International Conference on Safety & Security Management and Engineering Technology 0 (ICSSMET0)Vol. of. 油墨黏度系統架構之設計一般油墨控制器與印刷機器結合可分為 : 直接循環結合方式 搭配副油墨

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1 International Conference on Safety & Security Management and Engineering Technology 0 (ICSSMET0)Vol. of 單晶片微電腦於印刷設備之油墨黏度控制與實現 陳宏明 陳德超 廖崇筌 楊國偉 建國科技大學電子工程系所 ctu.edu.tw 建國科技大學電子工程系所 ctu.edu.tw 建國科技大學電子工程系所研究生 建國科技大學電子工程系所研究生 yahoo.com.tw 摘要 本論文主要的目的是以單晶片微電腦為控制核心完成油墨黏度控制系統之設計與製作 針對現有市面上之控制系統進行比較, 本控制系統分為單晶片控制板及系統驅動板, 單晶片控制板以 Microchip 公司所生產之 PIC8F0 單晶片作為系統控制核心, 將氣動隔膜泵上的霍爾元件感測器訊號轉換為邏輯訊號, 回送至控制板做油墨黏度之感測, 再搭配兩組三位元七段顯示器做為量測值與設定值之顯示及 * 矩陣鍵盤做為控制輸入, 並結合系統驅動板將控制板的訊號放大並驅動電磁閥的開與關, 引入稀釋溶劑使其達到油墨黏度控制之目的 經由實際系統之測試, 本文所設計之油墨黏度控制系統具有不錯的性能表現 關鍵詞 : 單晶片微電腦 油墨黏度控制 氣動隔膜泵 電磁閥 Abstract In this paper, the primary objective is used a single chip micro-computer as control center to designed and implement of printing ink system viscosity regulator. And, the performances of control system are compared for the others on the market. In this control system, which have divided into single-chip board and circuit driver board. The single-chip board is used PIC8F0, Microchip produced, as the control core. And used the Hall-effect sensor to converse logic signal from pneumatic diaphragm pump as printing ink viscosity signal back to the control board, the system collocate two sets -Bit Seven-segment to display the viscosity measured value and the setting value, used * matrix keyboard as control input, and combined the driver board and the solenoid valve to import the solvent to achieve the viscosity control. Through the real system testing, shows that the designed control system has excellent performances. Keywords: single chip micro-computer, printing ink system viscosity regulator, pneumatic diaphragm pump, solenoid valve.. 