基于PLC与变频器的印刷机控制系统的软件设计说明

1、 . . . 基于PLC与变频器的印刷机控制系统的软件设计摘 要本课题是基于PLC与变频器的印刷机控制系统的软件设计，是以西门子S7-200可编程序控制器为核心，配以人机界面（采用触摸屏）、三菱矢量变频器与ABB电机，以与浮动辊上的旋转电位器组成闭环控制系统，触摸屏上编写监控以与参数设定画面，通过RS232/RS485电缆与PLC进行通信，完成各种调整和控制任务。进而实现凹版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力控制。本课题概述了变频器与PLC的工作原理和性能，分析了凹版印刷机的力控制工作过程，并且编写了PLC与变频器自由口通信协议，得出新型的控制方案。在大批量塑料薄膜或纸制

2、品印刷，如食品和药品包装、塑料购物袋、家用电器包装等等行业，凹印产品的地位仍然无法替代。关键词印刷机；变频器；可编程序控制器；自由口通信；力控制Software Design of Printing Machine Control System Based on PLC and InverterElectrical Engineering and Automation LUO Jing-jingAbstract: This subject is based on PLC and inverter control system software design printing, Siemens

3、S7-200 PLC for the core, with screen man-machine interface (use) and mitsubishi inverter and ABB motor vector, and floating roller is composed of rotating potentiometer closed-loop control system, and touch screen control parameter setting and written, through RS232/RS485 communication cable and PLC

4、 control and adjustment, various tasks. And gravure printing in daily food packaging, it occupies an important position in the product quality depends on the tension control.This topic outlines the inverter and the work principle and properties of PLC, analyzed the gravure printing, tension control

5、work Process, and write a PLC and inverter, free port communication protocols of the new control plan. In large plastic film or paper products, such as printing, food and drug packaging, plastic shopping bags, household electrical appliances product packaging industry and so on, the position is stil

6、l not gravure alternative.Key words:Printing Press； Inverter； Programmable Logic Controller；Free Port Communication；Tension Control7 / 271 引言1.1 凹版印刷机的工艺原理随着人们物质文化生活水平的提高和消费观念的改变，国包装市场近十年来每年以20以上的速度增长，其中包装印刷市场的增长更快，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

7、，给凹版印刷技术带来更为广阔的发展前景。在软包装的印刷上，凹版印刷可以说是最好的印刷方式，因为对于作为软包装材料的薄膜(OPP、PET、NY等)、纸、铝箔和其它多种材料，都能采用凹版印刷方式，并且能得到适合于层压法等后加工的特性。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，常常是一个环节力发生波动，对其他环节的力也会造成影响；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。基于以上三种原因，凹版印刷机控制起来非常复杂，在很长的时间，凹版印刷机力控制系统一直依靠和日本进口。本文就是在以往

8、工作的基础上继续完善凹版印刷力控制系统的数学模型，进一步选择适合此类对象的控制方法。本课题的主要工作如下：以交流变频驱动的凹版印刷机与其力控制系统为研究对象，通过实验和几何关系重新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。凹版印刷具有以下优点：(1)印墨层厚实，图文色彩鲜艳，层次丰富，清晰度高。(2)用无接缝印版，可用于需要连续图案制品(如墙纸)的印刷。(3)印版使用的寿命长，并且具有高速适应性。(4)凹版油墨的适应性广，可用于多种承印物的印刷。因此，在大批量塑料薄膜或纸制品印刷，如食品和药品包装、塑料购物袋、家用电器包装等等行业，凹印产品的地位仍然无法替代。1.2

9、 课题的研究容该印刷机控制系统采用了变频器力控制系统。这种控制方式的特点是：运行可靠、机械磨损小、控制精度高。采用PLC与变频器自由口通信来实现该印刷机控制系统，得到一种新型的控制方案。对于本课题的基于PLC与变频器的印刷机控制系统的软件设计，可采用以S7-200为核心，配合人机界面（采用触摸屏）、三菱矢量变频器与ABB电机，以与浮动辊上的旋转电位器组成闭环控制系统，触摸屏上编写监控以与参数设定画面，通过RS232/RS485电缆与PLC进行通信，完成各种调整和控制任务。此外，根据课题需求，构建相应的硬件系统，同时编写对应的软件。完成软、硬件的设计与仿真、调试。主要完成以下容：（1）理解变频器

