摘 要：復合模切機電氣控制系統就是根據卡紙/瓦楞紙共機生產的結構特點和工藝要求，重新設計了傳統模切機控制系統的平臺和程序架構，除滿足機器的功能需求和操作便利性外，還從設計角度提高了機器的安全性、可維護性和電氣易裝配性，并預留了將來連接自動物流系統的功能架構和擴展性。

　　關鍵詞：復合膜切機;自動主副臺交替;變頻器閉環矢量運行控制和調節;電氣控制系統

　　0 引言

　　復合模切機是針對客戶和市場需求而研發的新一代模切機，主要針對國外歐美市場，安全方面要按照CE標準來設計和審查。該機型同時也是使用三菱最新iQ-F平臺的FX5 系列PLC來做控制系統設計的首臺模切機產品，除了實現復合模切機的控制功能外，還要在軟件和程序結構上做出改變，使其能夠僅用一個程序版本來實現整個系列機器的全部功能。

　　同時復合模切機與以往的傳統模切機相比，增加了以前沒有的自動主副臺交替和切換功能，預留了未來連接自動物流系統的接口和功能擴展。為了保證卡紙和瓦楞紙的收紙效果，改變傳統機械凸輪控制的收紙毛刷軸，將其級為可以根據紙張類型和厚薄來自動調節運行的伺服驅動毛刷軸。模切機是復雜的機電設備，伺服配置方案將直接影響成本、開發周期和整體性能[1]。

　　1 復合模切機

　　作為印后包裝領域主要設備的傳統模切機，根據應用的紙張類型獨立分為卡紙模切機和瓦楞紙模切機2種，而復合模切機是根據卡紙、瓦楞紙(送紙、模切工藝)的差異，通過設計新的送紙機構和調整模切、清廢、收紙的結構，以此來實現卡紙、瓦楞紙的共機運行。送紙機構采用卡紙模切機的上吸式飛達結構，不過根據卡紙和瓦楞紙共線的需求，增加了飛達頭上下高度調節和紙頭高度檢測傳感器。根據瓦楞紙容易翹曲的特點，通過傳感器自動偵測紙頭在送紙翻板處的高度以及飛達頭到紙尾踩腳的距離，通過動態跟蹤調整來適應。

　　由于瓦楞紙的厚度原因，送紙紙垛的更替相比卡紙會更頻繁，因此通過增加紙垛自動側向修正和居中及紙堆主副臺自動交換功能，以此來提高效率并降低操作人員的勞動強度。對于紙張的雙張檢測，應用了適應卡紙的超聲波檢測方式和針對瓦楞紙的機械厚度差異檢測方式。通過以上措施，使卡紙和瓦楞紙都可以在復合模切機上進行高速生產，一機兩用，提高了印刷包裝廠的設備利用率。

　　2 主副臺提升伺服驅動替代方案

　　復合模切機送紙功能的主要部件——飛達副臺，在自動運行模式下，由主臺剩余紙堆轉移到副臺或副臺剩余紙堆轉移到主臺的交換過程中，主臺或副臺同時也在執行提升送紙任務，整個轉移過程需要在主副臺相對高度位置一致時執行，并在執行過程中保持這樣的恒定位置，傳統的方式是針對主副臺的升降采用伺服電機的控制方案，但伺服系統和配套的減速器、制動器等成本比較昂貴，在仔細分析了主副臺提升應用的特點后，認為不采用伺服方案，而是采用特殊配置組合的三相異步交流電機+減速器+剎車的方案，一樣可以實現類似伺服的性能和要求。具體方案為采用獨立風扇設計的帶軸端編碼器反饋的三相異步電機+剎車，電機繞組按照額定50 Hz，400V-Y型/230 V-△的設計，變頻器對應電機的額定參數輸入為頻率50×=87 Hz，電壓=400 V，電流=電機在△接法下的額定電流值，電機軸端安裝了編碼器，通過電機軸的轉動脈沖來測量速度和升降位移，以此來進行閉環控制，保證了速度精度和穩定性并具有較高的動態響應，改善了電機低速時的轉矩特性。電機進行參數自整定，使其可以運行在閉環矢量模式下，電機的最高輸出頻率設定在100 Hz，對應最高的主副臺升降速度，并應用提升模式通過變頻器來控制剎車的投入和釋放，為了合理利用電機的調速范圍，避免三相異步電機的頻繁啟停，設計上根據送紙的紙張厚度，系統會控制主副臺提升變頻器，根據機器的當前運行速度+紙張厚度，自動調節電機以連續的無級變速方式運行，使單位時間的主副臺提升位移與紙張的消耗高度一致，以此來避免電機的頻繁啟停和剎車切換，成功替代了傳統的伺服方案。

