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    問題的提出

    印刷機二級張力控制在印刷過程中起著至關(guān)重要的作用，它直接影響到印品的套印精度，特別是在對套印要求較高的場合顯得尤為重要。一級張力控制系統(tǒng)存在的誤差。機器運行速度的改變以及外部客觀因素影響造成的張力波動，都需要二級張力控制系統(tǒng)來調(diào)整，以保證印刷單元張力平衡。沒有良好的二級張力控制系統(tǒng)，套印控制系統(tǒng)就無法完全消除張力變化造成的誤差。

    我公司從德國引進的KOCHS，EK七色凹印機，其二級張力控制系統(tǒng)采用SIEMEMS公司的可逆直流驅(qū)動系統(tǒng)，經(jīng)過近20年的使用，由于直流驅(qū)動控制裝置、張力檢測放大裝置及外圍控制元器件老化．故障頻繁。由于獲得原配置的備件困難且代價高，外圍控制器件多，加上直流電機本身固有的維護保養(yǎng)困難，已不能滿足生產(chǎn)與工藝的需要。利用現(xiàn)有較成熟的控制技術(shù)對該機二級張力控制部分進行改造，消除設(shè)備故障對生產(chǎn)造成的影響勢在必行。

    原機二級張力控制系統(tǒng)

    1．原機二級張力控制系統(tǒng)的組成

    (1)張力檢測與放大

    張力檢測為FAG公司壓力傳感器，型號為MGZ205，每個傳感器由3個阻值為220n的精密電阻及一個基本阻值為220n的壓力敏感電阻組成，電源電壓為+5VDC。張力放大器在Infeed側(cè)采用兩個FAG公司的單路放大器板MGZll0及一個兩路輸入平均加法器MGZl 20配套組成，Outfeed側(cè)由一個FAG公司的雙路平均放大器板MGZll0B構(gòu)成，輸入電源電壓為220VAC，輸出電壓為0―10VDC。放大器板主要功能有：為壓力傳感器提供+5．OVDC電源。提供校正用+2．7VDC基準電源．校正．零位調(diào)整。放大倍數(shù)調(diào)整、限幅及末級功率放大輸出、故障檢測及指示等。

    (2)直流馬達控制器

    采用SIEMEMS公司S～OREG M系列可逆變換器6RA5021-3MA00。主回路額定輸入電壓為三相380VAC：－5％、＋10％、50Hz；額定輸出電壓為400VDC，電流35A，功率14kW。勵磁回路額定輸入電壓為單相380VAC，最大輸出為310VDC、8A。

    (3)直流馬達部件

    包含型號為1GG511 2-OKDll-6JUl-Z的馬達，其額定參數(shù)為：電樞電壓60―400V、電樞電流16．5A．功率5．5kW、轉(zhuǎn)速50―2000轉(zhuǎn)／分鐘。勵磁電壓180V、勵磁電流1．20A；型號為TDP 0．09 S-3測速電機，其參數(shù)為0．4W。40VDC、1000轉(zhuǎn)／分鐘。圖中未標出的還有：制動力矩為25Nm的電磁制動器和參數(shù)為三相380V．0．28A的鼓風(fēng)馬達。

    (4)輔助電路

    除為各部件提供電源外，主要進行張力控制系統(tǒng)本身的保護與控制，同時完成與主機連鎖保護與控制。

    2．原機二級張力控制系統(tǒng)的控制原理

    原機二級張力控制系統(tǒng)控制示意如圖1所示。現(xiàn)就原系統(tǒng)的工作描述如下。

圖1 原機二級張力控制系統(tǒng)控制示意圖

    (1)張力檢測與放大。為了消除印刷過程中紙張自身變形及走紙沒有完全居中等各種因素的影響，準確檢測紙張的張力，在壓力檢測輥兩端分別安襄一個壓力傳感器，并將檢測到的信號分兩路輸入放大器．經(jīng)過校正、調(diào)零及放大倍數(shù)調(diào)整后，消除張力輥自身重量及壓力檢測放大系統(tǒng)本身不一致性等因素的影響后，取其加權(quán)平均值作為實際張力輸出。

     (2)張力控制。將設(shè)定張力。實際張力與張力偏置的差值，并根據(jù)設(shè)定張力。實際張力實時差值的大小相應(yīng)選擇叫可通過外部信號封鎖)或PID控制模式并限幅，根據(jù)其應(yīng)用于Infeed或Outfeed的具體要求設(shè)置，其輸出作為速度環(huán)的輔助輸入。張力偏置的設(shè)置范圍為可設(shè)置最大張力值的0-10％，其目的是在機器準備階段將機架間的紙張預(yù)張緊，消除機器啟動時對紙張沖擊而可能造成的斷紙。

