印刷包装设备中自动化控制技术的应用与发展

作者：陕西北人印刷机械公司 练大伟

欢迎访问e展厅 展厅 2 胶印机展厅 胶印机, 轮转印刷机, 平张胶印机, ... 不管是印刷设备，还是印后包装设备，自动化控制技术的应用是其可否满足功能需求的保障。机械结构的简单化、控制技术的自动化这是印刷包装设备的发展大趋势。在下面的内容中，我就从张力控制的角度探讨控制技术在印刷包装设备中的发展和应用。我们所重点探讨的是带材类印刷机、复合机、涂布机和分切机，对单张材料的印刷包装不作介绍。 提高张力控制精度，减少废品率 一个要求张力控制高精度的系统，需要考虑的因素很多，比如：力矩补偿、转动惯量的补偿、锥度的控制、升降速张力补偿、轴切换控制等等。下面就针对我公司的产品，在张力控制方面所采取的措施加以说明： 提高张力信号检测精度及抗干扰措施 在摆辊检测装置中，摆辊的一个优点是能够存储料膜，它的作用就好比是一个蓄力器、缓冲器，吸收或隔离了张力的扰动。摆辊调节的目的是通过调整摆辊位置而间接控制料膜表面张力，这个过程需要使用摆辊反馈信号，反馈信号是摆辊的位置偏差，该位置偏差对应的反映张力的波动量。当系统处于平衡状态时，摆辊自然下垂，摆辊气缸上的推力与料膜上的张力处于平衡；当系统张力产生了波动，克服机械摩擦阻力，这种平衡被打破，摆辊位置发生了偏移，摆辊的自重在水平方向产生分力，该分力叠加到料膜张力上，使系统张力产生更大的波动。机械摩擦阻力包括气缸、摆辊机械装置等的摩擦力，系统在工作时是一个不断的动态调整过程，机械摩擦阻力对信号检测精度有很大的影响。以上分析可得，减轻摆辊装置的自重以及减小机械摩擦阻力是提高信号检测精度的关键。另外摆辊反馈信号应调整到最高分辨率，过低的分辨率将降低张力调节的总体性能。目前，我公司机组式凹版印刷机中、高档机型中该部件的设计都是遵循以上原则。 对检测信号的抗干扰措施如下：在硬件上选择优良的器件，配备完善的接地网，单点接地，分隔走线及布线，所有信号线均采用屏蔽线；在软件上，对检测信号进行滤波，消除错误的检测信号对系统产生的冲击。 提高速度、精度及机械硬度 驱动部件表面速度与线速度之间的速度匹配对于张力调节和PLC内部的计算精度非常重要，速度匹配保证了料膜能够按照整条生产线的同一速率运行，使张力控制器或摆辊控制器控制料膜表面张力的修正量更小，精度更高。另外机械负载的波动对电机速度也会产生影响。我们在实际应用中，选择矢量变频+矢量电机，工作在带PG矢量控制，可进行高精度的速度控制、力矩控制，速度控制范围：1：1000，控制精度：±0.02％，启动转矩：150％，充分保证了速度精度及机械硬度。 PID控制 张力控制都一般采用PID控制。PID控制效果的好坏主要在于采样时间、增益、积分、微分等PID参数的调节。 张力控制时，PID参数低速到高速时可能不适合，或者不同卷径段的PID参数可能不通用，因此PID参数的线性化、分段处理是解决该问题的首选。收放料在正常工作时，料卷直径在不断的变化，其卷径的变化是引起不稳定的最大因素，在程序中对收放料依据内部计算直径进行分段PID控制。收放料牵引不存在卷径的变化，相对比较稳定，线速度的变化是引起不稳定的最大因素，在程序中对牵引PID按线速度的变化进行线性化，使低、中、高各段速度下的系统响应都达到最佳。 升降速及轴切换时的控制 系统在升降速过程中，多台电机联动，使整条生产线的线速度发生了变化，由于各个执行电机的负载惯量是不同的，引起各电机的升降速曲线不重合，此时的张力控制特性与稳态时是有所区别的，控制参数要作相应的调整，加入升降速PID控制，单独控制升降速时的动态响应，与稳态比较，张力扰动大，要求响应快速，这时比例、积分、微分作用都要求比较强，只要系统不产生振荡即可。 在轴切换时，通过以下几点来改善换轴时的张力控制性能。