印刷機(jī)張力控制技術(shù)

馮　謙

摘要：在傳統(tǒng)的印刷機(jī)控制中，張力控制采用磁粉離合器和張力控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這種控制形式存在以下問(wèn)題:(1)調(diào)節(jié)速度不快，難以在高速印刷機(jī)上應(yīng)用;(2)張力控制精度不高;(3)印刷機(jī)上各張力段彼此獨(dú)立，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制;(4)磁粉離合器存在發(fā)熱和磨損問(wèn)題，維修困難。變頻器傳動(dòng)的印刷機(jī)張力控制系統(tǒng)，將印刷機(jī)的放卷、前牽引、印刷主軸、后牽引和收卷輥分別由單獨(dú)的變頻器拖動(dòng)，通過(guò)控制各段傳動(dòng)輥的線速度，實(shí)現(xiàn)張力的高精度控制。

關(guān)鍵詞：印刷機(jī) 張力 控制 技術(shù)

0 引言

在傳統(tǒng)的印刷機(jī)控制中，張力控制采用磁粉離合器和張力控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這種控制形式存在以下問(wèn)題:①調(diào)節(jié)速度不快，難以在高速印刷機(jī)上應(yīng)用；②張力控制精度不高；③印刷機(jī)上各張力段彼此獨(dú)立，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；④磁粉離合器存在發(fā)熱和磨損問(wèn)題，維修困難。

為解決以上問(wèn)題，我們開(kāi)發(fā)了一種變頻器傳動(dòng)的印刷機(jī)張力控制系統(tǒng)，將印刷機(jī)的放卷、前牽引、印刷主軸、后牽引和收卷輥分別由單獨(dú)的變頻器拖動(dòng)，通過(guò)控制各段傳動(dòng)輥的線速度，實(shí)現(xiàn)張力的高精度控制。

1 印刷控制技術(shù)

在印刷機(jī)中，印刷材料經(jīng)過(guò)放卷、前牽引、各套色印刷輥、后牽引和收卷完成整個(gè)印刷過(guò)程，由于各傳動(dòng)輥的線速度差異，因此在各傳動(dòng)輥間產(chǎn)生張力，在印刷工藝中要求對(duì)各段張力進(jìn)行嚴(yán)格的控制，尤其對(duì)有光電對(duì)版的高速機(jī)種，各段張力的控制精度要求在±1%以?xún)?nèi)。

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)主要由人機(jī)界面、PLC、矢量變頻器、編碼器和擺輥式張力檢測(cè)機(jī)構(gòu)組成，人機(jī)界面(HMI)采用臺(tái)達(dá)10寸彩色屏，通過(guò)它可以在線顯示設(shè)備運(yùn)行狀況、設(shè)定設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)并打印生產(chǎn)報(bào)表；PLC選用FAMA SC-500，在系統(tǒng)中用兩臺(tái)PLC是兼顧速度和可靠性的考慮，一臺(tái)用作設(shè)備的張力控制、另一臺(tái)作設(shè)備I/O控制；傳動(dòng)采用臺(tái)達(dá)V系列矢量型變頻器，安裝在傳動(dòng)軸上的編碼器將脈沖信號(hào)回饋到變頻器的PG卡中，形成速度閉環(huán)，使整體速度精度控制在在3‰以?xún)?nèi)；在本系統(tǒng)中，人機(jī)界面與PLC、PLC與各變頻器之間通過(guò)RS485通訊連接，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

3 張力控制原理

在高速印刷機(jī)控制中，對(duì)各段張力的控制不僅要求有高精度，而且要求有很高的速度響應(yīng)性，如用傳統(tǒng)的PID控制，在印刷機(jī)加(減)速時(shí)，前級(jí)傳動(dòng)軸先加(減)速，后級(jí)軸后加(減)速，速度差Δv造成張力Δf的變化，設(shè)備速度變化越快，Δv越大，Δf也越大，該Δf加到PID環(huán)后會(huì)出現(xiàn)張力超調(diào)甚至震蕩，如調(diào)節(jié)P.I.D參數(shù)避免張力超調(diào)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度會(huì)變慢，因此該方法很難滿足要求，如簡(jiǎn)單的采用同步控制，雖然可以解決張力突變問(wèn)題，但該方式為張力開(kāi)環(huán)控制，如果出現(xiàn)前級(jí)傳動(dòng)軸快與后級(jí)傳動(dòng)軸慢時(shí)，張力會(huì)變得越來(lái)越大，反之張力越來(lái)越小，產(chǎn)生傳動(dòng)速度的誤差積累問(wèn)題，無(wú)法自動(dòng)調(diào)節(jié)，因此，本系統(tǒng)采用以上兩種的結(jié)合

在本控制系統(tǒng)中，由變頻器和編碼器組成速度控制內(nèi)環(huán)，PLC、張力傳感器組成張力外環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)張力的串級(jí)控制；同時(shí)將測(cè)算出的放卷輥輸出線速度，換算成轉(zhuǎn)速后加到放卷輥后各傳動(dòng)輥的速度環(huán)上，作為速度的初始給定，這樣，在進(jìn)行張力調(diào)節(jié)之前，各傳動(dòng)輥間線速度基本同步，此時(shí)各傳動(dòng)輥間速度誤差在1%以?xún)?nèi)，張力誤差在3%以?xún)?nèi)(實(shí)測(cè)值)，然后通過(guò)張力串級(jí)調(diào)節(jié)進(jìn)一步提高張力控制精度。