前言在印刷業中, 印刷圖樣關鍵的地方在於油墨的黏度, 為確保印刷出來的色澤能夠平均, 不會有太淡或太濃的情況產生, 因此油墨的黏度調整就非常的重要 傳統油墨黏度的調整方式皆是以人工方式去調整, 基本上是使用專用的量杯搭配馬錶計時來檢測油墨之黏度, 若黏度太濃則需要適時的加入溶劑稀釋以調整油墨之黏度, 這種以人工方式調整, 對於維持油墨濃度會因工作人員的經驗不足而有誤差, 進而可能導致印刷的成品色彩不平均, 使得印刷產品水準降低, 再加上以人工方式調整油墨黏度既耗時又耗量, 對於大量印刷又要即時調整油墨濃度之需求來說, 在現今業界中已不符所用 由於印刷業中所使用的印刷油墨屬於揮發性液體材料, 在密閉不通風的廠房中很容易引起氣爆危險, 因此在印刷業之設備中大部分均以防爆型之材質或避免使用產生火花之電子開關進行切換或推動油墨設備, 而改以氣壓推動切換方式完成油墨輸送 因此在印刷業中所使用的印刷設備在控制上, 均採用電控與系統分離, 並以氣壓推動方式完成訊號之界接 對於輸送印刷油墨最具代表性的核心泵浦, 就屬氣動隔膜泵, 只要有氣壓源均可透過此一氣動隔膜泵完成油墨輸送及循環的效果 然而對於印刷設備若僅以氣動隔膜汞對油墨進行循環, 此於控制油墨黏度效果很有限 隨著半導體科技的進步, 很多業界設備均採用單晶片微電腦 [] 進行控制實現 因此, 本論文即設計一單晶片微電腦系統搭配油墨黏度感測器, 運用曲率擬合 [] 來轉換所量測之黏度值, 並透過氣動隔膜泵與氣壓式閥門對於印刷設備之油墨進行稀釋, 設計不同控制方式去控制油墨黏度, 增加反應速度及黏度量測值之準確性, 以達到精準油墨黏度控制之目的 經由實際系統之測試, 本油墨黏度控制系統確實對於印刷設備之油墨黏度之控制有不錯的性能表現 ICSSMET0 0

2 International Conference on Safety & Security Management and Engineering Technology 0 (ICSSMET0)Vol. of. 油墨黏度系統架構之設計一般油墨控制器與印刷機器結合可分為 : 直接循環結合方式 搭配副油墨桶進行溢流循環結合式 及循環泵通過副油墨桶進行溢流循環結合式三種方式, 以完成油墨黏度控制, 圖 為直接循環結合方式圖, 圖 為搭配副油墨桶進行溢流循環結合式, 圖 所示為循環泵通過副油墨桶進行溢流循環結合式三種方式 圖 濃度控制器架構示意圖 圖. 直接循環結合式 圖 濃度控制器實機圖 圖. 搭配副油墨桶進行溢流循環結合式 - 驅動系統驅動系統之主要功能為訊號轉換, 將單晶片之邏輯信號運用光耦合轉為高壓訊號, 驅動相關電磁閥之動作, 並將主系統之感測器等信號運用光耦合方式將訊號轉換為數位信號, 並送至單晶片控制系統, 而驅動板所要轉換的信號分別為油墨黏度感測訊號 氣壓源感測訊號 及電磁閥信號, 如圖 6 所示之方塊示意圖, 而實際設計之完成之電路板成品如圖 7 所示, 圖 8 為驅動板總電路 圖. 循環泵通過副油墨桶進行溢流循環結合式 本油墨黏度控制器主體架構如圖 所示, 實機圖如圖 所示, 其中包含氣動隔膜泵及電磁閥 氣動閥等, 由於油墨及溶劑屬於易燃液體, 必須避免電氣火花之產生, 因此使用氣壓帶動氣動隔膜泵來抽取油墨及溶劑, 並由電磁閥控制氣閥, 並由氣閥輸出的氣壓推動氣動閥來間接控制溶劑之充填 本油墨黏度系統則可分兩部分, 分別為驅動系統及單晶片控制系統, 各系統之設計如下所述 : 圖 6 訊號處理示意圖 ICSSMET0 0

3 International Conference on Safety & Security Management and Engineering Technology 0 (ICSSMET0)Vol. of 圖 7 驅動電路板實體設計成品圖 圖 0 控制板電路成品圖 Scan Scan Scan Scan6 Scan Scan R kω R kω R kω R kω R kω R6 kω J PS Q C90 Q C90 Q C90 Q C90 Q C90 Q6 C90 CON - 單晶片控制系統 圖 8 驅動板總電路圖 本單晶片控制系統是以 PIC8F0[] 做為控制核心, 方塊架構如圖 9 所示, 其中搭配四乘四矩陣鍵盤做為輸入按鍵, 以兩組三位元七段顯示器分別於上方顯示量測值 下方顯示設定值, 並以 LED 之亮暗作為電磁閥開關指示 信號檢測提示及警告提示, 而量測信號來源為驅動板所轉換之訊號, 分別為氣壓檢測信號及油墨黏度感測信號, 