（机械工程专业论文）多色平张纸胶印机电气控制系统的设计.pdf

摘要 本课题针对目前国产胶印机电气控制系统酱遍存在的“自动化孤岛”的问题， 以北入印届i 机械股份有限责任公司生产的b e i 融掰3 0 0 对开多色胶印杭为对象， 对胶印机电气控制系统进行整体的分析和设计，并提出完整的解决方案。 本文作者按照不同的方法，将繁复的控制系统翊分为网络亿控制系统，和多 个子系统，简化了系统结构，可以方便地实现模块化设计；使用工业通用现场总 线，可以方便迫实现控制系统豹模块纯；使用绩构亿编程方式，可以方便地实现 控制程序的结构化、标准化和可移植性；使用运行可靠、价格低廉的通讯控制方 式，有效遗降低控毒4 系统成本：控饿系统要求符合胶印机行业的安全认证 g s ，因此，在系统设计中加以特殊处理。 文中提出的模块仡、标准化设计愚想，为众业应对激烈的市场竞争，对于产 品设计，特别是电器控制系统的设计提供了良好的方法和平台。 目前，采用模块化、标准纯电气控铡系统豹多色乎张纸胶印枫，符合印刷要 求，满足g s 安全认证，并成功地参加了2 0 0 4 年在德国举行的世界印刷大会。 关键词印刷机；自动化孤岛；工业现场总线 a b s t r a c t a i m i n ga tt l l eu 1 1 i v e r s a lp r o b l e mo f a u t o m 砒i o ni s o l a t e di s l a n d ”i n 也ee l e c t r i c a l s ”t e mo fh o m e r n a d eo 凰e tp r e s e 毗a n dt 出n gb e i 砒粼3 0 0f o l i of o u r - c o 王o r s h e e t f e dp r e s sa sa ne x a m p l e ，m i sp a p e ra i l a l y z e da 1 1 dd e s i g n e d 廿l ew h o l ee l e c 廿i c a l s y s 悖m ，a r i dp mf o r w a r d 吐l es o l 订n gp l a n a c c o r d i n gt od i 抒色r e mm e m o d s ，t h 王sp a p e rd i v i d e dt h ec o m p l e xc o n t r o ls y g t e m i m oi n t e m e t c o n t r o ls y s t e ma i l dm a n ys u bs y s t e m s ，w h i c hs i m p l i i e d 啪e 姐l c 锨r ea n d m a d et 1 1 em o d u l ed e s i g nt 0r e a l i z e ；u s i n g 廿l e 蛐呲c t l l f a lp r o 掣徽i n gm o d ec a ne a s i l y r e a c ht h ep r o 铲a m sp e r f b n n a i l c eo f s 拄l 】c m r c 、s t a n d 蜀帕a n dp o r t a b i h t y ；a n du s 证g 也e s t e a d ya n dc h e a pc o m m u n i c a t i o nm e t l l o dc a ne 舒c i e n t l ys a v em ec o n 仃o lc o s t ；t h e c o “t r o ls y s t c ms h o u l dc o m p l y 、v i 也t h es a f e t ya u t h e n t i c a t i o no f 也eo 船e tp r e s s ，i e ， g s s oi ti ss p e c i a l l yp r o c e s s e di nt l l i ss y s t e m t h ei d e ao fm o d u l ed e s i g na i l ds t a n 出l r dd e s i g np r e s e n t e di nm i sp a p e rp r o v i d e s 也ep e r f e c ti n e t l l o da n dp l a t f o m lf o rm ep r o d u c t ，e s p e c i a l l yf o rt l l ee l e c m c a lc o m r 0 1 s ot h ee m e f p r i s e sc a nf 缸e 也em a f k e tc o m p e t i t i o n n o wt h eb e i r e nm u l t i c o l o ro 侬e tp r e s s 、i t l lt h em o d l l l ed e s i 辨a n ds t a n d 捌 d e s i g ni ne l e c 砸c a ls y s t e mc o m p l i e s 谢也m ep r i n t m gr e q u i r e m e n t sa n d 黼壬i l l s 也eg s s a f e t ya u m e n t i c a t i o n ，a 蔓l da l s os u c c e s s f u l l yt o o kp a r ti nd r u p a 2 0 0 4i ng e r n l a n y k e y w o r do 如e tp r e s s ：a u t o m a t i o ni s o l a t e di s l a n d ；i n d u s t r yf i e l db u s i i 独创性声明 本人声鹗舞黧交瓣论文燕我个人在导耀搓导下遴抒的研究工作及取得的研 究成柒。