Aktuální vydání

celé číslo

02

2024

Amper 2024

celé číslo

Rychlé vybarvení barevníku tiskového stroje

Miroslav Fribert, Jiří Macháček
 
Příspěvek se zabývá řízením doby optimálního vybarvení barevníku tiskového stroje před produkčním tiskem. Model dynamického chování barevníku byl vytvořen na základě mě­ření přechodových charakteristik. Na modelu byla potom navržena strategie řízení v ote­vřené smyčce. Výsledkem použití této metody je zkrácení doby přípravy nové zakázky a významná úspora barev a potiskovaného materiálu.
Klíčová slova: tiskový stroj, barevník, tisková barva, řízení v otevřené smyčce
 

1. Úvod

 
Barevník tiskového stroje řídí množství tiskové barvy, která má být vytištěna v růz­ných úsecích tiskového archu. Protože se toto množství v jednotlivých zónách liší, je nut­né barevník před tiskem optimálně vybarvit. Množství barvy se řídí akčními členy dvou typů – duktorem a zónami barevnice (sou­část barevníku). Duktor řídí množství barvy v celém rozsahu šířky tiskového archu, zóny barevníku řídí množství barvy v jednotlivých zónách tiskového archu. Výstupní charakte­ristikou je parametr optické hustoty, která se měří na vytištěných arších denzitometrem nebo spektrálním fotometrem.
 
Jedním z problémů při přípravě nové tiskové zakázky je relativně dlouhá doba, která je třeba na optimální vybarvení barevníku, tedy i tiště­ného archu, před produkčním tiskem. Optimál­ní vybarvení barevníku znamená dosažení op­timálního přívodu množství barvy na tiskovou formu během tisku. Důsledkem dlouhé doby potřebné k optimálnímu vybarvení barevníku je velké množství archů, které jsou odpadem. Velká spotřeba papíru a tiskových barev způ­sobuje vysokou cenu zakázky a dlouhá doba přípravy zakázky snižuje produktivitu tiskárny.
 
V rámci řešení projektu Vývoj archových ofsetových strojů vyšších inovací a jejich pří­davných zařízení ve spolupráci s podnikem Adast Adamov byl na Univerzitě Pardubice řešen problém urychlení vybarvení barevní­ku tiskového stroje. Cílem práce bylo vytvořit s použitím metody experimentální identifika­ce modely akčních členů barevníku tiskové­ho stroje, konkrétně model duktoru a model zóny barevníku, a dále na těchto modelech simulovat různé způsoby časově omezené­ho „přebuzení“ řídicí veličiny oproti hodno­tě odpovídající požadované optické hustotě. To konkrétně u akčního členu zóny barevníku znamená po omezenou dobu její větší otevře­ní a přenos většího množství barvy na duktor.
Simulací činnosti barevníku tiskového stroje se zabývají např. práce [1], [2] a [3].
 

2. Měření na tiskovém stroji

 
Měření bylo provedeno na tiskovém stroji Adast 727 s těmito podmínkami tisku:
  • tisková forma: 80% rastr,
  • tisková rychlost: 6 000 výtisků za hodinu, tj. 1,667 archů za sekundu,
  • papír: 135 g/m2, lesklá křída, max. formát,
  • barva: cyan, Sun Chemical, World Series,
  • vlhčení: 6 % IPA, 2,5 % Alcostop, pH 4,9,
  • duktor: 40 %.
Tisk se nechal ustálit pro otevření zón ba­revnice na míře otevření 20 %, s výjimkou okrajových zón, kde byla míra otevření 14 % (axiální roztěr barvy). Potom se míra otevře­ní zvětšila na 60 % (na krajích na 47 %) a po vytisknutí 300 archů se míra otevření opět snížila na původních 20 %.
 
Optická hustota D byla určena denzito­metrickým měřením na 100 % plochy kon­trolního proužku ve střední části archu podle vztahu:
 
D = log (LW/LM)     (1)
 
kde
LWje intenzita světla odraženého od bílého pozadí,
LMintenzita světla odraženého od purpu­rové tiskové barvy.
 
Vzhledem k časově náročnému měření byl u přechodových charakteristik vyhodnocen pouze každý patnáctý arch. Výsledky měře­ní pro zónu barevníku jsou uvedeny v tab. 1.
 

3. Model zóny barevnice

 
Naměřené hodnoty byly aproximovány modelem 1. řádu s dopravním zpožděním [4]. Přenosová funkce
 
(2)
 
kde
je zesílení soustavy,
τ časová konstanta,
TDdopravní zpoždění.
 
Časový průběh odezvy y(t) (optické hus­toty) na skokovou změnu otevření (zavření) zóny barevníku o velikosti Δu (%) je pro pře­nos (2) roven
 
y(t) = y(0) pro 0 £ t £ TD     (3)
 
kde y(0) je ustálená hodnota optické hustoty v okamžiku její skokové změny.
 