氣壓感測信號用來感測氣壓是否異常, 黏度感測信號則是依照頻率的不同來表示油墨的黏度, 並將控制電磁閥之信號送至驅動板, 實際設計之電路板如圖 0 所示, 而圖 為控制板之總電路 JC R8 a com com com a com com com a a b 7 b 7 b a a a b a a a c c c c d f b f b f b f b f b f b d g g g d d g g g e e e e f 0 e c e c e c f 0 e c e c e c f d d d f d d d g g g dp dp dp g dp dp dp db db L L 7LEDX 7LEDX U Scan R7 00Ω RA0/AN0/CIN- RC0/TOSO/TCKI Scan 6 R8 00Ω RA/AN/CIN- RC/TOSI/CCPB Scan 7 R9 00Ω RA/AN/CIN+/VREF-/CVREF RC/CCP/PA Scan 8 R0 00Ω RA/AN/CIN+/VREF+ RC/SCK/SCL Scan 6 R 00Ω RA/T0CKI/COUT RC/SDI/SDA Scan6 7 R 00Ω RA/AN/SS/HLVDIN/COUT RC/SDO RA7 R6 00Ω RA7/OSC/CLKI RC6/TX/CK RA6 6 RA6/OSC/CLKO RC7/RX/DT JQC 9 RD0 RB0/AN/FLT0/INT0 RD0/PSP0 R7 0kΩ PS 0 RD RB/AN0/INT RD/PSP LED RD RB/AN8/INT RD/PSP kω 6 RD RB/AN9/CCPA RD/PSP BUZZ 7 7 RD RB/KBI0/AN RD/PSP ErrLED 8 8 RD RB/KBI/PGM RD/PSP/PB SinLED 9 9 RD6 C RB6/KBI/PGC RD6/PSP6/PC AddLED 0 0 RD7 0 RB7/KBI/PGD RD7/PSP7/PD 8 RE0 VDD RE0/RD/AN 9 RE VSS RE/WR/AN6 0 RE VDD RE/CS/AN7 Reset R9 VSS RE/MCLR/VPP 0kΩ PIC8F0-B - 氣動隔膜泵 S SW-PB C CAPACITOR 圖 控制板總電路圖 a b c d e f g J 6 CON6 RD RD RD6 RD7 J6 RD J9 RD Reset RD6 RD7 RD0 AddLED RD 6 SinLED RD 7 RD 6 8 Pitkit KeyBoard J J J ErrLED SinLED AddLED R R R 70Ω 70Ω 70Ω 氣動隔膜泵應用於抽取易燃溶劑 溶液, 防止在抽取時產生火花並引燃溶劑, 其機械結構圖如圖 所示, 原理是將氣壓打入圖 處, 此時會帶動橫桿進行左右移動之連續動作, 如圖 所示, 當橫桿移至左側, 左方的液體會由上方排出, 而右方因排出口被堵住, 只有下方可供液體流入, 因此產生吸取之動作, 如圖 所示, 此時橫桿右移, 變成右側液體被排出 左側液體吸入, 運用氣壓持續進行此動作, 即可達到抽取溶液之效果 ErrLED RA6 RA7 RE RE RE0 SinLED J8 CON JQC JC LED BUZZ AddLE J7 0kΩ 圖 9 單晶片控制系統架構圖 圖 機械結構圖 ICSSMET0 0

4 International Conference on Safety & Security Management and Engineering Technology 0 (ICSSMET0)Vol. of 圖 氣壓管輸送示意圖 圖 6 控制軟體流程圖 圖 氣壓隔膜泵動作示意圖 圖 氣壓隔膜泵內部動作示意圖. 