淺談匯川變頻器在凹印機上的設計和應用

1、引言
　　凹印機因其版面特征而得名，以其精美的印刷質量在軟包裝行業占有重要的位置。它一般由放卷裝置、放卷牽引、主機、收卷牽引、收卷裝置組成，根據配置的不同有三電機系統、五電機系統、七電機系統。
　　一般的凹印機的基本配置有主機、收卷牽引及放卷牽引三個電機。放卷張力由磁粉制動器控制，收卷張力是由力矩電機或磁粉離合器控制，這是基本的三電機系統。若將放卷及收卷張力改為變頻器控制的電機來控制，則為五電機系統。對于帶有自動換卷的雙工位收、放卷系統，則構成目前比較先進的七電機系統。
　　卷材印刷時，需要一定的張力將材料張緊進入印刷單元，并在運行過程中保證張力穩定，才能保證各種顏色套印準確，圖案精美。張力控制是凹版印刷的控制技術核心，若張力控制穩定，張力波動小，機器的套印精度及印刷速度就高。
　　因為在高速印刷過程中對套色精度要求高，所以整個過程中的張力控制精度要求很高，長久以來，七電機凹印機的驅動部分一直是進口變頻器的天下，更高檔的無軸傳動系統是伺服控制器來實現。近年來國產矢量變頻器相繼推出，但因為矢量控制的算法復雜，國產矢量變頻器在性能上主要是穩速精度及動態響應特性方面和進口變頻器相比還有些許差距。一些國產高端變頻器已經在印包行業占有重要位置，但一般多用在復合機、分切機等要求不是很高的應用場合。最能體現高水平要求的七電機凹印機長久來被進口變頻器的獨霸地位還是無法被撼動。
　　深圳市匯川技術有限公司推出的MD320系列矢量控制變頻器及MD330張力專用變頻器，集高端性能與強大功能與一身，利用其獨特的同步控制及張力控制功能，有效彌補性能上和進口高端變頻器的些許差距，成功應用于七電機凹印機系統。本文就匯川變頻器在七電機凹印機上的應用方案與目前行業中的方案作以比較進行分析。
2、方案介紹
2.1 傳統方案
　　系統的張力控制是通過控制系統線速度恒定來控制張力穩定。目前行業多是利用高檔PLC來進行恒線速度控制，將收放卷牽引及收放卷裝置的擺輥電位器的反饋信號送到PLC，通過PLC進行PID控制及卷徑計算，將結果通過模擬量的方式傳給矢量變頻器。變頻器在整個控制系統中只是一個執行機構。這就需要PLC運算速度快并且需要擴展較多的A/D和D/A模塊，而且因為PLC運算速度及信號傳替的影響，使得系統動態響應變慢，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，變頻器動態響應快而且穩速精度高，來彌補因方案不足而造成的延遲。
2.2 匯川變頻器方案：
（1）匯川矢量變頻器簡介
　　匯川矢量控制變頻器是近年來新推出的國產高檔變頻器。主要有MD300簡易型矢量變頻器、MD320通用型矢量變頻器及MD330張力控制專用矢量型變頻器。MD300功能簡單，主要應用于功能要求低而對性能要求較高的場合。MD320功能強大，并可實現閉環矢量控制，能滿足目前大多數行業對變頻器功能及性能的要求。MD330是張力專用變頻器控制器，主要將卷徑計算，張力錐度、預驅動等張力控制的專用功能集于一身，實現了張力控制的簡易化。MD330的張力控制有轉矩模式及速度模式。對張力控制精度要求高的場合一般有速度模式，對張力控制精度要求不高的場合，可以用轉矩模式，系統結構簡單而且調試方便。
（2）匯川變頻器的系統構成
　　系統由七臺電機傳動控制，分別為兩個收卷（MD330）、兩個放卷（MD330）、主機（MD320）和收、放卷牽引（MD320）構成，其中收卷、放卷和收、放卷牽引都是帶張力反饋的閉環張力控制，變頻器工作在速度模式。由于中部是印刷部分，對套色精度要求高，所以主機和收、放卷牽引均工作在帶編碼器的閉環矢量控制方式。如附圖所示。

