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案例頻道摘 要：本文比較了機組式輪轉凹版印刷機七電機張力控制裝置的傳統設計方案后，結合了三菱新開發的內置卷取功能的專用變頻的基礎上，提出了用三菱專用變頻和PLC構成一種新的多CPU分級控制并行算法的張力控制新方案。并在凹版印刷機上已順利調試成功。實踐證明該方案的張力控制響應速度至少可以提高10倍以上，而成本卻可以減少。并且在將來的無軸控制（shaftless）上具有較好的應用開發前景。
關鍵詞：張力控制；浮動輥；分級控制；七電機；四段張力控制
Abstract：In this paper，we propose a new tension control method by using Mitsubishi inverter and PLC to construct a new parallel multi-CPU hierarchical control algorithm.It is based on the traditional design of seven motors，multi-unit rotary gravure printing machine that applies newly built-in winding function of Mitsubishi inverter.
This method is successful in commissioning the gravure printing machine?In the practice of tension control，it is 10 times faster than the traditional methods while with less cost.This kind of application will have a good application prospect in shaftless gravure printing machine.
Key words：Tension Control；Dancer Roll；hierarchical control；seven motors；four hierarchy control
1 凹版印刷機簡介
凹版印刷因其印刷工藝的印版特征而得名，以其精美的印刷質量在軟包裝行業中占領了重要的位置。凹印機一般由放卷裝置、進料牽引、主機牽引、出料牽引、收卷裝置組成，其標準配置是常見的七電機系統。（含收卷、放卷的自動換卷）。卷材印刷時，需要一定的張力將材料張緊進入印刷單元，并在啟動、運行、換卷、停車等過程中保證張力穩定，才能保證各種顏色套印準確、圖案精美。因此張力控制是凹版印刷機械驅動控制的技術核心，若張力控制穩定、張力波動小，機器的套印精度及印刷速度就會提高。
凹版印刷因其印刷工藝的印版特征而得名，以其精美的印刷質量在軟包裝行業中占領了重要的位置。凹印機一般由放卷裝置、進料牽引、主機牽引、出料牽引、收卷裝置組成，其標準配置是常見的七電機系統。（含收卷、放卷的自動換卷）。卷材印刷時，需要一定的張力將材料張緊進入印刷單元，并在啟動、運行、換卷、停車等過程中保證張力穩定，才能保證各種顏色套印準確、圖案精美。因此張力控制是凹版印刷機械驅動控制的技術核心，若張力控制穩定、張力波動小，機器的套印精度及印刷速度就會提高。
2 張力控制系統的構成及現狀
在卷材的印刷過程中，要求控制的張力主要有放卷張力、進料張力、出料張力、收卷張力。這就是通常講的4段張力，一般卷料在印刷色組間的張力控制由版遞增來實現。在無軸系統中也有用各色組驅動電機的速度差來實現。
張力控制系統一般有檢測、運算控制和驅動裝置組成。
檢測部分一般由張力傳感器或浮動輥組成，近年來由于浮動輥在卷料換卷過程中對材料的張力吸收較好，所以業內的同行大都是使用浮動輥檢測。
運算控制一般由PLC、工控機或DSP來完成。近年來由于PLC的大量普及，性能價格比好，運算速度逐年提高，所以大部分采用PLC來做張力控制。一般將浮輥信號經AD轉換后直接進入PLC，由PLC進行卷徑計算、恒線速度控制和各段張力的PID運算，并將結果通過模擬量DA的方式傳給矢量變頻器。
變頻器在整個控制系統中既作為驅動執行機構又作為張力的調整裝置。因此對變頻的調速范圍和精度、轉矩精度、動態響應特性等關鍵技術都有比較高的要求。
3 傳統方案的局限及改革思路
