1、基于plc及變頻器的印刷機控制系統的硬件設計摘 要印刷機在日常食品包裝中占有重要地位，它的產品質量取決于張力控制。現代印刷機幾乎無一例外地采用了變頻器張力控制系統，這種控制方式的特點是：運行可靠、機械磨損小、控制精度高，適用于高速多套色凹版印刷機。論文主要內容如下：1概述了變頻器與plc的工作原理和性能；2推導了浮輥檢測系統模型、變頻器交流異步電動機傳動模型，完善了收放料裝置的動力學模型、張力模型、收料張力控制模型；3在數學模型的基礎上，開發了系統控制應用程序。4編寫出plc與變頻器自由口通信協議，得出新型的控制方案。關鍵詞印刷機；張力控制；變頻器；plc；自由口通信the hardware

2、design of printing machine control system based on plc and inverterelectrical engineering and automation si yun-kuiabstract：printing machine is important for daily food packaging. the quality of its product depends on the tension control. the tension control system consist of plc and inverter is ado

3、pted in the modem printing machine. this system has its advantages such as stabilization, small weal and tear and high control precisions so it is applied to multi-colors rotogravure printing machines. following are the main contents of this thesis: outline of working principle and performance of pl

4、c and inverter; derivation of dancing roller detection system model and inverter ac asynchronous motor driving model. development of system control applications based on the above models and pid control algorithm to certificate the models; development freeport communication protocol.key words: print

5、ing machine; tension control; inverter; plc; freeport communication目 錄1 引言11.1 課題背景11.2 論文的研究目的和內容12 印刷機控制系統的總體方案設計12.1 七電機張力控制系統12.2 plc控制變頻調速系統22.3 系統組成方案23 張力控制分析33.1 凹印機各個部分的工作過程33.1.1 放卷部分33.1.2 牽引部分43.1.3 印刷部分43.1.4 收卷部分53.1.5 附屬裝置53.2 各環節建模63.2.1 浮輥模型63.2.2 張力模型73.2.3 收放卷裝置動力學模型83.3 控制系統綜述104

6、 plc硬件部分設計104.1 plc的硬件結構104.2 印刷機控制系統的硬件設計104.2.1 plc i/o分配114.2.2 plc硬件接線115 plc自由口通信的實現145.1 s7-200的自由口模式145.2 三菱變頻器專用協議145.3 plc與變頻器的連接145.4 程序設計14結束語15參考文獻16致謝171 引言1.1 課題背景隨著人們物質文化生活水平的提高和消費觀念的改變，國內包裝市場近十年來每年以20以上的速度增長，而且印刷的質量和品位也在不斷的提高。而凹版印刷作為一種重要的印刷方法，在國外一直有著穩定的發展。近十多年來，隨著新技術、新材料的不斷出現，特別是包裝、裝

7、潢和建材工業的發展，給凹版印刷技術帶來更為廣闊的發展前景。上個世紀70年代以來，凹版印刷機的發展經歷了幾個發展階段。無論在生產率方面還是在操作自動化方面，都在不斷地提高和改進。體現在張力控制方面表現為經歷了磁粉張力系統交流變頻調速控制系統伺服電機無軸控制系統幾個發展階段。而在我國，變頻驅動系統才起步不久，印刷水平相對比較落后，與世界先進的印刷技術還有一定的差距。1.2 課題的研究目的和內容凹版印刷機是一個復雜的控制對象，主要表現在以下幾個方面，一是它各環節之間耦合強，常常是一個環節張力發生波動，對其他環節的張力也會造成影響；二是時變性，即對象隨著時間的推移不斷變化，主要表現在收放料卷徑的不斷變

