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关于分切机电气控制系统的研究

2020-10-26 275 上传者：管理员

摘要：分切机是凹版印刷行业重要设备之一，对印刷产品的质量和印刷品的分切控制有着举足轻重的作用。目前我国分切机取得了长足发展，和国外同类设备相比还存在着较大差距。本文主要对分切机的电气控制特点作以分析，希望能对分切机研究同行有所帮助。

关键词：
PLC
分切机
印刷工业
变频器
张力控制
电气控制
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凹版印刷是目前我国最流行最常见的图文印刷方法之一，凹版印刷图文具有凹凸感、层次丰富、线条清晰、印刷质量高且速度快等特点。分切机是凹版印刷系统的重要工艺设备，对凹版印刷产品的质量及分切控制起着关键作用，是整个生产流程中的关键角色。目前国产分切机的自动化水平还停留在中下游水平，分切机生产厂家对分切工艺、材料特性的理解深度，还落后于国外发达国家。如分切机的运行速度，大多还低于800m/min，国外产品运行速度大于1000m/min，且已经出现运行速度2000m/min的产品。国产分切机控制系统的严密性和合理性还有较大差距。可喜的是，南方有些厂家已经开发出分切速度1000m/min的产品。本文对分切机电气控制进行分析，结合一分切机控制案例进行说明。

1、张力的产生

张力指物体受到拉力作用时，在其内部且垂直于两邻部分接触面上产生的相互牵引力。分切机运行时，薄膜在牵引力作用下产生张力。薄膜张力大小的影响因素有牵引电机转矩、阻力矩、运行速度、薄膜材质、薄膜宽度和厚度、卷径变化等。薄膜张力时刻变化，对分切产品质量和张力控制带来重大影响。

薄膜张力大小计算参考图1。

图1张力产生示意图

张力和各变量间的关系满足式（1）。其中，薄膜所受张力为F，薄膜由压辊到收卷辊（牵引辊）间的距离为L，薄膜在压辊处的线速度为V1，收卷辊（牵引辊）处的线速度为V2，薄膜横截面积A，薄膜弹性模量E，薄膜从压辊到收卷辊时间t。

可以看出薄膜张力大小和线速度差的累计成正比，张力控制即为线速度的跟踪控制。

2、张力控制

分切机运行时，目的是把膜料从母料卷转移再分切成规定尺寸后收卷成品。收卷成品过程须保证膜料品质完好，即要求张力不能太大也不能太小。张力太大会拉断或损伤卷料，张力偏小会影响收卷质量，所以恒张力控制是分切机正常运行的关键。电机转动时，线速度v=ω*R，转矩T=F*R,F为薄膜张力，R为卷径，ω为电机旋转角速度。要实现恒张力控制，即要求张力F=T·ω/v恒定，可以通过控制转矩或速度方式实现恒张力。

2.1转矩控制

指变频器控制的是电机的转矩，而不是频率。转矩控制模式下输出频率是跟随材料的速度自动变化。为了防止飞车意外事件发生，须设置上限频率。转矩控制模式要实现恒张力控制，须根据卷径变化调整卷轴转矩。

卷径可通过超声波传感器直接检测，或者通过检测卷料线速度计算卷径。负载转距T=F*D/2(F为设定张力，D为当前卷径），设定了张力大小，负载转矩就可以算出来。分切机张力设定根据材料、克重及幅宽设置，由操作面板完成，张力调节范围100-1000N。

转矩控制模式时，系统配置张力检测装置，与张力控制器组成闭环系统，实现恒张力控制。张力控制器输出0-10V模拟量信号，对应异步电机的额定转矩。该模拟量信号接入变频器，选择转矩给定，这样在整个收卷或放卷动态过程中，能够保证张力的恒定。

2.2速度控制

变频器工作在速度控制模式时，按照设定频率输出，输出转矩自动匹配负载转矩。速度模式下要设置转矩最大限幅。

速度闭环控制系统设有张力检测器。张力检测装置反馈的张力信号与张力设定值构成PID闭环，调节变频器输出频率，进而调节卷轴速度，实现恒张力控制目的。同步频率计算如式（2）。其中，V线速度，p电机极对数，i传动比，D料卷卷径。线速度、卷径的检测和计算方法有多种。

