七色凹版印刷机张力控制系统的改造.docx
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七色凹版印刷机张力控制系统的改造
七色凹版印刷机张力控制系统的改造
印刷机二级张力控制在印刷过程中至关重要,它直接影响到印品的套印精度。
一级张力控制系统存在误差、机器运行速度的改变及外部客观因素影响造成的张力波动,都需要二级张力控制系统来调整。
没有良好的二级张力控制
印刷机二级张力控制在印刷过程中至关重要,它直接影响到印品的套印精度。
一级张力控制系统存在误差、机器运行速度的改变及外部客观因素影响造成的张力波动,都需要二级张力控制系统来调整。
没有良好的二级张力控制系统,套印控制系统就无法消除张力变化造成的误差。
厦门五福印务有限公司从德国引进的KOCHSIEK七色凹印机,其二级张力控制系统采用SIEMEMS公司的可逆直流驱动系统,经过20年的使用,直流驱动控制装置、张力检测放大装置及外围控制元器件老化,故障频繁。
但获得原配置的备件代价很高,外围控制器件多,加上直流电机本身固有的维护保养困难,不能满足生产与工艺的需要。
原机二级张力控制系统的控制原理
(1)张力检测与放大。
为了消除印刷过程中纸张自身变形及走纸没有居中等因素的影响,在压力检测辊两端分别安装一个压力传感器,将检测信号分两路输入放大器,经过校正、调零及放大倍数调整后,消除张力辊自身重量及压力检测放大系统不一致等因素的影响后,取加权平均值作为实际张力输出。
(2)张力控制。
设定张力、实际张力与张力偏置的差值,根据设定张力、实际张力实时差值的大小选择PI(可通过外部信号封锁)或PID控制模式,根据其应用于Infeed或Outfeed的具体要求设置,其输出作为速度环的辅助输入。
张力偏置的设置范围可设置最大张力值的0~10%,目的是在机器准备阶段将机架间的纸张预张紧,消除机器启动时对纸张冲击造成的断纸。
(3)可逆变换器。
常规速度电流双闭环控制模式。
将张力环输出衰减至20%,与主机速度(速度给定)、测速电机信号一起构成完整的速度闭环反馈。
整定次序是:
在解除张力控制信号和速度环ID参数后,空载情况下,整定速度反馈分量及比例参数,ID参数交叉逼近。
(4)辅助电路。
为各部件提供满足条件的电源,按照控制时序要求,检测各部件的工作状态,控制各部件的工作,提供欠流、过流、欠压、过压、过载保护。
与主机的连锁保护与控制体现在:
运行、停止及加减速连锁,张力过小时主机加速防止等保护。
改造总体方案
(1)基本利用原有的机械结构,进行电气控制系统更新。
对机器的改动少,费用低,准备时间短,但联机调试时间长,原系统的可恢复性差。
(2)重新制作大部分机构及全部电气控制系统,在原机器上增加必要机构,形成两套完整的张力控制系统。
费用高,准备时间较长,安装空间限制,但对机器的改动少,可离线调试,花费的时间短,不存在原系统的恢复性问题。
功率放大与执行机构的选择方案
(1)直流可逆变换器+直流马达。
技术成熟,稳定性及可控性好,可利用现有马达,费用低,但辅助控制电路较复杂,直流马达维护困难。
(2)交流变频器+交流马达。
费用最低,辅助控制电路简单,马达维护容易,但用于四象限运行的技术不全面,低速稳定性及可控性差,不用于要求大范围、高精度控制的场合。
(3)伺服驱动器+伺服马达。
稳定性及可控性好,辅助控制电路简单,马达容易维护,但费用最高。
Infeed二级张力控制系统改造方案
1.由于采用浮动辊张力检测结构,浮动辊位置设置点设置的实际上是张力平衡状态时浮动辊的位置,与张力设置值无关。
(1)配重式。
由钢质浮动辊、浮动辊前后配重块支架及相应配重块组成。
调节困难;浮动辊浮动时配重本身对张力造成冲击,张力控制精度受很大影响。
(2)气动式。
由轻质铝合金浮动辊、精密调压阀或压控比例调节阀、缓冲气罐及低磨气缸(最好是膜式气缸)组成。
将重力加速度对张力控制精度的影响降到最低。
Outfeed二级张力控制系统改造方案
1.压力传感器LX-100TD:
两个100kgf的传感器,安装于张力检测辊两端。
传感器检测到的是与检测轴线平行的压力或拉力分量,检测辊的两纸面夹角最好在90°以内;合力方向与检测轴线的夹角在30°以内。
2.张力控制器LE-40MTA-E:
MitsubishiElectric公司生产的张力控制器,张力检测输入只选用压力传感器,输出则用于控制多种执行部件。
全数字化工程设置界面及自动检测功能,为工程运用提供了方便。