附圖 七電機凹印機示意圖

（3）控制要點
　　要求每段張力恒定，擺桿擺動幅度小。但由于收、放卷過程卷徑在不斷地變化，PID的調節必須考慮卷徑變化而帶來的速度變化，否則擺杠擺動太大；
　　中間套色印刷對張力變化很敏感，所以要求前后牽引擺杠擺動要非常小，否則就容易套色不準。這樣要求穩速精度高，而且系統在動態時響應速度快。
　　自動換卷時速度平穩，擺桿擺動小，盡量減小廢品率。
（4）實現過程
　　系統速度由主機控制，可通過電位器來設定或通過人機界面設定。主機變頻器的運行頻率信號經AO1輸入到PLC，PLC根據觸摸屏上輸入的版徑（印刷軸的直徑）計算出線速度信號，以模擬量的方式輸出給收、放卷牽引及放卷變頻器，通過AI2端口輸入至變頻器。對于放卷部分，因為卷徑變化是引起線速度變化的因素之一，變頻器將根據當前線速度自動計算出卷徑，再將卷徑對速度的影響疊加進去，給出相應的主頻率保證基本同步，用PID作為輔助頻率進行微調，此PID反饋系統是張力擺桿，反饋信號通過AI1端口輸入至變頻器。因為PID只作微調即可保證同步，使得擺桿波動很小，而且起停平穩。PLC的線速度信號同時也通過變頻器的AI1端口輸入至收、放卷牽引變頻，作為它的主頻率源，因為此環節沒有卷徑變化，所以調節相對簡單，無需張力專用變頻器，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疊加的方式來調整。PID的反饋是通過AI2端口輸入至變頻器的。經PLC換算后主機和牽引的傳動比相同，所以在此PID也只要微調即可保證同步。自動換卷過程，因為兩個卷軸目前的卷徑不同，所以在相同頻率時線速度不同，直接切換則會造成速度突變而使得擺桿大幅度擺動，嚴重時會將材料拉斷。必須先通過預驅動的方式使待換軸的線速與目前系統的線速度一致，方可保證在自動換卷時切換無沖擊，使得擺桿穩定。
（5）匯川變頻器的方案優勢
　　從上述過程可以看出，原本需要通過PLC進行運算的PID、卷徑及預驅動等，均可以利用變頻器本身所具有的功能來完成。速度調節由變頻器本身來完成，最直接而且動態響應快。可以彌補系統對變頻器穩速精度要求高、模擬量分辨率高及變頻器對PLC輸出信號的快速響應的需求。
　　自動換卷時，MD330本身帶有預驅動功能，使得空卷軸的線速度和系統運行線速度一致，保障切換時的擺桿的平穩。
3、調試中常見的及需要注意的問題
（1）因為矢量控制方式對電機的參數有較大的依賴，所以調試前建議要作電機參數辨識，使得變頻器獲得比較準確的電機參數，才能獲得較好的控制效果。
（2）實現閉環矢量過程中經常遇到因為編碼器信號造成變頻器過電流的現象。表現形式為開環矢量工作正常而工作在閉環矢量時電機轉速很慢且電流很大。一種原因是編碼器的A、B相接反，對調即可。，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幅度小，需要調試收、放卷牽引的主頻率器運行在最大頻率時，所傳動材料的線速度要與系統的最大線速度相等。調試時只要看PLC的輸出10V時對應的最大線速度值，然后根據傳動比和傳動軸直徑計算出達到該線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）兩個放卷的初始卷徑可用同一個模擬量輸入，這是因初始卷徑值只有在DI輸入被復位瞬間才是有效的，所以可以用兩臺復位的時間不同來區別初始卷徑是為那臺的 ，初始卷徑的來源定義成AI2，PLC編程時要注意它們的對應關系。
（5）為了減小牽引PID的調節量，輔助頻率源范圍選擇參數F0-05設為相對于最大頻率、輔助頻率源范圍F0-06設為8%（50Hz＊8%=4Hz），這樣可以有效防止超調并且線速度為0時PID依然有作用，保證零速時張力恒定。
（6）收卷換料時必須卷徑復位，否則起動時擺桿波動變大；
（7）放卷換料時因卷徑有突變，所以卷徑濾波時間要設小，這樣系統一運行變頻器就會快速計算出卷徑；使系統快速穩定下來。
（8）運行時要觀察擺桿擺動的規律來調整PI參數即可獲得滿意的效果。
4、結束語
　　匯川矢量變頻器利用其獨有的強大功能及優秀的性能，通過與方案的巧妙結合，利用變頻器的功能，在七電機凹印機中應用成功。有效地減少了PLC的工作量，而且邏輯清晰、線路簡單。與原有系統相比，變頻器成本有較大幅度的節省。本該方案由于收放卷與牽引都帶張力反饋，主機和牽引都用有速度傳感器矢量控制；張力反饋和多數控制信號直接輸入到變頻器，所以具有控制精度高、動態響應快、成本低、、故障率低、維護方便等特點，是一個性價比優良的方案。