矢量變頻器在七電機(jī)凹版印刷機(jī)上的應(yīng)用

摘要：介紹了用匯川矢量變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)七電機(jī)凹印機(jī)的張力系統(tǒng)控制的方案及優(yōu)越性。
關(guān)鍵詞：凹版印刷機(jī)、PLC、矢量變頻器、張力專(zhuān)用變頻器
簡(jiǎn)介：
一、凹印機(jī)簡(jiǎn)介：凹版印刷因其版面特征而得名，以其精美的印刷質(zhì)量在軟包裝行業(yè)占有重要的位置。凹印機(jī)一般由放卷裝置、放卷牽引、主機(jī)、收卷牽引、收卷裝置組成，根據(jù)配置的不同有三電機(jī)系統(tǒng)、五電機(jī)系統(tǒng)、七電機(jī)系統(tǒng)。一般的凹印機(jī)的基本配置有主機(jī)、收卷牽引及放卷牽引三個(gè)電機(jī)。放卷張力由磁粉制動(dòng)器控制，收卷張力是由力矩電機(jī)或磁粉離合器控制，這是基本的三電機(jī)系統(tǒng)。若將放卷及收卷張力改為變頻器控制的電機(jī)來(lái)控制，則為五電機(jī)系統(tǒng)。對(duì)于帶有自動(dòng)換卷的雙工位收、放卷系統(tǒng)，則構(gòu)成目前比較先進(jìn)的七電機(jī)系統(tǒng)。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，并在運(yùn)行過(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。張力控制是凹版印刷的控制技術(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高。
二、行業(yè)現(xiàn)狀介紹：因?yàn)樵诟咚儆∷⑦^(guò)程中對(duì)套色精度要求高，所以整個(gè)過(guò)程中的張力控制精度要求很高，長(zhǎng)久以來(lái)，七電機(jī)凹印機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分一直是進(jìn)口變頻器的天下，更高檔的無(wú)軸傳動(dòng)系統(tǒng)是伺服控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)國(guó)產(chǎn)矢量變頻器相繼推出，但因?yàn)槭噶靠刂频乃惴◤?fù)雜，國(guó)產(chǎn)矢量變頻器在性能上主要是穩(wěn)速精度及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性方面和進(jìn)口變頻器相比還有些許差距。一些國(guó)產(chǎn)高端變頻器已經(jīng)在印包行業(yè)占有重要位置，但一般多用在復(fù)合機(jī)、分切機(jī)等要求不是很高的應(yīng)用場(chǎng)合。最能體現(xiàn)高水平要求的七電機(jī)凹印機(jī)長(zhǎng)久來(lái)被進(jìn)口變頻器的獨(dú)霸地位還是無(wú)法被撼動(dòng)。
深圳市匯川技術(shù)有限公司推出的MD320系列矢量控制變頻器及MD330張力專(zhuān)用變頻器，集高端性能與強(qiáng)大功能與一身，利用其獨(dú)特的同步控制及張力控制功能，有效彌補(bǔ)性能上和進(jìn)口高端變頻器的些許差距，成功應(yīng)用于七電機(jī)凹印機(jī)系統(tǒng)。下面就匯川變頻器在七電機(jī)凹印機(jī)上的應(yīng)用方案與目前行業(yè)中的方案作以比較進(jìn)行分析。
方案介紹：
一、傳統(tǒng)方案：
系統(tǒng)的張力控制是通過(guò)控制系統(tǒng)線(xiàn)速度恒定來(lái)控制張力穩(wěn)定。目前行業(yè)多是利用高檔PLC來(lái)進(jìn)行恒線(xiàn)速度控制，將收放卷牽引及收放卷裝置的擺輥電位器的反饋信號(hào)送到PLC，通過(guò)PLC進(jìn)行PID控制及卷徑計(jì)算，將結(jié)果通過(guò)模擬量的方式傳給矢量變頻器。變頻器在整個(gè)控制系統(tǒng)中只是一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這就需要PLC運(yùn)算速度快并且需要擴(kuò)展較多的A/D和D/A模塊，而且因?yàn)镻LC運(yùn)算速度及信號(hào)傳替的影響，使得系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，所以只能用矢量變頻器中最高端的品牌，要求變頻器模擬量輸入口有高的分辨率，變頻器動(dòng)態(tài)響應(yīng)快而且穩(wěn)速精度高，來(lái)彌補(bǔ)因方案不足而造成的延遲。
二、匯川變頻器方案：
1、 匯川矢量變頻器簡(jiǎn)介
