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案例頻道 （貝加萊工業自動化（上海）有限公司，上海 200233）周曉霞
（唐山理工智能儀器有限公司，河北 唐山 063000）郎建華
周曉霞（1966-）女，甘肅天水人，本科，現就職于貝加萊工業自動化（上海）有限公司。
摘要：凹版印刷機集成型無軸傳動控制系統是采用虛擬電子軸傳動取代傳統機械主傳動軸，徹底取消傳統套色系統所需的浮動輥機構，從而將傳動與套色融為一體，直接作用于印刷版輥的一種自動化伺服控制系統。該文介紹了無軸傳動系統的分類和技術特點，并以貝加萊的PCC、ACOPOSmulti伺服驅動器和Ethernet POWERLINK實時工業以太網在該系統中的應用為例，論述了該無軸凹印機控制系統的技術方案。無軸傳動控制技術的應用，簡化了機械的傳動結構，優化了控制的協調性和穩定性，縮短了過料時間，實現了凹印機的高精度、高印速和高套準控制。
關鍵詞：凹版印刷機；無軸傳動控制系統；套色控制；伺服驅動；Ethernet POWERLINK工業以太網
Abstract: The integrated shaft-less drive control system of the gravure press is a kind of automation servo control system in which the virtual electronic shafts are adopted to substitute for the main drive shaft of traditional machinery to completely cancel the mechanism of floating roller needed by traditional color register system, thus the drive will be fused together with the color register, and the electronic shafts will directly act up on the printing rollers. The paper introduces classification and technical characteristics of shaft-less drive system and expounds the technical scheme of the control system of shaft-less gravure press by taking the application of B&R’s PCC, ACOPOSmulti servo drive and Ethernet POWERLINK real time industrial Ethernet in the above system as an example. The mechanical transmission structure is simplified, the cooperativeness and stability of the control are optimized, the material feeding time is shortened by using the shaft-less drive control technology and therefore we realize the control of the intaglio printing press with high-precision, high printing speed and high-accuracy registration.
Key words: Intaglio printing press; Shaft-less drive control system; Color register control; Servo driving; Ethernet POWERLINK industrial Ethernet
1 引言
膠印、柔印、凹印技術三足鼎立，三種工藝各有所長，其中的凹印技術以其印刷色差小、印金效果好、印品無接縫、印材適用面廣、符合長版活印刷等優點而為人稱道。隨著控制技術的發展，目前全球印刷企業用戶和設備生產廠商都將目光聚集于一項新興控制技術——無軸傳動控制。尤其是應用在凹版印刷機上，其優勢更為突出。
