高性能變頻器和PLC在包裝印刷自動套色位置系統的應用

分類：解決方案日期：2009-08-20 08:34:34 來源：廠商

1 引言
在科學技術日新月異的當今時代，為滿足現代人對商品包裝精美化的要求，對包裝印刷生產線的位置跟蹤的精確度要求越來越高。將各類先進技術以群體綜合應用方式應用于包裝線上，以謀求實現包裝印刷生產線高自動化、高效能已迫在眉捷。而全數字化交-直-交交流變頻伺服驅動器MSD0421A控制精度高、響應速度快、抗干擾性強，將它與PLC一起應用于包裝線上形成閉環位置控制器有非常重要的意義。它解決了包裝印刷上靠人工進行初始定位難，定位誤差大，動態調節慢，傳動中易錯位，套色較困難等許多問題。

2 MSD系列全數字式交流伺服系統的特點、操作[1>[2>
我們使用日本松下變頻器是數字調速系統，采用了專用的數字信號處理器(DSP芯片)，硬件標準化，通用化，是一個多微處理器全數字化的閉環控制系統。系統軟件中有操作系統、數據傳輸、監視、診斷及標準功能模塊子程序等。在應用中采用圖形編程語言，根據不同的傳動系統結構，把系統所需要的模塊調出并組接起來，就構成一個專用的傳動系統。實際上它一種實時控制系統的可編程控制器，由于用微處理器作為控制系統的核心部件，不僅可以按照各種控制思想及數學模型進行在線地快速計算與控制, 而且還有監視、顯示、保護、故障自診斷及自復原等功能。

2.1 特點
MSD全數字式變頻器功能強大，適用于高性能位置控制器，它有38個參數設置，6種控制方式，其中脈沖串位置控制最為獨特。因為它使用一定頻率的脈沖信號作為代表位置命令的輸入信號，在復雜的工作現場中，它比模擬速度輸入信號精度高，抗干擾性強。

(1) MSD系列具有各種參數可以用來調節系統的特性和功能, 正確設定這些參數, 可以使系統獲得最好的運動狀態。
(2) 監視功能, 如偏差脈沖數監視、電動機轉速監視、電動機轉矩監視。
(3) 顯示CNI/F的輸入/輸出控制信號狀態。
(4) 顯示故障原因及歷史。
(5) MSD系列內部的動態制動可用于緊停。
(6) 保護功能, 如:過壓保護、過流保護、過速保護等。
(7) 由計算機對MSD進行監視和操作。通過RS232C串行接口, 可將計算機與MSD相連, 并且由計算機對MSD進行控制和操作, 用戶可以通過計算機對所連的MSD進行參數設置和修改, 也可以通過計算機的CRT來監視MSD的工作情況。

2.2 脈沖串位置控制誤差的操作
(1) 試運行時電機軸上不加負載，由于電機加減速有沖突，必須固定電機。
(2) 如果用帶制動器的電機則先釋放制動器。
(3) 在沒有加主電源前, 先加DC12~24V電壓。
(4) 加主電源到驅動器。
(5) 當SERVO-ON時, 電機就處于待運行狀態。
(6) 在位置控制方式時, 使偏差計數器零信號CL釋放,使脈沖指令禁止信號INH釋放, 電機就處于SERVO-LOCK狀態。
(7) 置參數NO.02為零, 此方式是位置(脈沖串)控制方式。
(8) 設置參數NO.29為參數值, 電機轉速正比于輸入脈沖頻率f×P25/P26×P27=2500×4×n/60。

3 包裝印刷自動套色原理[4>
套印出現誤差有諸多原因，例如導輥和壓輥的平行度轉動不靈活，運動平衡不良，張力的波動，印料厚薄不均，印料熱變形及印版輥的直徑誤差等，這種套印偏差在性質上是連續變化的，而偏差量也不是定量[4>。所以必須不斷地監視套印誤差并及時加以修正，人工套色時通常由印刷工肉眼觀察套印誤差，憑經驗手動調節修正輥的移動來補償套印誤差，因而大大限制了印刷速度及套色精度，而采用自動套色系統則可以提高印刷速度和套色精度。

圖1 凹版印刷機印刷流程圖

圖1為凹版印刷機生產線的印刷過程簡圖(僅畫出前面4個印刷單元)。印刷機由開卷機運行依次經過各印刷單元，進行各色的印刷和烘干，由收卷機進行收卷。每色印刷都會在印料的邊緣印上以供套色用的色標，每個相鄰顏色的標志線在套印精確時應相互平行，垂直(縱向)相距20mm。圖1中，光電掃描頭S1檢測由1單元和2單元印出的色標。如果相鄰兩色標間隙不等于20mm，則說明套印出現了偏差，偏差經微處理器進行運算，輸出控制信號以驅動執行機構，使相應的套色修正輥ML上下移動來延長或縮短印料上一單元印刷版輥到該單元印刷版輥的行程來動態修正。各單元印刷套色以前一單元印出的色標為基礎。

