不管是印刷設備，還是印后包裝設備，自動化控制技術的應用是其可否滿足功能需求的保障。機械結構的簡單化、控制技術的自動化這是印刷包裝設備的發展大趨勢。在下面的內容中，我就從張力控制的角度探討控制技術在印刷包裝設備中的發展和應用。我們所重點探討的是帶材類印刷機、復合機、涂布機和分切機，對單張材料的印刷包裝不作介紹。

 

      一個要求張力控制高精度的系統，需要考慮的因素很多，比如：力矩補償、轉動慣量的補償、錐度的控制、升降速張力補償、軸切換控制等等。下面就針對我公司的產品，在張力控制方面所采取的措施加以說明：

      在擺輥檢測裝置中，擺輥的一個優點是能夠存儲料膜，它的作用就好比是一個蓄力器、緩沖器，吸收或隔離了張力的擾動。擺輥調節的目的是通過調整擺輥位置而間接控制料膜表面張力，這個過程需要使用擺輥反饋信號，反饋信號是擺輥的位置偏差，該位置偏差對應的反映張力的波動量。當系統處于平衡狀態時，擺輥自然下垂，擺輥氣缸上的推力與料膜上的張力處于平衡；當系統張力產生了波動，克服機械摩擦阻力，這種平衡被打破，擺輥位置發生了偏移，擺輥的自重在水平方向產生分力，該分力疊加到料膜張力上，使系統張力產生更大的波動。機械摩擦阻力包括氣缸、擺輥機械裝置等的摩擦力，系統在工作時是一個不斷的動態調整過程，機械摩擦阻力對信號檢測精度有很大的影響。以上分析可得，減輕擺輥裝置的自重以及減小機械摩擦阻力是提高信號檢測精度的關鍵。另外擺輥反饋信號應調整到最高分辨率，過低的分辨率將降低張力調節的總體性能。目前，我公司機組式凹版印刷機中、高檔機型中該部件的設計都是遵循以上原則。

 

      對檢測信號的抗干擾措施如下：在硬件上選擇優良的器件，配備完善的接地網，單點接地，分隔走線及布線，所有信號線均采用屏蔽線；在軟件上，對檢測信號進行濾波，消除錯誤的檢測信號對系統產生的沖擊。

      驅動部件表面速度與線速度之間的速度匹配對于張力調節和PLC內部的計算精度非常重要，速度匹配保證了料膜能夠按照整條生產線的同一速率運行，使張力控制器或擺輥控制器控制料膜表面張力的修正量更小，精度更高。另外機械負載的波動對電機速度也會產生影響。我們在實際應用中，選擇矢量變頻+矢量電機，工作在帶PG矢量控制，可進行高精度的速度控制、力矩控制，速度控制范圍：1：1000，控制精度：±0.02％，啟動轉矩：150％，充分保證了速度精度及機械硬度。

      張力控制都一般采用PID控制。PID控制效果的好壞主要在于采樣時間、增益、積分、微分等PID參數的調節。

 

      張力控制時，PID參數低速到高速時可能不適合，或者不同卷徑段的PID參數可能不通用，因此PID參數的線性化、分段處理是解決該問題的首選。收放料在正常工作時，料卷直徑在不斷的變化，其卷徑的變化是引起不穩定的最大因素，在程序中對收放料依據內部計算直徑進行分段PID控制。收放料牽引不存在卷徑的變化，相對比較穩定，線速度的變化是引起不穩定的最大因素，在程序中對牽引PID按線速度的變化進行線性化，使低、中、高各段速度下的系統響應都達到最佳。

      系統在升降速過程中，多臺電機聯動，使整條生產線的線速度發生了變化，由于各個執行電機的負載慣量是不同的，引起各電機的升降速曲線不重合，此時的張力控制特性與穩態時是有所區別的，控制參數要作相應的調整，加入升降速PID控制，單獨控制升降速時的動態響應，與穩態比較，張力擾動大，要求響應快速，這時比例、積分、微分作用都要求比較強，只要系統不產生振蕩即可。

 

