分切機電氣控制系統(tǒng)分析

　　摘要：分切機是凹版印刷行業(yè)重要設備之一，對印刷產(chǎn)品的質(zhì)量和印刷品的分切控制有著舉足輕重的作用。目前我國分切機取得了長足發(fā)展，和國外同類設備相比還存在著較大差距。本文主要對分切機的電氣控制特點作以分析，希望能對分切機研究同行有所幫助。

　　關鍵詞：分切機;張力控制;變頻器;PLC

　　0引言

　　凹版印刷是目前我國最流行最常見的圖文印刷方法之一，凹版印刷圖文具有凹凸感、層次豐富、線條清晰、印刷質(zhì)量高且速度快等特點。分切機是凹版印刷系統(tǒng)的重要工藝設備，對凹版印刷產(chǎn)品的質(zhì)量及分切控制起著關鍵作用，是整個生產(chǎn)流程中的關鍵角色。目前國產(chǎn)分切機的自動化水平還停留在中下游水平，分切機生產(chǎn)廠家對分切工藝、材料特性的理解深度，還落后于國外發(fā)達國家。如分切機的運行速度，大多還低于800m/min，國外產(chǎn)品運行速度大于1000m/min，且已經(jīng)出現(xiàn)運行速度2000m/min的產(chǎn)品。國產(chǎn)分切機控制系統(tǒng)的嚴密性和合理性還有較大差距�？上驳氖牵�南方有些廠家已經(jīng)開發(fā)出分切速度1000m/min的產(chǎn)品。本文對分切機電氣控制進行分析，結合一分切機控制案例進行說明。

　　1張力的產(chǎn)生

　　張力指物體受到拉力作用時，在其內(nèi)部且垂直于兩鄰部分接觸面上產(chǎn)生的相互牽引力。分切機運行時，薄膜在牽引力作用下產(chǎn)生張力。薄膜張力大小的影響因素有牽引電機轉(zhuǎn)矩、阻力矩、運行速度、薄膜材質(zhì)、薄膜寬度和厚度、卷徑變化等。薄膜張力時刻變化，對分切產(chǎn)品質(zhì)量和張力控制帶來重大影響。張力和各變量間的關系滿足式(1)。其中，薄膜所受張力為F，薄膜由壓輥到收卷輥(牽引輥)間的距離為L，薄膜在壓輥處的線速度為V1，收卷輥(牽引輥)處的線速度為V2，薄膜橫截面積A，薄膜彈性模量E，薄膜從壓輥到收卷輥時間t�？梢钥闯霰∧�張力大小和線速度差的累計成正比，張力控制即為線速度的跟蹤控制。

　　2張力控制

　　分切機運行時，目的是把膜料從母料卷轉(zhuǎn)移再分切成規(guī)定尺寸后收卷成品。收卷成品過程須保證膜料品質(zhì)完好，即要求張力不能太大也不能太小。張力太大會拉斷或損傷卷料，張力偏小會影響收卷質(zhì)量，所以恒張力控制是分切機正常運行的關鍵。電機轉(zhuǎn)動時，線速度v=ω*R，轉(zhuǎn)矩T=F*R，F(xiàn)為薄膜張力，R為卷徑，ω為電機旋轉(zhuǎn)角速度。要實現(xiàn)恒張力控制，即要求張力F=T·ω/v恒定，可以通過控制轉(zhuǎn)矩或速度方式實現(xiàn)恒張力。

　　2.1轉(zhuǎn)矩控制

　　指變頻器控制的是電機的轉(zhuǎn)矩，而不是頻率。轉(zhuǎn)矩控制模式下輸出頻率是跟隨材料的速度自動變化。為了防止飛車意外事件發(fā)生，須設置上限頻率。轉(zhuǎn)矩控制模式要實現(xiàn)恒張力控制，須根據(jù)卷徑變化調(diào)整卷軸轉(zhuǎn)矩。卷徑可通過超聲波傳感器直接檢測，或者通過檢測卷料線速度計算卷徑。負載轉(zhuǎn)距T=F*D/2(F為設定張力，D為當前卷徑)，設定了張力大小，負載轉(zhuǎn)矩就可以算出來。

　　分切機張力設定根據(jù)材料、克重及幅寬設置，由操作面板完成，張力調(diào)節(jié)范圍100-1000N。轉(zhuǎn)矩控制模式時，系統(tǒng)配置張力檢測裝置，與張力控制器組成閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)恒張力控制。張力控制器輸出0-10V模擬量信號，對應異步電機的額定轉(zhuǎn)矩。該模擬量信號接入變頻器，選擇轉(zhuǎn)矩給定，這樣在整個收卷或放卷動態(tài)過程中，能夠保證張力的恒定。

　　2.2速度控制

　　變頻器工作在速度控制模式時，按照設定頻率輸出，輸出轉(zhuǎn)矩自動匹配負載轉(zhuǎn)矩。速度模式下要設置轉(zhuǎn)矩最大限幅。速度閉環(huán)控制系統(tǒng)設有張力檢測器。張力檢測裝置反饋的張力信號與張力設定值構成PID閉環(huán)，調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，進而調(diào)節(jié)卷軸速度，實現(xiàn)恒張力控制目的。同步頻率計算如式(2)。其中，V線速度，p電機極對數(shù)，i傳動比，D料卷卷徑。線速度、卷徑的檢測和計算方法有多種。