4 套色自動化系統簡介與方案設計[3>
本系統由一臺PC機, S7-200CPU214/EDC可編程控制器, MSD變頻伺服系統組成控制核心, 其結構如圖2所示。

圖2 控制系統硬件結構圖

控制原理:整個傳動系統由最初軸頭安裝一臺旋轉編碼器，隨著傳動系統的運轉，編碼器產生連續的脈沖信號，即每轉一周發出n個脈沖，根據輥子周長可換算出20mm相當于多少個脈沖，此脈沖信號作為輸入給定信號，通過PLC的I0.6口送到高速計數器HSC1中。每個色輥上裝一臺色標傳感器，它可以檢測到印品邊緣上的色標，然后把檢測到的印品上的色標信號轉化為電脈沖信號，通過聯接到PLC的輸入端I1.0反饋到高速計數器HSC1的Reset中, PC機與PLC通過RS-485接口進行異步串行通信，PC機從PLC中讀取這些數據和狀態信號, 由軟件進行比較分析、運算、邏輯判斷后, 向PLC發出控制指令和數據，對執行機構輸出控制量, 調節色輥的相對位置, 消除印刷錯位。

在整套印刷中，一般采用改變印版滾角的轉動角度以達到調整印刷位置的目的，其閉環控制如圖3所示。

圖3 控制原理圖

圖3中檢測裝置為色標傳感器, 它把檢測到的色標信號轉化為電脈沖送到PLC中, 執行機構是交流伺服系統, 它由PLC直接驅動, 不需要任何外圍電路。PLC把檢測到的信號與存貯器預先測定好的標準值相比較得到偏差值，然后按運算規律根據脈沖偏差數算出該發出多少個脈沖。
5 軟件設計
本系統的軟件包括主程序、初始化對零程序、計數子程序、集成脈沖輸出子程序。

5.1 初初始化對零處理
如圖4所示，初始化對零程序的任務是使系統一合電源，包裝印刷機就自動地對某個給定值進行跟蹤而減少錯位。當編碼器的回0脈沖一到就起動高速計數器，PLC一旦檢測到色標信號就立即讀取計數值送入存貯器中。

圖4 初始化對零程序

5.2 計數子程序
首先把高速計數器HSC1的控制字節SMB47置為16#FC，其含義為:正方向計數，可更新預置值(PV)，可更新當前值(CV)，激活HSC1。

然后，用指令HDEF把高速計數器HSC1置成工作模式1，即只有復位沒有起始輸入，也沒有方向選擇。當前值SMD48復位為0，預置值SMD52置成FFFF(16進制)。當色標傳感器的色標脈沖信號輸入到PLC的I1.0就引起中斷,讀取計數器當前值。用指令HSC1啟動高速計數器。

5.3 集成脈沖輸出子程序
CPU214/DC有兩個脈沖輸出，可以用來控制交流驅動器的脈沖，接線圖如上述程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序框圖

(1) 起動電機的三個條件
(a) 按“START”(起動)按鈕，在輸入端I1.0產生脈沖上升沿(從0到1)
(b) 無聯鎖，即聯鎖標志M0.2=0
(c) 電機處于停止狀態，即操作標志M0.1=0

如果同時具備上述3個條件，則將M0.1置位，控制時執行PLSO指令，在輸出端Q0.0輸出脈沖，其他必須預先具備的條件，已經在首先掃描(SM0.1=1)設置，主要是脈沖輸出功能的基本數據，例如時基、周期和脈沖數。

(2) 停止電機:停止電機的兩個條件
(a) 按“STOP”(停止)按鈕, 在輸入端I1.1產生脈沖上升沿(從0到1)
(b) 電機處于運轉狀態，即操作標志M0.1=1
如果同時具備上述2個條件，則將標志M0.1復位，并中斷輸出端Q0.0的脈沖輸出。

(3) 聯鎖
為保護人員和設備的安全, 在按“STOP”按鈕(I1.1)之后，必須規定驅動器聯鎖，將聯鎖標志M0.2置位，立即關斷驅動器, 只有在M0.2復位后，才能重新起動電機。當“STOP”按鈕松開后, 為防止電機的意外起動, 只有在“START”按鈕和“STOP”按鈕(I1.1)都松開后，才能將M0.2復位，如要再次起動電機，則必須再發出一個起動信號。

5.4 主程序
當系統投入工作時，主程序的任務就是根據PLC把隨機讀到的計數值與標準值相比較，而得到的偏差值，調節電機正轉或反轉。程序流程圖如圖6所示。