8、化，這給選擇控制器造成了很大的難度；三是不確定性，例如，機械的安裝精度和料卷的偏心等。基于以上三種原因，凹版印刷機控制起來非常復雜。本課題的主要工作如下：本課題以交流變頻驅動的凹版印刷機及其張力控制系統為研究對象，推導了擺輥檢測系統模型，迸一步完善了料卷轉徑和轉動慣量和實時擾動模型。在上述模型的基礎上，針對目前已在使用的七電機控制系統，改進現有plc程序，設計整個系統的控制程序；同時，利用plc與變頻器的rs485通信接口，開發出plc與變頻器自由口通信協議，克服由于使用擴展通信模塊而帶來的系統響應速度慢的缺點，以求達到更加快速、穩定的張力控制效果。2 印刷機控制系統的總體方案設計2.1 七電

9、機張力控制系統凹印機控制系統主要是由plc與七臺變頻器（分別控制兩臺放卷、兩臺收卷電機以及主電機、入料牽引、出料牽引電機各一臺）組成的，簡稱為七電機控制方式。在控制工程中使用了pc機或者高端的plc作為上位機，以一臺或多臺plc作為下位機，每臺下位機通過可編程擴展模塊與若干臺智能設備(包括變頻器)進行通信，從而實現分布式控制，可以實現復雜的控制功能。目前處于領先地位的控制系統使用單臺plc，通過數字量輸出控制七個變頻器的啟動及停止，通過模擬量輸出擴展模塊em232調整變頻器的運轉速度指令。這樣大大節省了plc通信網絡的成本，但是plc的i/o點數是有限制的，使用擴展模塊控制變頻器影響了整機的功

10、能擴展并且由于模塊的a/d轉換影響系統的運行速度。2.2 plc控制變頻調速系統隨著電力電子技術、微電子技術和現代控制理論的快速發展，交流變頻技術已經廣泛應用到工業生產中。利用變頻器對交流電動機進行調速控制的張力系統，可以實現大范圍內高效連續調速控制，容易實現放卷、收卷方向的正反轉切換，在不停機換軸時減少由于張力波動產生的廢料等。在進行調速控制時，可以通過控制變頻器的輸出頻率使電動機工作在轉差率較小的范圍，電動機的調速范圍較寬，并可以達到提高運行效率的目的。由plc和變頻器及其電機組成的印刷機控制系統，通過控制驅動印刷版筒的主電機以及放卷、入料牽引、出料牽引、收卷各個電機的線速度同步來達到張力

11、穩定，具有響應快速的特點，并且可以提供良好的設定功能，以滿足各種材料的工藝特性。2.3 系統組成方案整機控制采用西門子s7200系列plc、三菱變頻器f700，以及浮動輥上的旋轉電位器組成的閉環控制系統。浮動輥上的電位器檢測當前浮動輥位置，亦即張力狀況，以模擬電壓信號反饋給plc；plc根據任務要求及自身程序，計算出相應輸出，通過自由圖1 張力系統示意圖口通信讀取變頻器工作狀態，并向變頻器發出指令，保證各個電機工作在同步狀態，使張力保持穩定。張力系統示意圖如圖1所示，整機張力實際上分為四段張力：放卷、入料至印刷、印刷至出料、收卷。plc是整個系統的核心部分。系統中主要執行元件的動作均由plc的

12、輸出點控制，plc根據設計要求，時刻調整輸出指令。變頻器的工作原理如圖2所示，將動力電源經過三相全波整流、直流平滑以后，通過pwm(脈寬調制)方式對逆變電路得半導體開關元件進行開閉，并通過調整輸出脈沖的寬度，將平滑電路輸出的直流電源轉換為頻率和電壓都任意可調的交流電源，來實現對異步電動機的調速控制。整流電路直流中間電路逆變電路控制電路交流電頻率或電壓可調的交流電圖2 變頻器的結構框圖系統通電以后，plc即開始掃描各個輸入點的狀態，以及檢查通信口是否可用。當連接至plc的開關量輸入端的“啟動”、“加速”等按鈕依次動作以后，plc根據用戶編寫的程序，向變頻器發送指令。在plc發送的數據包中，速度指

