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1、概述：
        近几年国内外印刷机市场发生了很大的变化，由于全球化的生产竞争，印刷用户逐渐转向了出口和高端市场，以追逐更高的利润，因此对印刷设备提出了更高的要求。目前国际印刷机市场已逐渐趋向于使用带有电子轴的印刷设备，欧洲市场已经开始淘汰传统的长轴印刷机，其中具有代表性的印刷机生产厂家是德国海德堡公司，该公司采用德国博世力施乐公司的电子轴控制系统生产的印刷机风靡全世界，取得了的社会反响和经济效益。相反国产印刷机技术水平还达不到中高端用户的需求，还处于传统型长轴印刷机为主的生产模式，新型的电子轴印刷机研制还处于起步阶段。而随着欧洲印刷机制造商设计加工水平的逐步提高，加上各种新技术的应用，相继推出了技术指标更高，自动化程度更高的印刷机，由于多种新技术的应用，进口新型电子轴印刷机正变得越来越精密和越来越复杂，其制造成本和维护成本也相应大幅度增加，复杂机器的故障率和可靠性也越来越成问题，而且维护修理工作也由于复杂结构和新技术应用而变得更加困难。

2、系统主要工作指标：
版辊周长： 300mm～1000mm
检测精度：0.012mm
套印精度：0.1mm
伺服电机功率：3.7kw～5kw
高车速：300m/min

3、系统组成：
1）系统工作原理：
        本系统采用国际通用的印刷印品误差检测标记（马克线），检测印刷标记由于浸墨、烘干、料膜卷径的变化等因素所引起的料膜张力变化，从而导致印品的套色发生偏差。因为标准的印刷标记两两间隔20mm，所以当印品套色发生偏差时，印刷标记两两间隔必然大于或小于20mm，利用光电眼所测量到的实际印刷标记间隔信号，分机工作站处理该实际数据，获得实际印刷标记间隔距离，并通过现场总线上传主站监测；由主工作站本身处理误差数据，发出电机相位调整信号，控制各色位伺服电机运转。
a、系统主站由欧洲**运动控制器和10英寸触摸屏组成，该运动控制器可同时控制多达16轴分站，由于将伺服电机位置环上移至主站处理，所以整个电子轴系统的执行单元（伺服电机）可以工作在速度环模式下，系统反映灵敏，印品套印误差在主站中处理，调整及时，升降速过程中可保持很好的跟随性能，可
以做到基本不发生跑偏现象。整个运行过程中系统线速度平稳，低速套印完成后，印品张力基本稳定，调整量很小；
b、系统分站主要实现印品误差的实时测量以及与主站之间的误差数据通讯（can bus）。该分站由本公司自制的处理单元组成，大规模现场可编程逻辑阵列（fpga）可以实现系统高低速误差的一致性测量（对应于同一印品误差），测量误差不超过0.01mm，系统反应迅速，该芯片的测量信号从输入到输出可以达到10ns，完全保证了系统的需求，可实现在1200m/min的系统速度下测量准确；
c、系统张力采用成熟的四段七电机张力控制系统。
张力检测式张力控制系统一般由张力检测器、张力控制器和执行机构组成。针对浮棍张力系统的弱点，采用张力传感器检测，并配有专用张力控制器所构成的张力控制系统则能有效的克服浮棍张力的缺点，该方案主要的优点如下：
 以材料张力直接作为监控对象，实时检测，控制对象明确，效果明显；
 检测辊自重影响可自动消除，材料包角影响自动消除，微张力也可监控；
 张力设定可用电位器设定，也可有plc等上位机控制，通讯方式多样；
 内含如锥度张力，非线形锥度补偿、加减速补偿、机械损耗补偿等专用控制功能软件。
张力检测式张力控制系统的构成要素
张力检测式张力控制系统一般由张力检测器、张力控制器和执行机构组成。
 张力检测器
以“张力传感器的检测灵敏度高、温度漂移小、过载能力强、工作可靠性好”等要点作为评价质量好坏的标准，此外，完善的售后服务也很重要，可以免去很多后顾之忧。
 张力控制器
公司采用的是三菱le-40mta型张力控制器作为组成张力检测式张力控制系统的关键设备。
其特点有如下几点：
le-40mta张力控制器性能优良、操作调节简便、pid参数有手动设定和实时自调谐功能，还随机带有锥度控制、机械损耗补偿功能、加减速补偿，换卷控制等诸多的附加功能，使我们很容易应用到各种软包装设备上。如分切机、模压机、涂布机、印刷机；
le-40mta张力控制器在输出端不但有0-24v的dc输出可直接驱动各种型号的磁粉离合器制动器、磁滞离合器制动器，还同时输出有0-5v/0-±5v/4-20ma的控制型号，用户可容易的连接伺服电机，矢量变频、气动离合器制动器等其他执行机构。
 执行机构
张力控制系统选用的执行机构强调控制性能，以“转矩控制精度高，细腻柔和”的控制特性为关注要点。张力控制的大小应视材料的厚薄、质料宽窄来决定。被印材料越厚、张力值越大；反之，张力值要小，
如印薄材料张力值要求更高，因为要顾及被印材料起皱拉伸、变形等问题，一般情况下合适的张力调节是以多色“十字规线”全部套准，不来回“移动”为标准，如果印刷时“十字线”套印不稳定，可适当调整放卷和收卷的张力，使各色组“十字线”套准稳定为止，当然印刷时低速、中速、高速情况下张力值是不完全相同的，建议在正常的速度下微调张力值为好，印刷过程中经常出现“走位”现象，人们习惯去寻找设备、材料等原因。其实不然，影响套印精度的，往往为张力不适。如果能够仔细调整张力，一般情况下，套印不准可以迎刃而解。
d、系统信号增益的自适应以及滤波：
该电路选用altera公司的大规模可编程逻辑阵列（fpga）完成，采用硬件描述语言（vhdl hdl和verilog hdl）在fpga内部生成增益自适应电路以及滤波电路；
e、快速预套印功能
机械传动印刷机每次在换版后，运行前都要进行预套印调整，以减少初期套印的废品，通常采用旋转编码器定位，浮动辊调整期间过料长，操作繁琐，时间长，精度不高，印品损失大；电子轴传动系统通过程序计算出各个版辊需旋转的相位，版辊只需随意装入印**元而不需要再恢复“零位”，随后伺服电机会自动将版辊转到“零位”从而实现真正意义上的高精度预套印；随后进入自动套印印刷状态，整个过程简单方便、快速；
2）系统框图