尽我所知，涂了文中特剐翱珏菰注帮致谢兹蟪方舞，论文孛不包含其它 入已经发液或撰写过鹣研究藏暴，也不毽食为获褥耜索工娩大学或其它教育辊掏 的学位或证书而健精过的材料。与我同工俸的同志对本研究所徽的 壬俺贯献玛 融在论文中佟了明确的说明并表示了谢意。 躲弛 关子论文使用授权的说职 丑期：丝堕：竖：哆 本天完全了鳞l g 裘工妲大学鸯关像霉，健用学位论文的规定，郢：学校鸾投 绦留送交圣套文赘复印传，允许论文被套阗或锩溪；学拨可以公毒谂文豹全部或部 分蠹容，可鞋采翔影瘁、缀簿或英玄复蒂l 手敬傈存论文。 ( 保密的论文在解密后斑遵守诧规定) 签名 第1 章绪论 当前世界普遍存在这样的经济现象：在经济发达的国家和地区，在信息产业 中占重要地位的印刷及图像传播产业( t h ep r i n t i n g g r a d h i cc o m m u n i c a t i 。n i n d u s t r y ) 已成为国民经济的支柱产业，经济越发达，印刷及图像传播产业的地 位越重要，因此，印刷及图像传播工业的发展普遍受到世界各国的重视和政策支 持。印刷及图像传播业不仅包括印刷业，还涵盖了出版、包装、造纸、油墨、设 备制造、中小图像设计中心以及政府、企业、银行、商业等部门内部的印刷企业： 印刷及图像传播业不仅是由印刷者组成，而且也包含了与此相关的其他众多领域 的员工：可以说：在当今社会里，印刷及图像传播己渗透到人们生活的方方面面， 己经成为各国国民经济和人们日常生活的重要组成部分。 作为印刷及图像传播设备制造商印刷机制造业，其产业发展需要满足市 场的高精度、高速度、高自动化程度以及尽可能短的印刷准备时问等要求。 1 1 我国印刷工业的现状 科学技术的进步推动着印刷工业的飞速发展。光学、精密机械、传感技术等 先进科学技术被综合应用到印刷领域，实现了印刷设备的光、机、电一体化。在 信息社会的今天随着计算机、通信、网络、和磁光记录技术在印刷领域的广泛 应用，促进了印刷工业的迅猛发展，标志着印刷术的第三次技术革命的到来。 我国目前印刷业一般印刷能力过剩，高档精美彩色印刷能力不足，落后装备 多、高质量、高效率的先进装备少，必须用高新技术及先进装备武装印刷业，进 行产品结构调整。我国的印刷机械不论从质量还是速度与国外有较大差距。以 北人集团公司为例，它是我国最大的印刷机生产基地。近2 0 年来，先后与企业 和科研院所合作，努力创新，独立自主地开发新产品，同时引进国际先进技术和 管理，建立合资企业，使印刷机品种增加，质量提高，产量增加，不同程度的满 足了国内需求，还有部分产品出口；该厂不断完善信息网络，组织专家进行市场 调查，积极预测，认真论证，制定了两个市场( 国内，国际) 五个面向( 书刊、包 装、装潢、报刊、票证和办公印刷) 的经营战略，先后投资1 亿多元，开发了3 5 种新产品，出口产品发展到1 3 种，开发的产品全部达到国际七十年代末八十年 种新产品，出口产品发展到1 3 种，开发的产品全部达到国际七十年代末八十年 北京工业大学王程硕士学位论文 代初的水平。北人的胶印机在多色，多品种，系列化方面有了突破性进展，连续 七年崮鞠，逅镑耘船坡、印度、美嚣、波兰等1 5 个国家和地区。 虽然我园的印刷机械制造业取得了一定的成绩，但仍远远满足不了印刷市场 发展的需要，与匡终先进水平鞠e b 在总体上还鸯相当大弱差距。主要表现为产品 技术水平低、品种规则不全、可靠性较麓、自动化程度低等。因此大力发展我国 自忍的印刷工业，提高印刷机靠l 造业的求平，特荆是解决控制系统鑫动化纛度 毳 是电气控制系统设计工作面临的重大问题。 1 2 国际印刷设备的先进技术 国际先进印刷设备制造厂巍，在稳定印刷的前提下，不叛创薪，尽可能降低 印刷辅助时间和提高印刷成品率。先后发明了直接制版印刷技术、无水胶印技术、 特别是数字印剧技术，对传统的胶印设备构成了巨大威胁。 所谓数字印刷是使用数字信息代替了传统的模拟信息，直接将数字图像信息 转移到承印物上；数字印刷又分为在机成像印刷( c t p r e s s d i ) 和可变数据印 刷( v a r i a b i ei m a g ed i g i t a lp r e s s e s ) 。在杌成像印刷将制版的过程直接拿到 印刷枫上完成，省略了中闻步骤( 拼版、出片、晒版、装版) ，从计算枫到印刷 机摄一个直接的过程，由于省去了中间步骤，也就减少了在信息传递的过程不必 要的损失，较传统的印刷模式，更能够准确地完成图像农文字的复皋l ，在操作过 程中无需更换印版，盥无需校版，从而大大加快了更换印刷作业的速度，摁高了 工作效率；农短版印刷中优势尤为瞻鼹。