七色凹印机二级张力控制系统的改造

　　印刷机二级张力控制在印刷过程中起着至关重要的作用，它直接影响到印品的套印精度，特别是在对套印要求较高的场合显得尤为重要。一级张力控制系统存在的误差。机器运行速度的改变以及外部客观因素影响造成的张力波动，都需要二级张力控制系统来调整，以保证印刷单元张力平衡。没有良好的二级张力控制系统，套印控制系统就无法完全消除张力变化造成的误差。

　　我公司从德国引进的KOCHS，EK七色凹印机，其二级张力控制系统采用SIEMEMS公司的可逆直流驱动系统，经过近20年的使用，由于直流驱动控制装置、张力检测放大装置及外围控制元器件老化．故障频繁。由于获得原配置的备件困难且代价高，外围控制器件多，加上直流电机本身固有的维护保养困难，已不能满足生产与工艺的需要。利用现有较成熟的控制技术对该机二级张力控制部分进行改造，消除设备故障对生产造成的影响势在必行。

　　原机二级张力控制系统

　　1．原机二级张力控制系统的组成

　　(1)张力检测与放大张力检测为FAG公司压力传感器，型号为MGZ205，每个传感器由3个阻值为220n的精密电阻及一个基本阻值为220n的压力敏感电阻组成，电源电压为+5VDC。张力放大器在Infeed侧采用两个FAG公司的单路放大器板MGZll0及一个两路输入平均加法器MGZl 20配套组成，Outfeed侧由一个FAG公司的双路平均放大器板MGZll0B构成，输入电源电压为220VAC，输出电压为0—10VDC。放大器板主要功能有：为压力传感器提供+5．OVDC电源。提供校正用+2．7VDC基准电源．校正．零位调整。放大倍数调整、限幅及末级功率放大输出、故障检测及指示等。

　　(2)直流马达控制器

　　采用SIEMEMS公司S～OREG M系列可逆变换器6RA5021-3MA00。主回路额定输入电压为三相380VAC：－5％、＋10％、50Hz；额定输出电压为400VDC，电流35A，功率14kW。励磁回路额定输入电压为单相380VAC，最大输出为310VDC、8A。

　　(3)直流马达部件包含型号为1GG511 2-OKDll-6JUl-Z的马达，其额定参数为：电枢电压60—400V、电枢电流16．5A．功率5．5kW、转速50—2000转／分钟。励磁电压180V、励磁电流1．20A；型号为TDP 0．09 S-3测速电机，其参数为0．4W。40VDC、1000转／分钟。图中未标出的还有：制动力矩为25Nm的电磁制动器和参数为三相380V．0．28A的鼓风马达。

　　(4)辅助电路

　　除为各部件提供电源外，主要进行张力控制系统本身的保护与控制，同时完成与主机连锁保护与控制。

　　2．原机二级张力控制系统的控制原理

　　原机二级张力控制系统控制示意。现就原系统的工作描述如下。

　　(1)张力检测与放大。为了消除印刷过程中纸张自身变形及走纸没有完全居中等各种因素的影响，准确检测纸张的张力，在压力检测辊两端分别安襄一个压力传感器，并将检测到的信号分两路输入放大器．经过校正、调零及放大倍数调整后，消除张力辊自身重量及压力检测放大系统本身不一致性等因素的影响后，取其加权平均值作为实际张力输出。

　　(2)张力控制。将设定张力。实际张力与张力偏置的差值，并根据设定张力。实际张力实时差值的大小相应选择叫可通过外部信号封锁)或PID控制模式并限幅，根据其应用于Infeed或Outfeed的具体要求设置，其输出作为速度环的辅助输入。张力偏置的设置范围为可设置最大张力值的0-10％，其目的是在机器准备阶段将机架间的纸张预张紧，消除机器启动时对纸张冲击而可能造成的断纸。

　　(3)可逆变换器。常规速度电流双闭环控制模式。将张力环输出衰减至20％，与主机速度(速度给定)，测速电机信号一起构成完整的速度闭环反馈。其整定次序是：在解除张力控制信号和速度环ID参数后，并在空载情况下，整定速度反馈分量及比例参数，然后是ID参数交叉逐步逼近，除了涉及零电流检测、连续电流与断续电流可变参数PID控制外，对于四象限运行可逆变换器，还涉及零点整定，电流换向与死区控制。最大导通角与最小逆变角设定，因此在调整时应多加小心，以防变换器发生颠覆而损坏，由于电流环在变换器出厂时已经整定好，基本不用进一步调整。

