印刷机张力控制技术

冯　谦

摘要：在传统的印刷机控制中，张力控制采用磁粉离合器和张力控制器来实现，但这种控制形式存在以下问题:(1)调节速度不快，难以在高速印刷机上应用;(2)张力控制精度不高;(3)印刷机上各张力段彼此独立，难以实现自动控制;(4)磁粉离合器存在发热和磨损问题，维修困难。变频器传动的印刷机张力控制系统，将印刷机的放卷、前牵引、印刷主轴、后牵引和收卷辊分别由单独的变频器拖动，通过控制各段传动辊的线速度，实现张力的高精度控制。

关键词：印刷机 张力 控制 技术

0 引言

在传统的印刷机控制中，张力控制采用磁粉离合器和张力控制器来实现，但这种控制形式存在以下问题:①调节速度不快，难以在高速印刷机上应用；②张力控制精度不高；③印刷机上各张力段彼此独立，难以实现自动控制；④磁粉离合器存在发热和磨损问题，维修困难。

为解决以上问题，我们开发了一种变频器传动的印刷机张力控制系统，将印刷机的放卷、前牵引、印刷主轴、后牵引和收卷辊分别由单独的变频器拖动，通过控制各段传动辊的线速度，实现张力的高精度控制。

1 印刷控制技术

在印刷机中，印刷材料经过放卷、前牵引、各套色印刷辊、后牵引和收卷完成整个印刷过程，由于各传动辊的线速度差异，因此在各传动辊间产生张力，在印刷工艺中要求对各段张力进行严格的控制，尤其对有光电对版的高速机种，各段张力的控制精度要求在±1%以内。

2 控制系统构成

本系统主要由人机界面、PLC、矢量变频器、编码器和摆辊式张力检测机构组成，人机界面(HMI)采用台达10寸彩色屏，通过它可以在线显示设备运行状况、设定设备各项参数并打印生产报表；PLC选用FAMA SC-500，在系统中用两台PLC是兼顾速度和可靠性的考虑，一台用作设备的张力控制、另一台作设备I/O控制；传动采用台达V系列矢量型变频器，安装在传动轴上的编码器将脉冲信号回馈到变频器的PG卡中，形成速度闭环，使整体速度精度控制在在3‰以内；在本系统中，人机界面与PLC、PLC与各变频器之间通过RS485通讯连接，提高系统的抗干扰能力。

3 张力控制原理

在高速印刷机控制中，对各段张力的控制不仅要求有高精度，而且要求有很高的速度响应性，如用传统的PID控制，在印刷机加(减)速时，前级传动轴先加(减)速，后级轴后加(减)速，速度差Δv造成张力Δf的变化，设备速度变化越快，Δv越大，Δf也越大，该Δf加到PID环后会出现张力超调甚至震荡，如调节P.I.D参数避免张力超调，系统的响应速度会变慢，因此该方法很难满足要求，如简单的采用同步控制，虽然可以解决张力突变问题，但该方式为张力开环控制，如果出现前级传动轴快与后级传动轴慢时，张力会变得越来越大，反之张力越来越小，产生传动速度的误差积累问题，无法自动调节，因此，本系统采用以上两种的结合

在本控制系统中，由变频器和编码器组成速度控制内环，PLC、张力传感器组成张力外环，实现对张力的串级控制；同时将测算出的放卷辊输出线速度，换算成转速后加到放卷辊后各传动辊的速度环上，作为速度的初始给定，这样，在进行张力调节之前，各传动辊间线速度基本同步，此时各传动辊间速度误差在1%以内，张力误差在3%以内(实测值)，然后通过张力串级调节进一步提高张力控制精度。

3.1 放卷线控制 放卷辊为印刷机各传动辊的第一级，其它各辊速度跟随放卷辊，在本系统中，人机界面设定设备的运行线速度，通过测量放卷辊的半径，可计算出卷辊的转速；具体办法为:PLC测量放卷辊上安装的编码器，每到一定角度(例如600)产生一次中断，此时测量材料走过的距离L，则R=6L/2Π,放卷转速为:n=l/2ΠR。l为设定的设备运行速度。

3.2 速度同步控制 在本系统中，为保证各传动辊之间的线速度基本同步，需对各传动辊的驱动单元进行速度初给定，初给定的速度以放卷辊为基准。设备的运行速度在人机界面中设定，通过PLC计算后，换算成各变频器运行的频率，经PLC上的RS485口给各辊驱动变频器。考虑到各变频器的加减速及传动机构的特性很难一致，故需对除放卷辊外其它变频器的速度初给定作一调整，即实际给定速度V=KV0，V0为计算速度，K为修正系数，实际调试中发现对每段传动K值并不为恒定的，后对设备在加速、均速和减速状态下分别修正不同的K值，在不加张力控制时，各传动辊的速度偏差可控制在0.8%以内。

3.3 张力控制 各段张力的设定在人机界面中进行，设定张力由PLC计算，经D/A模块送电气转换装置，转换成气信号后给摆辊气缸，当印刷材料张力大于设定值时，摆辊上移，反之下降，同时送出电压信号给PLC。

各段传动经过速度初给定后，线速度偏差不大，因此张力偏差信号较小，该信号经PLC PID运算处理后叠加到速度初给定上，控制变频器输出，通过控制速度实现张力控制。

4 印刷控制实例

所谓定长印刷控制是指每次印刷的长度是固定的。用户在触摸屏上输入印刷长度，选择印刷速度和设置印刷数量。然后由PLC将用户设置的数据进行一定的运算处理后控制伺服电机进行高速定长定位。由于运行速度较高，但用户设计的滚筒很重，惯量很大；由于要求停车要平稳。为此我们利用了富士PLC中的一些特殊指令，配合我们自己的一些特殊运算公式，能够做到PLC指令脉冲的S型加减速，并且从伺服检测曲线来看也完全实现了电机S型减速，达到平滑停车的效果。大大减少了大直径滚筒对伺服电机的冲击而产生的位置偏差。在实现这种停车效果的编程调试中，我们感觉到富士的PLS1发脉冲指令在这方面上有充分的优势。首先它的加减速时间短，只有6ms；其次可以在发脉冲时不断变换脉冲频率，可以做到分级减速。这样的停车使得电机能平滑减速，减少了大惯量的滚筒对机械的冲击，实现了高节拍运行与平稳停车的目标。此外，尽管富士的这款SPB系列的小型PLC价格较低，但是具有发送2路高达100KHz脉冲的能力。换句话说，它可以同时控制两个交流伺服电机，实现高速、高精度定位。这也是我们与客户一致认同采用富士PLC的一大因素。

5 设备的调试

实际调试中，先对速度同步环节进行调试，此时切除张力控制部分，当各辊的线速度同步误差在1%以下时，再加入张力控制部分，张力调试先单段进行，冲前向后依次调试，最后再进行系统连调。

6 小结

在实际应用中，当印刷机速度在200m/min时，张力控制精度可达0.9%，满足设备工艺要求。

参考文献:

[1]李平等.造纸机的微机过程控制系统[J].轻工自动化及仪表.

[2]过程控制工程手册[M].北京.化学工业出版社.1993.