匯川矢量控制變頻器是近年來(lái)新推出的國(guó)產(chǎn)高檔變頻器。主要有MD300簡(jiǎn)易型矢量變頻器、MD320通用型矢量變頻器及MD330張力控制專(zhuān)用矢量型變頻器。MD300功能簡(jiǎn)單，主要應(yīng)用于功能要求低而對(duì)性能要求較高的場(chǎng)合。MD320功能強(qiáng)大，并可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)矢量控制，能滿(mǎn)足目前大多數(shù)行業(yè)對(duì)變頻器功能及性能的要求。MD330是張力專(zhuān)用變頻器控制器，主要將卷徑計(jì)算，張力錐度、預(yù)驅(qū)動(dòng)等張力控制的專(zhuān)用功能集于一身，實(shí)現(xiàn)了張力控制的簡(jiǎn)易化。MD330的張力控制有轉(zhuǎn)矩模式及速度模式。對(duì)張力控制精度要求高的場(chǎng)合一般有速度模式，對(duì)張力控制精度要求不高的場(chǎng)合，可以用轉(zhuǎn)矩模式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且調(diào)試方便。
2、 匯川變頻器的系統(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（MD330）、兩個(gè)放卷（MD330）、主機(jī)（MD320）和收、放卷牽引（MD320）構(gòu)成，其中收卷、放卷和收、放卷牽引都是帶張力反饋的閉環(huán)張力控制，變頻器工作在速度模式。由于中部是印刷部分，對(duì)套色精度要求高，所以主機(jī)和收、放卷牽引均工作在帶編碼器的閉環(huán)矢量控制方式。如圖所示：

3、 控制要點(diǎn)：
1） 要求每段張力恒定，擺桿擺動(dòng)幅度小。但由于收、放卷過(guò)程卷徑在不斷地變化，PID的調(diào)節(jié)必須考慮卷徑變化而帶來(lái)的速度變化，否則擺杠擺動(dòng)太大；
2） 中間套色印刷對(duì)張力變化很敏感，所以要求前后牽引擺杠擺動(dòng)要非常小，否則就容易套色不準(zhǔn)。這樣要求穩(wěn)速精度高，而且系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)時(shí)響應(yīng)速度快。
3） 自動(dòng)換卷時(shí)速度平穩(wěn)，擺桿擺動(dòng)小，盡量減小廢品率。
4、實(shí)現(xiàn)過(guò)程
系統(tǒng)速度由主機(jī)控制，可通過(guò)電位器來(lái)設(shè)定或通過(guò)人機(jī)界面設(shè)定。主機(jī)變頻器的運(yùn)行頻率信號(hào)經(jīng)AO1輸入到PLC，PLC根據(jù)觸摸屏上輸入的版徑（印刷軸的直徑）計(jì)算出線(xiàn)速度信號(hào)，以模擬量的方式輸出給收、放卷牽引及放卷變頻器，通過(guò)AI2端口輸入至變頻器。對(duì)于放卷部分，因?yàn)榫韽阶兓且鹁€(xiàn)速度變化的因素之一，變頻器將根據(jù)當(dāng)前線(xiàn)速度自動(dòng)計(jì)算出卷徑，再將卷徑對(duì)速度的影響疊加進(jìn)去，給出相應(yīng)的主頻率保證基本同步，用PID作為輔助頻率進(jìn)行微調(diào)，此PID反饋系統(tǒng)是張力擺桿，反饋信號(hào)通過(guò)AI1端口輸入至變頻器。因?yàn)镻ID只作微調(diào)即可保證同步，使得擺桿波動(dòng)很小，而且起停平穩(wěn)。PLC的線(xiàn)速度信號(hào)同時(shí)也通過(guò)變頻器的AI1端口輸入至收、放卷牽引變頻，作為它的主頻率源，因?yàn)榇谁h(huán)節(jié)沒(méi)有卷徑變化，所以調(diào)節(jié)相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)需張力專(zhuān)用變頻器，用通用變頻器即可。速度控制也是采用主頻率源AI1與輔助頻率源PID疊加的方式來(lái)調(diào)整。PID的反饋是通過(guò)AI2端口輸入至變頻器的。經(jīng)PLC換算后主機(jī)和牽引的傳動(dòng)比相同，所以在此PID也只要微調(diào)即可保證同步。自動(dòng)換卷過(guò)程，因?yàn)閮蓚€(gè)卷軸目前的卷徑不同，所以在相同頻率時(shí)線(xiàn)速度不同，直接切換則會(huì)造成速度突變而使得擺桿大幅度擺動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)將材料拉斷。必須先通過(guò)預(yù)驅(qū)動(dòng)的方式使待換軸的線(xiàn)速與目前系統(tǒng)的線(xiàn)速度一致，方可保證在自動(dòng)換卷時(shí)切換無(wú)沖擊，使得擺桿穩(wěn)定。
5、匯川變頻器的方案優(yōu)勢(shì)：