傳統的機組式凹版印刷機依靠一根機械主軸通過渦輪蝸桿向各個印刷單元傳遞動力，并以此來保證各色組版輥的運動同步，動力來源于由矢量控制變頻器控制的三相異步電動機，其傳動精度差，機械結構復雜。印刷圖案的套準控制則是通過控制專門的浮動輥的運動，并通過控制張力以控制承印物的拉伸而實現的。我們將這種傳統的機組式凹版印刷方式簡稱為有軸印刷，相應地將另一種新型的印刷方式簡稱為無軸印刷。
所謂無軸傳動，就是采用虛擬電子軸取代傳統的機械主傳動軸，并取消套色系統所需的浮動輥機構，而將傳動與套色融為一體，直接作用于印刷版輥的一種伺服傳動方式。目前，用于凹印機的無軸傳動控制系統分為兩個流派：其一是以日本住友、西門子、力士樂等公司為代表的“傳動系統+套色系統”的復合式流派，另一個則是以貝加萊公司為代表的集傳動與套色為一體的富有創新意義的集成式流派。該集成型系統的顯著特點是簡潔、高效以及成本的競爭力。
2 無軸傳動凹印技術的特點
2.1 無軸傳動控制系統的分類
無軸印刷傳動技術在發展過程中形成了以下三種類型的系統：亞無軸傳動控制系統、準無軸傳動控制系統和集成型無軸傳動控制系統。
（1）亞無軸傳動控制系統
僅僅去掉了傳統的機械主傳動軸，每一印刷單元采用獨立驅動機構，保留了套色系統所需的浮動輥機構且完全獨立。由于傳動和套準控制系統的相對獨立性，控制上很難達到完全協調和穩定，浮動輥機構的結構仍然復雜，而且色組之間的過料長度較長，很難實現高速、高精度的印刷工藝。它是無軸控制系統的前身。
（2）準無軸傳動控制系統
不僅去掉了傳統的機械主傳動軸，同時也去掉了套色系統所需的浮動輥機構，每一印刷單元采用獨立驅動機構，以保證印刷版輥的速度同步。同時，由相對獨立的套色系統提供已經處理的套色誤差信號，無軸傳動系統結合速度同步信號和套色誤差信號，統一協調工作。它是亞無軸控制系統的發展。
（3）集成型無軸傳動控制系統
該系統采用基于伺服控制技術的虛擬電子軸傳動來取代傳統的機械主傳動軸，徹底摒棄了套色系統所需的浮動輥機構，而將傳動與套色融為一體，各個印刷單元均配置獨立的伺服電機及相應的減速機構對該單元的版輥獨立驅動，直接作用于印刷版輥。力求系統的完整性和統一性，有效地將張力控制、遠程站點控制納入其中，由一套PCC統一控制。這是一種真正意義上的無軸傳動控制系統，也是本文論述的主題。
2.2 無軸傳動凹印機及其控制技術的特點
無軸和有軸的根本區別是版輥的傳動方式不同，無軸各色組版輥的傳動是各自獨立的，各單元之間的同步十分關鍵，這是保證印刷品質的前提和基礎。在圖案套色控制上，無軸印刷是在保證各軸同步的基礎上，通過控制版輥的相位來實現的。
與傳統的機械主軸凹印機相比，采用集成型無軸傳動控制系統的機組式凹印機具有以下優點：
（1）傳動結構簡化
控制的協調性和穩定性好，過料長度縮短20％，走料時間也相應減少。
（2）高精度的預套準和極短的預套準時間
印刷版輥只需裝入任意印刷單元并初次確認印版輥“零位”，隨后伺服系統將自動根據色組間料長來調節版輥相位，將其轉動至“印刷位置”。伺服系統的定位精度可達0.001mm，重復精度為0.01mm，自動預套準的范圍可以嚴格控制到+/-10mm以內。
（3）采用高性能控制系統以實現高精度、高印速、高套準控制
該控制系統以PCC（即可編程計算機控制器）為核心，在控制伺服驅動、數據通信以及數據采集、處理等任務中，大大提高了效率，其處理速度和能力遠遠超出行業內其它類型的控制器，故它有能力很好地處理套色和同步傳動的統一。
該系統采用Ethernet POWERLINK實時工業以太網通信的方式，使PCC、HMI、各控制站點、各伺服驅動器之間的數據通信更加可靠、高速和實時。以總線的方式進行遠程I/O的配置和通信，節省了配線，并大大降低了系統的干擾和故障，使設備的維護簡化。
用于版輥位置反饋測量的編碼器通過硬件倍頻可達到400萬線/轉的高分辨率，系統控制精度可達0.001mm。在高達600米/分的印刷速度下仍能達到比機械軸凹印機高得多的套準精度，印刷實踐證明，該技術使套印精度由原來的0.1mm提高到0.05mm。
（4）特殊印刷工藝更易實現
無軸傳動控制系統不需改變系統硬件配置即可通過軟件來實現各個印刷色組正印和反印的任意轉換。無軸傳動對異徑涂布功能和定點涂膠功能的實現，較之傳統有軸凹版印刷更簡單而又可靠。
（5）色組機的分組使用
無軸傳動控制系統為多色機的分組使用提供了方便。即在某些色組正常作業時，用戶可為剩余色組提前做好訂單的裝版和勻墨工作。此外，用戶可依據生產需要將不參加作業的色組置于單動停止狀態，達到節能的效果。
（6）緊湊的工程設計和良好的工作環境
由于取消了機械傳動軸和齒輪箱，因而傳動噪音和維修保養工作量明顯減少，并留出了更大的空間用于操作及維修。各個印刷單元實現模塊化設計，節省了安裝和調試時間。
