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    无轴传动控制系统在凹版印刷机中的应用
    周晓霞
      (贝加莱工业自动化(上海)有限公司 市场部,上海2002333;
     
    要:凹版印刷机集成型无轴传动控制系统是采用虚拟电子轴传动取代传统机械主传动轴,彻底取消传统套色系统所需的浮动辊机构,从而将传动与套色融为一体,直接作用于印刷版辊的一种自动化伺服控制系统。该文介绍了无轴传动系统的分类和技术特点,并以贝加莱的PCC、ACOPOSmulti伺服驱动器和Ethernet POWERLINK实时工业以太网在该系统中的应用为例,论述了该无轴凹印机控制系统的技术方案。无轴传动控制技术的应用,简化了机械的传动结构,优化了控制的协调性和稳定性,缩短了过料时间,实现了凹印机的高精度、高印速和高套准控制。
    关键词:凹版印刷机;无轴传动控制系统;套色控制;伺服驱动;Ethernet POWERLINK工业以太网
    中图分类号:         文献标识码: B
    Application of Shaft-less Drive Control System in the Gravure Press
    ZHOUG Xiao-xia
    (Marketing Department, B&R Industrial Automation (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 200233)
    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 realizes the control of high-precision, high printing speed and high-accuracy registration for the intaglio printing press.
    Keywords: Intaglio Printing Press; Shaft-less Drive Control System; Color Register Control; Servo Driving; Ethernet POWERLINK Industrial Ethernet
     
    0 引言
    胶印、柔印、凹印技术三足鼎立,三种工艺各有所长,其中的凹印技术以其印刷色差小、印金效果好、印品无接缝、印材适用面广、符合长版活印刷等优点而为人称道。随着控制技术的发展,目前全球印刷企业用户和设备生产厂商都将目光聚集于一项新兴控制技术——无轴传动控制。尤其是应用在凹版印刷机上,其优势更为突出。

    传统的机组式凹版印刷机依靠一根机械主轴通过涡轮蜗杆向各个印刷单元传递动力,并以此来保证各色组版辊的运动同步,动力来源于由矢量控制变频器控制的三相异步电动机,其传动精度差,机械结构复杂。印刷图案的套准控制则是通过控制专门的浮动辊的运动,并通过控制张力以控制承印物的拉伸而实现的。我们将这种传统的机组式凹版印刷方式简称为有轴印刷,相应地将另一种新型的印刷方式简称为无轴印刷。

    所谓无轴传动,就是采用虚拟电子轴取代传统的机械主传动轴,并取消套色系统所需的浮动辊机构,而将传动与套色融为一体,直接作用于印刷版辊的一种伺服传动方式。

    目前,用于凹印机的无轴传动控制系统分为两个流派:其一是以日本住友、西门子、力士乐等公司为代表的“传动系统+套色系统”的复合式流派,另一个则是以贝加莱公司为代表的集传动与套色为一体的富有创新意义的集成式流派。该集成型系统的显著特点是简洁、高效以及成本的竞争力。
     
    1 无轴传动凹印技术的特点 
    1.1 无轴传动控制系统的分类
    无轴印刷传动技术在发展过程中形成了以下三种类型的系统:亚无轴传动控制系统、准无轴传动控制系统和集成型无轴传动控制系统。
    (1) 亚无轴传动控制系统
    仅仅去掉了传统的机械主传动轴,每一印刷单元采用独立驱动机构,保留了套色系统所需的浮动辊机构且完全独立。由于传动和套准控制系统的相对独立性,控制上很难达到完全协调和稳定,浮动辊机构的结构仍然复杂,而且色组之间的过料长度较长,很难实现高速、高精度的印刷工艺。它是无轴控制系统的前身。
    (2) 准无轴传动控制系统
    不仅去掉了传统的机械主传动轴,同时也去掉了套色系统所需的浮动辊机构,每一印刷单元采用独立驱动机构,以保证印刷版辊的速度同步。同时,由相对独立的套色系统提供已经处理的套色误差信号,无轴传动系统结合速度同步信号和套色误差信号,统一协调工作。它是亚无轴控制系统的发展。
    (3) 集成型无轴传动控制系统
    该系统采用基于伺服控制技术的虚拟电子轴传动来取代传统的机械主传动轴,彻底摒弃了套色系统所需的浮动辊机构,而将传动与套色融为一体,各个印刷单元均配置独立的伺服电机及相应的减速机构对该单元的版辊独立驱动,直接作用于印刷版辊。力求系统的完整性和统一性,有效地将张力控制、远程站点控制纳入其中,由一套PCC统一控制。这是一种真正意义上的无轴传动控制系统,也是本文论述的主题。
    1.2 无轴传动凹印机及其控制技术的特点
    无轴和有轴的根本区别是版辊的传动方式不同,无轴各色组版辊的传动是各自独立的,各单元之间的同步十分关键,这是保证印刷品质的前提和基础。在图案套色控制上,无轴印刷是在保证各轴同步的基础上,通过控制版辊的相位来实现的。