     (3)可逆變換器。常規(guī)速度電流雙閉環(huán)控制模式。將張力環(huán)輸出衰減至20％，與主機速度(速度給定)，測速電機信號一起構(gòu)成完整的速度閉環(huán)反饋。其整定次序是：在解除張力控制信號和速度環(huán)ID參數(shù)后，并在空載情況下，整定速度反饋分量及比例參數(shù)，然后是ID參數(shù)交叉逐步逼近，除了涉及零電流檢測、連續(xù)電流與斷續(xù)電流可變參數(shù)PID控制外，對于四象限運行可逆變換器，還涉及零點整定，電流換向與死區(qū)控制。最大導(dǎo)通角與最小逆變角設(shè)定，因此在調(diào)整時應(yīng)多加小心，以防變換器發(fā)生顛覆而損壞，由于電流環(huán)在變換器出廠時已經(jīng)整定好，基本不用進一步調(diào)整。

     (4)輔助電路。為各部件提供滿足條件的電源，按照控制的時序要求，檢測各部件的工作狀態(tài)，控制各部件的工作，并提供欠流、過流。欠壓、過壓，過載保護。與主機的連鎖保護與控制體現(xiàn)在：運行．停止及加減速連鎖，張力過小時主機加速防止等保護。

    改造方案的選擇

    1．改造總體方案

    改造總體方案主要有如下2種。

    (1)基本利用原有的機械結(jié)構(gòu)，主要進行電氣控制系統(tǒng)史新?lián)Q代。該方案對機器的改動少，費用低，準備時間短，但聯(lián)機調(diào)試所花費的時間較長，原系統(tǒng)的可恢復(fù)性差。

    (2)重新制作大部分機構(gòu)及全部電氣控制系統(tǒng)，并在原機器上增加必要的機構(gòu)，形成兩套完整的張力控制系統(tǒng)。該方案費用高，準備時間較長，安裝空間受到一定的限制，但對機器的改動更少，可離線調(diào)試，聯(lián)機調(diào)試所花費的時間短，不存在原系統(tǒng)的恢復(fù)性問題。

    由于公司的生產(chǎn)任務(wù)非常繁重，為縮短安裝調(diào)試時間，盡可能不影響生產(chǎn)，確定采用第二種方案。

    2．功率放大與執(zhí)行機構(gòu)的選擇

    功率放大與執(zhí)行機構(gòu)的選擇方案主要有如下3種。

    (1)直流可逆變換器+直流馬達。此方案技術(shù)成熟，穩(wěn)定性及可控性好，可利用現(xiàn)有馬達，費用低，但輔助控制電路較復(fù)雜，且直流馬達維護較困難。

    (2)交流變頻器+交流馬達。此方案費用最低，輔助控制電路簡單，且馬達維護容易，但用于四象限運行的技術(shù)不全面，低速穩(wěn)定性及可控性差，基本上不用于要求大范圍．高精度控制的場合。

    (3)伺服驅(qū)動器+伺服馬達。該項技術(shù)也已經(jīng)成熟，穩(wěn)定性及可控性好，輔助控制電路簡單，馬達容易維護，但費用最高。

     本次改造確定采用伺服驅(qū)動器+伺服馬達的第三種方案。

    3．驅(qū)動器與電機的確定

    原機生產(chǎn)速度為1 00米／分鐘，最大可設(shè)置張力F=100kgf，按瞬時最高速度為V=140米／分鐘．同步皮帶傳動效率n=0．93、驅(qū)動電機最高轉(zhuǎn)速N=2000轉(zhuǎn)／分鐘。驅(qū)動輥直徑D=185mm計算，則驅(qū)動輥所應(yīng)提供的平均功率P為：

    P1=f *V=F * g *V

    其中，f為張力，單位為N；g為重力加速度，單位為米’／秒，則有：

    Pi=FxgxV二100x 9．8x140／60=2286(W)二2．286(kW)

    驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速Nl=1000xV／3．14／D=1000x140／3．14／

    185=241(轉(zhuǎn)／分鐘)

    采用兩級同步皮帶傳動減速，則電機輸出的最小功率P為：

    P= P1／n’二2．286／0．93／0．93=2．643(kW)