      在軸切換時，通過以下幾點來改善換軸時的張力控制性能。自動裁切時預驅動的線速度與當前線速度相匹配：我公司中、高檔機型收放料自動裁切時，都配有預驅動功能，要求預驅軸表面的線速度與當前線速度要相等或接近，盡量減小因為換軸線速的差別而帶來的張力波動；軸切換PID：在自動裁切時，加入一套單獨的軸切換PID控制，改善換軸時的動態性能；軸切換時的力矩提升：在自動裁切過程中，當切刀動作時，對放料提升其制動力矩，對收料提升其主動力矩，力矩的增加將引起料膜張力的增加，料膜張力的增加使得切斷和軸轉換簡潔、容易；尾長控制：裁切時，尾長過長，引起張力波動增加、走料不暢、印刷跑版等問題。調整糊面位置可有效的減小尾長；還有一種定長控制，根據線速度、卷徑來計算，通過程序內部延時或檢測，把裁切尾長控制在一定范圍內；糊面檢測：提高了裁切的可靠性，減少因停機而產生的廢品。以上方法都為一個目的：平穩過度、克服張力擾動、減少接料廢品率。

      在速度控制模式下，通過改變實際速度并調整轉矩輸出來考慮慣性的要求。當工作在轉矩控制模式下，需要精確的估算慣性力矩分量，來保持料膜的張力控制符合要求。慣性補償是用來補償由于物體速度的變化而產生的附加轉矩要求，這個附加轉矩分量的大小取決于物體的轉動慣量和角加速度。在速度模式下進行慣性補償，可有效提高控制的動態特性。

 

      由于系統慣性的存在，使得電機響應滯后，所以當電機給定發生變化時，控制器估算電機克服系統慣性所需的附加轉矩，以轉矩補償的形式來提高系統的動態性能。在系統升降速過程中的慣性補償顯得尤為重要。

      綜合考慮各種因素，要求系統調整的周期越短越好，響應要足夠的快。PLC內部程序采用定時中斷的工作方式，10ms對模擬輸入、輸出刷新一次，使得檢測及控制的實時性得到保證。變頻器內部的加減速時間設定為最小0s，保證了其響應的快速性。下一步，我們還要把PLC與變頻器通過工業總線組成網絡，把目前的模擬量給定變成數字量給定，進一步縮短變頻器的響應時間。

      收放料卷徑計算：通過程序計算收放料當前直徑，并且限制卷徑的變化率，以防止卷徑的突變，引起收放料控制異常。

 

      收料錐度張力控制：隨著收料直徑的遞增，張力遞減，防止收料卷變形。

通過以上措施的實施，有效地控制了張力的穩定性，保證了印刷套印的精度，明顯改善了整臺設備的張力狀況，升降速廢品率、接換料廢品率大大減小。

 

      張力自動化控制技術已在網絡中普遍應用，特別是基于現場總線的工業控制網的應用。現場總線是在工業現場應用的一種通訊網絡，能夠適應惡劣的工業環境，如干擾、沖擊、震動、溫度、粉塵等。同時，現場總線易于控制系統由模擬控制向數字化控制轉型，實現可靠快捷的數據信息交互和簡化控制配線，實現簡練的遠程I/O控制，從而大大降低故障點且利于維護機器。通過現場總線把各個控制單元聯網，形成一個網絡化的控制系統，上一層與工業控制計算機連接，可用于生產監控、報表輸出的管理功能。

      應用多臺伺服電機驅動各個印刷版輥來代替主傳動軸，對各印刷機組建立相應的模型，當套印偏差產生時，通過控制系統的計算，同時輸出并調整，充分考慮了負載慣量的影響，響應迅速，調整及時。該系統印刷速度高，可達到400米/分，套印精度高，廢品率低，具有極高的應用前景。

      隨著張力自動化控制技術的不斷提高，人們會不斷嘗試新的工藝，實現更為有效的印刷包裝方式。近年來，一些應用如大克數紙張的對接（包括高速滾筒對接、零速對接）、聯機模切壓痕打孔、聯機橫斷等已在國產印刷包裝設備上得到成功解決，且已擁有成熟的控制方案。當然，對于適應形式多樣的涂布機控制、特殊要求的復合工藝等控制技術和設備仍有待新的突破。我相信未來幾年，國產印刷包裝設備會在自動化控制技術上長足發展，進一步拓展其應用范圍，且在本行業中會有更為出色的表現。