    与传统的机械主轴凹印机相比,采用集成型无轴传动控制系统的机组式凹印机具有以下优点:
    (1)传动结构简化,控制的协调性和稳定性好,过料长度缩短20%,走料时间也相应减少。
    (2)高精度的预套准和极短的预套准时间
    印刷版辊只需装入任意印刷单元并初次确认印版辊“零位”,随后伺服系统将自动根据色组间料长来调节版辊相位,将其转动至“印刷位置”。伺服系统的定位精度可达0.001mm,重复精度为0.01mm,自动预套准的范围可以严格控制到+/-10mm以内。
    (3)采用高性能控制系统以实现高精度、高印速、高套准控制
    该控制系统以PCC(即可编程计算机控制器)为核心,在控制伺服驱动、数据通信以及数据采集、处理等任务中,大大提高了效率,其处理速度和能力远远超出行业内其它类型的控制器,故它有能力很好地处理套色和同步传动的统一。

    该系统采用Ethernet POWERLINK实时工业以太网通信的方式,使PCC、HMI、各控制站点、各伺服驱动器之间的数据通信更加可靠、高速和实时。以总线的方式进行远程I/O的配置和通信,节省了配线,并大大降低了系统的干扰和故障,使设备的维护简化。

    用于版辊位置反馈测量的编码器通过硬件倍频可达到400万线/转的高分辨率,系统控制精度可达0.001mm。在高达600米/分的印刷速度下仍能达到比机械轴凹印机高得多的套准精度,印刷实践证明,该技术使套印精度由原来的0.1mm提高到0.05mm。
    (4)特殊印刷工艺更易实现
    无轴传动控制系统不需改变系统硬件配置即可通过软件来实现各个印刷色组正印和反印的任意转换。无轴传动对异径涂布功能和定点涂胶功能的实现,较之传统有轴凹版印刷更简单而又可靠。
    (5)色组机的分组使用
    无轴传动控制系统为多色机的分组使用提供了方便。即在某些色组正常作业时,用户可为剩余色组提前做好订单的装版和匀墨工作。此外,用户可依据生产需要将不参加作业的色组置于单动停止状态,达到节能的效果。
    (6)紧凑的工程设计和良好的工作环境
    由于取消了机械传动轴和齿轮箱,因而传动噪音和维修保养工作量明显减少,并留出了更大的空间用于操作及维修。各个印刷单元实现模块化设计,节省了安装和调试时间。
     
    2 无轴凹版印刷机控制系统
    集成型无轴传动控制系统的技术方案立足于简化机械结构和提高控制性能。
    2.1 系统构成概述
    型号不同的机组式凹版印刷机的色组单元个数是不同的,下面以一台10色组单元凹版印刷机的控制系统为例,来说明凹印机无轴传动控制系统的构成。

    如图1所示,该系统以B&R X20系列PCC为核心(CPU选用CP1486),与上位操作监控站(选用PP320触摸屏作为HMI)、10套B&R ACOPOS multi伺服驱动系统和10套色标识别系统一起构成基于Ethernet POWERLINK总线网络的无轴凹印机控制系统。
     

                   图1  机组式凹版印刷机无轴传动控制系统简化原理图
     
    2.2 主要控制装置和子系统
    2.2.1 操作监控站(HMI
    在无轴凹印机控制系统中,上位操作监控站是操作人员与系统交换信息的唯一渠道,它实现系统参数读写、系统状态监控、故障提示和配方管理等功能。

