基于PLC及变频器的印刷机控制系统的硬件设计基于PLC及变频器的印刷机控制系统的硬件设计摘 要印刷机在日常食品包装中占有重要地位，它的产品质量取决于张力控制。现代印刷机几乎无一例外地采用了变频器张力控制系统，这种控制方式的特点是：运行可靠、机械磨损小、控制精度高，适用于高速多套色凹版印刷机。论文主要内容如下：1概述了变频器与PLC的工作原理和性能；2推导了浮辊检测系统模型、变频器交流异步电动机传动模型，完善了收放料装置的动力学模型、张力模型、收料张力控制模型；3在数学模型的基础上，开发了系统控制应用程序。4编写出PLC与变频器自由口通信协议，得出新型的控制方案。关键词印刷机；张力控制；变频器；PLC；自由口通信The Hardware 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 adopted 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 PLC 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: printing machine; tension control; inverter; PLC; freeport communication目 录1 引言11.1 课题背景11.2 论文的研究目的和内容12 印刷机控制系统的总体方案设计12.1 七电机张力控制系统12.2 PLC控制变频调速系统22.3 系统组成方案23 张力控制分析33.1 凹印机各个部分的工作过程33.1.1 放卷部分33.1.2 牵引部分43.1.3 印刷部分43.1.4 收卷部分53.1.5 附属装置53.2 各环节建模63.2.1 浮辊模型63.2.2 张力模型73.2.3 收放卷装置动力学模型83.3 控制系统综述104 PLC硬件部分设计104.1 PLC的硬件结构104.2 印刷机控制系统的硬件设计104.2.1 PLC I/O分配114.2.2 PLC硬件接线115 PLC自由口通信的实现145.1 S7-200的自由口模式145.2 三菱变频器专用协议145.3 PLC与变频器的连接145.4 程序设计14结束语15参考文献16致谢17基于PLC及变频器的印刷机控制系统的硬件设计1 引言1.1 课题背景随着人们物质文化生活水平的提高和消费观念的改变，国内包装市场近十年来每年以20以上的速度增长，而且印刷的质量和品位也在不断的提高。而凹版印刷作为一种重要的印刷方法，在国外一直有着稳定的发展。近十多年来，随着新技术、新材料的不断出现，特别是包装、装潢和建材工业的发展，给凹版印刷技术带来更为广阔的发展前景。上个世纪70年代以来，凹版印刷机的发展经历了几个发展阶段。无论在生产率方面还是在操作自动化方面，都在不断地提高和改进。体现在张力控制方面表现为经历了磁粉张力系统交流变频调速控制系统伺服电机无轴控制系统几个发展阶段。而在我国，变频驱动系统才起步不久，印刷水平相对比较落后，与世界先进的印刷技术还有一定的差距。1.2 课题的研究目的和内容凹版印刷机是一个复杂的控制对象，主要表现在以下几个方面，一是它各环节之间耦合强，常常是一个环节张力发生波动，对其他环节的张力也会造成影响；二是时变性，即对象随着时间的推移不断变化，主要表现在收放料卷径的不断变化，这给选择控制器造成了很大的难度；三是不确定性，例如，机械的安装精度和料卷的偏心等。基于以上三种原因，凹版印刷机控制起来非常复杂。本课题的主要工作如下：本课题以交流变频驱动的凹版印刷机及其张力控制系统为研究对象，推导了摆辊检测系统模型，迸一步完善了料卷转径和转动惯量和实时扰动模型。在上述模型的基础上，针对目前已在使用的七电机控制系统，改进现有PLC程序，设计整个系统的控制程序；同时，利用PLC与变频器的RS485通信接口，开发出PLC与变频器自由口通信协议，克服由于使用扩展通信模块而带来的系统响应速度慢的缺点，以求达到更加快速、稳定的张力控制效果。2 印刷机控制系统的总体方案设计2.1 七电机张力控制系统凹印机控制系统主要是由PLC与七台变频器（分别控制两台放卷、两台收卷电机以及主电机、入料牵引、出料牵引电机各一台）组成的，简称为七电机控制方式。在控制工程中使用了PC机或者高端的PLC作为上位机，以一台或多台PLC作为下位机，每台下位机通过可编程扩展模块与若干台智能设备(包括变频器)进行通信，从而实现分布式控制，可以实现复杂的控制功能。目前处于领先地位的控制系统使用单台PLC，通过数字量输出控制七个变频器的启动及停止，通过模拟量输出扩展模块EM232调整变频器的运转速度指令。这样大大节省了PLC通信网络的成本，但是PLC的I/O点数是有限制的，使用扩展模块控制变频器影响了整机的功能扩展并且由于模块的A/D转换影响系统的运行速度。