浅谈无轴系统在D390轮转印刷机上的应用———浅谈无轴系统在D390

［编辑简介］：瑞典D390塔式高速轮转印刷机应用了全套博世力士乐SYNAX200无轴传动技术。本文对此系统的结构、功能特点进行了介绍，着重分析了无轴传动系统的优势。［摘要］：本文通过分析PPC控制器和伺服控制等技术在D390轮转印刷机上的实际应用，表明无轴系统这种新的控制技术具有很好的应用前景。 ［关键词］：伺服 无轴传动技术 SYNAX200 SERCOS
  一、前言
         无轴传动系统是20世纪80年代末90年代初出现的新的传动技术。到了90年代后期已应用到各类卷筒纸和部分其它印刷机上。它在单张纸胶印机，表格印刷机上都有应用。例如卷筒纸胶印机各机组间，印刷机组和折页机组，印刷机组和给纸机组之间都是由一个主电机带动主传动轴和斜齿轮传递到个印刷机组的。各印刷机组依靠机械轴同步运转来完成印刷任务即为有轴传动。由于科学技术飞速发展，到了20世纪90年代中期推出了印刷机的各印刷机组由独立的电机驱动，机组之间不设有机械轴，各机组不再依靠机械轴同步运行而是由电子轴来完成印刷任务了。即无轴传动印刷机，它实际上是一种伺服系统，伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控制量能够跟随输入目标值或给定值的任意变化而变化的自动控制系统。它采用众多的伺服电机来分别驱动各机组的伺服运行，这些伺服电机并非各自为政，而是紧密相连相约的，它们的驱动系统是由不同层次的网络传输信号来控制，从而在瞬间实现协作和机组的同步运行，这些驱动设备以及各种网络形成了一条“虚拟轴”从而取代了机械轴即有轴来带动印刷机组同步运行，因此称这样的一种自动化控制系统为无轴传动技术。
  二、博世力士乐(Bosch Rexroth)  SYNAX200无轴传动系统
         我们厂于2007年11月引进的瑞典D390塔式高速轮转印刷机就是应用了全套博世力士乐(Bosch Rexroth )SYNAX200无轴传动技术。SYNAX 200驱动与控制系统取代了迄今为止仍然经常使用但较为昂贵的机械齿轮箱、万向轴联结、传动长轴和凸轮等机械装置与机构，而代之以数字化智能伺服驱动、精确的电子同步系统，从而无需为不同的齿轮箱或满足各种特殊功能再配备额外的辅助驱动系统。从而提高了印刷质量，并且也极大地减少了机器起动和刹车时造成的印废量。整个印刷过程由系统内部的功能来支持，它们是电子减速器、电子凸轮盘、牵引张力控制器、对版控制器、跳动控制器。SYNAX 200控制系统为每个独立驱动系统计算出同步的虚拟“电子轴”位置，根据标准化的SERCOS(光纤维)驱动界面上（IEC61491）的期望值，通过光纤维以一定的周期传送到印刷机的无轴独立驱动系统上，完全可以不受任何干扰。每个无轴独立驱动系统的位置（或相位）控制都是如此，从而确保了整台印刷机在印刷过程中的同步运转。将信号无干扰地传递给单个驱动器。带伺服驱动技术的印刷装置单驱动器是通过电子齿轮来实现在每次更换报纸印刷任务时所必须进行的传动匹配工作的。这种电子齿轮能够与所需的印刷任务达到理想的衔接。这就允许相应于所要求的报纸印刷任务完成图案的CMYK颜色的纵向匹配。由此可以完全取消迄今为止所必须的精密机械齿轮。其结果是费用降低。精密机械齿轮的取消，免去了每次更换印刷任务时，很麻烦的进放啮合过程。伺服驱动器的绝对值传感器技术保证印刷滚筒快速准确地校准对版位置。除此之外，还可能使印刷长度的修正量达到十万分之一的精度。其结果就是在高度生产可靠性的条件下印废量的急剧减少。印刷装置的设定，同样也配备了力士乐的智能型伺服驱动器和分辨精度高达四百线的高精度伺服电机。它能够在1 m的范围内对印版滚筒进行校准，由此而在全部工作区内实现了理想的精密颜色套准。印刷装置首次可以在纸带全速的情况下，不停机地接通。如果当前的报纸印刷任务仅需10个印刷装置中的4个，这时其它的6个就可以为下个报纸印刷任务做准备.图1为SYNAX200的系统结构图：
   