10、与PLC的工作原理和性能；（2）推导出浮辊检测系统模型、变频器交流异步电动机传动模型，完善收放料装置的动力学模型、力模型、收料力控制模型；（3）在数学模型的基础上，开发出系统控制应用程序。首先采用PID控制器算法为控制策略，来验证模型的合理性，进而总结凹版印刷机的控制特点；（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。本课题需要重点研究的、关键的问题是PLC的设计，S7-200系列PLC是整个系统的核心。在触摸屏上设定的工作参数，是通RS232/RS485电缆写至PLC的相应寄存器；当机器运行，速度发生变化以与收放卷材料的直径发生变化时。PLC中相应的寄存器数据也写入到触摸屏中

11、，由触摸屏显示出来。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。S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测与控制的自动化。其出色之处表现在以下几个方面：（1）极高的可靠性；（2）极丰富的指令集；（3）易于掌握，便捷的操作；（4）丰富的置集成功能，实时特性；（5）强劲的通讯能力，丰富的扩展模块。2 印刷机控制系统设计方案2.1 系统组成方案由图1可以看出，整机力实际上分为四段力：放卷、入料至印刷、印刷至出料、收卷。图1 力系统示意图整机控制采用西门子S7200系列PLC、HITECH人机界面(触摸屏)、三菱矢量变频器与ABB电机，以与浮

12、动辊上的旋转电位器组成的闭环控制系统。触摸屏上编写了监控以与参数设定画面，通过RS232/RS485电缆与PLC进行通信，可以轻松地完成各种调整和控制的任务；浮动辊上的电位器检测当前浮动辊位置，亦即力状况，以OlOV电压模拟信号反馈给PLC；PLC根据任务要求与自身程序，计算出相应输出。在PLC的扫描周期，通过自由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下，使力保持稳定。2.2 PLC控制变频器的调速系统2.2.1 变频器的工作原理变频器的工作原理是将商用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

13、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。其工作原理框图如图2所示。整流电路直流中间电路逆变电路 控制电路交流电交流电图2变频器工作原理框图2.2.2 PLC控制变频器的原理系统通电以后，PLC即开始扫描各个输入点的状态，以与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目P根据用户编写的程序，向变频器发送指令。拥有不同通信站号的变频器端检测到通信数据缓冲区的数据发生变化后，在有效等待时间检验站地址以与CRC校验码是否正确，如正确则开始响应，并将响应结果送回给PLC：否则发回响

14、应故障信号。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)，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作出相应的加减速动作，以恢复力的平稳。3 力控制分析3.1 凹版印刷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5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

15、放卷的料膜达到期望的速度。图5放卷回转架简化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

16、，PLC程序根据人机界面上设定的新料卷直径，以与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力，使各个环节的力保持相对恒定。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

17、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6所示。图6印刷部分示意图3.1.4收卷部分收卷部分与放卷部分大致一样，它们的不同点在于：(1)收卷部分没有也不需要转径自动测量的功能，因为它的新卷直径就是空轴的直径，预先可知，不用测量。(2)收卷部分需要力的锥度控制，即力大小随着收卷料卷直径的增大而有规律地减少。对于柔性材料，特别是对力敏感的薄性材料，应该采用锥度力控制。若采用恒力控制，将导致层料膜的力矩远小于外层料膜的力矩，甚至某些部位出现负值而处于松弛状态，该部分料膜产生褶皱等不良现象，严重影响产品的质量。3.1.5附属装置凹版印刷机的附属装置主要