可变数据印刷是指在印刷过程不阆凝的 前提下，可以连续印刷出不间的印品图文；数字印刷系统的喷墨形式则可分为： 按蔫( 辣冲) 喷墨和连续喷墨两种，按爨喷墨又称为脉冲喷墨，楚将计箕规中的 图文信息转化为脉冲信号，通过使用脉冲电信号来控制喷墨头的开合，最具代表 性的技术是压毫陶瓷技术；藤连续喷墨则是其藏喷出的墨流式连续不断的，在压 力作用下通过细小的喷嘴，在高速下分散成细小的墨滴，每个墨滴都充以静电荷， 通_ i 雯改变电场的有或无来实现在承印物上的印辱。 相对新型印刷设备而言，传统胶印机具备良好的网点还原能力以及丰富的层 次再璜性，印刷成本夔罄印刷数量的增加，露大幅减少的优势；毽同时也存在印 刷准备时间长，不具备印刷产晶的柔性等缺点。应该说，胶印设备的发展与印前 技术豹发展及印刷赢场不断璜长的高品质印刷黯需求密不可分。 2 第1 章绪论 为了威对新型印刷设备的发展，传统胶印设备生产商们提出了新的印刷理 念：c i p 3 ，即印刷一体化，就是将印刷相关的设备，包括印前设备，印霹4 设备， 印后设备通过网络逸接起来，印前设备提取印刷品的各种数据，控制网络按需将 攘关数据传送到相应设备，这样，霹捌设备和露居设备搬据数据来实现控制，减 少了在整个生产过程中的人为因素干扰，同时，使用自动上版技术、墨色自动调 整、自动套准积自动清洗胶皮、版农蕊印等技零，可以最大限度遮藏少了印剥准 备时间，最大限度地提高成品率。也就是说，一个印刷成品在所有印前、印刷和 印盾处理环节的数攫滤，不鬻要人为予预，相应数据通过网络发送到指应设备， 设备根据数据，通过自身的控制系统，完成本身的工作。该理念提出印刷任务的 概念，镬得在传统e 利设冬胶印桃上，部分实现了印剩柔性；同辩胶e 设备 还保留了自身的技术优势和成本优势。 1 3 传统胶印机控制系统 作为典型的机械设备胶印机砥言，电气控制系统随着控制技术的发展， 由最初简单的继电器控制，发展到相对复杂的计算机控制，进而发展到现代的网 络控尊i ；对于最初的继电器控制和计算机控制，由于当时胶印机控制只需要控制 胶印过程，没有网络拓展和生产灵活性的需求，同时，当时的控制技术也无法实 现的，这就产生了所谓“自动化孤岛”效应。 现代印刷技术的发展，使得控制系统固有的“自动化孤岛”效应，在网络 拓展能力和生产灵潦性方面，严重制约了印刷技术的发展；随着现代控制技术、 通讯技术、计算机技术以及磁光记录技术的发展，特别是网络控制技术的发展， 解决“自动化孤岛”问题有了实现的可鼹。 综合国际国内胶印机控制系统，目前，欧洲和日本等主要生产厂商以计算机 控制，直流传动、计算机动态显示为主，以交流传动为辅，这种控制方式对系统 设计人员要求，特别是对电气控制成本的要求很高，所以一般是用在国外的设备 羧利中：弱内主要生产厂商则主要采用可编程控制器p l e 、触摸孱和交滤变 频调速为主，这种控制方式具有对系统设计人员要求相对低，电气控制成本较前 一种控制方式为低。就控制效果焉言，在控袁孤立枫械设备时，鼹者并无区别： 但是，就系统扩展能力而言，由于计算机控制技术的发展使得计算机控制在网络 掇展能力上有着得天独厚的优势，雨作为以可编程控制器终为控制核心的羼内厂 北京工业大学工程硕士学位论文 家，则很大稷度上受制于自动化设备生产商的技术进步，只有等待设备生产商提 供受为先遴、成熟携控制设备时，才能实瑗控制系统的遴步，国辩，虫予熬体系 统成本的要求，也使得不可能使用最新的控制技术。 由予现代胶窜设备浆速度越来越快，控翎精度越来越嵩，实澍控裁秘寒精度 控制应用的非常普遍；因此，控制系统的选择，是控制功能、网络拓展能否实现 的关键因素。医毖，控制技术豹选择，所要解决豹翊题是：在控带4 成本允许豹条 件下，消除“自动化孤岛”效应，来满足印刷设备发展所需要的网络拓展要求； 同对兼顾系统安全要求和生产灵活毪的要求。 现代工业控制技术，特别是工业控制总线，由于地域的不同、研究方向的不 闷，以及苣身技术继承性豹不同，使得控制慈线耱谈畜很多秸；习蔚，工监控制 领域在全球范围内，还没有出现一统天下的工业控制总线。从众多工业控制总线 孛选择适合现代窜刷设冬的透潺总线系统，需要从控靠l 系统成本、系统安装的便 捷性、数据通讯速率、工业安念要求、总线拓展能力以及通讯协议的支持厂家等 多个方面来选择。 1 。4 碘究对象简介和课题的现实意义 本文以北人印刷机械股份有限公司参加d r u p a2 0 0 4 展览会的主力产品 b e 珏强n3 0 0 对开四便胶印极作为磅究对象，对胶印机的电气控制系统进行创新 设计。 本课题磋宠斡目的就是以原北人印刷机械股份有限公司对开四色胶印搬 b e i r e n3 0 0 作为控制对象，将原有的集中控制方式改进为分散式衡能控制方式， 整个设备的传动部分控制采用稳定的工业通讯控青i 。由予使用了工、韭控制总线、 传动的通讯控制，特别是选用了与目前流行的数据库s q ls e n ，e r2 0 0 0 无缝 兼容豹工韭遵用缝态软 牛，使得该系统其冬了嶷好的网络拓展能力，和控制系统 的粱性，同时，兼顾北人印刷机械股份有限责任公司生产模式单机组试车的 要求：对于不同的枫组配置，必需要增加或减少从站个数，增鸯裁减少主站控制 程序，以及改变主传动等少量的工作就可以实现，而不是象原有的集中控制方式， 需要藿新设计系统。 