　　(4)辅助电路。为各部件提供满足条件的电源，按照控制的时序要求，检测各部件的工作状态，控制各部件的工作，并提供欠流、过流。欠压、过压，过载保护。与主机的连锁保护与控制体现在：运行．停止及加减速连锁，张力过小时主机加速防止等保护。[next]

　　改造方案的选择

　　1．改造总体方案

　　改造总体方案主要有如下2种。

　　(1)基本利用原有的机械结构，主要进行电气控制系统史新换代。该方案对机器的改动少，费用低，准备时间短，但联机调试所花费的时间较长，原系统的可恢复性差。

　　(2)重新制作大部分机构及全部电气控制系统，并在原机器上增加必要的机构，形成两套完整的张力控制系统。该方案费用高，准备时间较长，安装空间受到一定的限制，但对机器的改动更少，可离线调试，联机调试所花费的时间短，不存在原系统的恢复性问题。

　　由于公司的生产任务非常繁重，为缩短安装调试时间，尽可能不影响生产，确定采用第二种方案。

　　2．功率放大与执行机构的选择

　　功率放大与执行机构的选择方案主要有如下3种。

　　(1)直流可逆变换器+直流马达。此方案技术成熟，稳定性及可控性好，可利用现有马达，费用低，但辅助控制电路较复杂，且直流马达维护较困难。

　　(2)交流变频器+交流马达。此方案费用最低，辅助控制电路简单，且马达维护容易，但用于四象限运行的技术不全面，低速稳定性及可控性差，基本上不用于要求大范围．高精度控制的场合。

　　(3)伺服驱动器+伺服马达。该项技术也已经成熟，稳定性及可控性好，辅助控制电路简单，马达容易维护，但费用最高。
本次改造确定采用伺服驱动器+伺服马达的第三种方案。

　　3．驱动器与电机的确定

　　原机生产速度为1 00米／分钟，最大可设置张力F=100kgf，按瞬时最高速度为V=140米／分钟．同步皮带传动效率n=0．93、驱动电机最高转速N=2000转／分钟。驱动辊直径D=185mm计算，则驱动辊所应提供的平均功率P为：

　　P1=f *V=F * g *V

　　其中，f为张力，单位为N；g为重力加速度，单位为米’／秒，则有：

　　Pi=FxgxV二100x 9．8x140／60=2286(W)二2．286(kW)

　　驱动辊转速Nl=1000xV／3．14／D=1000x140／3．14／

　　185=241(转／分钟)

　　采用两级同步皮带传动减速，则电机输出的最小功率P为：

        P= P1／n’二2．286／0．93／0．93=2．643(kW)

　　考虑到快速响应对加减速的要求，比照原驱动系统对电机的选择，在此选择功率为5．OkW伺服驱动系统。
 
　　4．二级张力控制系统的构成

　　参考原机及其他多种凹印机二级张力的控制方式，考虑到客观条件的限制以及笔者对张力控制系统的理解和把握程度，选择WARNER ELECTRIC公司的浮动辊张力传感器MCS-605E．张力控制器MCS2000-CTDA用于Infeed张力检测与控制，而选择Mitsubishi公司双压力传感器LX-100TD、张力控制器LE-40MTA-E用于Outfeed张力检测与控制，执行部件都选择PANASONIC交流伺服电机驱动器MHD503A1V。电机MHM502A1，加上相应的机械部件，组成完整的二级张力控制系统。[next]

　　Infeed二级张力控制系统改造方案

　　Infeed二级张力控制系统电气原理示意。

　　1．由于采用浮动辊张力检测结构，浮动辊位置设置点设置的实际上是张力平衡状态时浮动辊的位置，与张力设置值无关，张力的设置一般采用如下2种形式。

　　(1)配重式。早期采用的形式，由钢质浮动辊。浮动辊前后配重块支架及相应的配重块组成。调节较困难．直观显示难于实现；由于重力加速度的存在，浮动辊浮动时配重本身会对张力造成的冲击，使张力控制的精度受到很大影响。

　　(2)气动式。目前采用的形式，由轻质铝合金浮动辊、精密调压阀或压控比例调节阀。缓；中气罐及低磨气缸(最好是膜式气缸)组成。此种方式将重力加速度对张力控制精度的影响降到最低，调节与显示方便，甚至可实现集中控制与显示。