Čas t je vyjádřen počtem vytisknutých ar­chů. Naměřené hodnoty byly aproximovány modelem (2) s parametry podle tab. 2.
Naměřené časové průběhy podle tab. 1 jsou znázorněny na obr. 1.
 

4. Návrh řízení vybarvení barevníku tiskového stroje

 
Řízení vybarvení barevníku bylo navrženo a realizováno v otevřené smyčce (bez zpět­né vazby) změnami otevření zón barevnice v přípravné fázi tisku. Nejjednodušší strate­gie řízení je tato: první otevření zón barevní­ku z nulového počátečního stavu se nastaví na vyšší hodnotu míry otevření, než odpoví­dá optimálnímu vybarvení („přebuzení“ ba­revníku), a po určité době se míra otevření zmenší na požadovanou hodnotu odpovída­jící optimálnímu vybarvení [4]. Dobu a veli­kost přebuzení barevníku je možné zjistit si­mulací na počítačovém modelu např. v pro­gramu Matlab. Simulováno bylo chování bez setrvačného členu (3).
 
Bez řízení vybarvení se požadovaná hod­nota optické hustoty D ustálí až po vytisknutí většího počtu archů. Účelem řízení vybarve­ní přebuzením je snížit počet nevybarvených archů (tzv. makulatury).
 
Pro konkrétní hodnoty parametrů velikos­ti otevření barevníku Δu = 30 % a přebuzení m = 1,5, tj. pro počáteční otevření na 45 %, je vypočítaná doba vybarvení z (3) rovna 24 archům a po přičtení dopravního zpoždění je celková doba vybarvení přibližně 39 archů (obr. 2). Protože se u soustavy nepředpoklá­dá setrvačné chování, zůstává na této hodno­tě i po snížení vstupní veličiny na původní hodnotu. Vypočítaný náběh tisku se oproti buzení bez přebuzení zkrátil zhruba na jed­nu třetinu [5].
 
Na obr. 2 jsou časové průběhy optické hustoty D, vypočítané z modelu simulované­ho podle (2) v programu Matlab. Vpravo je zelenou křivkou zaznamenán průběh optické hustoty u stroje bez řízení, zelenou s řízením. Vlevo je průběh vstupního budicího signálu.
 
Popsaný způsob regulace otevření zóny byl simulován s velikostí přebuzení 15 % oproti ustálenému stavu 30 % a délkou pře­buzení dvacet archů. V tomto modelu byla na rozdíl od teoretického výpočtu zohledně­na skutečnost, že model má pro klesání op­tické hustoty dvojnásobnou hodnotu časové konstanty τ. Problémem při tomto jednodu­chém řízení je výskyt počátečního překmitu veličiny optické hustoty při vyšších hodno­tách přebuzení. Překmit je možné eliminovat snížením hodnoty přebuzení nebo zmenšením jeho délky, což ale prodlouží dobu náběhu op­tické hustoty na požadovanou hodnotu a dobu vybarvení archu. Funkce modelu je také znač­ně citlivá na nastavení optimální hodnoty ve­likosti přebuzení. Tato skutečnost se projevi­la i při verifikaci modelu při zkouškách na tiskovém stroji.
 
Možností, jak eliminovat tyto problémy, je použít složitější strategii řízení, která spočívá v počátečním „přebuzení“ barevníku, násle­dujícím „podbuzení“ pod úroveň optimálního vybarvení a návratu na hodnotu odpovídající optimálnímu vybarvení. Takto lze výrazně eli­minovat překmit a citlivost na hodnotu přebu­zení bez vlivu na zkrácení doby vybarvení, což bylo potvrzeno simulací v programu Matlab--Simulink. Průběh optické hustoty byl simu­lován s velikostí přebuzení z hodnoty 30 % na 47 % a délkou 40 archů, následujícím podbu­zením ze 47 % na 22 % a délkou dvaceti ar­chů a návratem na ustálenou hodnotu otevření zóny 30 %. Výsledek je prezentován na obr. 3.
 

5. Verifikace modelu

 
Dříve, než skončila v podniku Adast Ada­mov výroba tiskových strojů, byla provede­na měření na tiskovém stroji s využitím před­chozích poznatků.
 
Podmínky tisku:
  • duktor: 40 %,
  • otáčky stroje: 7 000 výtisků za hodinu,
  • tiskový papír: 135 g/m2,
  • tisková barva: Hartmann Intensiv P 2110 Magenta, tisk na první tiskové jednotce,
  • kontrolní měření vybarvení 100 % plochy: uprostřed rastrových pruhů (40% a 80% krytí),
  • cílová hodnota optické hustoty D: 1,4.
Testovací forma obsahuje čtyři pásy stří­davě se 40% a 80% krytím potiskované plo­chy (obr. 4). Při otočení na formovém válci se modeluje situace pro střídání méně a více vybarvených zakázek.
 