整个控制系统可划分为：主站、控制监控系统( 二类主站) 、主传动从站、 机缀从站、上光橇组从站、烘千设冬从蛄以及狡纸从站，各从站负责本单元的传 4 动控制，控制主站负责控制各个从站与控制j | 蠡控系统的数据交换，控制监控系统 负责整个系统的显承、控制功能选择以及与数据库的网络拓展通谖。 本课题现实意义在于：提供全新的印刷设备控制理念，在保证控制性能得以 实现的前提条件下，采用逶翔工业控制元件( 减少电气元传的采购周期帮维护成 本) ，为印刷设备中的主要设备胶印机设计新的电气控制系统。 1 5 课题研究方法 本课题以原北人印刷机械股份有限公司对开四色胶印机b e i 雕烈3 0 0 作为控 制对象，来设计全新的电气控制系统。 整个系统设计包括：系统分析，系统选择、系统设计和实旋镰三个设计阶段。 系统分析就是综合分析原控制系统存在问题，控制过程的难点和重点，并结 合公司对设备控制系统的具体要求，提出整个控制系统设计的系统方案。 在众多不同品牌的电气擦制设备中，选择适合胶印机控制要求的电气系统是 系统选择阶段面临的大问题；在系统选择的过程中，需要考虑系统成本，系统安 装的便捷性、工业安全要求、总线拓展能力以及通讯协议的支持厂家等多个方面； 眭 予设计要求，还要在众多的工业通讯总线中选择适合胶印机高速、高精度、高 稳定控制要求的现场总线。 由于设备需要到欧洲参展，因此，控制系统的安全性对于整个设备顺利参展 是至关重要的；在系统设计过程中，需要充分考虑欧洲安全标准，以便于安全认 证的顺利通过；由予系统广泛采用工业通讯技术，虽然其抗干扰能力较酱通通讯 要强，但在系统实施阶段，也需要采取良好的抗干扰措施。 1 。6 本文研究内容 第一章：绪论。简单介绍了国际最新印刷技术，国内印刷设铸普遍存在的问 越和现状；简单说睽了系统分析、系统选择和系统设计等主要设计工作中所面临 的问题；对控制对象做了简要地说明。 第二章：系统分析和方案设计。客观分析了国内印刷设备制造商，在控制系 统设计方面，存在的不适应现代印刷投术发展豹问题，提出全新的通用化、标准 化、系统化的设计理念，从根本上解决不适舍现代印刷要求和现代化生产的设计 问题。 北京工业大学工程硕士学位论文 第三章：系统选择。选择适合控制对象特殊要求的电气系统，适合控制对象 工传环境的工业控制总线是整个系统设计成败的关键。 第四章：控制系统的建立。在系统稳定可靠的基础上，合理控制系统成本， 解决系统安装豹馒捷牲、控制软件豹模块纯等方蘧考虑。 第五章：电气控制系统所取得的成果。控制系统提供了通用的、简便的工业 以太网通讯绥暖，积遥用的数据库接露，为系统按震提供了良始的设诗基溅；充 分的模块化、通用化设计，为企业的现代化生产方式提供了良好的技术平台。 1 7 本章小结 本章简要贪绍了本研究课题的开发背景、国际印刷设备的先进技术、传统胶 印机控制所遇到的技术瓶颈以及突破技术瓶颈的解决方法、本课题的研究方法和 开发意义。 6 第2 章系统分析和方絮设计 第2 章系统分析和方案设计 目前，在世界印刷领域中，尽管印刷方式多种多样，但胶印技术以其良好的 网点还原能力和丰富的层次莠职能力，依然是实现高箍质印刷熬最有效印尉方 式。作为当前主要的印刷设备胶印机，其控制系统需要在满足印刷工芑要求 的基础上，还要充分考虑系绕旌工和维护的便剽惶，设冬操作的蛊接性以及人梳 界颟设计的友好性。 2 。1传统胶印枧控制系统 对于典型的机电设备胶印机面言，电气控制系统需要宪成下列控制任 务：机器主传动的调速控制、辅助传动调速控制( 给纸升降和调憨、印制机组水 辊电机和墨辊电机的跟踪调速、收纸升降、制动辊跟踪调速以及风扇跟踪调速) 、 印刷过程控制、印刷参数调整以及机械安全人身安全保护等。 下面对控制任务作一一说明。 2 1 1 胶印机主传动调速控制 胶印设蛋的主传动是据熬令设备的驱动装鬣。胶印机蠡身驰机械结毒句以下特 点：广泛使用机械凸轮装置( 在整个运行周期中负载转矩变化较大) ；自身机械 嫫性较大，在出现意岁 猿况层孪，为保护枫城安全帮人身安全，要求快速镩车；由 于印刷要求其调速范围大：在低速时，速度要求4 转分，机器最大运行速度2 5 0 转分( 羁懿，国际先进枫型最大速度达到3 3 0 转分) ；为了保证印刷晶的成品窭， 还要求驱动装置的远行速度稳定性高( 运行速度偏差不大于l ) 等。这就要 求驱动装置具备：启动转矩大，调速藏围广( 调速范嚣在l ：1 2 0 以上) ，镄动力 矩大等特性。因此，驱动装鬣是整个胶印机控制的一个技术难点。 随着驱动技术豹发展，胶印据驱动装置也有了长是的进步。同时由于墟域、 技术发展以及技术继承性等方面原因，不同生产厂家采用不同的驱动装黉：目前 欧洲厂意主要使用宜流调速传动技术：嚣亚洲惫括我国的生产厂商剩主癸使用交 流变频调速技术。直流调速技术有其固有的技术优势，但也存在熬个传动装置价 格赫爨，嚣常维护要求高等缺点。 以我公司为例，最初的主传动采用滑差调速技术：烹要存在耗能大，传动精 度低，稳定性差等缺点；随着现代交频调速技术的进步，以及技零人员的不獬努 北索工业大学王程硕士学位论文 力，星前，我公司全郝采用变频调速作为主传动的驱动装鼹。