13、令對應著變頻器的模擬量速度指令輸入，變頻器正是根據這個指令來調整pwm控制電路的輸出。當工作環境發生變化(如材料松緊程度、機器運行速度、收放卷的直徑大小等)，張力隨即改變，浮動輥的位置也發生變化，浮輥電位器反饋給plc的電壓隨之改變，plc的pid控制器將調整輸出指令，變頻器也就控制電機做出相應的加減速動作，以恢復張力的平穩。3 張力控制分析3.1 凹印機各個部分的工作過程3.1.1 放卷部分放卷部分主要由放卷回轉架組成。放卷回轉架簡化示意圖如圖3所示，它由可以在垂直平面自由轉動的兩個裝料軸組成。放卷部分有自己的傳動機構，通過調整放卷電機輸出頻率，可以使放卷的料膜達到期望的速度。圖3 回轉架示

14、意圖放卷部分的一大特點是可以自動測量新料卷的直徑，并在高速印刷過程中進行料卷的不停機自動切換，大大地促進了生產的連續性，提高了生產效率。但料卷在高速自動切換時必然會引起張力的波動，而且由質量和轉動慣量都更大的新卷切換小質量和小慣量的舊卷，在控制量的切換上會形成困難，因此它對張力控制系統提出了更高的要求。具體的自動放卷和自動接料的過程如下：(1)正常供料，新料卷貼上雙面膠帶，舊料卷快要放完時，讓回轉架反向轉動。(2)定位，當回轉架碰上一個固定的光電開關時停止轉動，此時回轉架轉過一個角度，限位開關動作，開關信號送到plc的數字量輸入點。(3)新料卷加速到同步，plc程序根據人機界面上設定的新料卷直

15、徑，以及當前機組的線速度給定，對新料卷進行加速，加速到與舊料卷同步。(4)接料壓輥壓下，將舊料膜壓在貼著雙面膠的新料卷上，新舊料卷同以相近的速度轉動，當設定新料卷轉動時間到達后，切刀伸出進行切料，加在舊料卷上的控制量也同時被切換的新料卷上。3.1.2 牽引部分牽引部分分為放卷牽引和收卷牽引，料膜以一定的速度平穩的導入印刷機組；也叫做引入和引出。放卷牽引主要是把收卷牽引則將料膜以一定的速度平穩地導出到收卷裝置。牽引部分有自己的傳動機構，能在一定的程度上協調系統的張力，使各個環節的張力保持相對恒定。此外，牽引環節還可以緩沖收放卷環節振動時對印刷部分產生的沖擊。除此之外，浮動輥、導向輥等也有牽引料膜

16、的作用。3.1.3 印刷部分印刷滾筒采用壓印滾筒，結構如圖4所示。圖4 印刷部分示意圖壓印滾筒通常不需要驅動裝置，而是由印版滾筒與之接觸產生的摩擦力帶動產生旋轉。壓印滾筒對印版滾筒施加的壓力較大，兩者不會發生相對滑動。因此對壓印滾筒的直徑沒有具體的要求，但對滾筒的正圓度和圓柱度有較高的要求。墨斗提供印刷時所用的油墨，刮刀用于刮去空白部分的油墨，只剩下圖文部分的油墨。3.1.4 收卷部分收卷部分與放卷部分大致相同，它們的不同點在于：(1)收卷部分沒有也不需要轉徑自動測量的功能，因為它的新卷直徑就是空軸的直徑，預先可知，不用測量。(2)收卷部分需要張力的錐度控制，即張力大小隨著收卷料卷直徑的增大而