    B&R人机界面系列产品Power Panel 300 BIOS触摸屏是一种集显示操作和数据处理于一体的人机界面。该系统选用了一款面板屏幕尺寸为15英寸的嵌入式高档人机界面,面板背部集成有Ethernet等通信接口,不仅具备人机界面通常所有的功能,同时还可以在其中装入通用操作系统,如Windows XP、Windows CE等,开放的操作系统可以使该系列的触摸屏作为一个SCADA系统的操作员站或远程的瘦客户端,还可支持目前多种主流的图形组态软件,如Wonderware InTouch和组态王等,客户可以根据自己的具体条件选择合适的组态软件以应用于不同行业的项目开发。
    2.2.2 X20系列PCC
    X20系列PCC已成为高精度机械自动化和高可靠性过程自动化等复杂灵活自动化项目的通用解决方案。其CPU是一款高性能的处理器,如采用Intel Celeron 650处理器的X20控制器,具备有附加的I/O处理器和浮点处理器FPU,系统单步指令周期最快可达到0.01us,任务循环周期可短至200us。X20 CPU支持多种通信协议,RS232、Ethernet、Ethernet POWERLINK和USB等通信接口已经成为X20 PCC的标准配置。与B&R的其他系列控制器一样,X20系列的控制器也使用B&R的Automation Studio™软件平台。

    X20分布式控制的设计理念,可以使用CAN、Ethernet POWERLINK等多种总线把远程分布式I/O模块方便地连接起来,实现传统控制技术和分布式I/O技术的完美结合。

    X20系列PCC除能连接常规数字量和模拟量I/O模块外,还可配置高速计数器、PWM、编码器、NC等多种专家模块。并且所有I/O模块均支持热插拔,每个通道均留有便于万用表探针插入的测试维护孔,这是非常人性化的一种设计。
    2.2.3 印刷版辊伺服驱动及控制系统
    B&R全数字伺服驱动器ACOPOSmulti及伺服电机构成了版辊伺服驱动系统,是该无轴凹印机传动控制系统的基础。

    ACOPOSmuti是B&R的新一代伺服驱动器,一改原有伺服驱动器单轴独立供电的结构形式,转向更具专业水准的共用直流母线集中供电模式和背板式紧凑安装结构。其高效的散热结构、集中供电单元和独特的双轴驱动单元等技术有利于缩小多轴应用的安装空间,共用直流母线技术有利于多轴驱动的负载均衡,加之可逆整流技术更有利于稳定直流母线的电压,并适应更宽范围的交流供电电压,提高系统的功率因数,还能将多余的发电制动能量直接回馈给电网,节能效果明显。加上Ethernet POWERLINK高速实时工业以太网技术和系统安全技术,完美地解决了集中或分布式多轴应用的高速实时同步和安全运行问题。

    按习惯把对每一个电机回路的控制称为对一个“轴”的控制。这样,该系统的控制对象就是若干个既相互关联而又相对独立的轴。

    其独立性表现在每个“轴”独立驱动,其控制模式是一致的,控制框架也基本相同。由PCC实现具体的工艺控制和数据处理。然后通过Ethernet POWRELINK总线和HUB口将数据传送到各台用于驱动印刷版辊的伺服电机的伺服驱动器ACOPOSmulti中,伺服驱动器则根据要求对数据进行必要的分析处理,控制相应的伺服电机驱动各自的印刷版辊以实现同步控制。伺服电机的实际速度(位置)由其内置编码器反馈给伺服驱动器的编码器信号分析卡,再由该编码器卡将该信号反馈给伺服驱动器,并由伺服驱动器对其控制参数进行必要的修正,形成内闭环控制。