交频调这具有节能， 驱动装置价格相对低，日常维护简便等优势。为了保证蜜现胶印机的技术要求， 需要采用特殊的变频器控制方式：带传感器( 速度编码嚣) 矢量控制，直渡注入 制动和机械制动相结合的制动控制方式。 2 。2 辅助驱动的调速控制 这里所说的辅助驱动是相对于主传动而言的，胶印机除了主传动以外，还包 含给纸枫秀簿程调整控制、印弱机缓水辊电机和疆辊电机的跟踪调速控制、收纸 升降控制、制动辊跟踪调速控制以及风扇跟踪调速等。 2 1 2 1 给纸机升降和调整控制 顾名思义，给纸机是整个胶印机生产效率的保证。给纸机辅助驱动控制包括 给纸堆的升降控制，给纸枫分离头自动调整控制，给纸堆平移控制。 给纸堆升降控制是指给纸机在更抉纸堆时的升降控制，和正常走纸时自动上 升控制。在更换纸堆时，为保诞机械安全和人身安全，升降电机需要双速运行： 即在距地面1 2 0 m m 时，只能陧速手动下降；在达到正常离度时，只能反馈式自 动上升。在正常走纸时，则需娶使用节拍式的自动上升( 其节拍可以根据印刷纸 张厚度的不同进行修正) ，目前较为先进的控制方式是连续自动上舞。 由于印刷纸张规格的多样性，使得给纸机分离头需要经常调整；给纸机分离 头一般需要横向和纵向的调整。目前，国内生产的给纸机主要采用手动调熬，其 调整精度和速度成为影响印刷准备时间的重要因素。为了减少准备时间，国外设 备采用自动调整控制：在给纸机横向和纵向轴，安装电机，在纸张规格变化时， 只需输入纸张数据，控制系统自动完成调整作业。 由于印刷纸张的变化和印刷要求，纸堆需要在纵向实现一定范围的移动。垦 前，国内设备主要以手动平移为主：而围外先进设备则主要使用电机来实现实时 的囱动平移。 2 1 2 2 印刷机组水辊电机和墨辊电机的跟踪调速控制 胶印是在e p 版上通过照撑技本，将获要窭】剥豹霪文信息，篾造为亲墨斥永区 和索水斥墨区，适量的印刷油墨和适量的润版液附着在印版上，通过胶皮转印在 纸张上。赝以，胶印机墨量和水量豹控制，是e p 捌稳定可纛的保诞。胶印瓿靛出 墨堂在墨系统辊间压力一定的情况下，通过墨色遥控系统( c p c ) 、出墨辊的转 8 第2 章系统分析和方案殴计 逮以及摆墨辊的摆动频率来控制；出水量( 润版液) 则在水系统辊间压力一定的 愤况下，主要通过出水辊转速来控制。由于胶印枫印刷速度范围较广( 印刷速度 3 0 0 0 张，j 、时到1 5 0 0 0 张，j 、时) ，同时，由于辊间是摩擦传动，必然产生热胀冷 缩效应，造成墨和水在辊闯淤积，因琏：，墨量和水量与印刷速度之间不是线性关 系。同时，印刷设备要求：在机器增速和任意稳定印刷速度下，都要保诞印刷品 驰质量；印刷机组水辊电机和墨辊电机的跟踪主传动的调速控制，成为印刷成败 的关键。 研究表明：由于影响墨爨和水量的因素缀多，所以，其跟踪主传动控制蓝线 是一个不规则的多次函数曲线，众所周知，这样的函数曲线，在计算机控制实现 时，编程璺庞大，数据运算复杂，不能满足实时控制的要求。逯过长期蛉实验和 摸索，一般采用数学近似方法，将复杂的曲线近似为多段简单的赢线，通过多段 纛线来拟合，能够满足控制要求，同时减少编程量，摇序算法也较为简单，容易 实现。同时，由于使用多段囊线来拟会，会给操作工在调整时，带来很多麻烦， 因此，胶印枧厂商普遍将适会不同印刷品的多袈控制裁线预置在控制系统中，操 作工只需按照印刷鼎的不同选择不同的控制曲线，就可以得到满意的印刷效果。 2 。 。2 。3 牧纸手 骚控制 收纸部分升降控制包括：收纸堆的手动升降控制和印刷时的自动下降控制。 出予对机械安全和人身安全豹保诞，在手动上升晴，距离制动辊1 2 锨姐时， 只能慢速手动上升；同样，手动下降时，当距离地面1 2 0 r i u n 时，只能慢速手动 下降。印刷辩豹童动下降控制，翔需要为节拍式皇动下降，由于翻藏纸张豹多样 性，同时为了保证收纸整齐( 便于下一道工序加工) ，需要自动下降量可以调节。 2 1 2 4 割动辊跟黥调速控制以及风扇跟踪调遽控制 由于印刷速度、印刷纸张的不同，要保证收纸整齐稳定，就需要考虑在高速 印刷时，纸张自身的惯性，这就需要收纸制动辊跟踪印利速度，印席0 速度越快， 纸张惯量越大，制动辊转速就越慢；考虑到纸张多样性，其跟踪控制曲线不是线 性的。同样，由予印刷速度的不同，纸张的不弼，压纸风扇的转速也不相同，其 跟踪控制曲线也不是线性的。 为了减少编程堂，简化程序算法，采用数学近似方法，将复杂的曲线近似为 多段简单的直线，通过多段赢线来拟合，能够满足控制要求。为了解决纸张多样 9 北京工业大学工程硕士学位论文 性带来的影响，在控制系统中预置多条特性曲线，便于操作，同时减少印刷准备 时澜。 2 1 3 印刷过程控制 胶印机的印届6 过程控制并不仅仅是简单的数字量输入输出控制，还包括角度 实时控制。由于印刷工艺的特殊要求，需要在特定角度下，实时宪成控制动作， 因此，对控毒l 系统豹实时响应有很高的要求。例如：蓠舰纸张检测，当出现纸张 歪斜、晚到绒早到故障时，如果不及时处理并发出故障信号，就会对印刷质量以 及机械设备造成重大损伤；在印刷速度1 5 0 张，j 、时的情况下，检测时间需要 在1 5 m s 内完成；众所周知，为了防止电信号的误动作，普遍采用信号延迟处理 方法，都只有当电信号脉宽崧l o m s 以上时，才认为有动作发生；网对，由于目 前胶印机普遍采用气动元件作为执行元件，其动作时间较长( 大约是5 m s ) 。