中心議題：

• 臺達機電產品在雙工位印刷涂布機上的應用
• 雙工位印刷涂布機的控制系統(tǒng)及原理分析

雙工位印刷涂布機主要用于BOPP、PVC、PET紙等材料制作膠帶、反光膜、保護膜及涂色、涂藥水之用，分A型機主要用于涂布BOP P、PVC、PET及紙張，受熱后不會延伸的材料，和B型機用于PE等受熱后會延伸的材料。雙工位印刷機采用臺達變頻調速器控制速度，臺達PLC系統(tǒng)進行自動張力控制技術，采用綱線輥涂布或三輥逆轉計量刮刀涂布等方式，上膠均勻，上膠量可調，采用電加熱或蒸氣加熱干燥方式。雙工位印刷涂布機外形圖如圖1所示。

圖1  雙工位印刷涂布機外形圖

1  應用簡介

雙工位印刷涂布機的機械結構可以分為雙工位放卷部分、印刷涂布及烘干部分、收卷部分等；傳動點主要有放卷A軸、放卷B軸、放卷牽引、印刷涂布軸、鏈輪傳動軸、主牽引電機、收卷軸等。

雙工位印刷涂布機的工作原理是，安裝好欲加工紙張或PE膜在放卷軸A或B軸上，再預張緊放卷、收卷輥后壓上靠錕，同時按走紙方向傳遞紙張啟動主電機，使版輥與壓輥壓合，并調整至合適的張力即可開機；調節(jié)調偏輥的位置可以調節(jié)紙張的平整度；調節(jié)擺桿汽缸氣壓可以控制紙張或PE膜等加工品的張力，放卷軸通過張力擺桿調節(jié)膜的速度平穩(wěn)，及放卷牽引和涂布印刷及收卷軸等都通過擺桿反饋調節(jié)傳動點速度平穩(wěn)運行，從而達到良好的印刷質量和效果。設備的主要技術參數(shù)如下表1。

表1  主要技術參數(shù)表

2  控制系統(tǒng)清單

HMI：     DOP-B07S（7寸)
變頻器：VFD110V43A-2（11kW，放卷A）
              VFD110V43A-2（11kW，放卷B）
              VFD037V43A-2（3.7kW，放卷牽引）
              VFD022V43A-2（2.2kW，印刷涂布輥）
              VFD037V43A-2（3.7kW，鏈輪）
              VFD037V43A-2（3.7kW，主牽引）
              VFD037V43A-2（3.7kW，收卷）
              EMV-PG01O*7（編碼器卡）
PLC：    DVP-80EH2*1（主機）
              DVP04AD*1（模擬量輸入模塊）
              DVP04DA*2（模擬量輸出模塊）
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3 控制系統(tǒng)結構圖

控制系統(tǒng)如題2 所示。

圖2  控制系統(tǒng)

4 原理分析

雙工位印刷涂布機的控制工藝主要在于多軸傳動的速度同步及收、放卷、牽引、印刷涂布等的張力恒定，以及放卷過程中的卷徑計算，和雙工位放卷A、B軸切換等工藝要求。收放卷張力控制非常關鍵，收卷張力應合適，張力太小，紙張收卷時會松弛；張力太大，收卷時材料易起皺。本例中通過放卷張力擺桿對擺桿角度進行反饋，從而PID調節(jié)放卷速度來達到張力大小恒定和速度平穩(wěn)要求；另外，由于放卷時卷軸的直徑不斷變小，如果放卷軸的轉速保持恒定，則卷軸的放卷線速度會越來越小，這樣容易出現(xiàn)拉斷PE膜的問題。為了解決此問題，放卷傳動的控制必須要進行卷徑計算，計算出基準速度。

4.1  VFD-VE變頻的閉環(huán)矢量控制模式
系統(tǒng)中所有變頻傳動軸均采用了編碼器反饋的閉環(huán)的矢量控制模式，之所以使用閉環(huán)矢量控制模式，是為了保證傳動軸的速度控制精度能夠更準確、更快速、更穩(wěn)定，盡量避免電機的滑差所造成的不同速度的線速度線形關系。

4.2  實現(xiàn)過程
包括放卷、放卷牽引、涂布印刷、收卷等4個軸均需要調整張力恒定的速度控制模式，實現(xiàn)過程為：首先以電子主軸方式計算出各軸的實際基準線速度，然后將基準速度的±5%線速度做為PID調節(jié)的允許調節(jié)范圍，再通過采集的擺桿位置角度反饋做為PID反饋值來調節(jié)各軸的速度平穩(wěn)和張力恒定；通過對PID參數(shù)的調試后最后正常工作到65米/分的極限速度時任能保證速度的平穩(wěn)，張力擺桿的擺動幅度不超過±1%；