3 無軸凹版印刷機控制系統
集成型無軸傳動控制系統的技術方案立足于簡化機械結構和提高控制性能。
3.1 系統構成概述
型號不同的機組式凹版印刷機的色組單元個數是不同的，下面以一臺10色組單元凹版印刷機的控制系統為例，來說明凹印機無軸傳動控制系統的構成。
如圖1所示，該系統以B&R X20系列PCC為核心（CPU選用CP1486)，與上位操作監控站（選用PP320觸摸屏作為HMI）、10套B&R ACOPOS multi伺服驅動系統和10套色標識別系統一起構成基于Ethernet POWERLINK總線網絡的無軸凹印機控制系統。
圖1 機組式凹版印刷機無軸傳動控制系統簡化原理圖
3.2 主要控制裝置和子系統
3.2.1 操作監控站（HMI）
在無軸凹印機控制系統中，上位操作監控站是操作人員與系統交換信息的唯一渠道，它實現系統參數讀寫、系統狀態監控、故障提示和配方管理等功能。
B&R人機界面系列產品Power Panel 300 BIOS觸摸屏是一種集顯示操作和數據處理于一體的人機界面。該系統選用了一款面板屏幕尺寸為15英寸的嵌入式高檔人機界面，面板背部集成有Ethernet等通信接口，不僅具備人機界面所有的功能，同時還可以在其中裝入通用操作系統，如Windows XP、Windows CE等，開放的操作系統可以使該系列的觸摸屏作為一個SCADA系統的操作員站或遠程的瘦客戶端，還可支持目前多種主流的圖形組態軟件，如Wonderware InTouch和組態王等，客戶可以根據自己的具體條件選擇合適的組態軟件以應用于不同行業的項目開發。
3.2.2 X20系列PCC
X20系列PCC已成為高精度機械自動化和高可靠性過程自動化等復雜靈活自動化項目的通用解決方案。其CPU是一款高性能的處理器，如采用Intel Celeron 650處理器的X20控制器，具備有附加的I/O處理器和浮點處理器FPU，系統單步指令周期最快可達到0.01us，任務循環周期可短至200us。X20 CPU支持多種通信協議，RS232、Ethernet、Ethernet POWERLINK和USB等通信接口已經成為X20 PCC的標準配置。與B&R的其他系列控制器一樣，X20系列的控制器也使用B&R的Automation Studio?軟件平臺。
X20分布式控制的設計理念，可以使用CAN、Ethernet POWERLINK等多種總線把遠程分布式I/O模塊方便地連接起來，實現傳統控制技術和分布式I/O技術的完美結合。
X20系列PCC除能連接常規數字量和模擬量I/O模塊外，還可配置高速計數器、PWM、編碼器、NC等多種專家模塊。并且所有I/O模塊均支持熱插拔，每個通道均留有便于萬用表探針插入的測試維護孔，這是非常人性化的一種設計。
3.2.3 印刷版輥伺服驅動及控制系統
B&R全數字伺服驅動器ACOPOSmulti及伺服電機構成了版輥伺服驅動系統，是該無軸凹印機傳動控制系統的基礎。
ACOPOSmuti是B&R的新一代伺服驅動器，一改原有伺服驅動器單軸獨立供電的結構形式，轉向更具專業水準的共用直流母線集中供電模式和背板式緊湊安裝結構。其高效的散熱結構、集中供電單元和獨特的雙軸驅動單元等技術有利于縮小多軸應用的安裝空間，共用直流母線技術有利于多軸驅動的負載均衡，加之可逆整流技術更有利于穩定直流母線的電壓，并適應更寬范圍的交流供電電壓，提高系統的功率因數，還能將多余的發電制動能量直接回饋給電網，節能效果明顯。加上Ethernet POWERLINK高速實時工業以太網技術和系統安全技術，完美地解決了集中或分布式多軸應用的高速實時同步和安全運行問題。
按習慣把對每一個電機回路的控制稱為對一個“軸”的控制。這樣，該系統的控制對象就是若干個既相互關聯而又相對獨立的軸。
其獨立性表現在每個“軸”獨立驅動，其控制模式是一致的，控制框架也基本相同。由PCC實現具體的工藝控制和數據處理。然后通過Ethernet POWRELINK總線和HUB口將數據傳送到各臺用于驅動印刷版輥的伺服電機的伺服驅動器ACOPOSmulti中，伺服驅動器則根據要求對數據進行必要的分析處理，控制相應的伺服電機驅動各自的印刷版輥以實現同步控制。伺服電機的實際速度（位置）由其內置編碼器反饋給伺服驅動器的編碼器信號分析卡，再由該編碼器卡將該信號反饋給伺服驅動器，并由伺服驅動器對其控制參數進行必要的修正，形成內閉環控制。
它們的關聯性表現在系統速度來源是統一的，即跟蹤當前的印刷速度，各個軸反映在相應的印刷版輥的線速度是相同的。這一關聯性也確保了系統傳動的同步性。
套色時，通過光電眼將實際的套印誤差及時反映給伺服驅動器，伺服驅動器對該誤差信號快速處理并反饋給PCC，PCC則根據各個印刷單元的實際運轉情況統一處理，調整印刷版輥的相位，從而實現套色。