因 此，只能嚣缩程痔执行时翔，采用特殊的( 例如：中断控制) 控制方式。器如： 印刷过程控制中的顺序合压和顺序离压控制，由于气动元件执行时间的延迟，为 了减少印刷废品率，需要撮摇印尉速度的不同，做出适当的角度补偿，就是说需 要给出跟踪速度变化的提前豢来实现顺序合压和顺序离聪控制；同样，印刷机组 的纛版墨辊和靠敝水辊得离合角度控制也需要角度补偿来实现实辩控制。为了降 低人为因素干扰减少印刷准备时间，胶印机普遍采用的半自动换版或全自动换 版，要求机器在低速运行时，停在特定的角度上等等。特殊的角度控帝9 ，对控制 系统的高速计数、直接输出提出了很高的要求。 2 1 4 印刷参数调整 印刷纸张的多样性，多色印刷工艺的要求，使褥印制参数调熬成为保证印刷 品质量和印刷机安全的重要环节。印刷参数调整包括胶皮滚筒和压印滚筒压力的 调熬郭印刷机组印舨辅岛调版葶匪周向调版调整。 胶皮滚筒和压印滚筒压力的调整，也就是调楚胶皮滚筒和压印滚筒之间的间 隙，篱称调聪控割，必须保证与印刷纸张的厚度朗一致，懿果间隙比纸张厚度大， 则出现无法完成印刷工作；若间隙币纸张厚度小，则会出现机器闷车，硌滚筒等 严重事故；一般要隶调压精度在o 。o l n 搬范围之内。为了减少印副准冬时闻， 多采用特殊电机( 直线电机) 来调整压力，当在人机界面上输入纸张规格时，电 橇螽动调整到合适的筮力。 l o 第2 章系统分析和方案设计 一个印刷品是由多个颜色套准在一起的，湖此印刷机组印版轴向和周向调整 是能否印刷如合格的印刷晶的关键，现在多使爝电机来完成印舨的轴惫调版秘周 向调版调整，其套准精度为o 0 1 m m ；为了减少印刷准备时间，采用先进的检测 手段，检测出各耪颜色套准的偏差值，再由控制系统皇动完成印版的轴向和周向 调整。 2 1 5 机械安全和入身安全保护 胶印机的印刷速度越来越快，当出现意外时，为了保障机械安全，特别是人 身安全，需要机器在不到一周的范围内，由最商转速降到静止状态。 为了保证人身安全，还装遵循操作区优先的安全控制理念。就是说，当操作 工在某个操作区域内搡作时，萁她操作区域不能对辊器进行运行搡佟。 综合以上所述，胶印机基本控制涵盖了调速控制、位置控制、复杂的数字量 羧制，模拟量控镧笛多个方箍。传统的控制系统可以满足当对印尉的要求。 由于当时控制技术的局限性，传统控制系统存在致命的缺点：由于自动化孤 岛的存在，系统不爨各扩展辘力，不2 适应现代印刷技术和印刷市场煞要求。 2 。2 现代胶印机控制系统 随着人们生活水平的不断提高，埘印刷品的要求也发生了变化：印刷品越来 越精美，印品数量也在减少。这就对印刷设备印刷精度鄹印刷灵活性提出了很高 要求。传统胶印机控制系统所存在的印刷精度相对低、印刷准备时间长等缺点不 能逶应现代印刷市场的要求。 现代料学技术的发展，特别是控制技术和网络技术的进步，使得传统胶印机 脊了解决不适应市场要求的技术条 牛。 目前，先进的胶印设备继承了原有的设备运行稳定可靠、印刷精度离、印刷 速度快、印删色彩还原好的特点，着力解决印删参数集中调整，提高印昂过程的 自动化水平，印刷过程中的色彩控制从传统的样张追色改进为自动墨量控制校 色；为应对市场需求，还宦t 造性地提出了新e b 蓐理念c i p 3 ，即印刷体讫， 就是将印刷相关的设备，包括印前设备，印刷设备，印后设备通过网络有机地连 接起来，印前设备提取印样的各耪数据，控制网络按需将握关数据传送到相应设 备，印刷设备和印后设备根据数据来实现控制，减少了在整个生产过程中的人为 因素干扰，同时，使用自动上版技术、墨色自动调整、自动套准和自动清淡胶皮、 北京工业大学置程硕士学位论文 版和压印等技术，可以最大殴度地减少了印刷准备时间，最大限度她提高成晶率。 也就是说，一个印刷成品在所有印前、印刷和印盾处理环节的数据流，不需要人 为于预，相应数据遂过霸终发送到枢敷设冬，设备根据数据，通过自身的控制系 统，完成本身的工作。印刷企业在工艺上通过c i p 3 的印前、印刷、印后网络传 输和控制，可是印数鼎质量搿至i 极大提高。 下面以四色胶印机为例，说明先进胶印设备的控制理念。 印删控丧l 供墨，澜版和套准设定 印刷机设置收纸和喷粉设定。自动清洗，翻转，前规和给纸机 图2 1 先进腔印设备控铡结构 f i g 2 - lt h ec o n 打o ls 鼬c t u r eo f 也el e a do 曩s e tp r i n t e r 多色胶印机的控制模式是：集中设景，分散控制，镏能模块化控制。 妇蚕2 一l 叛示：发铡的看样台上的触摸式爨形趸户赛面，所有操作元素采用 标准统一印刷符号、多语种语言提示和多语种的联机帮助手册，任何国家的操作 工不需培训靼可熬练操作。在闵户赛面上可以集中完成印刷终、韭数据、机器状态 显示、故障显示、连线求助、印刷尺寸预设、印刷速度设置、走纸命令、印刷功 能选择、供墨霉疆润版控制、套准设定啦及自动清洗设置。