4.3  收放卷控制
對于收放卷控制，主要有兩個方面：速度控制與恒張力控制。由于紙張材料的運行線速度是通過壓輥的方式接觸（不會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象），所以只需要分別控制收卷電機的速度就可以了。

由于放卷棍的實際大小是隨著運行時間的變化而變化的，所以它的準確性是基準速度的關鍵。目前通常有兩種方法可以參考：厚度法與線速度計算法。

厚度法的原理是建立在對材料厚度的了解情況下，電機每運轉一圈，收卷棍直徑會增加兩個材料厚度，放卷棍直徑會減小兩個材料厚度。此方法主要使用在收放卷材料厚度均勻的情況下，優(yōu)點是計算出來的厚度值準確，缺點是需要使用者在變頻器相關參數(shù)中輸入材料厚度信息。

線速度計算法的原理主要是依據以下公式：D=(G*V)/(π*n)。其中D為當前卷徑，G為機械傳動比，V為當前線速度，n為電機轉速。當前線速度可通過模擬量或者脈沖的形式采集。線速度計算法的優(yōu)點是可以使用在材料厚度不均勻的場合，不需要對材料厚度值的設置，降低了對操作工的要求；缺點是計算出來的當前卷徑值會受線速度采集準確度的影響，如果線速度波動很大，則當前卷徑值也會出現(xiàn)很大波動。

通過計算卷徑得出來的卷徑值基本上等于實際測量的卷徑值，所以同樣可以計算出PID調節(jié)的±5%的調節(jié)范圍，為加大彈性，可以將±5%的范圍放大到±15%，結果仍然比較理想，可以保證張力擺桿的正常波動范圍在±1%范圍內。

注意：加減速過程中禁止計算卷徑，因為在加減速的過程中給定目標速度是增加的，而PID調節(jié)的速度跟隨是遲后的，所以盡量避免在速度變化的過程中計算卷徑。

4.4  計算過程
放卷在低速（0～5Hz）運行時由于不可避免因為電機滑差等因數(shù)造成的給定轉速和實際輸出轉速誤差肯定會大于PID調節(jié)范圍±15%，所以工藝要求PID調節(jié)范圍應該是在傳動軸（0～5Hz）運行過程中出現(xiàn)一個成反比的計算公式即：F=K/V，其中F為PID允許調節(jié)范圍，K為常數(shù)值，V是傳動軸的實際輸出頻率，通過此計算公式后得出實際的PID允許調節(jié)范圍F值為：±150%～15%（0～5HZ）；±%15（5～50HZ）。
通過不同速度輸出情況下對PID波動范圍的調節(jié)完全滿足了全部情況下的高精度PID速度控制既做到了高速情況下的小比例大幅度特性，又滿足了低速情況下的大比例小幅度特性。
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4.5開機預張緊功能
在初次上膜的開機后，通過判斷收、放卷擺桿角度是否在張緊位置，否則將在此階段禁止PID調節(jié)，采用固定速度運行收卷和停止放卷。當判斷收卷、放卷擺桿回到規(guī)定角度內后從新將速度切換到PID功能中。

4.6放卷雙工位切換
在當前卷工作到放料結束時預啟動備用卷（通過設置的初始卷徑為基礎計算出固定速度運行），人為操作接料后停止當前卷，并將備用卷的速度切換到PID控制速度方式，完成雙工位放卷接料控制過程。

5 通過觸摸屏進行參數(shù)設置

主畫面反映了全部傳動軸的運行狀態(tài)、當前放卷卷徑、線速度，以及各個擺桿的張力角度位置等，如圖3所示。參數(shù)設置界面提供了一些工藝參數(shù)數(shù)據等，如圖4所示。

圖3  涂布機主界面

圖4   參數(shù)設置

6 結論

通過對雙工位印刷涂布機系統(tǒng)的調試，使得此雙工位印刷涂布機能夠在0～65米/分的最大速度控制范圍內保持恒定的張力和穩(wěn)定的線速度，特別是全部的4個張力擺桿的角度偏差不超過±1%的波動范圍，非常有效地保證了產品質量及高速的生產效率。經過在最終客戶的使用，得到了客戶的肯定。另一個比較重要的意義在于通過此次臺達全系列產品特別是VFD-VE變頻及PLC組成的系統(tǒng)在印刷行業(yè)的成功應用，開創(chuàng)了臺達產品及系統(tǒng)在本地區(qū)印刷行業(yè)的新局面。