一款复合模切机控制系统的开发设计

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　　摘  要：复合模切机电气控制系统就是根据卡纸/瓦楞纸共机生产的结构特点和工艺要求，重新设计了传统模切机控制系统的平台和程序架构，除满足机器的功能需求和操作便利性外，还从设计角度提高了机器的安全性、可维护性和电气易装配性，并预留了将来连接自动物流系统的功能架构和扩展性。
　　关键词：复合膜切机;自动主副台交替;变频器闭环矢量运行控制和调节;电气控制系统
　　中图分类号：TP273             文献标志码：A
　　0 引言
　　复合模切机是针对客户和市场需求而研发的新一代模切机，主要针对国外欧美市场，安全方面要按照CE标准来设计和审查。该机型同时也是使用三菱最新iQ-F平台的FX5 系列PLC来做控制系统设计的首台模切机产品，除了实现复合模切机的控制功能外，还要在软件和程序结构上做出改变，使其能够仅用一个程序版本来实现整个系列机器的全部功能。
　　同时复合模切机与以往的传统模切机相比，增加了以前没有的自动主副台交替和切换功能，预留了未来连接自动物流系统的接口和功能扩展。为了保证卡纸和瓦楞纸的收纸效果，改变传统机械凸轮控制的收纸毛刷轴，将其级为可以根据纸张类型和厚薄来自动调节运行的伺服驱动毛刷轴。模切机是复杂的机电设备，伺服配置方案将直接影响成本、开发周期和整体性能[1]。
　　1 复合模切机
　　作为印后包装领域主要设备的传统模切机，根据应用的纸张类型独立分为卡纸模切机和瓦楞纸模切机2种，而复合模切机是根据卡纸、瓦楞纸（送纸、模切工艺）的差异，通过设计新的送纸机构和调整模切、清废、收纸的结构，以此来实现卡纸、瓦楞纸的共机运行。送纸机构采用卡纸模切机的上吸式飞达结构，不过根据卡纸和瓦楞纸共线的需求，增加了飞达头上下高度调节和纸头高度检测传感器。根据瓦楞纸容易翘曲的特点，通过传感器自动侦测纸头在送纸翻板处的高度以及飞达头到纸尾踩脚的距离，通过动态跟踪调整来适应。
　　由于瓦楞纸的厚度原因，送纸纸垛的更替相比卡纸会更频繁，因此通过增加纸垛自动侧向修正和居中及纸堆主副台自动交换功能，以此来提高效率并降低操作人员的劳动强度。对于纸张的双张检测，应用了适应卡纸的超声波检测方式和针对瓦楞纸的机械厚度差异检测方式。通过以上措施，使卡纸和瓦楞纸都可以在复合模切机上进行高速生产，一机两用，提高了印刷包装厂的设备利用率。
　　2 主副台提升伺服驱动替代方案
　　复合模切机送纸功能的主要部件——飞达副台，在自动运行模式下，由主台剩余纸堆转移到副台或副台剩余纸堆转移到主台的交换过程中，主台或副台同时也在执行提升送纸任务，整个转移过程需要在主副台相对高度位置一致时执行，并在执行过程中保持这样的恒定位置，传统的方式是针对主副台的升降采用伺服电机的控制方案，但伺服系统和配套的减速器、制动器等成本比较昂贵，在仔细分析了主副台提升应用的特点后，认为不采用伺服方案，而是采用特殊配置组合的三相异步交流电机+减速器+刹车的方案，一样可以实现类似伺服的性能和要求。具体方案为采用独立风扇设计的带轴端编码器反馈的三相异步电机+刹车，电机绕组按照额定50 Hz，400V-Y型/230 V-△的设计，变频器对应电机的额定参数输入为频率50×=87 Hz，电压=400 V，电流=电机在△接法下的额定电流值，电机轴端安装了编码器，通过电机轴的转动脉冲来测量速度和升降位移，以此来进行闭环控制，保证了速度精度和稳定性并具有较高的动态响应，改善了电机低速时的转矩特性。电机进行参数自整定，使其可以运行在闭环矢量模式下，电机的最高输出频率设定在100 Hz，对应最高的主副台升降速度，并应用提升模式通过变频器来控制刹车的投入和释放，为了合理利用电机的调速范围，避免三相异步电机的频繁启停，设计上根据送纸的纸张厚度，系统会控制主副台提升变频器，根据机器的当前运行速度+纸张厚度，自动调节电机以连续的无级变速方式运行，使单位时间的主副台提升位移与纸张的消耗高度一致，以此来避免电机的频繁启停和刹车切换，成功替代了传统的伺服方案。