作业数据包括：作业数 量、名称和操作人员说明，便于印刷企业的管理；印刷尺寸预设包括印刷纸张的 长度、宽度和厚度，羯于给纸机分离头的垂动调整，吹气自动 髅速度设定、侧 规自动调整：印刷机组的印刷压力设定；收纸部分喷粉宽度和长度的设定；前规 调整：铡拉规位置豹露动调整；印届机组色动清洗、自动套准、滤版辩间以及供 墨设置；收纸部分喷粉设定、侧齐纸自动调整、制动辊和压纸风扇的设定等。触 摸式匿形用户乔蚕涨设定豹数据由控制系统鑫动完成调整帮设定，无震人工干 预。 这种集中控制的优势在予：印刷搡作更快受便捷、工艺可靠健曼大、谖整准 备时间更短、有效地减少了废张。 第2 章系统分析和方案设计 由于肴样台集中控制胶印机主要功能，使得系统功能扩展只需集成数据接口 即可。可以集成用于完成：质量控制、质量检测、印版图像、e p 翦、数据控制等 功能的接口。还集成了远程诊断系统，使用调制解调器岛生产商的技术部门联接， 快速查找帮处理故障，增加印刷机生产时闻。 集成了质量控制接口，胶印设备可以加装用于利用印刷质量控制条来确定印 刷晶质量标准的测爨装置质量控制装置，该装置利用分光光谱分析来改善过 去仅凭人眼获得的色彩，通过打样的参考数据与印张得比较，正确校正数据并自 动进行运算，然后枫器进行自我校正；集成了质量检测接口，就可以加装印刷质 量监测系统：用于对样张的检测数据记录，数据可以打印在印张的任何位置，这 中简单的测燕记录方法，使褥对每个印件都鸯一整套完整的有数据记录的样张， 作为印刷质量跟踪掇制的依据；集成的印版图像接口用于联接印版图像阅读器， 通过测量印版上的网点区域所占的百分比，来确定给墨景的装曼，可以慰e 】版给 墨区上亲墨区所占的百分率进行测量；印前接口则使用c i p 3 数据技术，它是从 印版制作时，就开始收集印刷所需要豹信患，特别是色彩以及定位的数据信患， 用于优化印刷设置：图像控制装置，通过色彩测量装置，来检测印品与样张的色 彩偏差，良动控制墨色遥控c p c ，调整个别墨区懿墨量，减少废品，提变生 产效率：还可以通过印前接口或存储介质与印前设备连接，自动获得墨区摄量的 分布数据，自动完成墨区设置，霹从传统的样张追色改进为叁动墨量控制校色。 集成的数据控制接口，自动联机数据调用，开放的接口联接，可以实现多台设备 的集中管理，提高熬个印刷众业的生产效率。 分散式控制，就是将胶印机划分为几个通用的控制单元，有独立的控制单元 对其进行控制。 智能模块化控制，是指控制单元具备编程和通讯功能的智能模块，可以很好 越减少控剖程序，又可鞋实瑗控暴翟黪和控制系统的模块化通掰佬设计。 以上控制检测设备由专业生产厂商提供，控制系统质需要提供接口就可以实 现设备的连接和使用。 2 3 全新胶印机控制系统解决方案 结合当今先进的胶印机控制系统，以及对传统胶印枫控制系统地分析，可以 得出这样的结论： 北京工业大学工程硕士学位论文 ( ) 印剩设置窝调整集中佬，这榉既可以减少印刷工的工圣乍强度，又为系统 功能扩展提供了可能。 ( 2 ) 分教控制：对于多色胶印机这萃孛大型机电设冬，其i o 点数量多大1 0 2 4 以上，如果采用集中控制，会造成控制程序过于复杂，对于设备调试和纠错产生 不必要的麻烦：程序瓣据接周期过长，不适合胶印规这样对实时控制要求j 瑟裹的 机电设备。 ( 3 ) 磐模块纯控制：在市场竞争激烈的今天，印尉设冬向蓑多色印刷发展， 传统的四色胶印机在菜些情况下，无法满足印刷需要：以往的系统设计仅仅考虑 单台设备( 如四色胶印枫) 的控制，露不去考虑更多色印刷的震求；如票市场需 要蹦色以上的胶印机，则控制系统需要震新设计，市场反应慢；智自模块化控制， 将胶e $ 规划分为几个遗愿的控售l 单元，如果市场需要菲常规机登融，控制系统只 需要很少的改动，就可以完成，提高了市场反应速度：由于智能模块化控制从控 铋结构上，将整个控制系统鸯橇造分为几个控毒攘块，相同控制对象豹控豢模块， 其控制程序和硬件设计施完全一样的，这就为实现控制程序的通用化和模块化、 控制模块硬件设计的逶用化弱模块提供了可能。 市场需求和企业现代化生产要求控制系统做到： ( 1 ) 符合聂薪国际安全标准豹印刷机：国际帮场，特别是欧洲赢场，对机器 安众性提出很高的要求，要求设备生产商必须认证欧洲安全标准g s 。 ( 2 ) 低成本，模块亿，电气缝装控削灵活：便于企业快速生产 标准设备， 以威对不断变化的市场需求，同时，为了适应企业现代化生产的需要，便于企业 生产方式的变革。 ( 3 ) 提高控制系统的实时性、可靠性、可扩充性、系统工作稳定可靠，用户 要求校据需要选装设备，霞北，系统鬟要在控制方面徽到尽可能的蕊单，系统可 靠性也是系统设计的重点，同时系统必须提供通用的接阴，既保诞系统配鬣的灵 活性，又可以潢足用户设备扩展的震求。 ( 4 ) 减少现场布线，降低施工劳动强度；减少了施工布线，从某种意义上讲， 龟就减少了系统数障发生的概率。 ( 5 ) 操作方便，安全可靠。 为了达到以上要求，显然，传统的控制方式无法满慧要求，因鼗，提出了全 新的控制系统解决方案基于通用工业控制总线的分散式智能控制系统。 1 4 ，。，。一，。，一，一。墼茎翼篓坌堡墼耋彗。一， 。，。