17、有規律地減少。3.1.5 附屬裝置本課題所研究的多色機組式凹版印刷機的附屬裝置主要包括導向輥，浮輥和一些檢測機構。浮輥是最重要的附屬機構，其結構如圖5所示。圖5 浮輥系統示意圖由于本印刷系統沒有配備直接的張力檢測機構和線速度實時檢測機構，使得浮輥在張力控制系統中承擔著相當重要的作用。在放卷、放卷牽引、收卷牽引、收卷四個重要的環節上都配備了浮輥，浮輥通過活塞與低摩擦氣缸相連，根據料膜印刷所需要的張力要求，在印刷前手工對氣缸進行張力設定，該張力值為印刷張力的設定值。一旦氣缸的張力被設定，就不會被改變。印刷過程中所需要的工作張力通過氣缸進行設定，該設定值被反映到浮輥上，張力控制系統根據浮輥檢測出來的

18、偏差進行速度補償，通過控制各個傳動環節的電機轉速，使得整個生產線上的料膜線速度保持一致，以此實現料膜恒張力控制。3.2 各環節建模3.2.1 浮輥模型浮輥在凹版印刷系統中的作用非常重要，如圖5所示，它主要由浮輥和氣缸組成，浮輥和氣缸之間有一個連桿連接，浮輥的一端o點固定，浮輥繞o點擺動，通過連桿帶動氣缸的活塞運動，而氣缸的一端固定在b點，氣缸繞b點擺動。由圖6可知，根據力矩的平衡定理，當浮輥處于垂直位置時，料膜的張力等于系統的設定張力，這樣，可以通過向氣缸內充不同量的氣體，改交系統的設定張力，從而滿足印刷工藝的要求。從表觀上看，浮輥系統的擺幅的大小反映了張力控制的有效程度，張力的控制效果就是要

19、使浮輥擺幅最小，理想情況是使浮輥處于垂直位置。從控制系統的角度看，它卻是一個檢測裝置，在o點附加了一個電位計，浮輥擺動時帶動電位計運動，這樣浮輥電位計電壓的變化就反映了系統張力的變化，然后反映到控制器內進行調整。圖6 浮輥系統的平衡狀態圖7 浮輥處于某一位置時的狀態上述圖中：-氣缸端點b到浮輥的氣缸軸線方向距離；-o點到浮輥中心的位置；-o點到連桿的a點的位置：-氣體對浮輥的推力；-張力；-氣缸內氣體的高度；-氣缸的仰角；-輥的擺角。為了求得浮輥擺角和張力的函數關系，為了更好的簡單明了得到各量的關系，將圖6和圖7簡化得到幾何位置圖和轉矩關系圖8，這樣從中可以簡單明了的推導出各個變量的關系。圖8

20、 浮輥處于某一位置時的幾何簡圖浮輥擺幅通過電位計的電壓來表征，浮輥擺動引起與之通過齒輪相連的電位計轉動，由浮輥擺角可以得到電位計擺角，可以得到一個電位計檢測電壓u，電位計擺角，與電壓豁之間也有一個對應關系，這個關系很簡單，是一個線性關系。電位計的檢測模型可以表示：式中-浮輥和電位計間齒輪傳動比。通常（為電位計的供電電壓）為線性系數，由電位計自身參數決定。3.2.2 張力模型張力產生的示意過程如圖9所示，料膜由前一輥送出，其線速度為印刷機械的工作速度，第二環節的線速度為，為紙張卷入第二環節的張力，設紙張的彈性模量為，橫截面積為，兩環節之間的長度為，為紙張由第一環節到達第二環節的時間，根據胡克定律

21、得，由此可知，若需控制紙張張力，就必須控制，即兩環節速度差，可見有些張力控制系統實際上也是線速度跟蹤系統。圖9 張力產生示意圖3.2.3 收放卷裝置動力學模型典型的印刷機械傳動系統包括以下組成部分：電動機、聯軸器、齒輪傳動單元 (齒輪箱)、滾筒。齒輪傳動單元可以是單級或多級傳動，主要依賴于傳動系統的傳動比。最后一級傳動軸是小齒輪與滾筒同軸，且小齒輪與輸出軸相連，而齒輪箱的輸出軸是用來驅動兩個滾筒的。放卷料卷的受力情況比較復雜，它的受力情況跟預設印刷張力、加減速給定斜率有關。當預設印刷張力較小，或者給定加減速斜率比較大(加速度大)的時候，電機處于電動狀態，料卷的受力如圖10所示；當預設印刷張力較