自动裁切时预驱动的线速度与当前线速度相匹配：我公司中、高档机型收放料自动裁切时，都配有预驱动功能，要求预驱轴表面的线速度与当前线速度要相等或接近，尽量减小因为换轴线速的差别而带来的张力波动；轴切换PID：在自动裁切时，加入一套单独的轴切换PID控制，改善换轴时的动态性能；轴切换时的力矩提升：在自动裁切过程中，当切刀动作时，对放料提升其制动力矩，对收料提升其主动力矩，力矩的增加将引起料膜张力的增加，料膜张力的增加使得切断和轴转换简洁、容易；尾长控制：裁切时，尾长过长，引起张力波动增加、走料不畅、印刷跑版等问题。调整糊面位置可有效的减小尾长；还有一种定长控制，根据线速度、卷径来计算，通过程序内部延时或检测，把裁切尾长控制在一定范围内；糊面检测：提高了裁切的可靠性，减少因停机而产生的废品。以上方法都为一个目的：平稳过度、克服张力扰动、减少接料废品率。 惯性补偿 在速度控制模式下，通过改变实际速度并调整转矩输出来考虑惯性的要求。当工作在转矩控制模式下，需要精确的估算惯性力矩分量，来保持料膜的张力控制符合要求。惯性补偿是用来补偿由于物体速度的变化而产生的附加转矩要求，这个附加转矩分量的大小取决于物体的转动惯量和角加速度。在速度模式下进行惯性补偿，可有效提高控制的动态特性。 由于系统惯性的存在，使得电机响应滞后，所以当电机给定发生变化时，控制器估算电机克服系统惯性所需的附加转矩，以转矩补偿的形式来提高系统的动态性能。在系统升降速过程中的惯性补偿显得尤为重要。 采用定时中断的工作方式 综合考虑各种因素，要求系统调整的周期越短越好，响应要足够的快。PLC内部程序采用定时中断的工作方式，10ms对模拟输入、输出刷新一次，使得检测及控制的实时性得到保证。变频器内部的加减速时间设定为最小0s，保证了其响应的快速性。下一步，我们还要把PLC与变频器通过工业总线组成网络，把目前的模拟量给定变成数字量给定，进一步缩短变频器的响应时间。 程序上的一些其它控制 收放料卷径计算：通过程序计算收放料当前直径，并且限制卷径的变化率，以防止卷径的突变，引起收放料控制异常。 收料锥度张力控制：随着收料直径的递增，张力递减，防止收料卷变形。 通过以上措施的实施，有效地控制了张力的稳定性，保证了印刷套印的精度，明显改善了整台设备的张力状况，升降速废品率、接换料废品率大大减小。 张力自动化控制技术的发展方向 网络技术的普遍应用 张力自动化控制技术已在网络中普遍应用，特别是基于现场总线的工业控制网的应用。现场总线是在工业现场应用的一种通讯网络，能够适应恶劣的工业环境，如干扰、冲击、震动、温度、粉尘等。同时，现场总线易于控制系统由模拟控制向数字化控制转型，实现可靠快捷的数据信息交互和简化控制配线，实现简练的远程I/O控制，从而大大降低故障点且利于维护机器。通过现场总线把各个控制单元联网，形成一个网络化的控制系统，上一层与工业控制计算机连接，可用于生产监控、报表输出的管理功能。 电子轴控制系统的应用 应用多台伺服电机驱动各个印刷版辊来代替主传动轴，对各印刷机组建立相应的模型，当套印偏差产生时，通过控制系统的计算，同时输出并调整，充分考虑了负载惯量的影响，响应迅速，调整及时。该系统印刷速度高，可达到400米/分，套印精度高，废品率低，具有极高的应用前景。 进一步拓展国产印刷包装设备的应用范围 随着张力自动化控制技术的不断提高，人们会不断尝试新的工艺，实现更为有效的印刷包装方式。近年来，一些应用如大克数纸张的对接（包括高速滚筒对接、零速对接）、联机模切压痕打孔、联机横断等已在国产印刷包装设备上得到成功解决，且已拥有成熟的控制方案。当然，对于适应形式多样的涂布机控制、特殊要求的复合工艺等控制技术和设备仍有待新的突破。我相信未来几年，国产印刷包装设备会在自动化控制技术上长足发展，进一步拓展其应用范围，且在本行业中会有更为出色的表现。(end)

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