分切机控制系统设计

杜海军，钱治磊

（十堰职业技术学院机电工程系湖北十堰442000）

1 引言

凹版印刷是目前我国最流行也最常见图文印刷方法之一，它具有版筒耐印率高、印刷速度快等特点。凸版印刷机特别适用于大批量及批量印刷工艺，加工出来的印刷品层次丰富、墨色厚实、立体感强，可获得色彩鲜丽及浓淡有致的图文信息变化。分切机是凹版印刷系统的重要工艺设备，它在凹版印刷机产品的质量及分切控制方面起着关键的作用，在整个生产流程中占有十分重要的地位。我国在分切机控制上与一些国际品牌存在着较大的差距，其中分切机的张力控制是难点，也是我国与世界先进国家技术差距最大的地方。本文重点对分切机控制系统中的张力控制进行研究。

2 分切机张力控制方法

一般来说，分切机的张力控制系统在整体结构上由以下三部分组成：张力控制装置；分切机速度／张力检测装置；张力控制驱动器及执行机构［1］。

在分切机张力控制系统的三个组成部分之中，核心是张力控制装置。张力控制装置首先利用张力传感器和速度传感器，对其张力控制装置的相关信号进行采集，然后控制装置对这些信号进行处理，通过对比实时测量值和设定值之间的关系和差值，再通过差值的大小并应用一定的控制策略，对控制信号进行实时调整，然后将控制信号反馈给张力控制执行机构，执行机构进行相关动作之后，完成对分切机张力和速度的调整。

在实际的印刷加工生产之中，常有以下两种张力控制方式：

（1）直接法：直接利用张力传感器对所测量物料的张力进行测量，然后辅以执行机构进行控制，构成整个张力闭环控制系统。或是直接利用速度传感器，对物料的线速度进行直接的检查，并辅以速度控制系统，构成线速度闭环。

（2）间接法：卷径的变化是分切机的线速度或者张力发生变化的主要扰动量和影响因素，因此，通过补偿分切机卷径的变化实现扰动的补偿，进而达到张力控制的目的。

在这些方法之中，直接法是最常用也是张力控制效果的一种方法，本文采用这种方法对分切机进行控制。

3 基于PLC的分切机控制系统的设计

3.1 硬件设计

根据分切机控制系统所要实现的功能，本文所研究的分切机控制系统的基本硬件构成如下［2］：欧姆龙的C200可编程控制器，公选用CPU模块；电源模块；存储器模块；16点数字量输入和输出模块各一个；8点数字量输入和输出模块各一个；触摸屏；LX－030TD型张力传感器；LM－PC型张力显示表；超声波传感器；变频器；电气比例阀；电机；编码器。

3.2 分切机软件控制设计

由于分切机生产线非常长，因此对整个分切机生产线的张力进行稳定控制难度比较大。本文将整个分切机生产线，分成几个可控制的部分分段进行相关的张力控制，分成的几个部分分别是：放卷和放卷牵引之间、放卷牵引和主电机、收卷牵引和收卷之间、主电机和收卷牵引之间。在每一部分都采用一个浮辊检测系统对各部分的张力进行测量，然后通过相关的控制策略进行张力的稳定控制，具体的控制系统框图如图1所示。

例如，在放卷牵引和放卷之间，装一个分切机浮辊检测系统在靠近放卷一侧的位置之上，这样如果这段系统的实际测量的张力偏离了设定值，只要对分切机的放卷电机的转速进行调整，就可实现对于张力进行控制，在整个张力浮辊检测系统分布布置在以下三个位置之中，分别是：靠近放卷牵引处、收卷牵引处和收卷处。这样当这三处传感器的张力实测值偏离了张力的控制值，只要根据相关算法对这三处的相关电机的转速进行调整，就可以使整个系统的张力得到很好的控制。具体的控制方法如图1所示［3］。

图1 张力控制系统

3.3 PID控制器参数的整定

本文用凑试法对张力控制系统的PID相关参数进行了整定，所谓的参数整定，就是对PID控制系统之中的比例部分、积分部分、微分部分的相关系统进行整定分析，具体这三个参数对于系统的控制性能的影响作用如下：

比例系数KP的作用是对系统的偏差作出即时响应，通过相关的设定产生与实际偏差成正比的调节作用，使系统的偏差迅速减少，一般来说，KP越大，比例调节作用越强，系统的瞬时响应性会更大，但是KP过大会降低系统的稳定性，使系统出现震荡的倾向。

积分系数K1的作用是对系统的静差，即系统长时间积累的误差进行消除，积分系数K1越大，系统的静差越小，系统的稳定性也越强，但是过大的积分系数K1会使系统实时响应性变差，影响系统的控制精度。

微分系统KD的作用是对于将要产生的误差提前进行消除，主要是对系统偏差变动的趋势进行消除。将系统偏差提前予以消除，可以对系统偏差变化率进行控制，以实现系统偏差的预测。加大KD可以减小系统的超调，有利于增加系统的稳定性，但是过大的KD会影响动态稳定性，但对扰动的抑制能力降低。

明确KP，K1，KD的作用后，可以确定凑试法应用步骤：

（1）首先只对比例系数KP进行整定。将比例系数按一定的范围由小到大逐渐调节，观察系统的控制响应曲线，直到调整到系统响应速度比较快，且性能曲线的形状比较合理。

（2）然后加入积分环节，对积分系数K1进行调节，构成PI控制。按一定的范围由小到大地对积分系数K1进行调节，同时将比例系数KP进行微弱地减小，观察系统的响应曲线，看系统静差是否得到消除。如果需要更精确的控制，则需要对系统的微分环节进行控制。

（3）加入微分环节，对微分系数KD进行调节，构成PID控制。从零开始由小到大地增加KD，同时相应地改变比例系数KP和微分系数K1，逐步试凑，直到获得满意的控制效果。本文采用的PID参数如表1所示：

表1 PID参数整定结果

［1］李 勤.高速分切机控制部分研究［D］.同济大学硕士学位论文，2009：76.

［2］朱小兵.高速数字分切机的现状及发展前景［J］.塑料包装，2010（3）：54.

［3］翟光亚.国产分切机的赋能设计与设备改造［J］.电子元件与材料，2010（6）：145.