摘要：该文介绍了伺服控制和网络通讯技术在印刷包装设备上的应用。针对由贝加莱的PCC、ACOPOS伺服驱动器和Ethernet POWERlink实时工业以太网构建的电子轴控制系统，具体分析了该系统的设计思路和应用方案，着重描述了统一型电子轴控制系统的软硬件构成和工作原理，还对凹版印刷机的电子轴控制系统的分类和采用统一型无轴传动控制技术的凹版印刷机的技术特点进行了阐述。
关键词：凹版印刷机； 电子轴系统；伺服控制；网络通讯
中图分类号： 文献标识码：B
0 引言
“胶印、柔印、凹印”三足鼎立，三种方式各有所长，这是印刷技术发展到今天的必然局面。胶印以印刷精细网线见长，柔印由于水性油墨的环保优势在市场得到了很大的发展，而凹印以其印刷色差小，满版实地印刷、印品无接缝、印材适用面广、符合长版活印刷等优点而为人称道。面对这三种印刷方式的特点，只有扬长避短、兼容并蓄才是对待这一鼎立局面的正确态度。随着控制技术的发展，目前全球印刷企业用户和设备生产商都将目光聚集在了新兴控制技术——电子轴控制系统上。尤其是对于凹版印刷机，其优点更为突出。
所谓电子轴控制系统，就是对机组式凹版印刷机的各个印刷单元采用独立伺服驱动，所有印刷单元之间利用网络的快速响应性实时交换数据，在实现精确传递动力保证同步控制的同时，通过对各个印刷版辊相位的精细调节来满足图案的套准，形成虚拟电子主轴来取代传统机械主传动轴，同时简化机械传动结构和省略套色补偿机构的一种自动化伺服控制系统。
相对而言，传统的印刷机是依靠一根传统机械主轴向各个印刷单元传递动力，机械主轴和印刷单元之间通过蜗轮蜗杆连接起来的，而机械主轴的动力来源于由矢量控制变频器控制的三相异步电动机，整个系统和结构决定了其传动精度差，机械结构复杂。
而且，在印刷机的关键环节——印刷图文的套印控制上，传统的印刷机的几乎都是通过改变色间料长的方式实现的。而要实现料长的改变，必须通过控制专门设计的浮动辊补偿机构来完成。
目前，在我国印刷包装设备中，采用的伺服控制系统众多，诸如贝加莱、力士乐、西门子、施耐德、日本住友、日本安川等。而且很多设备制造商都在尝试利用他们的伺服控制系统来研发电子轴控制系统。电子轴控制系统在印刷机上的应用，已经成为这一行业的热门话题，同时也让我国印刷包装设备行业进入到了电子轴控制时代。
1 电子轴控制系统的种类
用于机组式凹版印刷机的电子轴控制系统，随着技术的发展，分为两大流派。第一种为复合式流派，即传动系统和套色控制相互独立；第二种为集成式流派，即传动系统和套色控制融为一体。这两大流派在实际的应用和实践中，自然形成了机组式凹版印刷机的电子轴控制系统得三大类别。
（1）亚电子轴控制系统
是一种仅仅去掉了传统机械主传动轴，每一印刷单元采用独立驱动机构，以保证印刷版辊速度同步的控制系统。它保留了套色系统所需的浮动辊结构，套色系统是完全独立的，与传动毫无关联。由于传动和套准控制系统两者的相对独立性，控制上很难达到稳定和一致。再者，系统所必须的浮动辊机构仍然使机械结构复杂化，而且色组之间的过纸长度变长，很难实现高速、高精度的印刷工艺。
它是所有机组式凹版印刷机电子轴控制系统的前身。
（2）准电子轴控制系统
是一种去掉了传统机械主传动轴，也去掉了套色系统所需的浮动辊结构，每一印刷单元采用独立驱动机构，以保证印刷版辊速度同步，同时，由相对独立的套色系统提供已经经过处理的套色误差信号，由该无轴控制系统结合速度同步信号，统一协调工作的控制系统。
它是亚电子轴控制系统的发展和进化。
（3）统一型电子轴控制系统
该系统采用以伺服控制技术为核心的虚拟电子轴传动来取代传统机械主传动轴，彻底摒弃传统套色系统所需的浮动辊结构，通过对各个印刷版辊相位的精细调节来满足图案的套准，将伺服传动和套色溶为一体，直接作用于印刷版辊的一种电子轴控制系统。
它是一种真正意义上的电子轴控制系统。这也是下面主要探讨的主题。
2 统一型电子轴控制系统的组成和工作原理
