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　　印刷機(jī)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(jī)器運(yùn)行速度的改變以及外部客觀因素影響造成的張力波動(dòng)，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(jìn)的KOCHS，EK七色凹印機(jī)，其二級張力控制系統(tǒng)采用SIEMEMS公司的可逆直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，經(jīng)過近20年的使用，由于直流驅(qū)動(dòng)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(jià)高，外圍控制器件多，加上直流電機(jī)本身固有的維護(hù)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(jī)二級張力控制部分進(jìn)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(jī)二級張力控制系統(tǒng)

　　1．原機(jī)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(hào)為MGZ205，每個(gè)傳感器由3個(gè)阻值為220n的精密電阻及一個(gè)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(gè)FAG公司的單路放大器板MGZll0及一個(gè)兩路輸入平均加法器MGZl 20配套組成，Outfeed側(cè)由一個(gè)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(zhǔn)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(dá)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(lì)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(dá)部件包含型號(hào)為1GG511 2-OKDll-6JUl-Z的馬達(dá)，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(lì)磁電壓180V、勵(lì)磁電流1．20A；型號(hào)為TDP 0．09 S-3測速電機(jī)，其參數(shù)為0．4W。40VDC、1000轉(zhuǎn)／分鐘。圖中未標(biāo)出的還有：制動(dòng)力矩為25Nm的電磁制動(dòng)器和參數(shù)為三相380V．0．28A的鼓風(fēng)馬達(dá)。

　　(4)輔助電路

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

　　2．原機(jī)二級張力控制系統(tǒng)的控制原理

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

　　(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(zhǔn)確檢測紙張的張力，在壓力檢測輥兩端分別安襄一個(gè)壓力傳感器，并將檢測到的信號(hào)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?zhàn)陨碇亓考皦毫�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(shí)際張力輸出。

　　(2)張力控制。將設(shè)定張力。實(shí)際張力與張力偏置的差值，并根據(jù)設(shè)定張力。實(shí)際張力實(shí)時(shí)差值的大小相應(yīng)選擇叫可通過外部信號(hào)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(jī)器準(zhǔn)備階段將機(jī)架間的紙張預(yù)張緊，消除機(jī)器啟動(dòng)時(shí)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(jī)速度(速度給定)，測速電機(jī)信號(hào)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(hào)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(yùn)行可逆變換器，還涉及零點(diǎn)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(shí)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(shí)已經(jīng)整定好，基本不用進(jìn)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(shí)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(hù)。與主機(jī)的連鎖保護(hù)與控制體現(xiàn)在：運(yùn)行．停止及加減速連鎖，張力過小時(shí)主機(jī)加速防止等保護(hù)。

　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(jī)械結(jié)構(gòu)，主要進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)史新?lián)Q代。該方案對機(jī)器的改動(dòng)少，費(fèi)用低，準(zhǔn)備時(shí)間短，但聯(lián)機(jī)調(diào)試所花費(fèi)的時(shí)間較長，原系統(tǒng)的可恢復(fù)性差。

　　(2)重新制作大部分機(jī)構(gòu)及全部電氣控制系統(tǒng)，并在原機(jī)器上增加必要的機(jī)構(gòu)，形成兩套完整的張力控制系統(tǒng)。該方案費(fèi)用高，準(zhǔn)備時(shí)間較長，安裝空間受到一定的限制，但對機(jī)器的改動(dòng)更少，可離線調(diào)試，聯(lián)機(jī)調(diào)試所花費(fèi)的時(shí)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(shí)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(jī)構(gòu)的選擇

　　功率放大與執(zhí)行機(jī)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(dá)。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(dá)，費(fèi)用低，但輔助控制電路較復(fù)雜，且直流馬達(dá)維護(hù)較困難。

　　(2)交流變頻器+交流馬達(dá)。此方案費(fèi)用最低，輔助控制電路簡單，且馬達(dá)維護(hù)容易，但用于四象限運(yùn)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(dòng)器+伺服馬達(dá)。該項(xiàng)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(dá)容易維護(hù)，但費(fèi)用最高。
本次改造確定采用伺服驅(qū)動(dòng)器+伺服馬達(dá)的第三種方案。