3.按照张力控制器及控制任务的要求完成接线后,系统已具备运行基本条件,首先进行自动参数调整:
在自动工作参数设置屏上,输入尽大的阶跃干扰值。
必要时还应进行工作参数的手工微调,提高系统性能。
积分系数越大,系统稳态性能越好,但动态响应越慢;比例系数越大,反应速度越快,但容易出现振荡,当偏差范围超过死区时,死区放大系数与比例系数同时起作用,因此,随死区放大系数的调整,应逐步缩小死区,
二级张力控制系统改造前后结构特点
1.改造前后两套张力控制系统并存,可随时互换,避免因改造工作失误而对生产造成的不良影响;
2.改造过程中对原机的较大改动可以在离线下进行,基本不会影响生产。
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PID控制器参数整定的方法很多,概括起来有两大类:
一是理论计算整定法。
它主要是依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制器参数。
这种方法所得到的计算数据未必可以直接用,还必须通过工程实际进行调整和修改;
二是工程整定方法,它主要依赖工程经验,直接在控制系统的试验中进行,且方法简单、易于掌握,在工程实际中被广泛采用。
PID控制器参数的工程整定方法,主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。
三种方法各有其特点,其共同点都是通过试验,然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数,都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
现在一般采用的是临界比例法。
利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下:
(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作;
(2)仅加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,记下这时的比例放大系数和临界振荡周期;(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
PID参数的设定:
是靠经验及工艺的熟悉,参考测量值跟踪与设定值曲线,从而调整P、I、D的大小。
书上的常用口诀:
参数整定找最佳,从小到大顺序查;
先是比例后积分,最后再把微分加;
曲线振荡很频繁,比例度盘要放大;
曲线漂浮绕大湾,比例度盘往小扳;
曲线偏离回复慢,积分时间往下降;
曲线波动周期长,积分时间再加长;
曲线振荡频率快,先把微分降下来;
动差大来波动慢。
微分时间应加长;
理想曲线两个波,前高后低4比1;
一看二调多分析,调节质量不会低。
个人认为PID参数的设置的大小,一方面是要根据控制对象的具体情况而定;另一方面是经验。
P是解决幅值震荡,P大了会出现幅值震荡的幅度大,但震荡频率小,系统达到稳定时间长;I是解决动作响应的速度快慢的,I大了响应速度慢,反之则快;D是消除静态误差的,一般D设置都比较小,而且对系统影响比较小。
PID控制原理:
1、比例(P)控制 :
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
2、积分(I)控制 :
在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。
为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。
这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。
因此,比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
3、微分(D)控制 :
在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。
这就是说,在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
2.张力控制方案
2.1控制电机的不同选择
由上面的系统图可以看出,当收线控制电机旋转速度不变时,光纤缠绕到收线管上的线速度基本保持不变,而且光纤上允许的张力在80g~300g之间,此时,只要控制张力控电机的转速,使放线时的线速度与收线时的线速度达到平衡,就可以保证两轴之间光纤上的张力在一个很小的范围之内。
