高性能變頻器和PLC在包裝印刷自動(dòng)套色位置系統(tǒng)的應(yīng)用

1 引言
在科學(xué)技術(shù)日新月異的當(dāng)今時(shí)代，為滿(mǎn)足現(xiàn)代人對(duì)商品包裝精美化的要求，對(duì)包裝印刷生產(chǎn)線(xiàn)的位置跟蹤的精確度要求越來(lái)越高。將各類(lèi)先進(jìn)技術(shù)以群體綜合應(yīng)用方式應(yīng)用于包裝線(xiàn)上，以謀求實(shí)現(xiàn)包裝印刷生產(chǎn)線(xiàn)高自動(dòng)化、高效能已迫在眉捷。而全數(shù)字化交-直-交交流變頻伺服驅(qū)動(dòng)器MSD0421A控制精度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)，將它與PLC一起應(yīng)用于包裝線(xiàn)上形成閉環(huán)位置控制器有非常重要的意義。它解決了包裝印刷上靠人工進(jìn)行初始定位難，定位誤差大，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)慢，傳動(dòng)中易錯(cuò)位，套色較困難等許多問(wèn)題。

2 MSD系列全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)、操作[1>[2>
我們使用日本松下變頻器是數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)，采用了專(zhuān)用的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP芯片)，硬件標(biāo)準(zhǔn)化，通用化，是一個(gè)多微處理器全數(shù)字化的閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件中有操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸、監(jiān)視、診斷及標(biāo)準(zhǔn)功能模塊子程序等。在應(yīng)用中采用圖形編程語(yǔ)言，根據(jù)不同的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，把系統(tǒng)所需要的模塊調(diào)出并組接起來(lái)，就構(gòu)成一個(gè)專(zhuān)用的傳動(dòng)系統(tǒng)。實(shí)際上它一種實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的可編程控制器，由于用微處理器作為控制系統(tǒng)的核心部件，不僅可以按照各種控制思想及數(shù)學(xué)模型進(jìn)行在線(xiàn)地快速計(jì)算與控制, 而且還有監(jiān)視、顯示、保護(hù)、故障自診斷及自復(fù)原等功能。

2.1 特點(diǎn)
MSD全數(shù)字式變頻器功能強(qiáng)大，適用于高性能位置控制器，它有38個(gè)參數(shù)設(shè)置，6種控制方式，其中脈沖串位置控制最為獨(dú)特。因?yàn)樗褂靡欢l率的脈沖信號(hào)作為代表位置命令的輸入信號(hào)，在復(fù)雜的工作現(xiàn)場(chǎng)中，它比模擬速度輸入信號(hào)精度高，抗干擾性強(qiáng)。

(1) MSD系列具有各種參數(shù)可以用來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特性和功能, 正確設(shè)定這些參數(shù), 可以使系統(tǒng)獲得最好的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
(2) 監(jiān)視功能, 如偏差脈沖數(shù)監(jiān)視、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)視、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩監(jiān)視。
(3) 顯示CNI/F的輸入/輸出控制信號(hào)狀態(tài)。
(4) 顯示故障原因及歷史。
(5) MSD系列內(nèi)部的動(dòng)態(tài)制動(dòng)可用于緊停。
(6) 保護(hù)功能, 如:過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)速保護(hù)等。
(7) 由計(jì)算機(jī)對(duì)MSD進(jìn)行監(jiān)視和操作。通過(guò)RS232C串行接口, 可將計(jì)算機(jī)與MSD相連, 并且由計(jì)算機(jī)對(duì)MSD進(jìn)行控制和操作, 用戶(hù)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)所連的MSD進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和修改, 也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)的CRT來(lái)監(jiān)視MSD的工作情況。

2.2 脈沖串位置控制誤差的操作
(1) 試運(yùn)行時(shí)電機(jī)軸上不加負(fù)載，由于電機(jī)加減速有沖突，必須固定電機(jī)。
(2) 如果用帶制動(dòng)器的電機(jī)則先釋放制動(dòng)器。
(3) 在沒(méi)有加主電源前, 先加DC12~24V電壓。
(4) 加主電源到驅(qū)動(dòng)器。
(5) 當(dāng)SERVO-ON時(shí), 電機(jī)就處于待運(yùn)行狀態(tài)。
(6) 在位置控制方式時(shí), 使偏差計(jì)數(shù)器零信號(hào)CL釋放,使脈沖指令禁止信號(hào)INH釋放, 電機(jī)就處于SERVO-LOCK狀態(tài)。
(7) 置參數(shù)NO.02為零, 此方式是位置(脈沖串)控制方式。
(8) 設(shè)置參數(shù)NO.29為參數(shù)值, 電機(jī)轉(zhuǎn)速正比于輸入脈沖頻率f×P25/P26×P27=2500×4×n/60。