3）张力控制框图

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1 事故表现
根据现场调查了解,有以下几点事故现象可作为事故分析的依据和出发点。
(1)下山皮带使用的前两年没有飞车现象,但次出现飞车事故之后,又接连二次发生飞车事故。
(2)三次飞车事故规律基本相同,都是在重载开车的过程中发生的;
(3)事故后拆开电机检查,转子绕组被严重甩散并将定子绕组擦伤和拉断,但却没有通常所见的被电流短路烧焦的痕迹,这说明飞车时电机处在断电状态;
(4)为维持生产,现场改用380v、215kw鼠笼型电机,同时将系统原设计的超速保护延时由2s缩为0.1s之后,飞车情况得以抑制。
2 事故分析
2.1 原电控系统简介
2.1.1 硬件配置
为确保运行可靠性，系统硬件配置比较**。如：采用三菱fx2系列plc，有利于减少继电器系统的故障率；采用两套各自独立的无触点脉冲计数测速装置并用，并以软件进行测控，可避免测速环节引发电气故障；主机采用真空接触器供电，有利于提高接触器的使用寿命等等。但是，从调查中发现，硬件设计有欠妥的地方，例如plc输出y120与600a真空接触器的采用直流24v hh52p型小型灵敏继电器，其触点容量明显不够（见图1），现场将触点接成并联使用，触点仍然烧伤严重。

