以在调节过程中不允许过冲调节。仿真结果如图7所示。

图7 仿真控制曲线

从仿真图形可以看出，系统在调压的过程中PID调压的波动较小。在压力调节到设定的目标值后，加入一个干扰信号模拟喷头工作。此时，压力值会出现跳变，跳变范围在允许的±0.1kPa之内，而且系统的动态响应较快，很快就调节到目标要求值。综合分析，此系统可以满足数码印花机墨盒压力的控制要求。

5 结语

本系统采用全封闭双负压循环供墨，将液位控制和气压控制巧妙结合，结构简单，控制灵活，在保证可靠供墨的的前提下，充分利用了PLC及内部PID的运算功能进行自动控制，通过设置封闭式的墨盒，加注泵将墨桶内的墨水输送至墨盒中，调压泵将墨盒中的墨水调节回流至墨桶中，加注泵的加注量与调压泵的调节回流量之间形成流量差，消除了墨盒内的真空度波动，既能适用于正压供墨打印机，又能适用于负压供墨打印机，供墨压力稳定且精度高，打印头出墨均匀，保证了良好的印刷效果，适合高速数码打印。另外，它还可方便地与各种通用组态软件连接，进行现场监控和实现无人操作，故障率低，操作简单，调试效果良好。

[1] 何 永.PLC在高精度液压控制系统中的应用[J]. 电子专用设备研究， 2015， 32(6): 34-36.

[2] 颜志成. 基于PLC的真空压力控制系统设计[J]. 机电工程技术， 2015， 44(7): 64-66.

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

[4] 占红武，胥 芳，郭维锋，等. 压电喷墨过程动力学建模与供墨方法[J]. 机械工程学报，2017，53(1)：140-149.

[5] 王晓明，谭中原，张文源，等. 基于模糊PID的SG1024墨水温度控制系统设计[J]. 自动化技术与应用， 2017， 36(1): 36-38.

[6] 董宗慧. 基于PLC控制下闭环系统PID控制器的设计研究[J]. 电子测试，2015，(22): 37-38.

[7] 齐继阳,孟 洋,李金燕,等. 模糊PID在恒压供水控制系统中的应用[J]. 自动化与仪表,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，硕士研究生，主要从事数码印花设备的研究，E-mail：542175600@qq.com。

TS194.3

B

1673-0356(2017)07-0016-04