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案例頻道摘 要：本文比較了機(jī)組式輪轉(zhuǎn)凹版印刷機(jī)七電機(jī)張力控制裝置的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案后，結(jié)合了三菱新開(kāi)發(fā)的內(nèi)置卷取功能的專用變頻的基礎(chǔ)上，提出了用三菱專用變頻和PLC構(gòu)成一種新的多CPU分級(jí)控制并行算法的張力控制新方案。并在凹版印刷機(jī)上已順利調(diào)試成功。實(shí)踐證明該方案的張力控制響應(yīng)速度至少可以提高10倍以上，而成本卻可以減少。并且在將來(lái)的無(wú)軸控制（shaftless）上具有較好的應(yīng)用開(kāi)發(fā)前景。
關(guān)鍵詞：張力控制；浮動(dòng)輥；分級(jí)控制；七電機(jī)；四段張力控制
Abstract：In this paper，we propose a new tension control method by using Mitsubishi inverter and PLC to construct a new parallel multi-CPU hierarchical control algorithm.It is based on the traditional design of seven motors，multi-unit rotary gravure printing machine that applies newly built-in winding function of Mitsubishi inverter.
This method is successful in commissioning the gravure printing machine?In the practice of tension control，it is 10 times faster than the traditional methods while with less cost.This kind of application will have a good application prospect in shaftless gravure printing machine.
Key words：Tension Control；Dancer Roll；hierarchical control；seven motors；four hierarchy control
1 凹版印刷機(jī)簡(jiǎn)介
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)了重要的位置。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，并在啟動(dòng)、運(yùn)行、換卷、停車等過(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)控制的技術(shù)核心，若張力控制穩(wěn)定、張力波動(dòng)小，機(jī)器的套印精度及印刷速度就會(huì)提高。
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)了重要的位置。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，并在啟動(dòng)、運(yùn)行、換卷、停車等過(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)控制的技術(shù)核心，若張力控制穩(wěn)定、張力波動(dòng)小，機(jī)器的套印精度及印刷速度就會(huì)提高。
2 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。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)。
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)的同行大都是使用浮動(dòng)輥檢測(cè)。
運(yùn)算控制一般由PLC、工控機(jī)或DSP來(lái)完成。近年來(lái)由于PLC的大量普及，性能價(jià)格比好，運(yùn)算速度逐年提高，所以大部分采用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。
3 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，隨著印刷速度的增加（從100多米到300米/分鐘），卷徑比的增加（有600mm增加到1500mm），印刷色組的增加（原來(lái)的6色加到13色）和輔助控制點(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的CPU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，但實(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FX-3U或SIEMENS S7-300）都要有近20ms的掃描周期。
所以筆者嘗試改革傳統(tǒng)張力控制的單CPU結(jié)構(gòu)，引入多CPU的分級(jí)控制，用各自獨(dú)立的CPU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。恰逢三菱推出自帶卷取功能的矢量變頻A740-A1，在研究了三菱的資料后，覺(jué)得引入該卷取變頻不失為一個(gè)值得去試驗(yàn)的好方案。
4 三菱卷取專用變頻的功能和特點(diǎn)
（1）內(nèi)部自帶浮輥專用PID軟件，可以直接接受浮輥電位器信號(hào)。
①浮輥PID可以按偏移量分段設(shè)定PI參數(shù)。
②浮輥控制的輸出量可以和主速度做比例補(bǔ)償。
③具有斷料報(bào)警功能。
（2）卷徑計(jì)算功能
①直接可以計(jì)算卷徑D=V/πnZ（V線速度，n轉(zhuǎn)速，Z速比）
②初始卷徑的多種計(jì)算方法或直接設(shè)定。
③啟動(dòng)時(shí)的P和I可單獨(dú)調(diào)整。
④速度增益可隨卷徑變化而分段設(shè)定自動(dòng)切換。
⑤自動(dòng)產(chǎn)生用于錐度控制的張力設(shè)定信號(hào)輸出。
⑥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）
①STALL 失速控制；
②加減速慣性補(bǔ)償；
③機(jī)械損耗補(bǔ)償；
④再生回避功能；
5 新方案的實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)構(gòu)成
系統(tǒng)由7臺(tái)電機(jī)傳動(dòng)控制，分別為2個(gè)收卷（A740-7.5K-A1）、2個(gè)放卷（A740-7.5K-A1）、主機(jī)（A740-22K-CHT）和收、放卷牽引（A740-3.7K-A1）構(gòu)成，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，如圖1所示。
圖1 張力系統(tǒng)分級(jí)控制框圖
控制系統(tǒng)特點(diǎn)：
（1）由于各變頻都帶卷徑計(jì)算和補(bǔ)償功能，所以可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預(yù)先得到補(bǔ)償控制。
（1）由于各變頻都帶卷徑計(jì)算和補(bǔ)償功能，所以可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0.1～0.3Hz，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米/分鐘高速不停機(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1～2ms。
（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485通訊接口，F(xiàn)X3U和A740之間有專用的通訊指令，所以整個(gè)系統(tǒng)采用485通訊設(shè)定修改參數(shù)，且編程相當(dāng)方便。
6 未來(lái)展望
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用變頻來(lái)構(gòu)成的印刷機(jī)標(biāo)準(zhǔn)7電機(jī)的張力控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）采用多CPU分級(jí)控制并行算法，使系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間大幅度提高，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和變頻全部用通訊方式連接，所以系統(tǒng)的AD/DA模塊可以盡量少用，既縮短了處理時(shí)間又節(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(méi)有增加其它費(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，就要進(jìn)一步提高性能來(lái)講，由于三菱的A740可以配CC-Link通訊卡，來(lái)提高通訊的可靠性。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)軸控制中得以發(fā)揮她的卓越性能。
參 考 文 獻(xiàn)
［1］三菱電機(jī)株式會(huì)社名古屋製作所.ダンサ制御機(jī)能付きインバータＦＲ－Ａ７□０－□Ｋ－Ａ１.
［2］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）.
——轉(zhuǎn)自《自動(dòng)化博覽》
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)