统一型电子轴控制系统，立足于简化机械结构和提升控制性能。它以高精度、高印速、高套准见长于所有的印刷机控制技术。
图1为机组式凹版印刷机无轴传动控制系统简化原理图，它表示出了系统的硬件配置和网络结构。
2.1 系统的硬件构成
用途不同的印刷机，所需的印刷单元不同，印刷单元所配置的伺服功率也不同，下面以一台八色机组式凹版印刷机为例来介绍统一型电子轴控制系统。该系统的硬件组成如图2所示。
整个系统采用贝加莱PP320触摸屏作为HMI（人机界面），也可看成是上位机。它实现系统参数的输入和显示、系统状态的监控、套印状态的监控、系统故障的提示和系统配方管理等功能。
X20系列PCC（可编程控制计算机）系统作为下位机，其CPU采用X20CP1486，是整个系统的核心。它具备附加I/O处理器和浮点处理器FPU,单步指令周期最快为0.01us，任务循环周期可止200us,支持RS232、EtherNet POWERlink、CANopen、X2X link和USB等多种通讯接口。
ACOPOS伺服控制器和伺服电机作为驱动单元。用于位置信号反馈的编码器通过硬件倍频可产生有效脉冲为400万线/转，系统控制精度高达0.001 mm。在高达600米/分的印刷速度下仍能获得比机械轴凹印机高得多的套准精度，印刷生产时间证明，该技术使套印精度由原来的0.1mm提高到0.05mm成为可能。
系统采用现场总线的方式进行可靠的数据交换控制和广播式通讯。下位机和上位机之间通过以太网进行通讯（TCP/IP）。下位机有模拟量和数字量模块进行逻辑I/O动作的控制和速度模拟接口。X20CP1486通过EtherNet POWERlink总线通过工业集线器（0AC808），连接至各个ACOPOS伺服驱动器。在伺服上插有通讯模块AC114，编码器信号分析卡AC120，套色误差分析卡AC132，I/O模块AC130。ACOPOS伺服控制器和伺服电机通过专用伺服电缆和编码器电缆连接。
如图3所示，在电子轴系统中，EtherNet POWERlink工业网络总线，是以网络编码的形式对伺服站点实现访问的。
实时通信是系统的关键一环，系统中所有伺服运动控制系统之间的电子齿轮同步关系，都需要通过高速的数据通道提供各个轴之间的数据交换。POWERlink是一个100Mbps，抖动<<1uS的高速实时以太网，它能够为整个系统的大量数据交换提供快速通道，使得系统能够完成快速的数据交换，保障系统同步精度。
Ethernet POWERlink是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。它采用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。Ethernet POWERlink的主要技术参数如表1所示。
它为系统提供了实时、可靠、安全的数据通道，满足了高速凹版印刷机统一型电子轴控制系统对数据响应速度高的要求。
2.2 系统的软件平台
该系统以贝加莱开发的Automation Studio集成软件（以下简称AS）为编程的软件平台，实现具体的工艺和数据处理的程序编写工作。
AS是一个集成软件平台，它支持贝加莱全系列控制产品的应用软件开发，同时支持Ethernet POWERlink总线、CANopen总线和X2X link总线的开发应用。而且几乎支持所有的编程方式，如Basic、ANSI_C、LAD(梯形图)、IL(指令表)、ST（结构化文本）、SFC（顺序功能图）等等。
AS支持分时多任务处理功能，可以根据系统所需的任务划分任务等级，进而对不同的任务设定合适的任务扫描时间。
统一型电子轴控制系统的软件开发策略是：整体采用ANSI_C编程，分三个循环任务层来完成控制。在第一个循环内，完成伺服控制系统的通讯，过程控制，印刷单元的控制，套色系统的控制，；在第二个循环内，完成张力控制和远程站点控制；在第三个循环内，主要完成的是人机界面的控制。对于以上三个循环内任务的处理，B&R PCC是按其分时多任务管理的办法进行处理的。
