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　　印刷機(jī)二級(jí)張力控制在印刷過(guò)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(duì)套印要求較高的場(chǎng)合顯得尤為重要。一級(jí)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(jí)張力控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)整，以保證印刷單元張力平衡。沒(méi)有良好的二級(jí)張力控制系統(tǒng)，套印控制系統(tǒng)就無(wú)法完全消除張力變化造成的誤差。

　　我公司從德國(guó)引進(jìn)的KOCHS，EK七色凹印機(jī)，其二級(jí)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(guò)近20年的使用，由于直流驅(qū)動(dòng)控制裝置、張力檢測(cè)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(duì)該機(jī)二級(jí)張力控制部分進(jìn)行改造，消除設(shè)備故障對(duì)生產(chǎn)造成的影響勢(shì)在必行。

　　原機(jī)二級(jí)張力控制系統(tǒng)

　　1．原機(jī)二級(jí)張力控制系統(tǒng)的組成

　　(1)張力檢測(cè)與放大張力檢測(cè)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(jí)功率放大輸出、故障檢測(cè)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T(mén)DP 0．09 S-3測(cè)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(jí)張力控制系統(tǒng)的控制原理

　　原機(jī)二級(jí)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(cè)與放大。為了消除印刷過(guò)程中紙張自身變形及走紙沒(méi)有完全居中等各種因素的影響，準(zhǔn)確檢測(cè)紙張的張力，在壓力檢測(cè)輥兩端分別安襄一個(gè)壓力傳感器，并將檢測(cè)到的信號(hào)分兩路輸入放大器．經(jīng)過(guò)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(cè)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(guò)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(duì)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(cè)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(cè)、連續(xù)電流與斷續(xù)電流可變參數(shù)PID控制外，對(duì)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(cè)各部件的工作狀態(tài)，控制各部件的工作，并提供欠流、過(guò)流。欠壓、過(guò)壓，過(guò)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(guò)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(duì)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(zhǎng)，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(zhǎng)，安裝空間受到一定的限制，但對(duì)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(wèn)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(jiǎn)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(chǎng)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(jiǎn)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(jí)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(duì)加減速的要求，比照原驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)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(jí)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(jí)張力的控制方式，考慮到客觀條件的限制以及筆者對(duì)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(cè)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(cè)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(jí)張力控制系統(tǒng)。

　　Infeed二級(jí)張力控制系統(tǒng)改造方案

　　Infeed二級(jí)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(cè)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(wú)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(duì)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(duì)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(kāi)環(huán)、閉環(huán)及開(kāi)閉環(huán)混合3種控制模式。開(kāi)環(huán)控制時(shí)，開(kāi)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(kāi)環(huán)控制輸出與閉環(huán)PID輸出結(jié)合起來(lái)，組成其輸出。實(shí)際使用時(shí)采用開(kāi)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(qǐng)參見(jiàn)《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(cè)速輸出，以與重復(fù)印刷長(zhǎng)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(duì)應(yīng)的主機(jī)最高速度為140米／分鐘。設(shè)置開(kāi)環(huán)輸出時(shí)取Anlgl信號(hào)電壓為3V．11V及其對(duì)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(jí)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(cè)輥兩端。傳感器檢測(cè)到的僅僅是與檢測(cè)軸線平行的壓力或拉力分量．而檢測(cè)不到垂直方向上的分量。一般地，通過(guò)檢測(cè)輥的兩紙面，其夾角最好在90以?xún)?nèi)；其合力的方向與檢測(cè)軸線的夾角在30以?xún)?nèi)。過(guò)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)于開(kāi)卷機(jī)構(gòu)的運(yùn)用，線路簡(jiǎn)潔，控制方便，是其他類(lèi)型的張力控制器所無(wú)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(cè)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(lái)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(wú)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(guò)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(guò)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(jí)張力控制系統(tǒng)改造前后結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　二級(jí)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(duì)生產(chǎn)造成的不良影響；

　　2．改造過(guò)程中對(duì)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(yǔ)

　　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(jiǎn)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(jiǎn)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�？煽�，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(lái)的土12％改善到土7％，取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。