18、包括导向辊，浮辊(亦称浮辊)和一些检测机构。浮辊是最重要的附属机构，如图7所示。图7浮辊系统示意图由于本印刷系统没有配备直接的力检测机构和线速度实时检测机构，使得浮辊在力控制系统中承担着相当重要的作用。在放卷、放卷牵引、收卷牵引、收卷四个重要的环节上都配备了浮辊，浮辊通过活塞与低摩擦气缸相连，根据料膜印刷所需要的力要求，在印刷前手工对气缸进行力设定，该力值为印刷力的设定值。一旦气缸的力被设定，就不会被改变(收卷要进行锥度力控制除外)。印刷过程中所需要的工作力通过气缸进行设定，该设定值被反映到浮辊上，力控制系统根据浮辊检测出来的偏差进行速度补偿，通过控制各个传动环节的电机转速，使得整个生产线上的

19、料膜线速度保持一致，以此实现料膜恒力控制。4 PLC与变频器自由口的通信4.1 S7-200的通信方式S7-200系列PLC的通信口分3种工作方式：PPI(Point to Point Interface)方式，Freepon(自由口)方式和PROFIBUsDP方式。其中PPI方式主要用于CPU与编程计算机的通信；PROFIBUS-DP用于西门子扩展通信模块EM277与其它支持此协议的智能设备通信。自由口通信模式可以实现用户定义的通信协议，连接多种智能设备。本课题为了充分利用CPU226的RS一485通信口，以与省去传统七电机控制方案中的EM232模拟量输出模块，使用自由口通信方式连接PLC与

20、变频器。4.2 自由口通信方式由于三菱变频器规定了通信协议，S7-200必须遵守该协议才能与之通信。因此在这种情况下，就可以使用S7200的自由端口模式与相关指令按照三菱变频器的通信协议设计程序与之通信。在自由端口模式下，使用发送指令XMT和接受指令RCV，可以发送和接收数据。使用发送指令XMT将启动自由端口模式下数据缓冲区(TBL)的数据发送。通过指定的通信端口(PORT)发送存储在数据缓冲区中的数据。使用接收指令RCV可以接收一个或多个字符，通过指定的通信端口(PORT)存储在数据缓冲区(TBL)中。4.3 三菱变频器专用协议在自由口模式下，PLC与变频器通信遵循三菱变频器专用协议。首先，

21、按照变频器通讯规格对变频器参数进行设置。其次通信采用以下步骤：1向变频器发送要求数据；2经变频器等待时间后；3从变频器向PLC发送返回数据；4等待变频器处理事件后；5进行再处理。PLC对变频器进行运行状态监控、运行频率设置、启动、停止等操作。4.4 PLC与变频器的自由口通信PLC S7-200与三菱变频器通信采用RS485接口的串行方式。S7-200侧为九针接口，三菱变频器为RS485端子，采用二线式连接，电缆接线如图15所示。图15 PLC与变频器的连接4.4.1 CRC原理与计算方法CRC检验采用多项式编码方法。被处理的数据块可以看作是一个n阶的二进制多项式，即an-1xn-1+ an-

22、2xn-2+ a1x1+a0。如一个8位二进制数10110101可以表示为：1x7+ 0x6+1x5+1x4+0x3+1x2+0x+1。多项式乘除法运算过程与普通代数多项式的乘除法一样。多项式的加减法运算以2为模，加减时不进位，和逻辑异或运算一致。采用CRC校验时，发送方和接收方用同一个生成多项式g(x)，并且g(x)的首位和最后一位的系数必须为1。CRC的处理方法是：发送方以g(x)去除t(x)，得到余数作为CRC校验码。校验时，以计算的校正结果是否为0为依据，判断数据帧是否出错。CRC校验码可以100地检测出所有奇数个随机错误和长度小于等于k(k为g(x)的阶数)的突发错误。所以CRC的生

23、成多项式的阶数越高，那么误判的概率就越小。采用16位CRC校验，可以保证在1014 bit码元中只含有一位未被检测出的错误。计算CRC的流程如图16所示。图16 计算CRC的流程图5 PID控制器的原理和实现5.1 PID控制器的原理自动控制理论已经提供了PID控制的经验公式：M(t)=Kpe(t)+ (1/TI)0t e(t)dt+TDd e(t)/dt+ Minitial （5-1）Kp是PID回路的增益，TI和TD分别分别是积分时间常数和微分时间常数，这三项都可以在触摸屏上修改；Minitial是回路输出的初始值。其原理框图如图8所示。图8模拟量闭环控制系统方框图由于数字计算机不能对微分