1）、從上述過(guò)程可以看出，原本需要通過(guò)PLC進(jìn)行運(yùn)算的PID、卷徑及預(yù)驅(qū)動(dòng)等，均可以利用變頻器本身所具有的功能來(lái)完成。速度調(diào)節(jié)由變頻器本身來(lái)完成，最直接而且動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。可以彌補(bǔ)系統(tǒng)對(duì)變頻器穩(wěn)速精度要求高、模擬量分辨率高及變頻器對(duì)PLC輸出信號(hào)的快速響應(yīng)的需求。
2） 自動(dòng)換卷時(shí)，MD330本身帶有預(yù)驅(qū)動(dòng)功能，使得空卷軸的線(xiàn)速度和系統(tǒng)運(yùn)行線(xiàn)速度一致，保障切換時(shí)的擺桿的平穩(wěn)。
6、調(diào)試中常見(jiàn)的及需要注意的問(wèn)題：
1）、因?yàn)槭噶靠刂品绞綄?duì)電機(jī)的參數(shù)有較大的依賴(lài)，所以調(diào)試前建議要作電機(jī)參數(shù)辨識(shí)，使得變頻器獲得比較準(zhǔn)確的電機(jī)參數(shù)，才能獲得較好的控制效果。
2）、實(shí)現(xiàn)閉環(huán)矢量過(guò)程中經(jīng)常遇到因?yàn)榫幋a器信號(hào)造成變頻器過(guò)電流的現(xiàn)象。表現(xiàn)形式為開(kāi)環(huán)矢量工作正常而工作在閉環(huán)矢量時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速很慢且電流很大。一種原因是編碼器的A、B相接反，對(duì)調(diào)即可。，另外一種原因是編碼器丟脈沖，檢查編碼器是否連接穩(wěn)固；是否有單相脈沖丟失的情況。
3）、為了使收、放卷牽引的擺桿擺動(dòng)幅度小，需要調(diào)試收、放卷牽引的主頻率器運(yùn)行在最大頻率時(shí)，所傳動(dòng)材料的線(xiàn)速度要與系統(tǒng)的最大線(xiàn)速度相等。調(diào)試時(shí)只要看PLC的輸出10V時(shí)對(duì)應(yīng)的最大線(xiàn)速度值，然后根據(jù)傳動(dòng)比和傳動(dòng)軸直徑計(jì)算出達(dá)到該線(xiàn)速度所需要的頻率做為收放卷牽引變頻器的最大頻率即可。
4）、兩個(gè)放卷的初始卷徑可用同一個(gè)模擬量輸入，這是因初始卷徑值只有在DI輸入被復(fù)位瞬間才是有效的，所以可以用兩臺(tái)復(fù)位的時(shí)間不同來(lái)區(qū)別初始卷徑是為那臺(tái)的 ，初始卷徑的來(lái)源定義成AI2，PLC編程時(shí)要注意它們的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
5）、為了減小牽引PID的調(diào)節(jié)量，輔助頻率源范圍選擇參數(shù)F0-05設(shè)為相對(duì)于最大頻率、輔助頻率源范圍F0-06設(shè)為8%（50Hz*8%=4Hz），這樣可以有效防止超調(diào)并且線(xiàn)速度為0時(shí)PID依然有作用，保證零速時(shí)張力恒定。
6）、收卷?yè)Q料時(shí)必須卷徑復(fù)位，否則起動(dòng)時(shí)擺桿波動(dòng)變大；
7）、放卷?yè)Q料時(shí)因卷徑有突變，所以卷徑濾波時(shí)間要設(shè)小，這樣系統(tǒng)一運(yùn)行變頻器就會(huì)快速計(jì)算出卷徑；使系統(tǒng)快速穩(wěn)定下來(lái)。
8） 、運(yùn)行時(shí)要觀察擺桿擺動(dòng)的規(guī)律來(lái)調(diào)整PI參數(shù)即可獲得滿(mǎn)意的效果。
結(jié)束語(yǔ)：
匯川矢量變頻器利用其獨(dú)有的強(qiáng)大功能及優(yōu)秀的性能，通過(guò)與方案的巧妙結(jié)合，利用變頻器的功能，在七電機(jī)凹印機(jī)中應(yīng)用成功。有效地減少了PLC的工作量，而且邏輯清晰、線(xiàn)路簡(jiǎn)單。與原有系統(tǒng)相比，變頻器成本有較大幅度的節(jié)省。本該方案由于收放卷與牽引都帶張力反饋，主機(jī)和牽引都用有速度傳感器矢量控制；張力反饋和多數(shù)控制信號(hào)直接輸入到變頻器，所以具有控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、成本低、、故障率低、維護(hù)方便等特點(diǎn)，是一個(gè)性?xún)r(jià)比優(yōu)良的方案。
參考文獻(xiàn)：
（1）、MD320用戶(hù)手冊(cè)。深圳市匯川技術(shù)有限公司編印
（2）、MD330用戶(hù)手冊(cè)。深圳市匯川技術(shù)有限公司編印
（3）、卑江艷 凹版印刷 化學(xué)工業(yè)出版社。
作者簡(jiǎn)介：
肖尚輝：2000年畢業(yè)于福州工業(yè)學(xué)院機(jī)電一體化專(zhuān)業(yè)。
張衛(wèi)江：1991年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)控制系。