    它们的关联性表现在系统速度来源是统一的,即跟踪当前的印刷速度,各个轴反映在相应的印刷版辊的线速度是相同的。这一关联性也确保了系统传动的同步性。

    套色时,通过光电眼将实际的套印误差及时反映给伺服驱动器,伺服驱动器对该误差信号快速处理并反馈给PCC,PCC则根据各个印刷单元的实际运转情况统一处理,调整印刷版辊的相位,从而实现套色。
    2.2.4色标识别及处理系统
    包括色标识别传感器及信号处理系统,色标信号经传感器识别及处理系统的初步处理后,输入到ACOPOSmuti系统再进行处理运算。PCC的CPU模块对识别的信号做高级别的算法处理后再传输给ACOPOSmuti伺服系统进行控制。
    2.3 Ethernet POWERLINK总线及其网络结构
    2.3.1 Ethernet POWERLINK总线技术
    1)概述
    Ethernet POWERLINK通信技术是由贝加莱公司研发并推向市场的一种严格且具有确定性的实时通信软件协议,它完全建立在工业以太网硬件的基础上,而不依赖于其它特定硬件环境,并仅采用软件协议来实现的具有高实时特性的安全工业以太网技术。当前它可实现波特率为1Gbits/s的安全通信速率。POWERLINK不仅支持PCC、分布式I/O以及运动控制系统数据的循环通信,同时也支持实时网络节点间的非同步通信,并且专门为这一目的预留有部分网络带宽。
    2)技术参数(基于快速以太网100Mbit/s)
    Ethernet POWERLINK的主要技术参数如下:
    传输协议:标准快速以太网,IEEE802.3u
    数据传输速率:100Mbps
    支持的通信类型:同步数据、异步数据
    每站点最大的网络数据量:1488byte
    每个POWERLINK网络最大站点数:240个
    3Ethernet POWERLINK总线的通信原理
    POWERLINK网络中有两种数据通信形式:  
    • 周期性的
    • 非周期性的
    POWERLINK循环:
    采用SCNM (Slot Communication Network Management,时槽通信网络管理) 技术解决了传统的以太网CSMA/CD通信方式为解决数据冲突而引发的数据交换的不确定性问题。

    SCNM规定POWERLINK网络中由管理器节点(MN)统一分配时槽给各控制器站点(CN),并依次轮询。MN以点对点的方式向CN发出访问请求PollRequest,CN以广播的方式向所有站点发出响应信息PollResponse。  
    循环周期如图2所示。
     

    图2  POWERLINK的循环周期
    一个POWERLINK循环包括一个循环头(SoC-Start of Cycle),它被控制器用于同步操作,循环头之后,管理器向第一个站点发送一个传送请求,相应地它会收到一个传送回应,以此类推,在每一个循环中,所有的站点都会被访问到。循环通信在一个循环尾(EoC-End of Cycle)终止,而后就是非同步通信时间,这时,管理器就向某个站点发送或者提示其发送数据。
    其数据通信过程如图3所示。
     

    图3  POWERLINK数据通信的过程
    2.3.2 无轴凹印机控制系统中Ethernet POWERLINK的网络架构
    该凹印机控制系统的Ethernet POWERLINK网络架构以及站点分配如图4所示,这是一个基于Ethernet POWERLINK总线的星形网络。

    在该网络中,贝加莱的X20系列PCC的CPU (CP1486) 模块是中央处理单元,除PCC与操作监控站的通信采用以太网(TCP/IP) 以外,PCC的CPU与各伺服驱动器

    (ACOPOS multi)之间通过Ethernet POWERLINK总线和HUB实现数据通信,各伺服驱动器之间的数据通信也基于Ethernet POWERLINK。   

    在该Ethernet POWERLINK通信网络中,CPU (CP1486) POWERLINK接口的站点号为00(MN),各伺服控制器的站号依次为01到10(CN)。

    图4  EtherNet POWERLINK的网络结构
    2.3.3 Ethernet POWERLINK在运动控制中的应用
    凹版印刷对数据响应速度的要求很高,而Ethernet POWERLINK的高实时性和安全性正好满足了这个要求。

    在运动控制中,POWERLINK作为通信总线是透明的,不需要编写任何的驱动程序或通信程序,这些都是集成在系统中的,只要在项目中添加相应的通信接口,并做相应的Ethernet POWERLINK通信属性的设置(如循环周期的设置),Ethernet POWERLINK的通信功能即可在系统中使用。开发者主要的工作则集中于运动控制软件方案的规划及控制方法的实现上。

    各色组单元需要解决同步运行问题,Ethernet POWERLINK总线为各轴电子齿轮的同步提供了实时、可靠而安全的数据通道。
    2.4 单个印刷单元的伺服控制
    图5示出了单个印刷单元控制系统的简化原理图(未表示出Ethernet POWERLINK总线的通信网络连接)。每个印刷单元的伺服控制系统配置一台B&R的ACOPOSmulti伺服驱动器(内插AC114总线通信卡、AC120ENDAT编码器卡、AC132色标分析卡和AC130 I/O控制卡)、一台内置ENDAT编码器、机械式制动器和温度传感器的交流同步伺服电机以及电源开关、能耗制动电阻、操作和信号电器等。