为了达到这样的目的,选择适合的张力控制电机是首要解决的问题。
2.2张力检测的不同选择
同时,为了方便于对光纤上张力的检测,合理的选择和放置三个滑轮也是张力控制中重要的部分。
目前,张力检测方式基本上分三种:
张力传感器(load cell)检测方式、浮辊式(Dancer Arm)张力检测方式、浮辊和传感器复合式张力检测方式。
根据各方面的资料显示,这三种方式在各种张力检测装置中都有采用,有不同的动态性能,对张力检测的精度有不同的影响。
2.3张力控制器和算法的不同选择
张力检测器将光纤上的张力值传送给控制器,控制器通过和给定的张力值进行比较后,得出一个差值,并将差值通过一定控制算法传送给电机,之后,张力控制电机按照控制器的控制信号进行运动,实现了张力的闭环控制。
选择一个适合的控制算法,不仅可以大大提高整个系统的稳定,而且系统的快速性、可靠性也将得到进一步的提升,同时也可以提高系统的输出精度。
随着计算机的进一步发展,控制也从传统的方法发展到自适应控制,甚至智能控制。
控制算法也从传统的PID控制发展到智能PID,自适应控制、模糊控制和神经网络控制。
因此,系统以上的基本设备选定后,选择不同的控制算法,可以设计出各种不同性能的控制器,采用EDA技术,可以实现各种控制算法的控制的系统,进而通过比较系统的不同性能和仿真结果,确定适合的控制方案。
3.控制电机的选择
用于伺服控制的电动机的种类很多,主要分为两大类,交流电机和直流电机(交流电机还包括同步电机、感应电机和交流换向器电机),另外还有适于数字控制的步进电机。
这几种电机都起不同的特性,同时在不同的场合下,还有多种类型和型号的选择,因此,选择适合光纤缠绕的电机是提高系统整体性能的必经途径。
当收线轴保持匀速转动时,在一个小的时间段内,缠绕到收线管上的光纤的线速度保持不变(在不考虑扰动的情况下),此时,为了将光纤上张力保持在很小范围内,放线轴放出光纤的线速度与收线管的线速度保持基本一致,在不考虑放线轴在一个小的时间段内半径的变化下,张力控制电机的转速保持不变,光纤上的力矩也将保持恒定。
根据力矩平衡的原理,可以实现较好的张力控制,因此在选择电机时,能实现转速和输出力矩成比例的电机是比较适合的,力矩电机是适合的选择。
力矩电机主要包括交流力矩电机和直流力矩电机,而且,随着电机技术的发展,力矩电机的种类越来越多,主要应用的力矩电机主要有两种三相力矩异步电动机和直流永磁力矩电动机,下面将讨论这两种电机的不同,从中选择适合的伺服电动机。
3.1三相力矩异步电动机
这种力矩电机具有软的机械特性,当负载转矩增大时能自动降低转速并增加输出转矩,从接近同步转速开始直至接近堵转为止,都能稳定运行,负载稍有变化,就能使转速显著变化,而一般的异步电动机能稳定运行的转速范围较狭。
所示为三相交流异步力矩电机与一般电机的机械特性曲线的区别,图3为电机特性与卷绕特性曲线,由图中可以看出,随着转速的增大,电机的输出力矩将会减小,但是曲线同样表明,电机转速与输出力矩并不是呈线性的,因此,在张力控制系统中,并不能线性的将电机转速与输出力矩计算出来,电机的输出力矩与励磁电压的平房近似成正比,而需要在线的、实时的进行调整,因此在控制时虽然比控制一般电机方便,但是仍然不能达到很精确的控制。
3.2直流永磁力矩电动机
直流力矩电机主要包括,有刷电机和无刷电机,有刷电机由于其具有换向器和电刷,在电刷换向时,电刷每经过一个换向片都要接通并短路某些某元件,从而引起电枢电阻变化,电枢电阻变化则会引起电流变化致使力矩波动。
因此,在选择电机时,选择无刷支流永磁力矩电机,可以减少力矩波动的来源,尽量避免不必要的扰动进入系统。
如图4所示的为直流电机的机械特性曲线,由转速和输出力矩的关系可知,直流电机的机械特性曲线为一条直线,在张力控制系统中,通过调速,可以实现输出转矩的调整,达到张力调解的目的,同时,因为转速与输出力矩呈线性关系,转速和输出转矩的值可以精确地得到,方便于对张力进行直接的控制。
4.张力检测方案的选择
上文中提到,张力检测主要有三种方式,下面对这三种方式进行比较,从中选择适合光纤张力检测需要的。
①张力传感器(load cell)检测方式:
它是对张力直接进行检测,与机械紧密地结合在一起,没有移动部件的检测方式。
通常两个传感器配对使用,将它们装在检测导辊两侧的端轴上。