图1 plc输出控制原理
　
2.1.2 软件设计
为提高运行平稳性,系统设计了两套刹车装置,其中气控盘式制动器为主,电液闸瓦制动器为后备,通过程序控制制动器输出力矩,使下山皮带在启动和制动过程均有适量的制动力矩的调节,有利于升速降速的平稳。另外,对于异常运行,包括超速均有相应的保护程序。但是,软件设计也存在严重疏忽,例如工作在再生制动状态下会因电机失电而引发飞车事故,仅以超速保护作为防范,显然不够,而且将超速保护加2s的延时,也是没有根据的。
2.2 事故诊断
2.2.1 引起飞车的直接原因
下山皮带开车程序部分梯形图如图2所示。其工作步骤是:发出开车指令后在各种就绪信号、联锁信号都正常的前提下,首先松开刹车、接着测速,若电机速度n=0,即皮带无滑动,由m73作轻载启动,电机先电动状态再转入再生制动状态;若n≠0,即皮带有滑动,为重载启动,此时,先不给电机上电,而是等到滑行达到电机等于或大于同步转速时,再由m78、m79使电机上电,直接进入再生制动状态。若一切正常,则电机制动力矩与负载下滑力矩相平衡,皮带按设计的2m/s匀速运转。但是,若y120上电指令发出后,真空接触器ckj5不能如期合闸,则电机不能得电,也不会建立制动力矩,于是负载就会在重力加速度的作用下产生飞车。引起真空接触器不能及时合闸的直接原因就是由于hh52p小型灵敏继电器触点被烧坏所致,特别是处在接触器合闸期间电流较大更易引起接触不良,所以出现飞车是必然的。由于hh52p的触点是经过较长时间使用之后逐渐烧坏的,这就证明了为什么投产的前两年未发生飞车事故。
　 
图2 开车程序部分梯形图
　
2.2.2 超速保护的虚设
本来超速保护可以对飞车加以抑制,但不适当的增加超速保护延时,又使其如同虚设。假设y120发出上电指令后接触器接不通而产生超速,从超速响应到刹车动作约需2.5s的时间,其中2s为软件设计确定的保护延时,0.5s为测速采样周期,2.5s之后下山皮带速度为:
v=v0+gt=2+9.8sin(12°～15°)×2.5=7.09～8.35(m/s)
即可达到正常运行速度的3.6～4.2倍,同样负载的瞬时功率也随之增到额定功率的3.6～4.2倍。已知制动装置的大制动力矩为5400n·m,为电机额定转矩的2.6倍,大大低于超速的倍数,所以此时制动装置的作用已无法实现。
3 改进措施
3.1 下山皮带主电机选型改为高压鼠笼电机
选用绕线式电机主要是为了提高启动转矩和降低启动电流,多用于启动相当困难的场合,例如起重、上山皮带等,而下山皮带没有这些矛盾,完全可以选用鼠笼电机。实践证明,鼠笼电机抗甩能力强,更适合于有飞车危险的场合。采用高压电机,则可使控制系统更为简化,不仅可以解决启动问题,而且还可降低山上变压器容量,提高运行的经济性和可靠性。应用js128-6、380v、215kw鼠笼电机后,一直使用很好。
3.2 系统增加飞车预防程序
下山皮带仅设超速保护是不够的,因为它只不过是事故发生后的一种补救措施,如若超速动作值整定不当,电机仍有可能被甩坏,事故还是要发生。应采取措施将事故杜绝在萌芽之中。因飞车是由于接触器未及时合闸引起的,我们设计防飞车程序插入主程序中(如图3)。

图3 防飞车程序梯形图
　
图3中x107为真空接触器辅助触点,当y120上电指令发出后,若真空接触器不动作即启动t54延时0.5s转入停车操作,制动装置立即启动,电机来不及升速就被刹住。其中0.5s是按测速采样周期选定,若接触器动作时间大于0.5s,则应稍大一点。
3.3 换大容量中间继电器
原系统hh52p型继电器触点容量太小,是飞车事故的隐患,更换为d251-22、24v中间继电器。
3.4 取消原系统超速保护延时
原系统超速保护设置延时没有必要,应予取消。除外,原系统就绪信号反常所设置的保护,如热继电器动作、空气开关跳闸等的延时也取消