   
         1.PPC主控单元及PROFIBUS RS485 RS422总线的运用
         PPC是SYNAX 200驱动与控制系统的核心，它是博世力士乐(Bosch Rexroth)电气传动与控制技术集团提供的小型独立运动控制器，单CPU，通过分时完成对运动和内嵌PLC的同步控制。根据其应用和所配软件，该平台可当作PLC和运动控制器。还可通过分组多个 PPC 控制台和主操作系统解决复杂的自动化任务，也可管理两级联式主操作系统和SERCOS环内最多40个从动轴。瑞典D390高速轮转塔式印刷机没有使用传统的可编程控制器做运动控制，而是用Bosch Rexroth的高性能PPC控制器进行控制。D390印刷机是由1个折页机组(报头)和3个印刷塔组成,4个部分间无机械轴连接,依靠先进的SERCOS（光纤）环路作为虚拟轴连接,如图所示: 每个印刷塔都由主控电柜中的单个PPC通过SERCOS（光纤）环路控制自己塔内的所有的伺服控制系统,并形成闭环.见图2(略)。PPC系统在所有轴向上都提供了全部同步化运动，以及对D390机上的24伏直流I/O连接的逻辑编程。PPC内嵌PLC通过PROFIBUS总线来控制印刷塔机上电箱中的PLC输入输出的模块,通过RS485 串行总线控制自动喷雾系统,通过RS422串行总线控制遥控墨键系统:如图3(略)所示。而每个PPC之间通过SERCOS（光纤）环路连通,并形成双闭环。见图2(略)。
         2.光纤回路的运用
         PPC之间，PPC与伺服驱动器间，伺服驱动器之间都采用业界标准的SERCOS数字光纤网络控制，SERCOS与其他串行现场总线相比，有效数据传输率高，例如Ethement以100Mbit/s速度传输数据时，有效数据传输率为5～10Mbit/s；SERCOS以16Mbit/s速度传输数据时，有效数据传输率为11Mbit/s。另一个特点是它光纤噪声抑制能力强、传输可靠性高,信号通过光纤维以一定的周期传送到印刷机的无轴独立驱动系统上，完全可以不受任何干扰。SERCOS目前已能满足在2ms内，使一台PPC控制器与多达32个伺服系统实现数据通信,为系统里的每个交流伺服系统提供32位的命令信号和诊断分析反馈。另PPC控制器之间的双闭环分主环和副环,主环通常被用做通讯,当主环正常运行时副环只用来传输诊断信号,如果主环停止传输信号后,副环将用来传输冗余或备份的信号,但副环连接的方向必须与主环相反.为了保证虚拟轴能正常运转这样双保险的设计还是值得称道的。见图5。另附PPC的一些参数设置的截图见图6,7,8(略)。
   
   
          3.局域网的运用
          在D390系统中使用了一台32口的网络交换机用于组建系统内部的局域网.其中任务服务器(press manager)地址为192.168.1.101,报头PPC地址为192.168.1.31,可扩展到4个报头即地址可延伸到192.168.1.34,印刷塔地址为192.168.1.1,可扩展到16个印刷塔即地址可延伸到192.168.1.16。控制台地址为192.168.1.51可扩展到8个控制台即地址可延伸到192.168.1.58。颜色自动校准的相机地址为192.168.1.81。VCP25人机界面地址为192.168.1.111-116。如果说SERCOS数字光纤系统在整个SYNAX200系统中起着与伺服系统进行海量同步数据交换的作用且对数据安全性要求极高,那么局域网对其就是有益的补充。
          4.伺服控制系统
   