速度模式变频器的工作方式有三种：无速度传感器矢量控制、有速度传感器矢量控制和V/F控制。

张力检测装置有张力传感器、角位移传感器等。张力传感器一般安装在“张力辊”轴承座上。张力传感器输出的电信号（电压或电流）和张力间有准确的线性关系，反应快速，是高速分切机常用的张力检测元件。角位移传感器也是一种张力检测装置，和浮动辊配套使用。张力变化时，浮动辊整体沿固定的芯轴转动，根据角度偏移会输出与张力相关的信息。角位移传感器和浮动辊造价低，常用于速度较低（600-800m/min）的分切机上。

2.3锥度控制

恒张力控制收卷时，随着收卷卷径增大，外侧材料会对内侧材料产生持续挤压作用，造成内卷压力大外卷压力小，外卷挤压内卷，影响收卷质量。解决方法是随着收卷卷径增大逐渐减小张力，保证料卷径向压力分布均匀，避免膜卷内部因挤压出现褶皱等现象。锥度控制的目的，既保证了张力的稳定，又兼顾了收卷内外部压力均匀分布。

3、分切机电气控制

分切机电气控制案例。

3.1张力控制原理

从前面所述张力产生可知，控制收卷放卷的速度差，即可控制张力。收卷、放卷的速度由专用张力矢量变频器控制。分切机主要是将膜料分切成规定尺寸后收卷成品，所以收卷的速度和张力控制是重点。收放卷张力控制见图2。

图2收放卷张力控制框图

收放卷的线速度由电机编码器计算获得，或者通过牵引变频器的运行频率模拟输出获得，牵引变频器的运行频率与线速度成线性对应关系。通过材料线速度与实际卷径计算得到匹配频率设定值f1，再通过张力（位置）反馈信号进行PID运算，产生一个频率调整值Δf，最终频率输出为f=f1+Δf。

张力设定值和实测值比较后的差值，经PID运算，输出模拟量电流值，调节磁粉离合制动器，对转矩进行微调，进一步改善加减速动态响应。PID运算由PLC程序实现，或者矢量变频器完成。

磁粉离合器控制收卷时工作在滑差状态，其输出转矩直接影响收卷张力大小，按卷径大小增加或减小输出转矩。放卷张力由放卷装置中磁粉制动器的制动转矩和牵引转矩决定，随着料卷卷径不断减小须不断减小制动转矩，维持张力恒定。

3.2逻辑变量控制

分切机的启动、停止、点动、加减速等开关量由PLC控制，张力信号、气压控制等模拟量也经由PLC处理。PLC与变频器通过RS485通信方式实现数据传输。PLC选型为s7-1200CPU1214C，模拟量输出模块SM1232。变频器选型为安川变频器GA70B4023ABBA,GA70B4012ABBA。GA70B4023ABBA功率7.5kW，额定输入21.2A，额定输出18A。GA70B4012ABBA功率3.7kW，额定输入11.7A，额定输出9.2A。PLC、变频器、张力检测与张力控制等部件控制关系见图3。

3.3矢量变频器参数

专用张力矢量变频器已在高速分切机上得到了广泛应用，因其调速性能好，不仅提高了生产效率，而且能克服磁粉调速固有弱点。张力专用矢量变频器内部集成PID功能，可以进行PID参数设置和调整，进行相关参数运算，能处理闭环反馈信号，满足分切机恒张力控制要求。矢量变频器运行时须设置的参数包括：电机的控制方式、命令源方式、主辅频率源选择、上下限频率、加减速时间、电机类型及额定参数、速度环增益、速度环积分时间、转矩上下限值、PID参数等。

图3分切机控制框图

4、结束语

分切机电气控制的重点是保持膜料张力在收卷分切过程中的相对稳定，不因卷径大小变化产生明显波动而影响分切收卷质量。同时，分切机在加减速或停止时，动态响应能够快速恢复张力恒定。随着国外高速分切技术的成熟和高速分切机的应用，我国分切机控制技术在高速控制方面还需要不断升级改进，超高速分切要求保证张力稳定的基础上提升速度，对系统各环节的动态响应速度提出了更高要求。

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