3 包裝印刷自動(dòng)套色原理[4>
套印出現(xiàn)誤差有諸多原因，例如導(dǎo)輥和壓輥的平行度轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活，運(yùn)動(dòng)平衡不良，張力的波動(dòng)，印料厚薄不均，印料熱變形及印版輥的直徑誤差等，這種套印偏差在性質(zhì)上是連續(xù)變化的，而偏差量也不是定量[4>。所以必須不斷地監(jiān)視套印誤差并及時(shí)加以修正，人工套色時(shí)通常由印刷工肉眼觀察套印誤差，憑經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)修正輥的移動(dòng)來(lái)補(bǔ)償套印誤差，因而大大限制了印刷速度及套色精度，而采用自動(dòng)套色系統(tǒng)則可以提高印刷速度和套色精度。

圖1 凹版印刷機(jī)印刷流程圖

圖1為凹版印刷機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)的印刷過(guò)程簡(jiǎn)圖(僅畫(huà)出前面4個(gè)印刷單元)。印刷機(jī)由開(kāi)卷機(jī)運(yùn)行依次經(jīng)過(guò)各印刷單元，進(jìn)行各色的印刷和烘干，由收卷機(jī)進(jìn)行收卷。每色印刷都會(huì)在印料的邊緣印上以供套色用的色標(biāo)，每個(gè)相鄰顏色的標(biāo)志線(xiàn)在套印精確時(shí)應(yīng)相互平行，垂直(縱向)相距20mm。圖1中，光電掃描頭S1檢測(cè)由1單元和2單元印出的色標(biāo)。如果相鄰兩色標(biāo)間隙不等于20mm，則說(shuō)明套印出現(xiàn)了偏差，偏差經(jīng)微處理器進(jìn)行運(yùn)算，輸出控制信號(hào)以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使相應(yīng)的套色修正輥ML上下移動(dòng)來(lái)延長(zhǎng)或縮短印料上一單元印刷版輥到該單元印刷版輥的行程來(lái)動(dòng)態(tài)修正。各單元印刷套色以前一單元印出的色標(biāo)為基礎(chǔ)。

4 套色自動(dòng)化系統(tǒng)簡(jiǎn)介與方案設(shè)計(jì)[3>
本系統(tǒng)由一臺(tái)PC機(jī), S7-200CPU214/EDC可編程控制器, MSD變頻伺服系統(tǒng)組成控制核心, 其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

控制原理:整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)由最初軸頭安裝一臺(tái)旋轉(zhuǎn)編碼器，隨著傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，編碼器產(chǎn)生連續(xù)的脈沖信號(hào)，即每轉(zhuǎn)一周發(fā)出n個(gè)脈沖，根據(jù)輥?zhàn)又荛L(zhǎng)可換算出20mm相當(dāng)于多少個(gè)脈沖，此脈沖信號(hào)作為輸入給定信號(hào)，通過(guò)PLC的I0.6口送到高速計(jì)數(shù)器HSC1中。每個(gè)色輥上裝一臺(tái)色標(biāo)傳感器，它可以檢測(cè)到印品邊緣上的色標(biāo)，然后把檢測(cè)到的印品上的色標(biāo)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)，通過(guò)聯(lián)接到PLC的輸入端I1.0反饋到高速計(jì)數(shù)器HSC1的Reset中, PC機(jī)與PLC通過(guò)RS-485接口進(jìn)行異步串行通信，PC機(jī)從PLC中讀取這些數(shù)據(jù)和狀態(tài)信號(hào), 由軟件進(jìn)行比較分析、運(yùn)算、邏輯判斷后, 向PLC發(fā)出控制指令和數(shù)據(jù)，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出控制量, 調(diào)節(jié)色輥的相對(duì)位置, 消除印刷錯(cuò)位。

在整套印刷中，一般采用改變印版滾角的轉(zhuǎn)動(dòng)角度以達(dá)到調(diào)整印刷位置的目的，其閉環(huán)控制如圖3所示。

圖3 控制原理圖

圖3中檢測(cè)裝置為色標(biāo)傳感器, 它把檢測(cè)到的色標(biāo)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電脈沖送到PLC中, 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是交流伺服系統(tǒng), 它由PLC直接驅(qū)動(dòng), 不需要任何外圍電路。PLC把檢測(cè)到的信號(hào)與存貯器預(yù)先測(cè)定好的標(biāo)準(zhǔn)值相比較得到偏差值，然后按運(yùn)算規(guī)律根據(jù)脈沖偏差數(shù)算出該發(fā)出多少個(gè)脈沖。
5 軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件包括主程序、初始化對(duì)零程序、計(jì)數(shù)子程序、集成脈沖輸出子程序。

