矢量变频器在七电机凹版印刷机上的应用

摘要：介绍了用汇川矢量变频器来实现七电机凹印机的张力系统控制的方案及优越性。
关键词：凹版印刷机、PLC、矢量变频器、张力专用变频器
简介：
一、凹印机简介：凹版印刷因其版面特征而得名，以其精美的印刷质量在软包装行业占有重要的位置。凹印机一般由放卷装置、放卷牵引、主机、收卷牵引、收卷装置组成，根据配置的不同有三电机系统、五电机系统、七电机系统。一般的凹印机的基本配置有主机、收卷牵引及放卷牵引三个电机。放卷张力由磁粉制动器控制，收卷张力是由力矩电机或磁粉离合器控制，这是基本的三电机系统。若将放卷及收卷张力改为变频器控制的电机来控制，则为五电机系统。对于带有自动换卷的双工位收、放卷系统，则构成目前比较先进的七电机系统。卷材印刷时，需要一定的张力将材料张紧进入印刷单元，并在运行过程中保证张力稳定，才能保证各种颜色套印准确，图案精美。张力控制是凹版印刷的控制技术核心，若张力控制稳定，张力波动小，机器的套印精度及印刷速度就高。
二、行业现状介绍：因为在高速印刷过程中对套色精度要求高，所以整个过程中的张力控制精度要求很高，长久以来，七电机凹印机的驱动部分一直是进口变频器的天下，更高档的无轴传动系统是伺服控制器来实现。近年来国产矢量变频器相继推出，但因为矢量控制的算法复杂，国产矢量变频器在性能上主要是稳速精度及动态响应特性方面和进口变频器相比还有些许差距。一些国产高端变频器已经在印包行业占有重要位置，但一般多用在复合机、分切机等要求不是很高的应用场合。最能体现高水平要求的七电机凹印机长久来被进口变频器的独霸地位还是无法被撼动。
深圳市汇川技术有限公司推出的MD320系列矢量控制变频器及MD330张力专用变频器，集高端性能与强大功能与一身，利用其独特的同步控制及张力控制功能，有效弥补性能上和进口高端变频器的些许差距，成功应用于七电机凹印机系统。下面就汇川变频器在七电机凹印机上的应用方案与目前行业中的方案作以比较进行分析。
方案介绍：
一、传统方案：
系统的张力控制是通过控制系统线速度恒定来控制张力稳定。目前行业多是利用高档PLC来进行恒线速度控制，将收放卷牵引及收放卷装置的摆辊电位器的反馈信号送到PLC，通过PLC进行PID控制及卷径计算，将结果通过模拟量的方式传给矢量变频器。变频器在整个控制系统中只是一个执行机构。这就需要PLC运算速度快并且需要扩展较多的A/D和D/A模块，而且因为PLC运算速度及信号传替的影响，使得系统动态响应变慢，所以只能用矢量变频器中最高端的品牌，要求变频器模拟量输入口有高的分辨率，变频器动态响应快而且稳速精度高，来弥补因方案不足而造成的延迟。
二、汇川变频器方案：
1、 汇川矢量变频器简介
汇川矢量控制变频器是近年来新推出的国产高档变频器。主要有MD300简易型矢量变频器、MD320通用型矢量变频器及MD330张力控制专用矢量型变频器。MD300功能简单，主要应用于功能要求低而对性能要求较高的场合。MD320功能强大，并可实现闭环矢量控制，能满足目前大多数行业对变频器功能及性能的要求。MD330是张力专用变频器控制器，主要将卷径计算，张力锥度、预驱动等张力控制的专用功能集于一身，实现了张力控制的简易化。MD330的张力控制有转矩模式及速度模式。对张力控制精度要求高的场合一般有速度模式，对张力控制精度要求不高的场合，可以用转矩模式，系统结构简单而且调试方便。
2、 汇川变频器的系统构成：
系统由七台电机传动控制，分别为两个收卷（MD330）、两个放卷（MD330）、主机（MD320）和收、放卷牵引（MD320）构成，其中收卷、放卷和收、放卷牵引都是带张力反馈的闭环张力控制，变频器工作在速度模式。由于中部是印刷部分，对套色精度要求高，所以主机和收、放卷牵引均工作在带编码器的闭环矢量控制方式。如图所示：

3、 控制要点：
1） 要求每段张力恒定，摆杆摆动幅度小。但由于收、放卷过程卷径在不断地变化，PID的调节必须考虑卷径变化而带来的速度变化，否则摆杠摆动太大；
2） 中间套色印刷对张力变化很敏感，所以要求前后牵引摆杠摆动要非常小，否则就容易套色不准。这样要求稳速精度高，而且系统在动态时响应速度快。
3） 自动换卷时速度平稳，摆杆摆动小，尽量减小废品率。
4、实现过程