　　2．MCS2000-CTDA能够实现开环、闭环及开闭环混合3种控制模式。开环控制时，开环输出与输入Anl91为线性关系，可根据实际需要设置；闭环控制以设置点为基准，根据传感器输入及PID设置调整输出；混合控制将开环控制输出与闭环PID输出结合起来，组成其输出。实际使用时采用开闭环混合控制模式。有关MCS2000-CTDA PID参数的设置方法请参见《印刷技术》2003年10月第30期上刊登的文章(凹印机放卷张力控制系统的改造)。

　　3．Anlgl取自主机的测速输出，以与重复印刷长度成正比为基准设定，并限制其输出电压范围为0一i4VDC，对应的主机最高速度为140米／分钟。设置开环输出时取Anlgl信号电压为3V．11V及其对应的伺服电机转速为设置点，在正常工作速度范围内具有良好的跟随能力，为动态性能的提高奠定基础。

　　4．利用MCS2000-CTDA及驱动器MHD503A1V所提供的数字I／O接口，可方便地与主机进行连锁控制，实现原机的紧急停机，停机及预备状态等功能。[next]

　　Outfeed二级张力控制系统改造方案

　　1．压力传感器LX-100TD：两个100kgf的压力传感器，分别安装于张力检测辊两端。传感器检测到的仅仅是与检测轴线平行的压力或拉力分量．而检测不到垂直方向上的分量。一般地，通过检测辊的两纸面，其夹角最好在90以内；其合力的方向与检测轴线的夹角在30以内。过大的夹角一方面降低传感器的灵敏度，另一方面易导致传感器损坏。合理利用这个特点，就可适当增加同一传感器的检测范围。

　　2．张力控制器LE-40MTA-E：Mitsubishi Electric公司生产的张力控制器，其张力检测输入只能选用压力传感器，而输出则可以用于控制多种执行部件。全数字化工程设置界面及自动检测功能，为工程运用提供了方便。特别是可直接控制电压为24VDC。电流小于4A的电磁制动器。对于开卷机构的运用，线路简洁，控制方便，是其他类型的张力控制器所无法比拟的。

　　3．按照张力控制器及控制任务的要求完成接线后，即可通电进行初始化设置，压力传感器零点与检测范围调整，并利用出厂设置。系统已具备运行基本条件，接下来就是工作参数，即P，参数，死区及死区放大系数的设置。只有在系统处于工作状态(无论是手动还是自动工作状态)时，才能进行工作参数的调整。首先进行自动参数调整：在自动工作参数设置屏上，输入尽可能大的阶跃干扰值，按“输入”键后，约10秒后调整过程结束。根据系统的实际工作情况，必要时还应进行工作参数的手工微调，以提高系统的性能。手工工作参数调整的原则是：先积分后比例，先死区放大系数后死区。

　　一般地，积分系数越大，系统稳态性能越好，但动态响应越慢；反之，可控性较好，但易于出现振荡。比例系数越大，反应速度越快，但容易出现振荡，其设置值约为系统刚出现振荡时设置值的80％。死区放大系数一旦设置，系统实际上变为变比例系数控制，其转换阈值为死区。当偏差范围超过死区时，死区放大系数与比例系数同时起作用，反之则不起作用，因此，其调整应与比例系数调整同时考虑；随着死区放大系数的调整，应逐步缩小死区。

　　二级张力控制系统改造前后结构特点

　　二级张力控制系统改造前后的结构及走纸示意中可以看出：

　　1．改造前后两套张力控制系统并存，可随时互换，从而避免因改造工作出现失误而对生产造成的不良影响；

　　2．改造过程中对原机的较大改动都可以在离线的情况下进行，基本上不会影响生产。

　　结束语

　　由于所采用的控制与执行部件，功能内聚，可靠性提高，所需的外围元器件少，控制结构简单明了。系统改造完成后，于2001年5月投入正常运行。近3年的运行情况表明，新系统实现了控制与设置的数字化，显示直观，操作简单，与主机的连锁控制，基本上仍保持原机的操作习惯；运行稳定。可靠，排除人为因素的干扰，基本上未再出现电气及控制故障；具有优良的动态响应特性，张力控制精度有所提高。在同样的生产工艺条件及正常的运行情况下，以张力设定值为基准，包括双轴切换时，张力控制误差从原来的土12％改善到土7％，取得明显的经济效益。