5.1 初初始化對(duì)零處理
如圖4所示，初始化對(duì)零程序的任務(wù)是使系統(tǒng)一合電源，包裝印刷機(jī)就自動(dòng)地對(duì)某個(gè)給定值進(jìn)行跟蹤而減少錯(cuò)位。當(dāng)編碼器的回0脈沖一到就起動(dòng)高速計(jì)數(shù)器，PLC一旦檢測(cè)到色標(biāo)信號(hào)就立即讀取計(jì)數(shù)值送入存貯器中。

圖4 初始化對(duì)零程序

5.2 計(jì)數(shù)子程序
首先把高速計(jì)數(shù)器HSC1的控制字節(jié)SMB47置為16#FC，其含義為:正方向計(jì)數(shù)，可更新預(yù)置值(PV)，可更新當(dāng)前值(CV)，激活HSC1。

然后，用指令HDEF把高速計(jì)數(shù)器HSC1置成工作模式1，即只有復(fù)位沒(méi)有起始輸入，也沒(méi)有方向選擇。當(dāng)前值SMD48復(fù)位為0，預(yù)置值SMD52置成FFFF(16進(jìn)制)。當(dāng)色標(biāo)傳感器的色標(biāo)脈沖信號(hào)輸入到PLC的I1.0就引起中斷,讀取計(jì)數(shù)器當(dāng)前值。用指令HSC1啟動(dòng)高速計(jì)數(shù)器。

5.3 集成脈沖輸出子程序
CPU214/DC有兩個(gè)脈沖輸出，可以用來(lái)控制交流驅(qū)動(dòng)器的脈沖，接線(xiàn)圖如上述程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序框圖

(1) 起動(dòng)電機(jī)的三個(gè)條件
(a) 按“START”(起動(dòng))按鈕，在輸入端I1.0產(chǎn)生脈沖上升沿(從0到1)
(b) 無(wú)聯(lián)鎖，即聯(lián)鎖標(biāo)志M0.2=0
(c) 電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)，即操作標(biāo)志M0.1=0

如果同時(shí)具備上述3個(gè)條件，則將M0.1置位，控制時(shí)執(zhí)行PLSO指令，在輸出端Q0.0輸出脈沖，其他必須預(yù)先具備的條件，已經(jīng)在首先掃描(SM0.1=1)設(shè)置，主要是脈沖輸出功能的基本數(shù)據(jù)，例如時(shí)基、周期和脈沖數(shù)。

(2) 停止電機(jī):停止電機(jī)的兩個(gè)條件
(a) 按“STOP”(停止)按鈕, 在輸入端I1.1產(chǎn)生脈沖上升沿(從0到1)
(b) 電機(jī)處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，即操作標(biāo)志M0.1=1
如果同時(shí)具備上述2個(gè)條件，則將標(biāo)志M0.1復(fù)位，并中斷輸出端Q0.0的脈沖輸出。

(3) 聯(lián)鎖
為保護(hù)人員和設(shè)備的安全, 在按“STOP”按鈕(I1.1)之后，必須規(guī)定驅(qū)動(dòng)器聯(lián)鎖，將聯(lián)鎖標(biāo)志M0.2置位，立即關(guān)斷驅(qū)動(dòng)器, 只有在M0.2復(fù)位后，才能重新起動(dòng)電機(jī)。當(dāng)“STOP”按鈕松開(kāi)后, 為防止電機(jī)的意外起動(dòng), 只有在“START”按鈕和“STOP”按鈕(I1.1)都松開(kāi)后，才能將M0.2復(fù)位，如要再次起動(dòng)電機(jī)，則必須再發(fā)出一個(gè)起動(dòng)信號(hào)。

5.4 主程序
當(dāng)系統(tǒng)投入工作時(shí)，主程序的任務(wù)就是根據(jù)PLC把隨機(jī)讀到的計(jì)數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)值相比較，而得到的偏差值，調(diào)節(jié)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序圖

6 結(jié)束語(yǔ)
在包裝印刷系統(tǒng)中我國(guó)與國(guó)外先進(jìn)水平存在明顯差距，國(guó)內(nèi)大多數(shù)先進(jìn)生產(chǎn)線(xiàn)都采用進(jìn)口設(shè)備。我們采用了全數(shù)字式變頻器驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)作為校正裝置。由于它采用的是脈沖串位置控制方式，它可以利用PLC高速計(jì)數(shù)器與集成脈沖輸出功能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，該套裝置控制精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。