基于三菱卷取專(zhuān)用矢量變頻A740-A1的凹印機(jī)張力控制系統(tǒng)

馮小金， 李 昉， 任朝勝

(1.瑞安信旭印刷包裝機(jī)械有限公司，浙江瑞安 325200;2.三菱電機(jī)自動(dòng)化(上海)有限公司，上海 200003;3.上海茂智自動(dòng)化設(shè)備貿(mào)易有限公司，上海 200331)

0 引言

凹版印刷因其印刷工藝的印版特征而得名，以其精美的印刷質(zhì)量在軟包裝行業(yè)中占領(lǐng)了重要位置。凹印機(jī)一般由放卷裝置、進(jìn)料牽引、主機(jī)牽引、出料牽引、收卷裝置等組成，其標(biāo)準(zhǔn)配置是常見(jiàn)的七電機(jī)系統(tǒng)(含收卷、放卷的自動(dòng)換卷)。卷材印刷時(shí)，需要一定的張力將材料張緊進(jìn)入印刷單元，并在起動(dòng)、運(yùn)行、換卷、停車(chē)等過(guò)程中保證張力穩(wěn)定，才能保證各種顏色套印準(zhǔn)確，圖案精美。因此張力控制是凹版印刷機(jī)械驅(qū)動(dòng)控制的核心技術(shù)，若張力控制穩(wěn)定，波動(dòng)小，則機(jī)器的套印精度及印刷速度就高。

1 張力控制系統(tǒng)的構(gòu)成及現(xiàn)狀

在卷材的印刷過(guò)程中，要求控制的張力主要有放卷張力、進(jìn)料張力、出料張力、收卷張力等。這就是通常講的4段張力，一般卷料在印刷色組間的張力控制由版遞增來(lái)實(shí)現(xiàn)，在無(wú)軸系統(tǒng)中也有用各色組驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度差來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

張力控制系統(tǒng)一般有檢測(cè)、運(yùn)算控制和驅(qū)動(dòng)裝置等組成。檢測(cè)部分一般由張力傳感器或浮動(dòng)輥組成，近年來(lái)由于浮動(dòng)輥在卷料換卷過(guò)程中對(duì)材料的張力吸收較好，所以業(yè)內(nèi)的同行大都使用浮動(dòng)輥檢測(cè)。運(yùn)算控制一般由可編程邏輯控制器(PLC)、工控機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)來(lái)完成。近年來(lái)由于PLC的大量普及，性價(jià)比好，運(yùn)算速度逐年提高，所以大部分系統(tǒng)采用PLC來(lái)做張力控制。一般將浮輥信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后直接進(jìn)入PLC，由PLC進(jìn)行卷徑計(jì)算、恒線速度控制和各段張力的PID運(yùn)算，并將結(jié)果通過(guò)模擬量DA的方式傳給矢量變頻器。變頻器在整個(gè)控制系統(tǒng)中既作為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)又作為張力的調(diào)整裝置。因此對(duì)變頻的調(diào)速范圍和精度、轉(zhuǎn)矩精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性等關(guān)鍵技術(shù)都有比較高的要求。

2 傳統(tǒng)方案的局限及改革思路

由于傳統(tǒng)的系統(tǒng)張力控制是通過(guò)一臺(tái)PLC來(lái)完成的，隨著印刷速度的增加(從100 m/min到300 m/min)、卷徑比的增加(由600 mm增加到1 500 mm)、印刷色組的增加(原來(lái)的6色加到13色)及輔助控制點(diǎn)數(shù)的增加(壓輥、風(fēng)機(jī)、油墨粘度控制等)，對(duì)于循環(huán)掃描方式運(yùn)算的PLC來(lái)講，有點(diǎn)不堪重任，就算將一些輔助控制移到另一臺(tái)PLC來(lái)完成，實(shí)際的4段張力所需的運(yùn)算時(shí)間用較先進(jìn)的PLC(例如三菱的FX-3U或SIEMENS的S7-300)仍然需要近20 ms的掃描周期。

因此嘗試改革傳統(tǒng)張力的單CPU結(jié)構(gòu)，引入多CPU的獨(dú)立算法來(lái)計(jì)算各段張力并直接控制驅(qū)動(dòng)變頻來(lái)調(diào)節(jié)張力，即按控制功能的種類(lèi)或需要，每個(gè)CPU各司其職，以提高重要環(huán)節(jié)的處理性能。經(jīng)研究，引入三菱推出的自帶卷取功能的矢量變頻A740-A1，是一個(gè)值得去試驗(yàn)的好方案。

3 三菱卷取專(zhuān)用變頻的功能和特點(diǎn)