　　3．驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)的確定

　　原機(jī)生產(chǎn)速度為1 00米／分鐘，最大可設(shè)置張力F=100kgf，按瞬時(shí)最高速度為V=140米／分鐘．同步皮帶傳動(dòng)效率n=0．93、驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速N=2000轉(zhuǎn)／分鐘。驅(qū)動(dòng)輥直徑D=185mm計(jì)算，則驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)減速，則電機(jī)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(dòng)系統(tǒng)對電機(jī)的選擇，在此選擇功率為5．OkW伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
 
　　4．二級張力控制系統(tǒng)的構(gòu)成

　　參考原機(jī)及其他多種凹印機(jī)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(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)器MHD503A1V。電機(jī)MHM502A1，加上相應(yīng)的機(jī)械部件，組成完整的二級張力控制系統(tǒng)。

　　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。

　　1．由于采用浮動(dòng)輥張力檢測結(jié)構(gòu)，浮動(dòng)輥位置設(shè)置點(diǎn)設(shè)置的實(shí)際上是張力平衡狀態(tài)時(shí)浮動(dòng)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(dòng)輥。浮動(dòng)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(shí)現(xiàn)；由于重力加速度的存在，浮動(dòng)輥浮動(dòng)時(shí)配重本身會(huì)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(dòng)式。目前采用的形式，由輕質(zhì)鋁合金浮動(dòng)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(shí)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(shí)，開環(huán)輸出與輸入Anl91為線性關(guān)系，可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置；閉環(huán)控制以設(shè)置點(diǎn)為基準(zhǔn)，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(shí)際使用時(shí)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(jī)放卷張力控制系統(tǒng)的改造)。

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

　　4．利用MCS2000-CTDA及驅(qū)動(dòng)器MHD503A1V所提供的數(shù)字I／O接口，可方便地與主機(jī)進(jìn)行連鎖控制，實(shí)現(xiàn)原機(jī)的緊急停機(jī)，停機(jī)及預(yù)備狀態(tài)等功能。

　　Outfeed二級張力控制系統(tǒng)改造方案

　　1．壓力傳感器LX-100TD：兩個(gè)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(gè)特點(diǎn)，就可適當(dāng)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(dòng)檢測功能，為工程運(yùn)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(dòng)器。對于開卷機(jī)構(gòu)的運(yùn)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(jìn)行初始化設(shè)置，壓力傳感器零點(diǎn)與檢測范圍調(diào)整，并利用出廠設(shè)置。系統(tǒng)已具備運(yùn)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(dòng)還是自動(dòng)工作狀態(tài))時(shí)，才能進(jìn)行工作參數(shù)的調(diào)整。首先進(jìn)行自動(dòng)參數(shù)調(diào)整：在自動(dòng)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(shí)際工作情況，必要時(shí)還應(yīng)進(jìn)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(dòng)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(shí)設(shè)置值的80％。死區(qū)放大系數(shù)一旦設(shè)置，系統(tǒng)實(shí)際上變?yōu)樽儽壤�系�?shù)控制，其轉(zhuǎn)換閾值為死區(qū)。當(dāng)偏差范圍超過死區(qū)時(shí)，死區(qū)放大系數(shù)與比例系數(shù)同時(shí)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(shí)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(diǎn)

　　二級張力控制系統(tǒng)改造前后的結(jié)構(gòu)及走紙示意中可以看出：

　　1．改造前后兩套張力控制系統(tǒng)并存，可隨時(shí)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(jī)的較大改動(dòng)都可以在離線的情況下進(jìn)行，基本上不會(huì)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(yùn)行。近3年的運(yùn)行情況表明，新系統(tǒng)實(shí)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(jī)的連鎖控制，基本上仍保持原機(jī)的操作習(xí)慣；運(yùn)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(dòng)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(yùn)行情況下，以張力設(shè)定值為基準(zhǔn)，包括雙軸切換時(shí)，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(jì)效益。