22、大，或者給定加減速斜率比較小(加速度小)的時候，電機處于發電狀態，料卷的受力如圖11所示。圖10 電機電動狀態時放卷料卷受力模型圖11 電機發電狀態時放卷料卷受力模型為了避免模型過于復雜，考慮到在通常情況下，給定加減速斜率比較小，預設印刷張力相對來說較大，電機基本上處于發電機狀態，所以，我們認為在電機加減速和穩定工作時處于發電狀態。有一個情況例外，當系統上電建立初始化張力時，料膜的初始張力為零，電動機處于電動狀態，當達到穩態時，料膜張力與電機的電磁轉矩相等。在電機處于發電狀態下，放卷料卷所受動力矩為料膜張力所產生的力矩，阻力為電磁轉矩和阻力力矩，將多軸傳動系統等效為電機軸上的單軸系統，則放卷裝

23、置加減速和穩定工作時電動機力矩方程為：式中-料膜張力； -料卷卷徑； -電磁轉矩； -阻力轉矩； -極對數； -空間角速度； -傳動比； -單軸等效傳動慣量；由電動機的轉動慣量和料卷的等效轉動慣量兩部分組成。而料卷軸的轉動慣量又由料卷轉動慣量和空軸轉動慣量組成，是時變的，是卷徑的函數，是時間的函數，是固定值。收卷部分電機通常只工作在電動狀態，其實時轉動慣量的計算與放卷完全相同。其動力學模型的推導也類似，其受力分析如圖12所示。圖12 收料卷受力示意圖收卷料卷歷受動力矩為電磁轉矩，阻力為料膜張力所產生的力矩和摩擦轉矩，將多軸傳動系統等效為電機軸上的單軸系統，則收卷部分電動機力矩方程為：3.3 控

24、制系統綜述張力控制不僅是印刷控制的必要組成，而且是核心部分，張力控制的效果直接關系到印刷質量的優劣，其控制系統如圖13所示：圖13 張力控制系統簡圖當工作環境發生變化(如材料松緊程度、機器運行速度、收放卷的直徑大小等)，張力隨即改變，浮動輥的位置也發生變化，浮輥電位器反饋給plc的電壓隨之改變，plc的pid控制器將調整輸出指令，變頻器也就控制電機做出相應的加減速動作，以恢復張力的平穩，閉環控制系統如圖14所示。圖14 閉環控制系統框圖4 plc硬件部分設計4.1 plc的硬件結構s7-200系列plc提供多種具有不同i/o點數的cpu模塊和數字量、模擬量i/o擴展模塊供用戶選用。cpu模塊和

25、擴展模塊用扁平電纜連接，可以選用全輸入型或全輸出型的數字量i/o擴展模塊來改變輸入/輸出點的比例。具有功能強、尋址方法靈活方便、通信功能強大等優點。本課題選用cpu226系列plc，它適用于復雜的中小型控制系統，可擴展到248點數字量和35路模擬量，有兩個rs-485通信口。4.2 印刷機控制系統的硬件設計4.2.1 plci/o分配表1 plc的i/o分配表輸入輸出i0.0光電發射器q0.0空轉i0.1預備q0.1運行i0.2運轉q0.2放卷ai0.3加速q0.3放卷bi0.4減速q0.4收卷ai0.5壓輥離/合q0.5收卷bi0.6停止q0.6放卷正翻轉i0.7放翻轉啟停q0.7放卷反翻轉