3.2.4 色標識別及處理系統
包括色標識別傳感器及信號處理系統，色標信號經傳感器識別及處理系統的初步處理后，輸入到ACOPOSmuti系統再進行處理運算。PCC的CPU模塊對識別的信號做高級別的算法處理后再傳輸給ACOPOSmuti伺服系統進行控制。
3.3 Ethernet POWERLINK總線及其網絡結構
3.3.1 Ethernet POWERLINK總線技術
（1）概述
Ethernet POWERLINK通信技術是由貝加萊公司研發并推向市場的一種嚴格且具有確定性的實時通信軟件協議，它完全建立在工業以太網硬件的基礎上，而不依賴于其它特定硬件環境，并僅采用軟件協議來實現的具有高實時特性的安全工業以太網技術。當前它可實現波特率為1Gb i t s/s的安全通信速率。
POWERLINK不僅支持PCC、分布式I/O以及運動控制系統數據的循環通信，同時也支持實時網絡節點間的非同步通信，并且專門為這一目的預留有部分網絡帶寬。
（2）技術參數（基于快速以太網100Mbit/s）
Ethernet POWERLINK的主要技術參數如下：
傳輸協議：標準快速以太網，IEEE802.3u
數據傳輸速率：100Mbps
支持的通信類型：同步數據、異步數據
每站點最大的網絡數據量：1488byte
每個POWERLINK網絡最大站點數：240個
（3）Ethernet POWERLINK總線的通信原理POWERLINK網絡中有兩種數據通信形式：
周期性的，非周期性的POWERLINK循環：采用SCNM (Slot Communication Network Management，時槽通信網絡管理) 技術解決了傳統的以太網CSMA/CD通信方式為解決數據沖突而引發的數據交換的不確定性問題。
SCNM規定POWERLINK網絡中由管理器節點（MN）統一分配時槽給各控制器站點（CN），并依次輪詢。MN以點對點的方式向CN發出訪問請求PollRequest，CN以廣播的方式向所有站點發出響應信息PollResponse。
循環周期如圖2所示。
圖2 POWERLINK的循環周期
一個POWERLINK循環包括一個循環頭（SoC-Startof Cycle），它被控制器用于同步操作，循環頭之后，管理器向第一個站點發送一個傳送請求，相應地它會收到一個傳送回應，以此類推，在每一個循環中，所有的站點都會被訪問到。循環通信在一個循環尾（EoC-End of Cycle）終止，而后就是非同步通信時間，這時，管理器就向某個站點發送或者提示其發送數據。其數據通信過程如圖3所示。
圖3 POWERLINK數據通信的過程
3.3.2 無軸凹印機控制系統中Ethernet POWERLINK的網絡架構
該凹印機控制系統的Ethernet POWERLINK網絡架構以及站點分配如圖4所示，這是一個基于Ethernet POWERLINK總線的星形網絡。
在該網絡中，貝加萊的X20系列PCC的CPU (CP1486) 模塊是中央處理單元，除PCC與操作監控站的通信采用以太網(TCP/IP)以外，PCC的CPU與各伺服驅動器（ACOPOS multi）之間通過Ethernet POWERLINK總線和HUB實現數據通信，各伺服驅動器之間的數據通信也基于thernet POWERLINK。
在該Ethernet POWERLINK通信網絡中，CPU (CP1486)POWERLINK接口的站點號為00（MN），各伺服控制器的站號依次為01到10（CN）。
圖4 Ethernet POWERLINK的網絡結構
3.3.3 Ethernet POWERLINK在運動控制中的應用
凹版印刷對數據響應速度的要求很高， 而Ethernet POWERLINK的高實時性和安全性正好滿足了這個要求。
在運動控制中，POWERLINK作為通信總線是透明的，不需要編寫任何的驅動程序或通信程序，這些都是集成在系統中的，只要在項目中添加相應的通信接口，并做相應的Ethernet POWERLINK通信屬性的設置（如循環周期的設置），Ethernet POWERLINK的通信功能即可在系統中使用。開發者主要的工作則集中于運動控制軟件方案的規劃及控制方法的實現上。
各色組單元需要解決同步運行問題，Ethernet POWERLINK總線為各軸電子齒輪的同步提供了實時、可靠而安全的數據通道。
3.4 單個印刷單元的伺服控制
