Технология безвального привода в печатных машинах: двигатели, синхронизация и управление скоростью
Любое механическое движение нуждается в источнике энергии, и привод печатной машины должен не просто вращать вал. Он должен поддерживать постоянную скорость, реагировать на команды оператора и обеспечивать плавную регулировку скорости при смене задания. До появления безвальных приводов газетные печатные машины прошли через два поколения электрического регулирования скорости. Асинхронные двигатели с контактными кольцами доминировали до 1970-х годов, и их можно назвать первым поколением. С 1970-х годов прогресс в области регулирования скорости постоянного тока привёл к широкому использованию приводов постоянного тока и асинхронных двигателей с фазным ротором, что стало вторым поколением. Ситуация изменилась в 1992 году, когда компания Rexroth создала SYNAX, первую безвальную систему привода, разработанную для печатной машины. В течение десятилетия безвальное регулирование скорости вытеснило старые методы на газетных печатных машинах.
Безвальные приводы как новая концепция печатной машины
Безвальная передача стала новой концепцией в конструировании печатных машин. Она снимает ограничения, которые общий механический вал накладывает на компоновку машины, и открывает простор для новых решений как в разработке, так и в производстве печатного оборудования. Технология ведёт начало от той системы SYNAX 1992 года и с тех пор распространилась среди ряда производителей приводов по всему миру.
Стандарты связи внутри безвального привода
Система построена на распределённом интеллекте и следует стандарту SERCOS (Serial Real time Communication System), международному стандарту связи для приводов. Управляющая информация передаётся цифровым способом в реальном времени по оптоволокну. Каждая группа двигателей использует распределённую интеллектуальную карту, которая может управлять 40 позициями двигателей, а карты можно соединять оптоволокном в группу управления, охватывающую до 1000 позиций с 32 подключённых карт.
Как обеспечивается синхронизация узлов
Синхронизация опирается на три компонента: интеллектуальный цифровой преобразователь частоты, асинхронные двигатели и 32-битный цифровой энкодер с обратной связью. Система энкодера корректирует положение двигателя 4000 раз в секунду, а преобразователь частоты управляет асинхронным двигателем с дискретностью в два миллиона единиц. Оптоволоконная цифровая передача через интерфейс Ethernet обеспечивает передачу этих данных с разрешением и точностью совмещения, которые требуются для качества печати.
Что безвальный привод даёт управлению печатной машиной
Распределённая и модульная конструкция привода. Многополосные конфигурации могут использовать меньшие приводные блоки. Например, на восьмикрасочной башенной машине Roland с однократной окружностью и двойным диаметром приводные двигатели перешли от одного двигателя мощностью 90 кВт и более к отдельным двигателям мощностью 27 кВт и менее, а ударная нагрузка на электросеть при запуске снизилась более чем в три раза.
Погрешность совмещения от механической передачи исчезает. Опубликованные данные для машины с восемью печатными секциями показывают, что разброс между секцией 1 и секцией 8 может быть в семь раз больше, чем разброс между секцией 1 и секцией 2, поскольку каждая механически синхронизированная деталь имеет свой допуск. Эта погрешность исчезает только после того, как шестерни и валы выходят на непрерывное вращение.
Время приладки сокращается. Каждой красочной секцией можно управлять отдельно, поэтому несколько человек могут готовить машину одновременно. В восьмикрасочной башенной машине Roland используются четыре приводных двигателя, а в восьмикрасочной башенной машине KBA, восемь.
Управление становится взаимозаменяемым. Поскольку система использует международный стандарт связи для приводов, ни одна безвальная машина не имеет патентных ограничений на передачу информации.
Диагностика неисправностей надёжна. С SERCOS производитель может сохранить стандартные рабочие параметры в системе, собирать текущие параметры с машины и сравнивать их для поиска неисправности.
