PCC和伺服驱动器在凹印机无轴传动控制系统中的应用

PCC和伺服驱动器在凹印机无轴传动控制系统中的应用 

何培苏

系统构成

集成型无轴传动控制系统的技术方案,立足于简化机械结构和提高控制性能。

型号不同的机组式凹版印刷机的色组单元个数是不同的，下面以一台10色组单元凹版印刷机的控制系统为例，来说明凹印机无轴传动控制系统的构成。

如图1所示，该系统以B&R X20系列PCC为核心（CPU选用CP1486)，与上位操作监控站（选用PP320触摸屏作为HMI）、10套B&R ACOPOS multi伺服驱动系统和10套色标识别系统一起构成基于Ethernet POWERLINK总线星形网络的无轴凹印机控制系统。

在该网络中， PCC的CPU (CP1486) 模块是中央处理单元，除PCC与操作监控站的通信采用以太网(TCP/IP) 以外，PCC的CPU与各伺服驱动器之间通过Ethernet POWERLINK总线和HUB实现数据通信，各伺服驱动器之间的数据通信也基于Ethernet POWERLINK。   

在该Ethernet POWERLINK通信网络中，CPU (CP1486)接口的站点号为00（管理节点MN），各伺服控制器的站号依次为01到10（控制节点CN）。

               图1  机组式凹版印刷机无轴传动控制系统简化原理图

主要控制装置和子系统

操作监控站（HMI）

上位操作监控站是操作人员与系统交换信息的唯一渠道，它实现系统参数读写、系统状态监控、故障提示和配方管理等功能。

选用了一款15英寸嵌入式高档人机界面（B&R Power Panel 300 BIOS触摸屏），集成有Ethernet等通信接口，不仅具备人机界面通常所有的功能，同时还可以在其中装入通用操作系统，如Windows XP、Windows CE等，因而可支持目前多种主流的图形组态软件，客户可以根据自己的具体条件选择合适的组态软件。

X20系列PCC

其CPU是一款高性能的处理器，具备附加的I/O处理器和浮点处理器FPU，系统单步指令周期最快可达到0.01us，任务循环周期可短至200us。X20 CPU支持多种通信协议，RS232、Ethernet、Ethernet POWERLINK和USB等通信接口已经成为X20 PCC的标准配置。X20系列的控制器也使用B&R的Automation Studio™集成软件平台。

印刷版辊伺服驱动及控制系统

B&R全数字伺服驱动器ACOPOSmulti及伺服电机构成了版辊伺服驱动系统，是该无轴凹印机传动控制系统的基础。

ACOPOSmuti是B&R的新一代伺服驱动器，采用共用直流母线集中供电模式和背板式紧凑安装结构。其高效的散热结构、集中供电单元和独特的双轴驱动单元等技术有利于缩小多轴应用的安装空间，共用直流母线技术有利于多轴驱动的负载均衡，加之可逆整流技术更有利于稳定直流母线的电压，并适应更宽范围的交流供电电压，提高系统的功率因数，还能将多余的发电制动能量直接回馈给电网，节能效果明显。加上Ethernet POWERLINK高速实时工业以太网技术和系统安全技术，完美地解决了集中或分布式多轴应用的高速实时同步和安全运行问题。

把对每一个电机回路的控制称为对一个“轴”的控制。每个“轴”独立驱动，其控制模式是一致的，控制框架也基本相同。由PCC实现具体的工艺控制和数据处理。然后通过Ethernet POWRELINK总线和HUB口将数据传送到各台用于驱动印刷版辊的伺服电机的伺服驱动器ACOPOSmulti中，伺服驱动器则根据要求对数据进行必要的分析处理，控制相应的伺服电机驱动各自的印刷版辊以实现同步控制。伺服电机的实测速度（位置）由其内置编码器反馈给伺服驱动器的编码器信号分析卡，再由该编码器卡将该信号反馈给伺服驱动器，并由伺服驱动器对其控制参数进行必要的修正，形成内闭环控制。

系统的速度跟踪当前的印刷速度，各个轴反映在相应的印刷版辊的线速度是相同的，确保了系统传动的同步性。

套色时，通过光电眼将实际的套印误差及时反映给伺服驱动器，伺服驱动器对该误差信号快速处理并反馈给PCC，PCC则根据各个印刷单元的实际运转情况统一处理，调整印刷版辊的相位，从而实现套色。

色标识别及处理系统

包括色标识别传感器及信号处理系统，色标信号经传感器识别及处理系统的初步处理后，输入到ACOPOSmuti系统再进行处理运算。PCC的CPU模块对识别的信号做高级别的算法处理后再传输给ACOPOSmuti伺服系统进行控制。