　　3 電氣控制系統設計

　　3.1 電氣控制回路

　　控制系統的性能好壞直接影響著整個機器的性能[2]。電氣控制回路設計從3個方面進行了改進。1)PLC使用新一代的三菱FX5系列PLC， 系統資源豐富，運行速度快，具有以太網接口，擴展應用方便，軟件保密性好，產品壽命周期長。2) 觸摸屏使用最新工藝的隱藏式安裝方式，顯示界面內容和顯示方式采用圖標化界面，取消文本方式，避免在不同國家和區域銷售時頻繁進行語言修改和調整。3) 設計方面更多的考慮到電氣接線和裝配的成本，采取了以下4個具體的改進措施。①盡量減少不必要的外置按鈕和開關，把僅需要進行設置不需要頻繁操作的按鈕和選擇開關，從外圍的操作面板移到機器的HMI上， 從而減少該部分的零件并完全取消接線，還可以減少故障率。②盡量取消不必要的面板按鈕指示燈，更多地利用機器的主信號燈和聲音報警器，這樣可以減少大量的外圍接線工作量。③盡量減少電纜和線束的中間過渡和連接，如果有需要時，盡量采用連接器轉接方式，減少轉接分線盒的使用量，對所有的傳感器使用帶接頭的連接器方式，不使用焊接電纜加長的方法，這樣可以使未來的裝配和維修更換更方便。④電氣柜使用成品的電箱而不是像以往那樣使用鈑金件加工，保證密封和防塵效果。冷卻時使用專門的電柜冷卻風機和符合要求的過濾網，內裝溫度可以通過調節控制器來控制。冷卻風機在電箱溫度達到一定閾值后，才能進行冷卻散熱，冬天和溫度不高的情況下是不工作的，這樣既保證了風扇壽命，又避免了過濾網的灰塵過量累積，有更高要求的可以選裝制冷空調。裝配好的成品電箱滿足IP55等級的密封要求。

　　3.2 控制軟件與程序

　　機器的控制軟件基于模塊化的方案，按照功能分類進行設計，一個軟件版本涵蓋了加高、非加高、配射紙器、加長伺服、前緣送紙、吸咀送紙、上吸式飛達、Elite和標準版等眾多機型變化。首先，基于機器功能和控制要求，把程序要實現的任務分解為不同的功能塊，按照功能塊的定義來編寫和實現對應的程序功能，目的是以后每臺機器的控制功能都是由一些細分的不同功能塊組成的，不同的機器可以共用相同的程序功能塊而不需要重復開發，每種新機型將來只要開發新增或差異化的功能部分即可，而且可以容易實現多個電氣工程師的并行開發。其次，初始化的參數設置放在初始程序內執行，僅在上電的第一次掃描周期前執行一次，后續不再執行， 提高程序效率。再次，機器的基本功能部分按照模塊化的設計原則，放入掃描類執行程序內，并根據功能分開配置為不同的程序塊，方便進行調試和修改、維護和未來的機器設計開發。最后，對于機器的差異化配置和Option功能，放入事件或待機類程序內，并通過在HMI的制造商保護密碼菜單內進行機器的結構配置后，可以進行選擇性激活或關閉。如果關閉，則不會被程序周期掃描和執行。

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