基于三菱卷取专用矢量变频A740-A1的凹印机张力控制系统

• 关键词：电机,伺服,pid,三菱plc
• 作者：瑞安信旭印刷包装机械有限公司 总工程师 冯小金 上海三菱(MEAS) 李 昉 上海茂智自动化设备贸易有限公司 任朝胜
• 摘要：在卷材的印刷过程中，要求控制的张力主要有放卷张力、进料张力、出料张力、收卷张力。这就是通常讲的4段张力，一般卷料在印刷色组间的张力控制由版递增来实现。在无轴系统中也有用各色组驱动电机的速度差来实现。

一、凹印机简介：凹版印刷因其印刷工艺的印版特征而得名，以其精美的印刷质量在软包装行业中占领了重要的位置。凹印机一般由放卷装置、进料牵引、主机牵引、出料牵引、收卷装置组成，其标准配置是常见的七电机系统。(含收卷、放卷的自动换卷)。卷材印刷时，需要一定的张力将材料张紧进入印刷单元，并在启动、运行、换卷、停车等过程中保证张力稳定，才能保证各种颜色套印准确，图案精美。因此讲张力控制是凹版印刷机械驱动控制的技术核心，若张力控制稳定，张力波动小，机器的套印精度及印刷速度就高。
　　

二、张力控制系统的构成及现状：（传统方案）
　　在卷材的印刷过程中，要求控制的张力主要有放卷张力、进料张力、出料张力、收卷张力。这就是通常讲的4段张力，一般卷料在印刷色组间的张力控制由版递增来实现。在无轴系统中也有用各色组驱动电机的速度差来实现。（此课题暂不在此专门讨论展开。）
　　张力控制系统一般有检测、运算控制和驱动装置组成。
　　检测部分一般由张力传感器或浮动辊组成，近年来由于浮动辊在卷料换卷过程中对材料的张力吸收较好，所以业内的同行大都是使用浮动辊检测。
　　运算控制一般由 PLC、工控机或DSP来完成。近年来由于PLC的大量普及，性能价格比好，运算速度逐年提高，所以大部分采用PLC来做张力控制。一般将浮辊信号经AD转换后直接进入PLC，由PLC进行卷径计算、恒线速度控制、和各段张力的PID运算，并将结果通过模拟量DA的方式传给矢量变频器。
　　变频器在整个控制系统中即作为驱动执行机构又作为张力的调整装置。因此对变频的调速范围和精度、转矩精度、动态响应特性等等关键技术都有比较高的要求。
　　

三．传统方案的局限和我们的改革思路。
　　由于传统的系统张力控制是通过一台PLC来完成，随着印刷速度的增加（从100多米到300米/分钟），卷径比的增加（有600mm增加到1500mm），印刷色组的增加（原来的6色加到13色）和辅助控制点数的增加（压辊、风机、油墨粘度控制等等），对于循环扫描方式运算的PLC的CPU来讲，有点不堪重任，就算将一些辅助控制移到另一台PLC来完成，但实际的4段张力所需的运算时间用较先进的PLC（例如三菱的FX-3U或SIEMENS 的S7-300 ）都要有近20ms的扫描周期。
　　所以我们尝试改革传统张力的单CPU结构，引入多CPU的独立算法来计算各段张力并直接控制驱动变频来调节张力，即按控制功能的种类或需要每个CPU各司其职，以提高重要环节的处理性能。正好三菱推出自带卷取功能的矢量变频A740-A1，我们在研究了三菱的资料后，觉得引入该卷取变频不失为一个值得去试验的好方案。
　　

四．三菱卷取专用变频的功能和特点
　　1．内部自带浮辊专用PID软件，可以直接接受浮辊电位器信号。
　　 ① 浮辊PID可以按偏移量分段设定P I参数。
　　 ② 浮辊控制的输出量可以和主速度做比例补偿。
　　 ③ 具有断料报警功能。

　　2．卷径计算功能
　　 ① 直接可以计算卷径  D=V/πnZ  (V线速度，n转速，Z速比)
　　② 初始卷径的多种计算方法或直接设定。
　　 ③ 启动时的P和I 可单独调整。
　　④ 速度增益可随卷径变化而分段设定自动切换。
　　⑤ 自动产生用于锥度控制的张力设定信号输出。
　　⑥ 收/放卷长度的检测和控制输出 。

　　3．卷径演算型恒张力控制（转矩控制模式）
　　① STALL 失速控制
　　② 加减速惯性补偿
　　③ 机械损耗补偿
　　④ 再生回避功能

五.  新方案的实现和系统构成：
　　系统由七台电机传动控制，分别为两个收卷（A740 -7.5K-A1）、两个放卷（A740 -7.5K-A1）、主机（A740-22K-CHT）和收、放卷牵引（A740 -3.7K-A1 ）构成，其中收卷、放卷和收、放卷牵引的浮辊信号分别直接接到各自的变频，由各自变频内置的浮辊运算模块分别并行运算控制。如图所示：

 
　　控制系统特点：
　　⑴  由于各变频都带卷径计算和补偿功能，所以我们使各变频按照线速度同步要求运转，版周长的变化和收放卷的直径变化都预先得到补偿控制。
　　⑵  由于整个系统预先已做到线速度同步，使得浮辊仅用于张力波动引起的速度补偿控制，实测浮动辊的调整量只有0.1-0.3HZ，即位置波动小。且由于是多CPU的独立计算，使得系统的响应明显加快，在250米/分钟高速不停机接料时张力波动非常小。据初步测算，系统的响应时间可以比单CPU方式的PLC提高10-20倍，大约在1-2ms 。
　　⑶  由于可以通过参数预置初始卷径，所以根据当前的实际线速度和预置卷径来控制预驱动速度。实测预驱动变频的线速度和旧轴线速度相当吻合，接料张力波动较小。
　　⑷ 由于A740-A1都自带485通讯接口，FX3U和A740之间有专用的通讯指令，所以整个系统采用485通讯设定修改参数， 且编程相当方便
　　

六． 未来展望
　　经过我们现场的实际应用和调试，证明用三菱的卷取专用变频来构成   的印刷机标准七电机的张力控制系统具有以下优点:
　　1． 采用多CPU的并行算法，使系统的响应时间大幅度提高，且张力控制精度也明显提高，换料工作可靠。
　　2． 由于浮辊信号直接进入变频，PLC和变频全部用通讯方式连接，所以系统的AD/DA模块可以尽量少用，既缩短了处理时间又节省了成本。
　　3． 三菱的卷取专用变频只是在软件上加入卷取模块，没有增加其它费用，所以如果算上减少的AD/DA 模块，整个系统的性价比反而提高，有一定的实用价值。
　　4． 由于我们的客户在价格上控制成本，所以我们在系统设计时比较精算成本，如果要进一步提高性能来讲，由于三菱的A740可以配CC-Link通讯卡，来提高通讯的可靠性。在有些高速同步运行的印刷机中,也可选配SSCNET-III（伺服系统控制网络）的专用附件，作为伺服产品使用，使得A740-A1在印刷机的无轴控制中得以发挥她的卓越性能。这也是我们厂今后的发展目标。

　　瑞安信旭印刷包装机械有限公司   总工程师   冯小金
　　上海三菱(MEAS)                            李  昉
　　上海茂智自动化设备贸易有限公司            任朝胜
　　2009-05-21

　　参考文献
　　①三菱電機株式会社名古屋製作所 
　　ダンサ制御機能付きインバータ  ＦＲ－Ａ７□０－□Ｋ－Ａ１
　　②三菱电机自动化(上海)有限公司                      FR-A00使用手册(应用篇)