    考慮到快速響應(yīng)對加減速的要求，比照原驅(qū)動系統(tǒng)對電機的選擇，在此選擇功率為5．OkW伺服驅(qū)動系統(tǒng)。

    4．二級張力控制系統(tǒng)的構(gòu)成

    參考原機及其他多種凹印機二級張力的控制方式，考慮到客觀條件的限制以及筆者對張力控制系統(tǒng)的理解和把握程度，選擇WARNER ELECTRIC公司的浮動輥張力傳感器MCS-605E．張力控制器MCS2000-CTDA用于Infeed張力檢測與控制，而選擇Mitsubishi公司雙壓力傳感器LX-100TD、張力控制器LE-40MTA-E用于Outfeed張力檢測與控制，執(zhí)行部件都選擇PANASONIC交流伺服電機驅(qū)動器MHD503A1V。電機MHM502A1，加上相應(yīng)的機械部件，組成完整的二級張力控制系統(tǒng)。Infeed

    Infeed二級張力控制系統(tǒng)改造方案

    Infeed二級張力控制系統(tǒng)電氣原理示意如圖2所示?，F(xiàn)就圖2做如下說明。

圖2 Infeed二級張力控制系統(tǒng)電氣原理示意圖

    1．由于采用浮動輥張力檢測結(jié)構(gòu)，浮動輥位置設(shè)置點設(shè)置的實際上是張力平衡狀態(tài)時浮動輥的位置，與張力設(shè)置值無關(guān)，張力的設(shè)置一般采用如下2種形式。

    (1)配重式。早期采用的形式，由鋼質(zhì)浮動輥。浮動輥前后配重塊支架及相應(yīng)的配重塊組成。調(diào)節(jié)較困難．直觀顯示難于實現(xiàn)；由于重力加速度的存在，浮動輥浮動時配重本身會對張力造成的沖擊，使張力控制的精度受到很大影響。

    (2)氣動式。目前采用的形式，由輕質(zhì)鋁合金浮動輥、精密調(diào)壓閥或壓控比例調(diào)節(jié)閥。緩；中氣罐及低磨氣缸(最好是膜式氣缸)組成。此種方式將重力加速度對張力控制精度的影響降到最低，調(diào)節(jié)與顯示方便，甚至可實現(xiàn)集中控制與顯示。

    2．MCS2000-CTDA能夠?qū)崿F(xiàn)開環(huán)、閉環(huán)及開閉環(huán)混合3種控制模式。開環(huán)控制時，開環(huán)輸出與輸入Anl91為線性關(guān)系，可根據(jù)實際需要設(shè)置；閉環(huán)控制以設(shè)置點為基準，根據(jù)傳感器輸入及PID設(shè)置調(diào)整輸出；混合控制將開環(huán)控制輸出與閉環(huán)PID輸出結(jié)合起來，組成其輸出。實際使用時采用開閉環(huán)混合控制模式。有關(guān)MCS2000-CTDA PID參數(shù)的設(shè)置方法請參見《印刷技術(shù)》2003年10月第30期上刊登的文章(凹印機放卷張力控制系統(tǒng)的改造)。

     3．Anlgl取自主機的測速輸出，以與重復(fù)印刷長度成正比為基準設(shè)定，并限制其輸出電壓范圍為0一i4VDC，對應(yīng)的主機最高速度為140米／分鐘。設(shè)置開環(huán)輸出時取Anlgl信號電壓為3V．11V及其對應(yīng)的伺服電機轉(zhuǎn)速為設(shè)置點，在正常工作速度范圍內(nèi)具有良好的跟隨能力，為動態(tài)性能的提高奠定基礎(chǔ)。

    4．利用MCS2000-CTDA及驅(qū)動器MHD503A1V所提供的數(shù)字I／O接口，可方便地與主機進行連鎖控制，實現(xiàn)原機的緊急停機，停機及預(yù)備狀態(tài)等功能。

    Outfeed二級張力控制系統(tǒng)改造方案

    0utfeed二級張力控制系統(tǒng)電氣原理示意如圖3所示。

圖3  0utfeed二級張力控制系統(tǒng)電氣原理示意圖

　  現(xiàn)就圖3做如下說明。

    1．壓力傳感器LX-100TD：兩個100kgf的壓力傳感器，分別安裝于張力檢測輥兩端。傳感器檢測到的僅僅是與檢測軸線平行的壓力或拉力分量．而檢測不到垂直方向上的分量。一般地，通過檢測輥的兩紙面，其夾角最好在90以內(nèi)；其合力的方向與檢測軸線的夾角在30以內(nèi)。過大的夾角一方面降低傳感器的靈敏度，另一方面易導(dǎo)致傳感器損壞。合理利用這個特點，就可適當增加同一傳感器的檢測范圍。