Регулирование скорости на приводных валиках достигает точности 0,01 процента, что позволяет точно управлять скоростью тянущих валиков, стабильным ходом полотна, равномерным натяжением и согласованным резом на нескольких полотнах.
Точность позиционирования повышает надёжность автоматической смены форм и сокращает время реакции приводки печати и резки, что снижает отходы.
Частотное регулирование скорости и трёхфазный двигатель
Безвальный привод печатной машины тесно связан с частотным регулированием скорости. Этот метод опирается на основные характеристики трёхфазного асинхронного двигателя, скорость которого подчиняется формуле n = 60f/p. Скорость n задаётся текущей частотой f и числом пар магнитных полюсов p, а пары полюсов нельзя изменить после изготовления двигателя. Поэтому скорость двигателя пропорциональна частоте, и преобразователь частоты использует именно эту зависимость для задания выходной скорости.
Преобразователь частоты переменного тока в печатной машине
В конце 1980-х годов новый полевой транзистор, IGBT, улучшил работу двигателей с частотным регулированием, и печатные машины начали применять частотное управление приводом. Схема объединяет инвертор с трёхфазным асинхронным двигателем и чаще всего использует тип напряжения AC-DC-AC. Этот тип подходит для регулирования постоянного тока, что соответствует постоянному моменту нагрузки печатной машины, и работает при низкой мощности, поэтому в промышленном управлении его также называют AC-сервоуправлением. Цикл состоит из двух этапов. Сначала трёхфазное питание фиксированной частоты выпрямляется в постоянный ток. Затем постоянный ток инвертируется обратно в переменный, и управление частотой этого инвертированного выхода регулирует скорость двигателя. Инверторный мост в безвальном приводе использует схемы IGBT, которые являются устройствами с управлением напряжением, имеют низкую мощность управления и частоты переключения до 20 кГц. Результат: форма тока ближе к сетевому питанию, двигатель сохраняет больше своих трёхфазных свойств, меньше электромагнитных помех, проще схема, лучше самостоятельная обработка типовых неисправностей, ниже частота отказов и меньше потерь в самом инверторе.
Три способа управления преобразователем частоты переменного тока
Конструкция печатной машины делает нагрузку неравномерной, однако печатные свойства требуют плавной работы для стабильного качества. Отсюда следуют два практических вопроса: меняет ли переход с привода постоянного тока на привод переменного тока результат печати, и как синхронизируются двигатели, когда одни несут энкодеры, а другие нет?
Векторное управление. Двигатель постоянного тока работает на двух перпендикулярных магнитных полях, и управление одним полем управляет и скоростью, и механическим поведением. Трёхфазный асинхронный двигатель удерживает перпендикулярное поле лишь мгновение. Векторное управление воздействует на инверторный мост так, чтобы мгновенное перпендикулярное поле было управляемым. Первый шаг разделяет задающий сигнал на две вращающиеся компоненты постоянного тока: компоненту магнитного поля iM и компоненту момента iT. Второй шаг преобразует эти компоненты с использованием параметров двигателя в управляющие сигналы iA, iB и iC для трёхфазного инверторного моста.
Векторное управление без обратной связи. Распространённый тип двигателя на безвальных печатных машинах не имеет энкодера, но он не работает как разомкнутое управление без регулирования скорости. Синхронизация достигается измерением напряжения и тока на клеммах, расчётом потокосцепления ротора и угловой скорости ротора и использованием этих значений вместе с параметрами двигателя в том же преобразовании. Динамический отклик немного слабее, и печатная машина, использующая такое управление на двигателях приводки по цвету, может показывать небольшие расхождения приводки при изменении скорости.
Векторное управление с обратной связью. Там, где печатные свойства требуют точного регулирования скорости, например при задании производственной скорости или поддержании скорости приводки по цвету, энкодер устанавливается непосредственно на двигателе. Он сообщает скорость ротора для преобразования и удерживает скорость двигателя в точном соответствии с заданием. Динамический отклик сильный, и приводка не смещается при изменении скорости.