　　3 电气控制系统设计
　　3.1 电气控制回路
　　控制系统的性能好坏直接影响着整个机器的性能[2]。电气控制回路设计从3个方面进行了改进。1）PLC使用新一代的三菱FX5系列PLC， 系统资源丰富，运行速度快，具有以太网接口，扩展应用方便，软件保密性好，产品寿命周期长。2） 触摸屏使用最新工艺的隐藏式安装方式，显示界面内容和显示方式采用图标化界面，取消文本方式，避免在不同国家和区域销售时频繁进行语言修改和调整。3） 设计方面更多的考虑到电气接线和装配的成本，采取了以下4个具体的改进措施。①尽量减少不必要的外置按钮和开关，把仅需要进行设置不需要频繁操作的按钮和选择开关，从外围的操作面板移到机器的HMI上， 从而减少该部分的零件并完全取消接线，还可以减少故障率。②尽量取消不必要的面板按钮指示灯，更多地利用机器的主信号灯和声音报警器，这样可以减少大量的外围接线工作量。③尽量减少电缆和线束的中间过渡和连接，如果有需要时，尽量采用连接器转接方式，减少转接分线盒的使用量，对所有的传感器使用带接头的连接器方式，不使用焊接电缆加长的方法，这样可以使未来的装配和维修更换更方便。④电气柜使用成品的电箱而不是像以往那样使用钣金件加工，保证密封和防尘效果。冷却时使用专门的电柜冷却风机和符合要求的過滤网，内装温度可以通过调节控制器来控制。冷却风机在电箱温度达到一定阈值后，才能进行冷却散热，冬天和温度不高的情况下是不工作的，这样既保证了风扇寿命，又避免了过滤网的灰尘过量累积，有更高要求的可以选装制冷空调。装配好的成品电箱满足IP55等级的密封要求。
　　3.2 控制软件与程序
　　机器的控制软件基于模块化的方案，按照功能分类进行设计，一个软件版本涵盖了加高、非加高、配射纸器、加长伺服、前缘送纸、吸咀送纸、上吸式飞达、Elite和标准版等众多机型变化。首先，基于机器功能和控制要求，把程序要实现的任务分解为不同的功能块，按照功能块的定义来编写和实现对应的程序功能，目的是以后每台机器的控制功能都是由一些细分的不同功能块组成的，不同的机器可以共用相同的程序功能块而不需要重复开发，每种新机型将来只要开发新增或差异化的功能部分即可，而且可以容易实现多个电气工程师的并行开发。其次，初始化的参数设置放在初始程序内执行，仅在上电的第一次扫描周期前执行一次，后续不再执行， 提高程序效率。再次，机器的基本功能部分按照模块化的设计原则，放入扫描类执行程序内，并根据功能分开配置为不同的程序块，方便进行调试和修改、维护和未来的机器设计开发。最后，对于机器的差异化配置和Option功能，放入事件或待机类程序内，并通过在HMI的制造商保护密码菜单内进行机器的结构配置后，可以进行选择性激活或关闭。如果关闭，则不会被程序周期扫描和执行。 　　3.3 安全性强化