    2．張力控制器LE-40MTA-E：Mitsubishi Electric公司生產(chǎn)的張力控制器，其張力檢測輸入只能選用壓力傳感器，而輸出則可以用于控制多種執(zhí)行部件。全數(shù)字化工程設(shè)置界面及自動檢測功能，為工程運用提供了方便。特別是可直接控制電壓為24VDC。電流小于4A的電磁制動器。對于開卷機構(gòu)的運用，線路簡潔，控制方便，是其他類型的張力控制器所無法比擬的。

    3．按照張力控制器及控制任務(wù)的要求完成接線后，即可通電進行初始化設(shè)置，壓力傳感器零點與檢測范圍調(diào)整，并利用出廠設(shè)置。系統(tǒng)已具備運行基本條件，接下來就是工作參數(shù)，即P，參數(shù)，死區(qū)及死區(qū)放大系數(shù)的設(shè)置。只有在系統(tǒng)處于工作狀態(tài)(無論是手動還是自動工作狀態(tài))時，才能進行工作參數(shù)的調(diào)整。首先進行自動參數(shù)調(diào)整：在自動工作參數(shù)設(shè)置屏上，輸入盡可能大的階躍干擾值，按“輸入”鍵后，約10秒后調(diào)整過程結(jié)束。根據(jù)系統(tǒng)的實際工作情況，必要時還應(yīng)進行工作參數(shù)的手工微調(diào)，以提高系統(tǒng)的性能。手工工作參數(shù)調(diào)整的原則是：先積分后比例，先死區(qū)放大系數(shù)后死區(qū)。

     一般地，積分系數(shù)越大，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能越好，但動態(tài)響應(yīng)越慢；反之，可控性較好，但易于出現(xiàn)振蕩。比例系數(shù)越大，反應(yīng)速度越快，但容易出現(xiàn)振蕩，其設(shè)置值約為系統(tǒng)剛出現(xiàn)振蕩時設(shè)置值的80％。死區(qū)放大系數(shù)一旦設(shè)置，系統(tǒng)實際上變?yōu)樽儽壤禂?shù)控制，其轉(zhuǎn)換閾值為死區(qū)。當偏差范圍超過死區(qū)時，死區(qū)放大系數(shù)與比例系數(shù)同時起作用，反之則不起作用，因此，其調(diào)整應(yīng)與比例系數(shù)調(diào)整同時考慮；隨著死區(qū)放大系數(shù)的調(diào)整，應(yīng)逐步縮小死區(qū)。

    二級張力控制系統(tǒng)改造前后結(jié)構(gòu)特點

    二級張力控制系統(tǒng)改造前后的結(jié)構(gòu)及走紙示意如圖4所示。從圖中可以看出：

圖4 二級張力控制系統(tǒng)改造前后的結(jié)構(gòu)及走紙示意圖

    1．改造前后兩套張力控制系統(tǒng)并存，可隨時互換，從而避免因改造工作出現(xiàn)失誤而對生產(chǎn)造成的不良影響；

    2．改造過程中對原機的較大改動都可以在離線的情況下進行，基本上不會影響生產(chǎn)。

    結(jié)束語

    由于所采用的控制與執(zhí)行部件，功能內(nèi)聚，可靠性提高，所需的外圍元器件少，控制結(jié)構(gòu)簡單明了。系統(tǒng)改造完成后，于2001年5月投入正常運行。近3年的運行情況表明，新系統(tǒng)實現(xiàn)了控制與設(shè)置的數(shù)字化，顯示直觀，操作簡單，與主機的連鎖控制，基本上仍保持原機的操作習(xí)慣；運行穩(wěn)定。可靠，排除人為因素的干擾，基本上未再出現(xiàn)電氣及控制故障；具有優(yōu)良的動態(tài)響應(yīng)特性，張力控制精度有所提高。在同樣的生產(chǎn)工藝條件及正常的運行情況下，以張力設(shè)定值為基準，包括雙軸切換時，張力控制誤差從原來的土12％改善到土7％，取得明顯的經(jīng)濟效益。