(1)內(nèi)部自帶浮輥專(zhuān)用PID軟件，可以直接接受浮輥電位器信號(hào):浮輥PID可以按偏移量分段設(shè)定PI參數(shù);浮輥控制的輸出量可以和主速度做比例補(bǔ)償;具有斷料報(bào)警功能。

(2)卷徑計(jì)算功能:直接可以計(jì)算卷徑D=V/πnZ(V為線速度，n為轉(zhuǎn)速，Z為速比);初始卷徑的多種計(jì)算方法或直接設(shè)定;起動(dòng)時(shí)的P和I可單獨(dú)調(diào)整;速度增益可隨卷徑變化而分段設(shè)定自動(dòng)切換;自動(dòng)產(chǎn)生用于錐度控制的張力設(shè)定信號(hào)輸出;收/放卷長(zhǎng)度的檢測(cè)和控制輸出。

(3)卷徑演算型恒張力控制(轉(zhuǎn)矩控制模式):STALL失速控制;加、減速慣性補(bǔ)償;機(jī)械損耗補(bǔ)償;再生回避功能。

4 新方案的實(shí)現(xiàn)及系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由七臺(tái)電機(jī)傳動(dòng)控制，分別為兩個(gè)收卷(A740-7.5K-A1)、兩個(gè)放卷(A740-7.5K-A1)、主機(jī)(A740-22K-CHT)和收、放卷牽引(A740-3.7K-A1)，其中收卷、放卷和收、放卷牽引的浮輥信號(hào)分別直接接到各自的變頻，由各自變頻內(nèi)置的浮輥運(yùn)算模塊分別并行運(yùn)算控制，見(jiàn)圖1。

圖1 改進(jìn)方案系統(tǒng)構(gòu)成

控制系統(tǒng)特點(diǎn)如下:

(1)由于各變頻都帶卷徑計(jì)算和補(bǔ)償功能，所以使各變頻按照線速度同步要求運(yùn)轉(zhuǎn)，版周長(zhǎng)的變化和收、放卷的直徑變化都已預(yù)先得到補(bǔ)償控制。

(2)由于整個(gè)系統(tǒng)預(yù)先已做到線速度同步，使得浮輥僅用于張力波動(dòng)引起的速度補(bǔ)償控制，實(shí)測(cè)浮動(dòng)輥的調(diào)整量只有0.1～0.3 Hz，即位置波動(dòng)小。且由于是多CPU的獨(dú)立計(jì)算，使得系統(tǒng)的響應(yīng)明顯加快，在250 m/min高速不停機(jī)接料時(shí)張力波動(dòng)非常小。據(jù)初步測(cè)算，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間可以比單CPU方式的PLC提高10～20倍，大約在1～2 ms。

(3)由于可以通過(guò)參數(shù)預(yù)置初始卷徑，所以根據(jù)當(dāng)前的實(shí)際線速度和預(yù)置卷徑來(lái)控制預(yù)驅(qū)動(dòng)速度。實(shí)測(cè)預(yù)驅(qū)動(dòng)變頻的線速度和舊軸線速度相當(dāng)吻合，接料張力波動(dòng)較小。

(4)由于A740-A1都自帶RS-485通信接口，F(xiàn)X3U和A740之間有專(zhuān)用的通信指令，所以整個(gè)系統(tǒng)采用RS-485通信設(shè)定、修改參數(shù)，且編程相當(dāng)方便。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用和調(diào)試，證明用三菱的卷取專(zhuān)用變頻來(lái)構(gòu)成的印刷機(jī)標(biāo)準(zhǔn)七電機(jī)的張力控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)采用多CPU的并行算法，使系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間大幅提高，且張力控制精度也明顯提高，換料工作可靠;

(2)由于浮輥信號(hào)直接進(jìn)入變頻，PLC和變頻全部用通信方式連接，所以系統(tǒng)的AD/DA模塊可以盡量少用，縮短了處理時(shí)間且節(jié)省了成本;

(3)三菱的卷取專(zhuān)用變頻只是在軟件上加入卷取模塊，沒(méi)有增加其他費(fèi)用，所以如果算上減少的AD/DA模塊，整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比反而提高，有一定的實(shí)用價(jià)值;

(4)由于客戶在價(jià)格上控制成本，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)比較精算成本，如果要進(jìn)一步提高性能，三菱的A740可以配CC-Link通信卡來(lái)提高通信的可靠性。在有些高速同步運(yùn)行的印刷機(jī)中，也可選配SSCNET-III(伺服系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò))的專(zhuān)用附件，作為伺服產(chǎn)品使用，使得A740-A1在印刷機(jī)的無(wú)軸控制中可以更好地發(fā)揮其卓越性能。

［1］三菱電機(jī)自動(dòng)化(上海)有限公司.FR-A00使用手冊(cè)(應(yīng)用篇)［G］.2007.