軟體控制架構之設計及濃度量測原理 本作品之軟體控制皆以 C 語言 [] 撰寫, 程式流程圖如圖 6 所示, 分為四種模式, 詳如下所述 : - 設定模式開機時皆以此模式為預設啟動模式, 當檢測到濃度值時會顯示於上方七段顯示器, 此時下方設定值之個位數會閃爍, 輸入所要調整之濃度值後, 按下設定鍵後即可進入控制模式, 如直接按清洗鍵, 則強制開啟溶劑電磁閥 - 控制模式在控制模式下, 將自動檢測黏度信號, 並依照設定值進行電磁閥之控制, 當濃度大於設定值時, 將開啟溶劑電磁閥, 當黏度值未達設定值 90% 時, 溶劑電磁閥將持續開啟, 如達到 90% 以上時, 則分段進行溶劑的補充, 避免黏度降低速度太快, 當自動控制過程中如按下清洗鍵, 則會強制開啟溶劑電磁閥, 如按下設定鍵則返回設定模式, 而在控制過程中, 持續檢測黏度值與設定值之差異, 當黏度一直降不下來時, 代表溶劑不足, 便強制進入警報模式, 提醒使用者檢查溶劑是否足夠, 而當黏度值超過設定值太多時, 則代表溶劑電磁閥異常, 而氣壓或檢測信號異常時也會進入警報模式 - 警報模式當進入警報模式時, 會自動停止控制, 並且持續提示警報, 直到使用者按下設定鍵才會停止, 並自動將檢測值清除, 如果檢測值仍有數值, 則是代表氣壓 濃度過低或溶劑電磁閥異常, 若檢測值固定於 0, 則代表量測信號異常 - 關閉模式此時進入關閉模式, 停止檢測與顯示等任何信號, 直到使用者按下 ON 鍵則進入設定模式 ICSSMET0 0

5 International Conference on Safety & Security Management and Engineering Technology 0 (ICSSMET0)Vol. of - 黏度量測原理在氣動隔膜泵上, 裝置一霍爾元件, 會依照氣動隔膜泵的動作頻率而產生 PWM 波, 當黏度越濃, PWM 頻率則會越慢, 反之濃度越淡, 頻率則越快, 而在 PIC8F0 中具備捕捉模式, 可自動量測頻率, 並運用曲率擬合的方式, 將量測到的頻率轉換為量測值, 頻率與量測值之對應關係如圖 7 所示, 並加入平均法則來使量測值穩定準確 00 粘度 0 量測值 00 粘度 圖 8 按下左移或右移後設定位元 頻率 圖 7 頻率與量測顯示值對應關係圖. 實驗結果本系統經由實機測試後, 均可達到動作要求, 如圖 8 所示, 在設定模式下可按左 右鍵選擇設定位元, 如圖 9 所示, 在開啟氣動隔膜泵後並抽取油墨, 如圖 0 所示, 在設定模式下按下清洗鍵可強制打開溶劑電磁閥後關閉, 如圖 所示, 便可測得油墨濃度之量測值, 如圖 所示, 當設定完成後按下設定鍵便可進行控制, 當量測值未達到設定值 90% 時, 溶劑採取連續補充之動作, 當達 90% 以上後, 採取間斷式補充, 使溶劑濃度慢慢達到設定值, 避免濃度油墨超出設定值, 並經由長時間測試, 油墨濃度值均能穩定的維持在設定值範圍內, 如圖 所示, 當有異常時, 會發出警告提示, 如圖 所示, 如果按下 OFF 鍵則會關閉控制及顯示 圖 所示則為系統油墨黏度控制響應圖, 其中紅色曲線為一般型式之響應圖, 而籃色曲線則為本文所採用之控制法則之響應圖, 經比較結果顯示不管是響應速度或穩態響應均有明顯的改善 圖 9 氣動隔膜泵動作開關 圖 0 按下強制清洗鍵電磁閥開啟 ICSSMET0 0

6 International Conference on Safety & Security Management and Engineering Technology 0 (ICSSMET0)Vol. of 圖 上方為量測值, 下方為設定值 圖 油墨黏度控制響應圖. 結論本油墨黏度控制系統是以 Microchip PIC8F0 為控制核心, 並結合氣動隔膜泵 電磁閥 氣動閥 氣壓感測器及黏度感測器, 達到油墨黏度之量測及控制之目的, 搭配曲率擬合及平均量測, 並與市面上現有機台做比較, 在系統反應速度上更加快速, 控制性能及警報提示方面更加優化, 經由長時間測試後, 油墨黏度控制均能達到快速及準確穩定的控制效果 圖 在設定模式下按下設定進入控制模式 圖 如有異常則進入警報模式 參考文獻 [] 張義和, 王敏男, 許宏昌, 余春長, 例說 89S- C 語言第三版, 新文京開發出版股份有限公司, 台北, 台灣, 第七章, 第 6-0 頁,009 年 [] 曾百由, 微處理器原理與應用 C 語言與 PIC8 微控制器第二版, 五南圖書出版股份有限公司, 台北, 第 0-09 頁, 台灣,009 年. [] 陳宏明, 陳承宏, 沈椿勝, 設計滑動模式控制器於液壓伺服壓床系統之精密位控制 ", 00 安全管理與工程技術國際研討會,Vol. of, p.p.86-90,nov.,-6, 吳鳳科技大學,00 [] 洪維恩,C 語言教學手冊第四版, 旗標出版股份有限公司, 台北,0 年 圖 按下 OFF 鍵則關閉控制 ICSSMET0 06