　　机器的安全功能提升。复合模切机的安全等级按照最新的SIL3等级进行设计，具体的细节措施和设计原则包括5个方面。1）安全继电器采用双闭合回路并应用手动复位的设计，对于安全触点回路不足而通过中间继电器进行扩展的应用， 需要把中间继电器的常闭触点串入复位回路。2）机器的运动执行部件的电源需要通过急停安全继电器的安全触点回路来提供，以此来保证急停安全继电器触发时，从物理上切断执行元件的电源，同时扩展到气源，也属于动力源。3）收纸主台、副台、清废框升降等，在收纸和清废部安全门打开的情况下有安全风险的动作，其执行元件经过这2个门安全继电器的安全触点回路进行供电，以此来确保安全。4）牙排链条锁、离合制动器等，影响到所有机构（飞达送纸除外）运行安全的执行元件，除了经过收纸和清废部的门安全继电器的安全触点回路进行供电外，还要经过模切板框和模切入口的门安全继电器的安全触点回路。对于简化版的机器，所有安全门共用1个安全继电器的情况，第3第4项的执行元件全部通过该安全继电器的安全触点回路供给电源。5）主马达变频器的供电回路除了急停安全繼电器回路外， 再串入手动盘车扳手/离合器气源气管的脱开信号，这样如果手动盘车扳手没有脱开的话，主马达变频器也是失电的，以此来保证安全。在触发主马达停止的安全回路后，由于主电机驱动的大飞轮惯性非常大，因此先采用控制变频器进行紧急减速停车，然后再停止电源供给，以此来避免直接断电后进入自由停车状态，这样反而不安全且停车时间会非常长，这是通过一个断电延时的继电器实现的，同时变频器的主电源要设置为断电制动停车的方式。
　　4 关键功能的设计实现
　　4.1 主机电子凸轮
　　主要是对机器的主机电子凸轮的应用方式进行改进，以往的主机电子凸轮采用360 P/R的编码器接入计数器通道，并采用Z相脉冲清0的方式，这样的应用方式需要PLC的计数器值和机械的凸轮角度值一致后，才能固定和锁紧编码器轴，对应的调教方式非常花时间，且需要2个人配合才能完成。使用过程中如果出现编码器轴连接松动或接触不良等故障，无法及时察觉容易导致机器运行时出现其他故障。
　　改进后的电子凸轮还是使用360 P/R的编码器接入PLC的计数器通道， 但可以在任意位置对编码器与机械传动轴进行固定后，在HMI中输入此时的机械凸轮值并按钮确认，电子凸轮的安装和设置就完成了，通过运行几周观察确认无误后，可以在HMI中确认和开启编码器自检功能。其设计原理为编码器在PLC工程内设置链长为360的环形计数器，在HMI中确认开启自检功能后，会把初始的编码器Z相脉冲对应的计数器值存储在系统断电锁存寄存器中， 以后的机器每个周期当Z相脉冲触发时，会把当前的计数器值和锁存的校准值进行比较，如果差异>2°，就会触发报警并会提示是正差还是负差，同时会自动修正偏差值。
　　4.2 设备速度控制
　　主要是对机器速度控制方式进行改进，原来的机器通过直接连接变频器模拟量输入端的电位器的方式来进行速度设置，由于机器的大飞轮惯性比较大，电位器的当前位置对应的机器最终运行速度有几秒钟的滞后，这样就造成机器的调速过程较慢并且需要反复进行，而且这样的方式也不利于生产数据并且设置的自动实现，新的机器调速方式是采用PLC的D/A通道，直接输出模拟量的速度参考信号到变频器中， 经过线性校准后， 可以直接在HMI上输入想要的机器速度XXXX s/h， 确认后不需要等待和反复调教。
　　同时为了兼顾以前的操作习惯，通过编码器计数通道添加了旋钮式增量双通道编码开关，利用旋钮的正反转也可以调节机器的速度并改变HMI上设定值，正传增速反转减速，转的快，速度改变也快，操作灵活方便可以作为HMI机器直接设定方式的补充。
　　4.3 主副台自动切换
　　上吸式飞达的自动主副台切换功能，为了保证模切机飞达的送纸效率，在主台上的纸堆快要送完前， 会把剩余的纸堆通过主→副台交换转交给飞达副台，这样去掉纸堆的空栈板，可以及时排出主台并更换新的待送纸堆，等到待送纸堆控制提升到副台送纸位置下方后，再触发副→主台交换，把副台上剩余的纸堆叠加到主台顶部并继续送纸，原来的手动副台需要人为控制主台和副台的交接流程，并伸入/缩回多个插杆，操作工的工作强度高并占用了大量时间，新设计的自动副台可以在不需要人为干预的情况下自动执行主副台的相互交替。