由于傳統的系統張力控制是通過一臺PLC來完成，隨著印刷速度的增加（從100多米到300米/分鐘），卷徑比的增加（有600mm增加到1500mm），印刷色組的增加（原來的6色加到13色）和輔助控制點數的增加（壓輥、風機、油墨粘度控制等），對于循環掃描方式運算的PLC的CPU來講，有點不堪重任，就算將一些輔助控制移到另一臺PLC來完成，但實際的4段張力所需的運算時間用較先進的PLC（例如三菱FX-3U或SIEMENS S7-300）都要有近20ms的掃描周期。
所以筆者嘗試改革傳統張力控制的單CPU結構，引入多CPU的分級控制，用各自獨立的CPU來計算各段張力并直接控制驅動變頻來調節張力，即按控制功能的種類或需要每個CPU各司其職，以提高重要環節的處理性能。恰逢三菱推出自帶卷取功能的矢量變頻A740-A1，在研究了三菱的資料后，覺得引入該卷取變頻不失為一個值得去試驗的好方案。
4 三菱卷取專用變頻的功能和特點
（1）內部自帶浮輥專用PID軟件，可以直接接受浮輥電位器信號。
①浮輥PID可以按偏移量分段設定PI參數。
②浮輥控制的輸出量可以和主速度做比例補償。
③具有斷料報警功能。
（2）卷徑計算功能
①直接可以計算卷徑D=V/πnZ（V線速度，n轉速，Z速比）
②初始卷徑的多種計算方法或直接設定。
③啟動時的P和I可單獨調整。
④速度增益可隨卷徑變化而分段設定自動切換。
⑤自動產生用于錐度控制的張力設定信號輸出。
⑥收/放卷長度的檢測和控制輸出。
（3）卷徑演算型恒張力控制（轉矩控制模式）
①STALL 失速控制；
②加減速慣性補償；
③機械損耗補償；
④再生回避功能；
5 新方案的實現和系統構成
系統由7臺電機傳動控制，分別為2個收卷（A740-7.5K-A1）、2個放卷（A740-7.5K-A1）、主機（A740-22K-CHT）和收、放卷牽引（A740-3.7K-A1）構成，其中收卷、放卷和收、放卷牽引的浮輥信號分別直接接到各自的變頻，由各自變頻內置的浮輥運算模塊分別并行運算控制，如圖1所示。
圖1 張力系統分級控制框圖
控制系統特點：
（1）由于各變頻都帶卷徑計算和補償功能，所以可使各變頻按照線速度同步要求運轉，版周長的變化和收放卷的直徑變化都預先得到補償控制。
（1）由于各變頻都帶卷徑計算和補償功能，所以可使各變頻按照線速度同步要求運轉，版周長的變化和收放卷的直徑變化都預先得到補償控制。
（2）由于整個系統預先已做到線速度同步，使得浮輥僅用于張力波動引起的速度補償控制，實測浮動輥的調整量只有0.1～0.3Hz，即位置波動小。且由于是多CPU的獨立計算，使得系統的響應明顯加快，在250米/分鐘高速不停機接料時張力波動非常小。據初步測算，系統的響應時間可以比單CPU方式的PLC提高10～20倍，大約在1～2ms。
（3）由于可以通過參數預置初始卷徑，所以根據當前的實際線速度和預置卷徑來控制預驅動速度。實測預驅動變頻的線速度和舊軸線速度相當吻合，接料張力波動較小。
（4）由于A740-A1都自帶485通訊接口，FX3U和A740之間有專用的通訊指令，所以整個系統采用485通訊設定修改參數，且編程相當方便。
6 未來展望
經過現場的實際應用和調試，證明用三菱的卷取專用變頻來構成的印刷機標準7電機的張力控制系統具有以下優點：
（1）采用多CPU分級控制并行算法，使系統的響應時間大幅度提高，且張力控制精度也明顯提高，換料工作可靠。
（2）由于浮輥信號直接進入變頻，PLC和變頻全部用通訊方式連接，所以系統的AD/DA模塊可以盡量少用，既縮短了處理時間又節省了成本。
（3）三菱的卷取專用變頻只是在軟件上加入卷取模塊，沒有增加其它費用，所以如果算上減少的AD/DA模塊，整個系統的性價比反而提高，有一定的實用價值。
（4）由于客戶在價格上控制成本，所以在系統設計時比較精算成本，就要進一步提高性能來講，由于三菱的A740可以配CC-Link通訊卡，來提高通訊的可靠性。在有些高速同步運行的印刷機中，也可選配SSCNET-III（伺服系統控制網絡）的專用附件，作為伺服產品使用，使得A740-A1在印刷機的無軸控制中得以發揮她的卓越性能。
參 考 文 獻
［1］三菱電機株式會社名古屋製作所.ダンサ制御機能付きインバータＦＲ－Ａ７□０－□Ｋ－Ａ１.
［2］三菱電機自動化（上海）有限公司.FR-A00使用手冊（應用篇）.
——轉自《自動化博覽》
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號