一款复合模切机控制系统的开发设计

　　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

　　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。

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