系统速度由主机控制，可通过电位器来设定或通过人机界面设定。主机变频器的运行频率信号经AO1输入到PLC，PLC根据触摸屏上输入的版径（印刷轴的直径）计算出线速度信号，以模拟量的方式输出给收、放卷牵引及放卷变频器，通过AI2端口输入至变频器。对于放卷部分，因为卷径变化是引起线速度变化的因素之一，变频器将根据当前线速度自动计算出卷径，再将卷径对速度的影响叠加进去，给出相应的主频率保证基本同步，用PID作为辅助频率进行微调，此PID反馈系统是张力摆杆，反馈信号通过AI1端口输入至变频器。因为PID只作微调即可保证同步，使得摆杆波动很小，而且起停平稳。PLC的线速度信号同时也通过变频器的AI1端口输入至收、放卷牵引变频，作为它的主频率源，因为此环节没有卷径变化，所以调节相对简单，无需张力专用变频器，用通用变频器即可。速度控制也是采用主频率源AI1与辅助频率源PID叠加的方式来调整。PID的反馈是通过AI2端口输入至变频器的。经PLC换算后主机和牵引的传动比相同，所以在此PID也只要微调即可保证同步。自动换卷过程，因为两个卷轴目前的卷径不同，所以在相同频率时线速度不同，直接切换则会造成速度突变而使得摆杆大幅度摆动，严重时会将材料拉断。必须先通过预驱动的方式使待换轴的线速与目前系统的线速度一致，方可保证在自动换卷时切换无冲击，使得摆杆稳定。
5、汇川变频器的方案优势：
1）、从上述过程可以看出，原本需要通过PLC进行运算的PID、卷径及预驱动等，均可以利用变频器本身所具有的功能来完成。速度调节由变频器本身来完成，最直接而且动态响应快。可以弥补系统对变频器稳速精度要求高、模拟量分辨率高及变频器对PLC输出信号的快速响应的需求。
2） 自动换卷时，MD330本身带有预驱动功能，使得空卷轴的线速度和系统运行线速度一致，保障切换时的摆杆的平稳。
6、调试中常见的及需要注意的问题：
1）、因为矢量控制方式对电机的参数有较大的依赖，所以调试前建议要作电机参数辨识，使得变频器获得比较准确的电机参数，才能获得较好的控制效果。
2）、实现闭环矢量过程中经常遇到因为编码器信号造成变频器过电流的现象。表现形式为开环矢量工作正常而工作在闭环矢量时电机转速很慢且电流很大。一种原因是编码器的A、B相接反，对调即可。，另外一种原因是编码器丢脉冲，检查编码器是否连接稳固；是否有单相脉冲丢失的情况。
3）、为了使收、放卷牵引的摆杆摆动幅度小，需要调试收、放卷牵引的主频率器运行在最大频率时，所传动材料的线速度要与系统的最大线速度相等。调试时只要看PLC的输出10V时对应的最大线速度值，然后根据传动比和传动轴直径计算出达到该线速度所需要的频率做为收放卷牵引变频器的最大频率即可。
4）、两个放卷的初始卷径可用同一个模拟量输入，这是因初始卷径值只有在DI输入被复位瞬间才是有效的，所以可以用两台复位的时间不同来区别初始卷径是为那台的 ，初始卷径的来源定义成AI2，PLC编程时要注意它们的对应关系。
5）、为了减小牵引PID的调节量，辅助频率源范围选择参数F0-05设为相对于最大频率、辅助频率源范围F0-06设为8%（50Hz*8%=4Hz），这样可以有效防止超调并且线速度为0时PID依然有作用，保证零速时张力恒定。
6）、收卷换料时必须卷径复位，否则起动时摆杆波动变大；
7）、放卷换料时因卷径有突变，所以卷径滤波时间要设小，这样系统一运行变频器就会快速计算出卷径；使系统快速稳定下来。
8） 、运行时要观察摆杆摆动的规律来调整PI参数即可获得满意的效果。
结束语：
汇川矢量变频器利用其独有的强大功能及优秀的性能，通过与方案的巧妙结合，利用变频器的功能，在七电机凹印机中应用成功。有效地减少了PLC的工作量，而且逻辑清晰、线路简单。与原有系统相比，变频器成本有较大幅度的节省。本该方案由于收放卷与牵引都带张力反馈，主机和牵引都用有速度传感器矢量控制；张力反馈和多数控制信号直接输入到变频器，所以具有控制精度高、动态响应快、成本低、、故障率低、维护方便等特点，是一个性价比优良的方案。
参考文献：
（1）、MD320用户手册。深圳市汇川技术有限公司编印
（2）、MD330用户手册。深圳市汇川技术有限公司编印
（3）、卑江艳 凹版印刷 化学工业出版社。
作者简介：
肖尚辉：2000年毕业于福州工业学院机电一体化专业。
张卫江：1991年毕业于西北工业大学自动控制系。