         D390印刷机伺服控制系统使用电源模块和逆变器模块的单轴方案:单轴应用方案是模块化的IndraDrive M的使用领域.电源模块为逆变器提供必需的直流母线电压.紧凑的单轴或双轴逆变器以及集成电源连接部件的电源模块可以实现大型驱动组的应用方案.其中电源模块具有集成主接触器, 集成制动电阻器,节省能源的电源回馈等优点.通过具有回馈功能的电源模块,可以获得最高的能源利用率.除了驱动器发电机工作方式的电源回馈,它还以其直流母线的调节能力而着称.模块式逆变器也可通过共同的直流母线进行能量交换.每个模块式逆变器的控制模块采用的型号是CSH01.1-SE-ENS-NNN-NNN-S1-S-NN-FW.“SE”代表使用SERCOS接口，此控制模块是使用SERCOS接口的基本型号, SERCOS的显着特点就是指令值以极小的循环时间在控制器与驱动器之间传递。结合准确的所有驱动器的同步，SERCOS接口实现了最大的动态响应性和最高的精确度，通过光纤的信号传递保障了安全的数据交换，同时具有最方便的接线。为了连接INDRADYN电机编码器和其它标准编码器，比如HIPERFACE编码器，相应的编码器接口已经集成安装在此控制模块上。D390印刷机伺服控制系统使用的是INDRADYNA系列异步伺服电机MAD电机系列。大功率密度的特点使其在印刷行业的伺服与主轴的应用上有极大的优势。高分辨率的单圈或多圈的编码器反馈系统以极佳的回转质量保证了最高的加工精度。除了键槽轴和保持制动器等选项，电机还配备有特殊的支座用于高速的应用或者径向负荷较高的应用。MAD电机系列使用2048线，4096倍分辨率的绝对值多圈编码器。这里我们谈谈绝对值多圈编码器的优点(略)。绝对值多圈编码器在MAD系列电机的应用为无轴系统的同步运行提供了保障。系统图见图11。
  
       5．强大的SYNTOP诊断系统
         SYNTOP诊断系统其实是 SYNAX200 系统的调试软件。“SynTop”作为命令和诊断工具，可以引导用户通过监测器的联机帮助，直接输入需要的内容而进行参数设定，从而改变了原来耗时长、成本高的编程工作。以下是SYNTOP软件在部分重要设置上的截图，见图12-16(略)。
   
   
         三、总结
         总之，无轴传动系统已成为大中型企业印刷机的主流设备。但该系统印刷机的造价仍然是比较高，对维修人员的技术水平的要求也较高，因此有轴卷筒纸印刷机仍是中小企业印刷机主要设备。但从目前印刷机的发展状况来看，无轴传动系统已经成为印刷机的主流传动形式，且其向着高速度、高可靠性、高自动化、无缝、无水、无版的方向发展。使用SYNAX 200这样的无轴传动系统，将有助于更好地开发印刷设备的各项功能，更好地发挥其灵活性、准确度和高精度同步性。采用无轴传动系统最少化了机械部件且降低制造成本，提高印刷机利用率并获得更好的印刷复制质量。可以预测，无轴传动技术必将取代有轴传动技术。
         参考文献：
         1．   Rexroth SYNAX 200 MotionLogic Version 13 Application Manual 应用手册
         2.  力士乐IndraDrive和力士乐IndraDyn-驱动技术的进化
         3.  PPC-R0*.2 Project Planning Manual PPC项目设计手册
         4.      VisualMotion 8 (GPP)Multi-Axis Motion Control Project Planning Manual多轴运动控制项目设计手册
  
       5.      Rexroth IndraDyn A Series Asynchronous Motors MAD/MAF Project Planning Manual电机项目设计手册
  
       6.      Operator’s manual Solna D390 Edition  Solna Offset AB 2009 D390操作手册
  
注明:1-5项是从博世力士乐中国网站下载的pdf文件