2.3 控制原理
统一型电子轴控制系统的开发，是基于伺服控制和网络技术的。通常我们把每一个伺服电机回路称为一个“轴”。 如图4，为机组式凹版印刷机电子轴控制系统单个色组“轴”的控制原理图和接线图。
统一型电子轴控制系统的控制对象就是若干个相互关联而又相互独立的控制印刷版辊的“轴”。
其关联性表现在，作为控制每一色印刷版辊的轴，其速度的来源是统一的，即系统所虚拟的电子轴给定的实时速度和实现套印所需的调节速度。各个轴在确保系统传动上的同步性的同时，必须响应适当的套色相位调节。对于由光电眼（需要实现套色控制的印刷单元均有配置）检测到的套印误差，经由套色分析卡AC132反馈给伺服驱动器ACOPOS,再由伺服驱动器ACOPOS通过EtherNet POWERlink总线反馈给PCC， PCC统一实时处理后，指令每个相互关联的轴做出相应的相位调整，我们称之为“串联调节” 或“套色解耦”。轴的串联调节也是统一型电子轴控制系统实现套色控制的精髓所在。
其独立性表现在，每个轴在相同的控制模式和控制框架下，运行机理是相同的，也是自成体系的。在控制上，下位机PCC实现具体的工艺分析和数据处理，同时系统在初次上电时，由PCC负责将每个轴运行所需的功能参数和系统函数依赖POWERlink总线，下载给每个轴的伺服驱动器ACOPOS，ACOPOS则根据按接收到的功能参数和系统函数实现初始化，并按要求对数据进行必要的分析处理，指令相应的伺服电机实现轴的控制。伺服电机的实际运转情况由其内部编码器反馈给伺服驱动器ACOPOS上的编码器信号分析卡AC120，形成轴自身的闭环控制。
3 基于统一型电子轴控制系统的凹版印刷机的技术特点
与传统的机械轴凹印机相比，采用统一型无轴传动控制系统的机组式凹印机具有以下优点：
（1）整机机械结构和配线系统简练
取缔了传统印刷机的机械传动轴和为套色系统配套的机械浮动辊机构。机身走料路线大幅减少20%，大大节约了走料时间。
采用远程站点控制以总线的方式进行外部I/O的配线和通讯，真正实现了省配线，从而大大降低了系统的干扰和故障，使设备的维修和护理简单化。
（2）快捷而又高精度的预套准
任意安装印刷版辊，系统会自动根据色组间料长调节版辊相位，将其调整至“印刷位置”， 伺服系统定位精度可达1 mm的1/1000，重复精度为1 mm的1/100，自动预套准的范围可以严格控制到±5 mm以内。从而实现真正意义上的高精度预套准。
（3）高精度、高印速、高套准
系统采用的PCC运算速度快，数据处理能力强。组建整机通讯网络的POWERlink总线，通信更简洁、更实时、更可靠。对所有版辊的相对位置的控制，作为位置反馈的编码器通过硬件倍频可产生有效脉冲为400万线/转，系统控制精度高达0.001 mm。实践证明，该技术可使套印精度由原来的0.1mm提高到0.05mm。
（4）特殊印刷工艺更易实现
系统有效地解决了在电气配置不发生任何变化的条件下，实现各个印刷色组正印和反印的随意转换。对异径涂布功能和定点涂胶功能的实现，简约而又可靠 。
（5）多色机的分组使用
该系统为多色机的分组使用提供了方便。即，在其中某些色组正常作业中，用户可以在剩余色组提前做好下一批定单的装版，匀墨工作。 另外，可依据生产要求选择各个印刷色组工作与否，用户可以将不参与作业的色组置于单动停止状态，达到节能效果。
4 结束语
电子轴控制系统应用于印刷机，使印刷机的自动化控制得到大幅提升，不仅优化了控制的协调性和稳定性，而且使印刷机的高精度、高印速、高套印得以实现。它的人性化操作、安全设计、节能减耗又一步推进了印刷包装设备的设计理念。
作者简介
练大伟 (1976~) ，男，甘肃平凉人，工程师。自陕西北人印刷机械有限公司工作以来一直从事印刷机的电气设计工作。主要研究方向是印刷机电气控制设计与研究。
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