    ACOPOSmulti伺服驱动器除引入三相AC380V电源作为控制电源外,还接入DC24V共用直流电源作为逆变电源。ENDAT编码器的速度(位置)信号输入至伺服驱动器的AC120ENDAT编码器卡;色标信号经色标识别传感器及其处理系统的初步处理,输入到伺服驱动器的AC132色标分析卡再进行运算处理;单个印刷单元控制系统设有单动-联动选择、粗调-细调选择、单独运行操作和对版操作以及相关运行指示灯,有关输入/输出控制信号均接至插入伺服驱动器的AC130 I/O控制卡。

    该ACOPOSmulti伺服驱动器通过Ethernet POWERLINK总线网络接受X20 PCC的 CPU的运动控制指令并向其传送由编码器反馈的运动位置数据和其它有关运行数据,伺服驱动器与伺服电机则通过ENDAT编码器的反馈信号构成内闭环调节系统,精确地执行控制指令所规定的运动轨迹。

    图5  单个印刷单元控制系统简化原理图
     
    2.5 无轴凹印机控制系统的软件开发
    2.5.1 Automation Studio™集成一体化软件平台
    该系统使用B&R的Automation Studio集成一体化软件平台,这种能实现从控制、显示到通信任务的集成开发软件能够满足各类自动化任务的需求。该软件平台支持B&R的全系列控制产品,包括HMI、PCC、X20 I/O和伺服控制系统的应用软件开发。

    Automation Studio™ 的系统配置工具支持应用于Ethernet POWERLINK和X2X Link系统的远程I/O模块,简单统一的I/O分配使得I/O系统的快速更换成为现实;控制数据、配置参数和类似的参考数据均可在应用软件中读取,并存贮于读卡器、软盘或DiskOnKey等USB大容量存贮设备上;可以在装入PCC CPU的Automation Runtime操作系统中对全新的Compact Flash卡进行分区并格式化。

    Automation Studio™ 的编程支持几乎所有的标准语言,包括Automation Basic、 ANSI-C等高级语言,以及符合IEC61131-3标准的梯形图(LAD)、指令表(IL)、结构化文本(ST)、顺序功能图(SFC)和数据模块编辑器以及数据类型编辑器。

    无论是简单的逻辑和数学运算,还是通讯协议的编程和复杂的控制算法,都可作为标准的功能块集成在Automation Studio™中,此外还可创建和管理自定义的功能块。

    使用Automation Studio™ 软件可实现在线语言切换、报警管理、配方管理、触摸屏和功能键操作、自由编程与高级语言支持、快速页面切换、直接读取I/O和变量和整个系统的可视维护等功能。所允许的画面及程序量多少仅与内存容量有关。
    2.5.2应用软件开发策略
    在系统硬件配置完成后,根据工艺要求在Automation Studio™软件平台下主要使用ANSI-C语言进行主干应用程序的开发,以实现控制目标。该控制系统在编程中共分为三个循环任务层来编写:

    在第一个循环层内,共完成以下六个任务:与伺服控制系统的通信、过程控制、印刷单元控制、套色系统控制、张力控制和张力I/O的处理;
    在第二个循环层内,主要完成站点控制;
    在第三个循环层内,主要完成人机界面的组态和编制。
    对于以上三个循环层内的任务,PCC是按其分时多任务管理的模式来进行处理的。
     
    3 结束语
    无轴凹版印刷是集版辊传动和套色控制于一体的印刷方式。版辊的独立,虽然使得控制更加复杂,但凹印机的印刷灵活性、可操作性以及自动化水平都得到了提高,从而能更好地适应当今印刷行业复杂生产工艺的要求。

    无轴凹版印刷机的投入市场,为烟包、装饰纸印刷、瓦楞纸印刷、塑膜印刷等行业的广大客户提供了品质优良的新型技术装备,使其在印刷合格率、印刷精度、机器性能、操作人性化和节约成本等方面都得到了显著提高,并实现了安全和环保生产。
     
    参考文献
    [1] 齐蓉,肖维荣. 可编程计算机控制器技术. 电子工业出版社,2005,11
    [2] 力生. 基于POWERLINK无轴凹版印刷套色控制[J]. 伺服控制,2008 ,6
    [3] 李佳艳, 陆贺卿. 贝加莱控制系统在新型数字化纺机中的应用[J].自动化信息,2010,3
    作者简介
    周晓霞 (1966~),女,贝加莱工业自动化(上海)有限公司 市场部市场支持。
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