2.2 PLC控制变频调速系统随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的快速发展，交流变频技术已经广泛应用到工业生产中。利用变频器对交流电动机进行调速控制的张力系统，可以实现大范围内高效连续调速控制，容易实现放卷、收卷方向的正反转切换，在不停机换轴时减少由于张力波动产生的废料等。在进行调速控制时，可以通过控制变频器的输出频率使电动机工作在转差率较小的范围，电动机的调速范围较宽，并可以达到提高运行效率的目的。由PLC和变频器及其电机组成的印刷机控制系统，通过控制驱动印刷版筒的主电机以及放卷、入料牵引、出料牵引、收卷各个电机的线速度同步来达到张力稳定，具有响应快速的特点，并且可以提供良好的设定功能，以满足各种材料的工艺特性。2.3 系统组成方案整机控制采用西门子S7200系列PLC、三菱变频器F700，以及浮动辊上的旋转电位器组成的闭环控制系统。浮动辊上的电位器检测当前浮动辊位置，亦即张力状况，以模拟电压信号反馈给PLC；PLC根据任务要求及自身程序，计算出相应输出，通过自由图1 张力系统示意图口通信读取变频器工作状态，并向变频器发出指令，保证各个电机工作在同步状态，使张力保持稳定。张力系统示意图如图1所示，整机张力实际上分为四段张力：放卷、入料至印刷、印刷至出料、收卷。PLC是整个系统的核心部分。系统中主要执行元件的动作均由PLC的输出点控制，PLC根据设计要求，时刻调整输出指令。变频器的工作原理如图2所示，将动力电源经过三相全波整流、直流平滑以后，通过PWM(脉宽调制)方式对逆变电路得半导体开关元件进行开闭，并通过调整输出脉冲的宽度，将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源，来实现对异步电动机的调速控制。整流电路直流中间电路逆变电路控制电路交流电频率或电压可调的交流电图2 变频器的结构框图系统通电以后，PLC即开始扫描各个输入点的状态，以及检查通信口是否可用。当连接至PLC的开关量输入端的“启动”、“加速”等按钮依次动作以后，PLC根据用户编写的程序，向变频器发送指令。在PLC发送的数据包中，速度指令对应着变频器的模拟量速度指令输入，变频器正是根据这个指令来调整PWM控制电路的输出。当工作环境发生变化(如材料松紧程度、机器运行速度、收放卷的直径大小等)，张力随即改变，浮动辊的位置也发生变化，浮辊电位器反馈给PLC的电压随之改变，PLC的PID控制器将调整输出指令，变频器也就控制电机做出相应的加减速动作，以恢复张力的平稳。3 张力控制分析3.1 凹印机各个部分的工作过程3.1.1 放卷部分放卷部分主要由放卷回转架组成。放卷回转架简化示意图如图3所示，它由可以在垂直平面自由转动的两个装料轴组成。放卷部分有自己的传动机构，通过调整放卷电机输出频率，可以使放卷的料膜达到期望的速度。图3 回转架示意图放卷部分的一大特点是可以自动测量新料卷的直径，并在高速印刷过程中进行料卷的不停机自动切换，大大地促进了生产的连续性，提高了生产效率。但料卷在高速自动切换时必然会引起张力的波动，而且由质量和转动惯量都更大的新卷切换小质量和小惯量的旧卷，在控制量的切换上会形成困难，因此它对张力控制系统提出了更高的要求。具体的自动放卷和自动接料的过程如下：(1)正常供料，新料卷贴上双面胶带，旧料卷快要放完时，让回转架反向转动。(2)定位，当回转架碰上一个固定的光电开关时停止转动，此时回转架转过一个角度，限位开关动作，开关信号送到PLC的数字量输入点。(3)新料卷加速到同步，PLC程序根据人机界面上设定的新料卷直径，以及当前机组的线速度给定，对新料卷进行加速，加速到与旧料卷同步。(4)接料压辊压下，将旧料膜压在贴着双面胶的新料卷上，新旧料卷同以相近的速度转动，当设定新料卷转动时间到达后，切刀伸出进行切料，加在旧料卷上的控制量也同时被切换的新料卷上。3.1.2 牵引部分牵引部分分为放卷牵引和收卷牵引，料膜以一定的速度平稳的导入印刷机组；也叫做引入和引出。放卷牵引主要是把收卷牵引则将料膜以一定的速度平稳地导出到收卷装置。牵引部分有自己的传动机构，能在一定的程度上协调系统的张力，使各个环节的张力保持相对恒定。此外，牵引环节还可以缓冲收放卷环节振动时对印刷部分产生的冲击。除此之外，浮动辊、导向辊等也有牵引料膜的作用。3.1.3 印刷部分印刷滚筒采用压印滚筒，结构如图4所示。图4 印刷部分示意图压印滚筒通常不需要驱动装置，而是由印版滚筒与之接触产生的摩擦力带动产生旋转。压印滚筒对印版滚筒施加的压力较大，两者不会发生相对滑动。因此对压印滚筒的直径没有具体的要求，但对滚筒的正圆度和圆柱度有较高的要求。墨斗提供印刷时所用的油墨，刮刀用于刮去空白部分的油墨，只剩下图文部分的油墨。3.1.4 收卷部分收卷部