圖5表示出了單個印刷單元控制系統的簡化原理圖（未表示出Ethernet POWERLINK總線的通信網絡連接）。每個印刷單元的伺服控制系統配置一臺B&R的ACOPOSmulti伺服驅動器（內插AC114總線通信卡、AC120ENDAT編碼器卡、AC132色標分析卡和AC130 I/O控制卡）、一臺內置ENDAT編碼器、機械式制動器和溫度傳感器的交流同步伺服電機以及電源開關、能耗制動電阻、操作和信號電器等。
ACOPOSmulti伺服驅動器除引入三相AC380V電源作為控制電源外，還接入DC24V共用直流電源作為逆變電源。ENDAT編碼器的速度（位置）信號輸入至伺服驅動器的AC120ENDAT編碼器卡；色標信號經色標識別傳感器及其處理系統的初步處理，輸入到伺服驅動器的AC132色標分析卡再進行運算處理；單個印刷單元控制系統設有單動—聯動選擇、粗調－細調選擇、單獨運行操作和對版操作以及相關運行指示燈，有關輸入/輸出控制信號均接至插入伺服驅動器的AC130 I/O控制卡。
該ACOPOSmu l t i伺服驅動器通過Ethernet POWERLINK總線網絡接受X20 PCC的 CPU的運動控制指令并向其傳送由編碼器反饋的運動位置數據和其它有關運行數據，伺服驅動器與伺服電機則通過ENDAT編碼器的反饋信號構成內閉環調節系統，精確地執行控制指令所規定的運動軌跡。
3.5 無軸凹印機控制系統的軟件開發
3.5.1 Automation Studio?集成一體化軟件平臺
該系統使用B&R的Automation Studio集成一體化軟件平臺，這種能實現從控制、顯示到通信任務的集成開發軟件能夠滿足各類自動化任務的需求。該軟件平臺支持B&R的全系列控制產品，包括HMI、PCC、X20 I/O和伺服控制系統的應用軟件開發。
Automation Studio的系統配置工具支持應用于Ethernet POWERLINK和X2X Link系統的遠程I/O模塊，簡單統一的I/O分配使得I/O系統的快速更換成為現實；控制數據、配置參數和類似的參考數據均可在應用軟件中讀取，并存貯于讀卡器、軟盤或DiskOnKey等USB大容量存貯設備上；可以在裝入PCC CPU的Automation Runtime操作系統中對全新的Compact Flash卡進行分區并格式化。
Automation Studio的編程支持幾乎所有的標準語言，包括Automation Basic、ANSI-C等高級語言，以及符合IEC61131-3標準的梯形圖（LAD）、指令表（IL）、結構化文本（ST）、順序功能圖（SFC）和數據模塊編輯器以及數據類型編輯器。
無論是簡單的邏輯和數學運算，還是通訊協議的編程和復雜的控制算法，都可作為標準的功能塊集成在Automation Studio?中，此外還可創建和管理自定義的功能塊。
使用Automation Studio軟件可實現在線語言切換、報警管理、配方管理、觸摸屏和功能鍵操作、自由編程與高級語言支持、快速頁面切換、直接讀取I/O和變量和整個系統的可視維護等功能。所允許的畫面及程序量多少僅與內存容量有關。
3.5.2 應用軟件開發策略
在系統硬件配置完成后，根據工藝要求在Automation Studio?軟件平臺下主要使用ANSI-C語言進行主干應用程序的開發，以實現控制目標。該控制系統在編程中共分為三個循環任務層來編寫：在第一個循環層內，共完成以下六個任務：與伺服控制系統的通信、過程控制、印刷單元控制、套色系統控制、張力控制和張力I/O的處理；在第二個循環層內，主要完成站點控制；在第三個循環層內，主要完成人機界面的組態和編制。
對于以上三個循環層內的任務，PCC是按其分時多任務管理的模式來進行處理的。
4 結束語
無軸凹版印刷是集版輥傳動和套色控制于一體的印刷方式。版輥的獨立，雖然使得控制更加復雜，但凹印機的印刷靈活性、可操作性以及自動化水平都得到了提高，從而能更好地適應當今印刷行業復雜生產工藝的要求。
無軸凹版印刷機的投入市場，為煙包、裝飾紙印刷、瓦楞紙印刷、塑膜印刷等行業的廣大客戶提供了品質優良的新型技術裝備，使其在印刷合格率、印刷精度、機器性能、操作人性化和節約成本等方面都得到了顯著提高，并實現了安全和環保生產。
其他作者：郎建華（1979-），男，河北唐山人，本科，初級工程師，從事供熱系統自動化控制方面的研究，現就職于唐山理工智能儀器有限公司工程技術部。
參考文獻：
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[3] 李佳艷, 陸賀卿. 貝加萊控制系統在新型數字化紡機中的應用[J]. 自動化信息, 2010, (3).
摘自《自動化博覽》2010年第九期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號