　　这一功能设计开发的主要目的是保证在机器生产期间纸堆更替时， 飞达送纸不会停止，从而保证机器的生产效率。其主要的软硬件设计和实现方法如下。
　　首先，主副台侧向位置修正和居中功能，自动副台要求在初始位置时，主台和副台都处于居中位置，这样可以使其上纸时有左右同等的修正余量，在纸堆上升过程中，主台会根据纸堆的侧向位置进行修正，以此来保证纸堆的侧向送纸位置，主台在纸堆送完后要回到居中位置，准备接入新纸堆，副台在进行主→副台交接前，要根据传感器的位置反馈检测插杆是否对准了栈板容纳凹槽，并进行修正，在副台纸堆交接给主台后， 副台要回到侧向的居中位置，迎接和准备下一次主副台交换。在综合分析成本、性能和安装尺寸空间等因素的情况下，选择了电动推杆+（两侧内限位+电位器）的控制方案，特别是内置电位器和推杆的位移行程关联，通过A/D通道的转换来判断电动推杆的实际行程位置，这种方式简单有效，可以说是简单价廉的绝对位置编码器，实际的应用测试结果也验证了这一设计构想。
　　其次，在主→副台的纸堆交替过程中，主台同时在执行提升送纸任务，整个交替过程需要在主副台相对位置接近一致时执行，并在执行交替的过程中保持这样的位置，在该过程中要进行栈板凹槽和插杆伸出位置的校对和修正工作，位置无误后再执行插杆伸出动作，并在插杆完全伸出接到纸堆后，将纸堆的按需提升动作由主台转移到副台。副→主台的交替过程中，先由主台携带纸堆在副台下方减速，达到托起副台纸堆位置时，执行副台插杆的缩回动作，直至完全缩回到位，在该过程中也要保证主副台的位置恒定，同时跟随送纸动作上升。电气设计上使用闭环矢量运行的变频器+三相异步电机来代替传统的伺服驱动方案，在实现功能的前提下降低了成本。
　　最后，以往的上吸式飞达是采用单一的踩脚模拟量（飞达头压脚按照凸轮行程往复踩纸，纸堆高度通过压脚与模拟量接近开关的距离检测得到）控制主台提升的方式，对于容易弯翘的瓦楞纸和主副台交换时的插杆缩回造成的纸堆高度不平问题，新设计通过送纸翻板处的光电来影响主副台的提升，以此来控制纸堆的纸头高度。同时，用纸堆纸尾的踩脚模拟量传感器来控制飞达头的升降，使吸纸单元与纸尾动态保持在合适的距离范围内， 这样的设计控制思路是通过纸头和纸尾的分别调教，使纸尾飞达头和纸头送纸翻板根据纸面的弯翘状态形成与纸面平行的高度状态，以此来保证送纸的顺畅和质量。
　　5 结语
　　复合模切机的功能测试及长期试运行证明， 新的电气控制系统在安全性、操作便利性等方面与老的模切机控制系统相比有了质的提高和飞跃，特别是程序软件使用按照功能分类的模块化设计方式，使程序的设计和移植到别的机型变得更容易和高效。新设计开发的主副台自动相互交替功能、新电子凸轮功能的收纸制动毛刷轴、通过电动推杆+位移电位器的主副台侧向位置检测和修正功能都通过了测试验证和性能测试，在薄卡纸（0.2 mm）和厚瓦楞（5 mm）的极限纸张厚度及机器最大设计运行速度（6 000 s/h）的情况下，都成功通过了测试并且运行结果良好，完全达到了项目立项时所设定的技术指标和功能要求。
　　参考文献
　　[1]朱火美，蒲洪彬，李伟光.数控瓦楞纸板印刷模切机伺服配置设计与评价研究[J].包装工程，2012，33（3）：85-88.
　　[2]丁毅，张波，曾珊琪.模切机工作台运动特征分析及实现[J].机械设计与制造，2011（7）：197-198.
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