Při měření byl použit jednoduchý typ říze­ní, tedy přebuzení zóny s návratem na hodno­tu odpovídající optimálnímu vybarvení. Ná­sledující dva grafy, vybrané ze série několi­ka měření, ukazují jednak průběh vybarvení (charakterizovaný hodnotou optické hustoty D) bez přebuzení při změně jedné zakázky (obr. 5) a jednak průběh vybarvení s přebuze­ním (obr. 6) při změně na jinou zakázku. Bar­vy jednotlivých průběhů odpovídají tiskovým barvám C, M, Y, K použitým na jednotlivých tiskových jednotkách. Velikost hodnoty přebu­zení byla při tomto měření nastavena na 55 % a délka přebuzení na patnáct archů.
 
Z průběhů na obr. 6 je patrné výraz­né urychlení náběhu vybarvení ve srovnání s obr. 5. Například u žlutého průběhu na obr. 5 je doba ustálení přibližně na hodnotě 150 ar­chů, na obr. 6 je tato doba pod hodnotou 100 archů. Při vyhodnocení z více měření byla průměrná hodnota zkrácení vybarvení barev­níku stanovena pracovníky firmy Adast Ada­mov přibližně na 50 %. Na obr. 6 je u průběhů vybarvení patrný překmit, zmiňovaný v před­chozím textu.
 
Verifikací modelu 1. řádu se při reálných zkouškách na tiskovém stroji prokázala jeho platnost a použitelnost při simulacích tis­ku. Prokázalo se také, že se parametry mo­delu pro různé barevníky liší. V druhé eta­pě řešení projektu byl také navržen model 2. řádu chování zóny barevníku. Simulací v programu Matlab-Simulink bylo zjištěno, že tento model neodpovídá reálnému cho­vání barevníku.
 

5. Závěr

 
Vzhledem k ukončení výroby tiskových strojů v podniku Adast Adamov a násled­nému ukončení projektu nebyla uskuteč-něna verifikace modelu 1. řádu při přebuze­ní zóny barevnice s následujícím podbuze­ním. Tento způsob řízení byl pouze simulo­ván na modelech v programu Matlab-Simu-link.
 
Ze simulací a následujícího měření na tiskovém stroji vyplývá, že barevník reagu­je rychleji na větší změny v dávkování bar­vy do akčních členů. Tato skutečnost byla využita ke zkrácení doby optimálního vy­barvení barevníku. Simulací a následující­mi zkouškami na tiskovém stroji bylo po­tvrzeno, že je-li po určitou dobu zóny ba­revník přebuzen větším přívodem barvy, bude doba jeho odezvy více než o polo­vinu kratší.
 
Metoda dočasného přebuzení zón barev­níku byla integrována do technologického řídicího systému tiskových strojů Adast [6]. Výsledkem použití této metody je vý­znamné zkrácení doby přípravy nové za­kázky a úspora tiskových barev a potisko­vaného materiálu.
 
Literatura:
[1] CHOU, S. M. – BAIN, L. J.: Computer Simu­lation of Offset Printing. Taga Proceedings, 1997.
[2] CHU, C. – SHARMA, A.: Validating a Mo­del-Based Ink Key Presetting System. Taga Proceedings, 1998.
[3] TAKIDA, H. – HATSUTA, T. – KUDO, Y.: Ink Flow Simulation of Offset Lithografic Printing. Taga Proceedings, 2004.
[4] HUSÁK, J.: Model soustavy barevníku tis­kového stroje. Diplomová práce, Univerzita Pardubice, 2006.
[5] FRIBERT, M. – MACHÁČEK, J.: Řízení vy­barvení barevníku tiskového stroje. In: Process Control 07, Štrbské Pleso, červen 2007.
[6] Návod na centrální řízení ADACONTROL 3. Adast Adamov, 2005.
 
Ing. Miroslav Fribert, Dr.,
katedra elektrotechniky,
doc. Ing. Jiří Macháček, CSc.,
katedra řízení procesů,
Fakulta elektrotechniky a informatiky,
Univerzita Pardubice
 
Lektorovali: doc. Ing. Mgr. Petr Klán, CSc.,
Ústav informatiky AV ČR,
prof. Ing. Vladimír Vašek, CSc.,
Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně
 
Obr. 1. Aproximace modelem (3) – nárůst a pokles optické hustoty
Obr. 2. Průběh buzení a optické hustoty D pro řízený stav – modrá a neřízený stav – zelená
Obr. 3. Simulace s přebuzením a následujícím podbuzením zóny barevníku
Obr. 4. Testovací tisková forma
Obr. 5. Průběh vybarvení bez přebuzení
Obr. 6. Průběh vybarvení s přebuzením
 
Tab. 1. Naměřené hodnoty optických hustot při nárůstu a poklesu míry otevření barevníku
Tab. 2. Parametry aproximačního modelu 1. řádu s dopravním zpožděním