26、i1.0光電接收器q1.0放擺臂i1.1放翻轉限位q1.1放膠輥i1.2放換軸/接料q1.2放切刀i1.3收翻轉啟停q1.3收卷正翻轉i1.4收翻轉限位q1.4收卷反翻轉i1.5收換軸/接料q1.5收擺臂i1.6變頻器故障q1.6收膠輥/切刀q1.7電鈴4.2.2 plc硬件接線plc的硬件接線如圖15所示，圖中左側為輸入信號元件，包括按鈕、限位開關等；右側為輸出執行元件，包括中間繼電器、指示燈、電磁閥、交流接觸器等。圖15 plc的硬件接線圖依次按 “預備”、“運轉”按鈕，各段浮輥張力控制投入，機器處于零速張力運行狀態。按“壓輥離合”按鈕，各個印刷單元的壓印膠輥壓下。按“加速”按鈕，機器按照

27、設定的“加速時間”自動加速。如果加速過程中沒有人工干預，機器的線速度最終將達到設定的“速度設定”值；在加速過程中，按“減速”按鈕，機器將停止加速，并維持在當前線速度上運行。按“停止”按鈕，機器按設定的“停止時間”停止。正常自動接料裁切動作，只有在主機啟動狀態下有效。當前放卷料卷上的材料即將放完時，手動按回轉架上的“翻轉啟動停止”按鈕，回轉架自動翻轉，到達初始位置時由于限位開關的作用自動停止，同時切刀擺臂落下。當新料卷的外周把切刀擺臂上的光電開關擋住以后，翻轉停止，同時新放卷軸開始旋轉。當新料卷旋轉的線速度達到機器運行線速度后，按“換軸接料”按鈕，舊卷料膜在切刀壓輥的作用下壓到粘有粘膠帶的新卷上

28、，經過一定延時后切刀擺臂上的切刀氣缸動作，切刀切下，把舊卷料膜切斷，舊卷放卷軸停止旋轉，新卷正式投入工作，兩個放卷軸的工作指示燈的工作也完成轉換。5 plc自由口通信的實現5.1 s7-200的自由口模式s7200系列plc是西門子公司主要產品之一。它具有極高的可靠性、豐富的指令集和內置的集成功能、強大的通信能力和品種豐富的擴展模塊，在我國應用非常廣泛。s7200支持多種通信協議，如ppi、mpi、自由端口模式。在自由口模式下，用戶自定義與其他串行設備通信的協議或使用其它串行設備的通信協議。由于三菱變頻器規定了通信協議，s7-200必須遵守該協議才能與之通信。因此在這種情況下，就可以使用s72

29、00的自由端口模式及相關指令按照三菱變頻器的通信協議設計程序與之通信。在自由端口模式下，使用發送指令xmt和接受指令rcv，可以發送和接收數據。使用發送指令xmt將啟動自由端口模式下數據緩沖區(tbl)的數據發送。通過指定的通信端口(port)發送存儲在數據緩沖區中的數據。使用接收指令rcv可以接收一個或多個字符，通過指定的通信端口(port)存儲在數據緩沖區(tbl)中。5.2 三菱變頻器專用協議在自由口模式下，plc與變頻器通信遵循三菱變頻器專用協議。首先，按照變頻器通訊規格對變頻器參數進行設置。其次通信采用以下步驟：1向變頻器發送要求數據；2經變頻器等待時間后；3從變頻器向plc發送返回

30、數據；4等待變頻器處理事件后；5進行再處理。plc對變頻器進行運行狀態監控、運行頻率設置、啟動、停止等操作。5.3 plc與變頻器的連接plc s7-200與三菱變頻器通信采用rs485接口的串行方式。s7-200側為九針接口，三菱變頻器為rs485端子，采用二線式連接，電纜接線如圖16所示。圖16 plc與變頻器的連接5.4 程序設計plc通信程序框圖如圖17所示，分為三大部分，由主程序、子程序和中斷程序組成。圖17 自由口通信程序框圖主程序主要是調用通信設置子程序和各控制指令子程序，并發送各種運行和監示指令。中斷程序的作用是為了正確接收變頻器發回的每組數據，以監示變頻器的轉速。plc端口每收到一個字，都會產生一個中斷事件。結