24、和积分进行精确计算，因此必须将连续函数离散化，对偏差周期采样后，计算输出值。其原理框图如9所示。图9计算机闭环控制系统方框图图9中的sp(n)、pvCn)、e(n)、M(n)均为第n次采样时的数字量，pv(t)、re(t)、c(t)为模拟量。假设采样周期为T，系统开始运行的时刻为t=0，用矩形积分来近似精确积分，用差分近似精确微分。将式（5-1）离散化，第n次采样时控制器的输出为：Mn= Kpen+KIei+Minitial+KD(en-en-1) （5-2）式中，Kp、KI 、KD毛分别是PlD回路的增益、积分项的系数和微分项的系数， KI=KPTSTI ,KD= KPTDTS。有了上述公式

25、之后，就需要根据实验来整定PID控制器参数。5.2 印刷机控制系统5.2.1 PLC的I/O口的分配根据印刷机控制系统的工作原理，I/O口分配如表1所示。表1 PLC的I/O口分配输入输出I0.0光电发射器Q0.0空转I0.1预备Q0.1运行I0.2运转Q0.2放卷AI0.3加速Q0.3放卷BI0.4减速Q0.4收卷AI0.5压辊离/合Q0.5收卷BI0.6停止Q0.6放卷正翻转I0.7放翻转启停Q0.7放卷反翻转I1.0光电接收器Q1.0放摆臂I1.1放翻转限位Q1.1放胶辊I1.2放换轴/接料Q1.2放切刀I1.3收翻转启停Q1.3收卷正翻转I1.4收翻转限位Q1.4收卷反翻转I1.5收换

26、轴/接料Q1.5收摆臂I1.6变频器故障Q1.6收胶辊/切刀Q1.7电铃5.2.2 PLC硬件接线图根据生产需要，配置了PLC的各个I/O与外围元件，图10即为PLC的硬件接线图，图中左侧为输入信号元件，包括按钮、限位开关等；右侧为输出执行元件，包括中间继电器、指示灯、电磁阀、交流接触器等。图10 PLC的硬件接线图5.2.3 主程序流程图如图11所示为主程序流程图。图11 主程序流程图5.2.4 系统人机界面本课题中的凹版印刷机控制系统是用HITECH人机界面编程软件ADP 3.0编写的，为使用者提供了良好的人机接口界面，通过程序窗体上放置的控件与用户进行交流，使得用户自己可以控制程序的流程

27、，主要表现在以下几个方面：（1）凹版印刷机生产过程中需要的一些工艺参数凹印机控制系统的其中一个工艺参数设定画面如图11所示。主要有当前线速度显示、当前放卷周长(显示和设定)、当前收卷周长显示、放卷新卷周长设定、速度设定、放卷工作轴和收卷工作轴设定、浮辊状态显示等等。其它画面中工作参数如印刷版筒数量、版筒周长、材料厚度等等，不再详细列出。这些参数在机器运行前都要设定完毕。其中浮辊状态显示表可以实时显示各个浮辊的位置，反应当前力波动状况。图11 工艺参数设定画面（2）PID控制器的参数设定凹印机控制系统PID参数(以速度环PID为例)设定画面如图12所示。根据凹印机的结构，把整个生产线分为四个部分

28、，来控制各部分的力。共有控制放摹于PLC和变频器的印刷机控制系统卷电机、入料牵引电机、出料牵引电机和收卷电机的四个P|D控制器。其中的D数值若设为0，则成为PI控制器。图12 PID参数设定画面人机界面的各个画面可以与PLC的后台程序交换信息，当人机界面上控件的参数值被修改后，相应的PLC存储器地址中的数值也被刷新。图13是PID控制器的程序框图。图13 PID控制器的程序框图5.2.5 件过程分析由于实际的凹印机正常运行需要，在程序执行过程中，用户需要完成一些必要的操作。主要有如下操作，都是通过按压机器上的按钮、开关来进行：(a)整机启动按“预备”按钮，等报警铃声结束以后，依次按“空转”、“