光纤通过检测导辊施加负载,使张力传感器敏感元件产生位移或变形,从而检测出实际张力值,并将此张力数据转换成张力信号反馈给张力控制器。
最终实现张力闭环控制。
市场上弹力传感器的类型较多,经常采用的有板簧式微位移张力传感器(如日本三菱LX-TD型),应变电阻片张力传感器(如美国蒙特福T系列)和压磁式张力传感器(如中国ABB枕式系列)等等。
其优点是检测范围宽,响应速度快,线性好。
缺点是不能吸收张力的峰值,机械的加减速难以处理,不容易实现高速切换等。
因此,当处于平衡状态的张力控制系统受到较强的干扰时,系统瞬间来不及作出反应,料带上张力变化的幅度值会较大,对张力控制尽快重新进入平衡状态不利。
②浮辊式(Dancer Arm)张力检测方式:
它是一种间接的张力检测方式,实质上是一种位置控制,当张力稳定时,料带上的张力与气缸作用力保持平衡,使浮辊处于中央位置。
当张力发生变化时,张力与气缸作用力的平衡被破坏,浮辊位置会上升或下降,此时摆杆将绕点转动并带动浮辊电位器一起转动。
这样,浮辊电位器准确地检测出浮辊位置的变化,它将以位置信号反馈给张力控制器,控制器经过计算并输出控制信号,控制伺服驱动系统进行纠偏。
然后浮辊恢复到原来的平衡位置。
由于浮辊式张力检测装置本身是一种储能结构,利用其自身的沉余作用,对大范围的张力跳变有良好的吸收缓冲作用,同时也能减弱光纤速度变化对张力的影响。
此系统要求气缸磨擦系数小,响应速度快,气源稳定。
浮辊和摆杆的重量要轻,转动要灵活。
③浮辊和传感器复合式张力检测方式:
它可同时检测由浮辊电位器输出的浮辊位置信号和张力传感器输出的张力信号,从而可向系统提供更高精度的张力控制。
其特点是:
它不但具有浮辊控制对大范围张力跳变的吸收或缓冲功能,而且还对机器加、减速时有很好的缓冲平稳作用,并容易实现高速切换。
具有张力传感器闭环控制的高精度、高重复性的特点。
例如美国蒙特福(MONTALVO)公司的X/D3000型浮辊/反馈复合式张力控制装置就属于该种类型。
5.控制器和控制算法的选择
5.1控制器的选择
在工业控制中,常用的控制器主要有单片机、PLC(ProgrammableLogicController)、CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)、DSP(DigitalSignalProcessor)。
下面将就这几种控制器进行简单的说明。
单片机是最早普及的一种控制器,由于其结构简单,代码实现容易,在各种要求不高的场合得到广泛的应用,但是其主要采用汇编语言和c语言编程,控制精度有限,很难实现各种控制算法。
PLC主要应与工业上的过程控制,用来代替早期工业设备中大量继电器和开关器件而设计的,主要使用T形图和可视化软件编程。
CPLD是由大量数字信息器件集成制成的,主要用于数字控制,用VHDL语言编程。
DSP—数字信号处理,可以处理大量数字信息,适用于数据量较大的控制场合,有专门适于电机控制的型号TM320c240x,这个系列的处理器应用于工业中高精度的电机控制,由于其可直接驱动,可靠性高,处理数据量大,控制算法容易实现等优点,已在工业控制中广泛采用。
5.2控制算法的选择
以上设备选择之后,应用EDA技术可以实现控制算法的仿真,例如matlab软件,该软件适用于各种控制系统的建模和仿真,首先建立系统的数学模型,在软件中构造该数学模型,通过编程或应用软件中的命令,实现控制算法,将算法与系统结合进行仿真,根据方针的结果可以看出系统各方面的输出、性能,甚至精度,来选择适合系统的控制算法。
6.选择的方案
由上面的分析可知,选择直流永磁无刷力矩电机作为该方案中的张力控制电机是适合的,在工业控制中,直流永磁无刷力矩电机的种类也有很多,稀土永磁无刷力矩电机是其中的一种,是采用稀土磁性材料制成的机。
由该电机组成的位置伺服系统具有出力大、频带宽、定位精度高、体积小、重量轻等特点,而且在有限的角度内对负载进行直接驱动。
利用该电机还可方便组成多余度控制系统,实现可靠性驱动。
因此选择这种力矩电机将更有利于光纤的张力控制。
同时采用浮辊和传感器复合式张力检测方式,既可以实现张力控制的快速响应,使控制具有线性性,而且对大范围张力跳变的吸收或缓冲功能,而且还对机器加、减速时有很好的缓冲平稳作用。
是张力控制中张力检测一个好的选择。
控制器可以采用DSP专门用于电机控制的240系列,其成熟的产品与技术,较高的可靠性,更适用于高精密的光前张力控制。
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