　　(2)速度模式變頻器的工作方式有三種：無速度傳感器矢量控制、有速度傳感器矢量控制和V/F控制。張力檢測裝置有張力傳感器、角位移傳感器等。張力傳感器一般安裝在“張力輥”軸承座上。張力傳感器輸出的電信號(電壓或電流)和張力間有準確的線性關系，反應快速，是高速分切機常用的張力檢測元件。角位移傳感器也是一種張力檢測裝置，和浮動輥配套使用。張力變化時，浮動輥整體沿固定的芯軸轉(zhuǎn)動，根據(jù)角度偏移會輸出與張力相關的信息。角位移傳感器和浮動輥造價低，常用于速度較低(600-800m/min)的分切機上。

　　2.3錐度控制

　　恒張力控制收卷時，隨著收卷卷徑增大，外側(cè)材料會對內(nèi)側(cè)材料產(chǎn)生持續(xù)擠壓作用，造成內(nèi)卷壓力大外卷壓力小，外卷擠壓內(nèi)卷，影響收卷質(zhì)量。解決方法是隨著收卷卷徑增大逐漸減小張力，保證料卷徑向壓力分布均勻，避免膜卷內(nèi)部因擠壓出現(xiàn)褶皺等現(xiàn)象。錐度控制的目的，既保證了張力的穩(wěn)定，又兼顧了收卷內(nèi)外部壓力均勻分布。

　　3分切機電氣控制分切機電氣控制案例。

　　3.1張力控制原理

　　從前面所述張力產(chǎn)生可知，控制收卷放卷的速度差，即可控制張力。收卷、放卷的速度由專用張力矢量變頻器控制。分切機主要是將膜料分切成規(guī)定尺寸后收卷成品，所以收卷的速度和張力控制是重點。收放卷的線速度由電機編碼器計算獲得，或者通過牽引變頻器的運行頻率模擬輸出獲得，牽引變頻器的運行頻率與線速度成線性對應關系。通過材料線速度與實際卷徑計算得到匹配頻率設定值f1，再通過張力(位置)反饋信號進行PID運算，產(chǎn)生一個頻率調(diào)整值Δf，最終頻率輸出為f=f1+Δf。

　　張力設定值和實測值比較后的差值，經(jīng)PID運算，輸出模擬量電流值，調(diào)節(jié)磁粉離合制動器，對轉(zhuǎn)矩進行微調(diào)，進一步改善加減速動態(tài)響應。PID運算由PLC程序?qū)崿F(xiàn)，或者矢量變頻器完成。磁粉離合器控制收卷時工作在滑差狀態(tài)，其輸出轉(zhuǎn)矩直接影響收卷張力大小，按卷徑大小增加或減小輸出轉(zhuǎn)矩。放卷張力由放卷裝置中磁粉制動器的制動轉(zhuǎn)矩和牽引轉(zhuǎn)矩決定，隨著料卷卷徑不斷減小須不斷減小制動轉(zhuǎn)矩，維持張力恒定。

　　3.2邏輯變量控制

　　分切機的啟動、停止、點動、加減速等開關量由PLC控制，張力信號、氣壓控制等模擬量也經(jīng)由PLC處理。PLC與變頻器通過RS485通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。PLC選型為s7-1200CPU1214C，模擬量輸出模塊SM1232。變頻器選型為安川變頻器GA70B4023ABBA，GA70B4012ABBA。GA70B4023ABBA功率7.5kW，額定輸入21.2A，額定輸出18A。GA70B4012ABBA功率3.7kW，額定輸入11.7A，額定輸出9.2A。

　　3.3矢量變頻器參數(shù)

　　專用張力矢量變頻器已在高速分切機上得到了廣泛應用，因其調(diào)速性能好，不僅提高了生產(chǎn)效率，而且能克服磁粉調(diào)速固有弱點。張力專用矢量變頻器內(nèi)部集成PID功能，可以進行PID參數(shù)設置和調(diào)整，進行相關參數(shù)運算，能處理閉環(huán)反饋信號，滿足分切機恒張力控制要求。矢量變頻器運行時須設置的參數(shù)包括：電機的控制方式、命令源方式、主輔頻率源選擇、上下限頻率、加減速時間、電機類型及額定參數(shù)、速度環(huán)增益、速度環(huán)積分時間、轉(zhuǎn)矩上下限值、PID參數(shù)等。

　　機電工程論文投稿刊物：《自動化博覽》(月刊)創(chuàng)刊于1983年，本刊是由國家一級學會——中國自動化學會主辦、全國發(fā)行的大型刊物。集自動化控制技術、控制裝置、計算機、網(wǎng)絡通信、儀器儀表、傳感器、執(zhí)行機構、辦公自動化、樓宇自動化、計算機集成制造系統(tǒng)、機電一體化等工控產(chǎn)品應用于一體，突出實用自動化技術。

　　4結束語

　　分切機電氣控制的重點是保持膜料張力在收卷分切過程中的相對穩(wěn)定，不因卷徑大小變化產(chǎn)生明顯波動而影響分切收卷質(zhì)量。同時，分切機在加減速或停止時，動態(tài)響應能夠快速恢復張力恒定。隨著國外高速分切技術的成熟和高速分切機的應用，我國分切機控制技術在高速控制方面還需要不斷升級改進，超高速分切要求保證張力穩(wěn)定的基礎上提升速度，對系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的動態(tài)響應速度提出了更高要求。

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　　作者：范云龍

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