， 设计方案框图如图2 2 所示： e l b e d 町e t 计 算 机 控 制 与 监 控 b 控 制 主 站 系 统 b 安全 电路 主 传 动 控 制 装 置 从 站 安全 | _ 一 电路 印 斜 机 组 控 制 从 站 b 安全 一 电路 特 殊 功 能 控 翩 从 站 b 安全 电路 收 纸 部 分 控 俸i 从 站 图2 2 设计方案的网络框图 f i g 2 21 h el o n w o r kf r a r n eo f t h ed e s i g np n o e c t 控制系统设计方案具有以下特点： ( 1 ) 整个控制系统采用工业通用通讯总线控制方式，各个监控站、揆制主站 以及控制从站之闻采用串行遂讯模式；工业通讯总线具备通讯速率毫恢、抗于挠 能力强、技术成熟、安全可靠的等技术特点。 ( 2 ) 控制主站是整个控制系统的核心，是类主站，它受责协调各接剁从站 的运行，并为监控站提供需蒙显示的数据，在监控站设鼹的参数，通过控制主站 发送至相应的控割从站。 ( 3 ) 监控站是整个系统的二类主站，负责控制系统的参数设最存储、印刷功 能选择，还用于机器状态显示，故障最示等控铡功能；黢控站显示的数据由控到 主站提供：监控站与系统中的控制从站无通讯联系。 ( 4 ) 监控站礞置功能扩展接口，便于设备功能的扩展，激适墩用户舶装设备， 提供了丰富的系统和功能选装设备，提高了设备销售的灵活性；还设置i n t e r n e t 接霹，用户可以透过电话线耱谪制解调器，缀方便地与技术部门联接，快速查找 和处理故障，减少设备停机时间。 ( 5 ) 各都分从站在控制主站协调下王作，并兵有单独控售l 零单元设备的能力， 即智能分散控制。 ( 6 ) 智能分教式控制从站的使用，使得控制系统的逶同性大大提鸯，如果企 业生产非标准产品，只需要简单的系统设置和改动( 例如：主传动、电源容量和 控制从站菇号 ，就可以实蠛；冠时，菠印机翼各多个榻弱的擎元( 例如：印刷 机组) ，由于实现了智能分散式控制，可以方便地实现单机组试车，减少设备调 试时润，提高企业生产效率。 北京工业大学工程硕士学位论文 ( 7 ) 欧洲安全标准_ g s ，要求熬个系统的运行按钮和安全装置( 例如：安 全开关) ，既要进耀绽控制单元的辕入点，还要使用带“强制节点”豹安全继毫 器作为运行控制回路的硬件保护，只有在软件稷序运算结果和硬件安全电路逻辑 楣一致，系统才能完成提应的运霉，霸越，在控利主站、各控制从站之间添加安 全电路，以符合欧洲安全标准的要求。 从上述控制系统所其备静特点霹跌看出，新的控制系统鼹决方案满足了枣场 对胶印设备的需求，符合企业对控制系统的设计要求；系统预留了通用通讯接口， 为实现印测一 搴化c i p 3 ，帮加装先进质量按制和检测设备提供了哥熊。 2 4 本章小结 本章首先介绍了胶窜机电气控制系统所涵箍的各个控制环节，结合翟际先进 胶印机控制系统的技术优势和技术特点，以及胶印机的特点和我公司的实际情 况，提出了全薪的胶印机控制系统解决方案。 1 6 第3 章控制系统的选择 上一章通过对胶印机控制系统的现代控制方式和传统控制方式的分析对比， 并结合现代印刷工艺技术的发展，提出了全新的系统设计解决方案。 在这里，着重解决控制系统和工业控制总线的选择问题。 同传统控制方式设计的控制系统相比，系统解决方寨在完成基本控制功能的 基础上，还具各自身的特点： ( 1 ) 系统使用工业通用控制现场总线。 ( 2 ) 预留标准接口，便于系统功能的拓展。 因此，控制系统选择从属工业控制现场总线选择，解决了总线问题，控制系 统也就迎刃而解了。 目前国际上现有各种总线及总线标准不下二百多种，如何在众多现场总线之 中做出选择，应当遵循： ( 1 ) 选择现场总线，应考虑现场总线的应用领域。因为目前为止尚役有出现 一种可包罗万象、适合所有应用领域的现场总线技术；廊着重考察这种总线在本 行业中的应用业绩。如制造业自动化、电力自动化及过程控制自动化三个领域， 在数据实时响应要求方面就大不一样。从设备控制来看，胶印机控制属于过程控 制自动化领域但其控制具有很多实时控制，因此，可以把胶印机控制系统看成 横跨制造业自动化和过程控制自动化两个控制领域。 ( 2 ) 现场总线产品的选择，应坚持选用国际知名度大、拥有用户多、产品应 用基础好的公司产品，园为这些公司的现场总线技术被国际标准采纳的可能性 大。即使没有被国际标准采纳。大公司为考虑信誉，会提出原有技术与国际标准 的接口，不会妨碍现场总线系统的接口和系统的升级。 3 1 工业通用控制总线的选择 3 1 1 现场总线( f i e l 曲u s ) 简介 工业通用控制总线是上世纪八十年代兴起的。h o n e y ，e l l 公司在1 9 8 3 年推 出的数字信号4 2 0 m a 输出的差分信号驱动器，它在输出的4 2 0 m a 直流信号 上迭加了数字信号，从而使现场装置与控制室控制装置之问的连接由模拟信号过 上迭加了数字信号，从而使现场装置与控制室控制装置之问的连接由模拟信号过 北京工业大学工程硕士学位论文 渡到了数字信号。 根据美圃代表学会( i s a ) s p 5 0 委员会定义，现场总线( f i e l d b u s ) 是在制造 过程领域( 现场) 的主要叁动倔装置郛生产，控制领域( 控制空) 的自动化设备 之间的一种审行的、数字的数据通信链路。它沟通了生产、过程领域的基本控制 设备( 即现场级设备) 之闻啦及与更高爨次叁动控刮领域