3.1 放卷線控制 放卷輥為印刷機(jī)各傳動(dòng)輥的第一級(jí)，其它各輥速度跟隨放卷輥，在本系統(tǒng)中，人機(jī)界面設(shè)定設(shè)備的運(yùn)行線速度，通過(guò)測(cè)量放卷輥的半徑，可計(jì)算出卷輥的轉(zhuǎn)速；具體辦法為:PLC測(cè)量放卷輥上安裝的編碼器，每到一定角度(例如600)產(chǎn)生一次中斷，此時(shí)測(cè)量材料走過(guò)的距離L，則R=6L/2Π,放卷轉(zhuǎn)速為:n=l/2ΠR。l為設(shè)定的設(shè)備運(yùn)行速度。

3.2 速度同步控制 在本系統(tǒng)中，為保證各傳動(dòng)輥之間的線速度基本同步，需對(duì)各傳動(dòng)輥的驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行速度初給定，初給定的速度以放卷輥為基準(zhǔn)。設(shè)備的運(yùn)行速度在人機(jī)界面中設(shè)定，通過(guò)PLC計(jì)算后，換算成各變頻器運(yùn)行的頻率，經(jīng)PLC上的RS485口給各輥驅(qū)動(dòng)變頻器?？紤]到各變頻器的加減速及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特性很難一致，故需對(duì)除放卷輥外其它變頻器的速度初給定作一調(diào)整，即實(shí)際給定速度V=KV0，V0為計(jì)算速度，K為修正系數(shù)，實(shí)際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)對(duì)每段傳動(dòng)K值并不為恒定的，后對(duì)設(shè)備在加速、均速和減速狀態(tài)下分別修正不同的K值，在不加張力控制時(shí)，各傳動(dòng)輥的速度偏差可控制在0.8%以?xún)?nèi)。

3.3 張力控制 各段張力的設(shè)定在人機(jī)界面中進(jìn)行，設(shè)定張力由PLC計(jì)算，經(jīng)D/A模塊送電氣轉(zhuǎn)換裝置，轉(zhuǎn)換成氣信號(hào)后給擺輥氣缸，當(dāng)印刷材料張力大于設(shè)定值時(shí)，擺輥上移，反之下降，同時(shí)送出電壓信號(hào)給PLC。

各段傳動(dòng)經(jīng)過(guò)速度初給定后，線速度偏差不大，因此張力偏差信號(hào)較小，該信號(hào)經(jīng)PLC PID運(yùn)算處理后疊加到速度初給定上，控制變頻器輸出，通過(guò)控制速度實(shí)現(xiàn)張力控制。

4 印刷控制實(shí)例

所謂定長(zhǎng)印刷控制是指每次印刷的長(zhǎng)度是固定的。用戶在觸摸屏上輸入印刷長(zhǎng)度，選擇印刷速度和設(shè)置印刷數(shù)量。然后由PLC將用戶設(shè)置的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的運(yùn)算處理后控制伺服電機(jī)進(jìn)行高速定長(zhǎng)定位。由于運(yùn)行速度較高，但用戶設(shè)計(jì)的滾筒很重，慣量很大；由于要求停車(chē)要平穩(wěn)。為此我們利用了富士PLC中的一些特殊指令，配合我們自己的一些特殊運(yùn)算公式，能夠做到PLC指令脈沖的S型加減速，并且從伺服檢測(cè)曲線來(lái)看也完全實(shí)現(xiàn)了電機(jī)S型減速，達(dá)到平滑停車(chē)的效果。大大減少了大直徑滾筒對(duì)伺服電機(jī)的沖擊而產(chǎn)生的位置偏差。在實(shí)現(xiàn)這種停車(chē)效果的編程調(diào)試中，我們感覺(jué)到富士的PLS1發(fā)脈沖指令在這方面上有充分的優(yōu)勢(shì)。首先它的加減速時(shí)間短，只有6ms；其次可以在發(fā)脈沖時(shí)不斷變換脈沖頻率，可以做到分級(jí)減速。這樣的停車(chē)使得電機(jī)能平滑減速，減少了大慣量的滾筒對(duì)機(jī)械的沖擊，實(shí)現(xiàn)了高節(jié)拍運(yùn)行與平穩(wěn)停車(chē)的目標(biāo)。此外，盡管富士的這款SPB系列的小型PLC價(jià)格較低，但是具有發(fā)送2路高達(dá)100KHz脈沖的能力。換句話說(shuō)，它可以同時(shí)控制兩個(gè)交流伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)高速、高精度定位。這也是我們與客戶一致認(rèn)同采用富士PLC的一大因素。

5 設(shè)備的調(diào)試

實(shí)際調(diào)試中，先對(duì)速度同步環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)試，此時(shí)切除張力控制部分，當(dāng)各輥的線速度同步誤差在1%以下時(shí)，再加入張力控制部分，張力調(diào)試先單段進(jìn)行，沖前向后依次調(diào)試，最后再進(jìn)行系統(tǒng)連調(diào)。

6 小結(jié)

在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)印刷機(jī)速度在200m/min時(shí)，張力控制精度可達(dá)0.9%，滿足設(shè)備工藝要求。

參考文獻(xiàn):

[1]李平等.造紙機(jī)的微機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)[J].輕工自動(dòng)化及儀表.

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