馮小金， 李 昉， 任朝勝

(1.瑞安信旭印刷包裝機械有限公司，浙江瑞安 325200;2.三菱電機自動化(上海)有限公司，上海 200003;3.上海茂智自動化設備貿易有限公司，上海 200331)

0 引言

凹版印刷因其印刷工藝的印版特征而得名，以其精美的印刷質量在軟包裝行業(yè)中占領了重要位置。凹印機一般由放卷裝置、進料牽引、主機牽引、出料牽引、收卷裝置等組成，其標準配置是常見的七電機系統(含收卷、放卷的自動換卷)。卷材印刷時，需要一定的張力將材料張緊進入印刷單元，并在起動、運行、換卷、停車等過程中保證張力穩(wěn)定，才能保證各種顏色套印準確，圖案精美。因此張力控制是凹版印刷機械驅動控制的核心技術，若張力控制穩(wěn)定，波動小，則機器的套印精度及印刷速度就高。

1 張力控制系統的構成及現狀

在卷材的印刷過程中，要求控制的張力主要有放卷張力、進料張力、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實現，在無軸系統中也有用各色組驅動電機的速度差來實現的。

張力控制系統一般有檢測、運算控制和驅動裝置等組成。檢測部分一般由張力傳感器或浮動輥組成，近年來由于浮動輥在卷料換卷過程中對材料的張力吸收較好，所以業(yè)內的同行大都使用浮動輥檢測。運算控制一般由可編程邏輯控制器(PLC)、工控機或數字信號處理器(DSP)來完成。近年來由于PLC的大量普及，性價比好，運算速度逐年提高，所以大部分系統采用PLC來做張力控制。一般將浮輥信號經AD轉換后直接進入PLC，由PLC進行卷徑計算、恒線速度控制和各段張力的PID運算，并將結果通過模擬量DA的方式傳給矢量變頻器。變頻器在整個控制系統中既作為驅動執(zhí)行機構又作為張力的調整裝置。因此對變頻的調速范圍和精度、轉矩精度、動態(tài)響應特性等關鍵技術都有比較高的要求。

2 傳統方案的局限及改革思路

由于傳統的系統張力控制是通過一臺PLC來完成的，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(原來的6色加到13色)及輔助控制點數的增加(壓輥、風機、油墨粘度控制等)，對于循環(huán)掃描方式運算的PLC來講，有點不堪重任，就算將一些輔助控制移到另一臺PLC來完成，實際的4段張力所需的運算時間用較先進的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。

因此嘗試改革傳統張力的單CPU結構，引入多CPU的獨立算法來計算各段張力并直接控制驅動變頻來調節(jié)張力，即按控制功能的種類或需要，每個CPU各司其職，以提高重要環(huán)節(jié)的處理性能。經研究，引入三菱推出的自帶卷取功能的矢量變頻A740-A1，是一個值得去試驗的好方案。

3 三菱卷取專用變頻的功能和特點

(1)內部自帶浮輥專用PID軟件，可以直接接受浮輥電位器信號:浮輥PID可以按偏移量分段設定PI參數;浮輥控制的輸出量可以和主速度做比例補償;具有斷料報警功能。

(2)卷徑計算功能:直接可以計算卷徑D=V/πnZ(V為線速度，n為轉速，Z為速比);初始卷徑的多種計算方法或直接設定;起動時的P和I可單獨調整;速度增益可隨卷徑變化而分段設定自動切換;自動產生用于錐度控制的張力設定信號輸出;收/放卷長度的檢測和控制輸出。

(3)卷徑演算型恒張力控制(轉矩控制模式):STALL失速控制;加、減速慣性補償;機械損耗補償;再生回避功能。

4 新方案的實現及系統構成

系統由七臺電機傳動控制，分別為兩個收卷(A740-7.5K-A1)、兩個放卷(A740-7.5K-A1)、主機(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分別直接接到各自的變頻，由各自變頻內置的浮輥運算模塊分別并行運算控制，見圖1。

圖1 改進方案系統構成

控制系統特點如下:

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

(2)由于整個系統預先已做到線速度同步，使得浮輥僅用于張力波動引起的速度補償控制，實測浮動輥的調整量只有0.1～0.3 Hz，即位置波動小。且由于是多CPU的獨立計算，使得系統的響應明顯加快，在250 m/min高速不停機接料時張力波動非常小。據初步測算，系統的響應時間可以比單CPU方式的PLC提高10～20倍，大約在1～2 ms。

(3)由于可以通過參數預置初始卷徑，所以根據當前的實際線速度和預置卷徑來控制預驅動速度。實測預驅動變頻的線速度和舊軸線速度相當吻合，接料張力波動較小。

(4)由于A740-A1都自帶RS-485通信接口，FX3U和A740之間有專用的通信指令，所以整個系統采用RS-485通信設定、修改參數，且編程相當方便。

5 結語

經過現場的實際應用和調試，證明用三菱的卷取專用變頻來構成的印刷機標準七電機的張力控制系統具有以下優(yōu)點:

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

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

(3)三菱的卷取專用變頻只是在軟件上加入卷取模塊，沒有增加其他費用，所以如果算上減少的AD/DA模塊，整個系統的性價比反而提高，有一定的實用價值;

(4)由于客戶在價格上控制成本，所以在系統設計時比較精算成本，如果要進一步提高性能，三菱的A740可以配CC-Link通信卡來提高通信的可靠性。在有些高速同步運行的印刷機中，也可選配SSCNET-III(伺服系統控制網絡)的專用附件，作為伺服產品使用，使得A740-A1在印刷機的無軸控制中可以更好地發(fā)揮其卓越性能。

［1］三菱電機自動化(上海)有限公司.FR-A00使用手冊(應用篇)［G］.2007.