Ethernet POWERLINK总线技术

Ethernet POWERLINK是贝加莱公司的一种完全建立在工业以太网硬件的基础上，而不依赖于其它特定硬件环境，并仅采用软件协议来实现的具有高实时性和确定性的安全工业以太网技术。POWERLINK不仅支持PCC、分布式I/O以及运动控制系统数据的循环通信，同时也支持实时网络节点间的非同步通信。Ethernet POWERLINK采用以太网IEEE802.3u传输协议，数据传输速率为100Mbps，每个网络最大站点（CN）数为240个。POWERLINK网络中有周期性的和非周期性的两种数据通信形式。

采用SCNM (Slot Communication Network Management，时槽通信网络管理) 技术解决了传统的以太网CSMA/CD通信方式为解决数据冲突而引发的数据交换的不确定性问题。

SCNM规定POWERLINK网络中由管理器节点（MN）统一分配时槽给各控制器站点（CN），并依次轮询。MN以点对点的方式向CN发出访问请求PollRequest，CN以广播的方式向所有站点发出响应信息PollResponse。  

Ethernet POWERLINK能满足凹版印刷对数据响应速度很高的要求。

POWERLINK作为通信总线是透明的，不需要编写任何的驱动程序或通信程序，这些都是集成在系统中的，只要在项目中添加相应的通信接口，并做相应的Ethernet POWERLINK通信属性的设置（如循环周期的设置），其通信功能即可在系统中使用。

各色组单元需要解决同步运行问题，Ethernet POWERLINK总线为各轴电子齿轮的同步提供了实时、可靠而安全的数据通道。

单个印刷单元的伺服控制

每个单元配置一台B&R的ACOPOSmulti伺服驱动器（内插AC114总线通信卡、AC120ENDAT编码器卡、AC132色标分析卡和AC130 I/O控制卡）、一台内置ENDAT编码器、机械式制动器和温度传感器的交流同步伺服电机以及电源开关、能耗制动电阻、操作和信号电器等。

ACOPOSmulti伺服驱动器除引入三相AC380V电源作为控制电源外，还接入DC24V共用直流电源作为逆变电源。ENDAT编码器的速度（位置）信号输入至伺服驱动器的AC120ENDAT编码器卡；色标信号经色标识别传感器及其处理系统的初步处理，输入到伺服驱动器的AC132色标分析卡再进行运算处理；单个印刷单元控制系统设有单动-联动选择、粗调-细调选择、单独运行操作和对版操作以及相关运行指示灯，有关输入/输出控制信号均接至插入伺服驱动器的AC130 I/O控制卡。

该伺服驱动器通过Ethernet POWERLINK总线网络接受X20 PCC的 CPU的运动控制指令并向其传送由编码器反馈的位置数据和其它运行数据，伺服驱动器与伺服电机则通过ENDAT编码器的反馈信号构成内闭环调节系统，精确地执行控制指令所规定的运动轨迹。

Automation Studio™集成软件平台及应用软件开发

该系统使用B&R的Automation Studio集成一体化软件平台，该软件平台支持B&R的全系列控制产品，包括HMI、PCC、X20 I/O和伺服控制系统的应用软件开发。

Automation Studio™ 的系统配置工具支持应用于Ethernet POWERLINK和X2X Link系统的远程I/O模块及其的I/O分配；控制数据、配置参数和类似的参考数据均可在应用软件中读取，并存贮于各类存贮设备上。

Automation Studio™ 的编程支持几乎所有的标准语言，包括Automation Basic、 ANSI-C等高级语言，以及符合IEC61131-3标准的梯形图（LAD）、指令表（IL）、结构化文本（ST）、顺序功能图（SFC）和数据模块编辑器以及数据类型编辑器。

无论是简单的逻辑和数学运算，还是通讯协议的编程和复杂的控制算法，都可作为标准的功能块集成在Automation Studio™中，此外还可创建和管理自定义的功能块。

使用Automation Studio™ 软件可实现在线语言切换、报警管理、配方管理、触摸屏和功能键操作等功能。

应用软件开发策略

在系统硬件配置完成后，根据工艺要求在Automation Studio™软件平台下主要使用ANSI-C语言进行主干应用程序的开发，以实现控制目标。该控制系统在编程中共分为三个循环任务层来编写：

在第一个循环层内，共完成以下六个任务：与伺服控制系统的通信、过程控制、印刷单元控制、套色系统控制、张力控制和张力I/O的处理；

在第二个循环层内，主要完成站点控制；

在第三个循环层内，主要完成人机界面的组态和编制。

对于以上三个循环层内的任务，PCC是按其分时多任务管理的模式来进行处理的。

无轴凹版印刷是集版辊传动和套色控制于一体的印刷方式，能更好地适应当今印刷行业复杂生产工艺的要求。无轴凹版印刷机为烟包、装饰纸印刷、瓦楞纸印刷、塑膜印刷等行业的广大客户提供了品质优良的新型技术装备，使其在印刷合格率、印刷精度、机器性能、操作人性化和节约成本等方面都得到了显著提高，并实现了安全和环保生产。