29、运转”按钮，各段浮辊力控制投入，机器处于零速力运行状态。按“压辊离合”按钮，各个印刷单元的压印胶辊压下。按“加速”按钮，再按一次“运转”按钮，机器按照人机界面上设定的“加速时间”自动加速。如果加速过程中没有人工干预，机器的线速度最终将达到人机界面上设定的“速度设定”值；在加速过程中，按“减基于PLC和变频器的印刷机控制系统速”按钮，机器将停止加速，并维持在当前线速度上运行。按“停止”按钮，机器按人机界面上设定的“停止时间”停止。按“急停”按钮，机器按变频器的设定减速方式停止。(b)放卷自动裁切正常自动接料裁切动作，只有在主机启动状态下有效。图14为放卷部分换料过程示意图。当前放卷料卷上的材料即

30、将放完时，手动按回转架上的“翻转启动停止”按钮，回转架自动翻转，到达图13的初始位置时由于限位开关的作用自动停止。按“预驱动”按钮，回转架再次翻转，同时切刀摆臂落下。当新卷料卷的外周把切刀摆臂上的光电开关挡住以后，翻转停止，同时新卷放卷轴开始旋转。当新卷料卷旋转的线速度达到机器运行线速度后，按“换轴接料”按钮，旧卷料膜在切刀压辊的作用下压到粘有粘胶带的新卷上，经过一定延时后切刀摆臂上的切刀气缸动作，切刀切下，把旧卷料膜切断，旧卷放卷轴停止旋转，新卷正式投入工作(如果新卷预驱动速度不够，则按“换轴接料”按钮无效)，两个放卷轴的工作指示灯的工作也完成转换。在按下“预驱动”按钮之后、新卷尚未把光电丌

31、关挡住之前，按“换轴接料”按钮，可以取消预驱动，切刀摆臂抬起。这个功能可以用在避免因某些准备工作没做好而需要临时取消接料裁切动作的场合。图14自动裁切示意图收卷自动裁切动作类似于放卷自动裁切动作。6 系统调试与结果分析6.1 系统的调试凹版印刷机主要运行阶段主要包括初始力建立、加减速、印刷、切换料过程。由于凹版印刷机一般可以印510色，即有510个印刷单元，这样整个生产线很长，料膜也很长，于是比较难控制。在实际应用中，通常可以分为四段来进行分别控制，包括放卷和入料牵引之间、入料牵引和主电机之间、主电机和出料牵引之间、出料牵引和收卷之间四段。在放卷、放料牵引、收料牵引、收卷每个环节附近各有一个浮

32、辊，哪个浮辊出现偏差，说明这一段力偏离设定值，进而调整相应的电机速度，使力达到设定值，这样分段进行控制，从而使整个生产线达到恒力。在初始上电时，产生较大的冲击力，浮辊达到垂直位置后，有一个正向摆动，然后在位置调节器的作用下，力逐渐减小，浮辊又逐渐回到垂直位置，这时力系统稳定在给定力上；在开始加速时浮辊出现一个较大的摆幅，随着位置调节器的不断调节，浮辊又回到垂直位置，当达到给定速度后，由于对象的惯性，浮辊又会出现较大摆动，这时生产线的线速度已经稳定，所以在位置调节器的作用下，浮辊逐渐回到垂直位置。通过观察印刷机附带的自动套色电脑(当力变化时，套印色标发生跑偏，被套色电脑记录下来)监控画面，可以发现浮辊的波动趋势和力的变化趋势非常的类似，当浮辊处于垂直位置时，力达到给定值，浮辊的变化和力的变化第5章PID控制器的原理和实现一致，因此，可以用浮辊系统来间接的反映力的变化，力控制系统实际上是阃接的控制系统，是位置控制系统。通过实验可以证明，上述方法整定出的PID参数，控制性能比较好，超调小、稳定时间快、过渡过程时间短。因此可以作为印刷机力控制系统的PID控制器。6.2 系统的结果运行分析该系统设计时，PLC是核心。在触摸屏上设定的工作参数通过RS232/RS485电缆写至PLC的相应寄存器中，当机器运行，速度发生变化以与收放卷材料的直径发生