許禮江

1 磨床輥形測量概述

被改造的2臺工業(yè)磨床是用來研磨鋁箔軋機(jī)的軋輥，屬于高精度研磨，也是20世紀(jì)90年代初科技含量較高和較集成的自動化老設(shè)備。其研磨出來的輥形軸向輥面曲線按正弦15°至75°之間的弧線為標(biāo)準(zhǔn)的曲線，如圖1，方程式如公式（1）。輥面凸度有30μm、40μm、45 μm、50μm四種對應(yīng)公式中不同的(A-h)值表征曲線。研磨精度為0.1μm。測量輥形的傳感器探頭是根據(jù)霍爾原理設(shè)計(jì)的，貼靠在輥面上的傳感器探頭外側(cè)隨著輥面凸度的變化而徑向移動，推動探頭內(nèi)側(cè)的磁桿與霍爾元件有相對位移變化，霍爾傳感器便輸出一個(gè)高靈敏的mV電壓信號，mV電壓與磁桿的位移成很好的線性正比關(guān)系。再由vollmer測量系統(tǒng)將此模擬信號放大變送轉(zhuǎn)換成實(shí)時(shí)的18位精度為0.1μm帶符號的二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳輸給研磨中心控制系統(tǒng)HCC（德國產(chǎn)赫克力斯磨床控制中心）的I/O通道輸入電路板。由HCC系統(tǒng)處理采集的數(shù)據(jù)通過一臺老式打印機(jī)打印出輥形曲線和參數(shù)值，供磨床操作手查看研磨結(jié)果是否合格，判斷是否繼續(xù)研磨軋輥，整個(gè)信號流程如圖2所示。由于打印機(jī)使用較頻繁和年代較久遠(yuǎn)，逐漸老化而無法工作了，同款型號的打印機(jī)已經(jīng)沒有生產(chǎn)，市場亦早已淘汰無法購買到，想要使用新款打印機(jī)，由于打印機(jī)驅(qū)動程序無法安裝入控制系統(tǒng)HCC的操作系統(tǒng)中而無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品替代。如果沒有打印機(jī)則無法輸出系統(tǒng)內(nèi)的輥形曲線圖形和參數(shù)，工作人員無法判斷輥面研磨的質(zhì)量水平，對于高品質(zhì)高精度要求的鋁箔軋機(jī)影響非常大，甚至無法生產(chǎn)鋁箔。所以面臨著老設(shè)備的改造升級計(jì)劃。

其中：φ（初相位）：決定波形與X軸位置關(guān)系或橫向移動距離；

ω：決定周期（最小周期T=2π/ ||ω）；

A：決定峰值（即縱向拉伸壓縮的倍數(shù)）；

H：表示波形在X軸的位置關(guān)系或縱向移動距離。

圖1 輥面正弦曲線

圖2 輥形測量數(shù)據(jù)信號走向

2 輥形測量原理和改造思路概述

輥形凸度測量原理是：測量傳感器探頭貼靠在輥面的起始端固定的位置上，測量信號啟動時(shí)（系統(tǒng)記錄此時(shí)的傳感器探頭的絕對位移值作為“起始值”），軋輥勻速橫向（軸向）移動，隨著輥面凸度的變化，壓迫傳感器探頭移動，霍爾傳感器的磁桿機(jī)械位移被轉(zhuǎn)換成mV電壓信號輸送至VOLLMER的變送器，對應(yīng)算出測量傳感器探頭絕對位移變化的模擬量值數(shù)據(jù)（將探頭在輥面連續(xù)位置測量所得的絕對位移值與“起始值”相減計(jì)算出值作為該輥形的凸度變化，其差值的最大值即曲線的峰值就是該軋輥的凸度值），設(shè)備分布如圖2所示。改造思路就是通過使用西門子PLC-300系列PLC記錄輥形測量探頭傳感器的絕對位移模擬量數(shù)據(jù)，由于測量傳感器探頭的電信號需要通過一臺VOLLMER設(shè)備對其零點(diǎn)和量程的標(biāo)定及轉(zhuǎn)換成實(shí)際的絕對位移量數(shù)值，再將此數(shù)值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)以開關(guān)量電信號形式傳送給HCC系統(tǒng)的DI模塊通道。所以改造使用的PLC對輥形測量的傳感器探頭絕對位移值的數(shù)據(jù)采集方式是通過HCC的I/O通道電路板上18位（二進(jìn)制精度為0.1μm）的輸入通道端子上并接輸送至PLC的開關(guān)量模塊通道中（PLC并接HCC通道采集的信號流程如圖3所示）；并經(jīng)過PLC程序的運(yùn)算計(jì)算出輥面的凸度連續(xù)變化量，再通過MPI電纜通訊傳送至上位機(jī)WINCC畫面呈現(xiàn)出凸度值的曲線畫面及相應(yīng)的參數(shù)供操作員使用。

3 數(shù)據(jù)采集和處理

3.1 實(shí)際輥形輥面凸度數(shù)據(jù)采集處理

數(shù)據(jù)采集包括測量探頭絕對位移帶符號型的二進(jìn)制模擬量信號，還有測量系統(tǒng)開始和停止的開關(guān)量信號，和工作輥面軸向位移量的信號（和凸度測量的探頭值一樣為帶符號型二進(jìn)制的模擬信號）。而輥形測量探頭絕對位移值和輥面軸向位移值這兩個(gè)二進(jìn)制的模擬量信號分別輸入到SIEMENS S7-300PLC的18個(gè)DI通道，其中最高一位第18位是符號位，0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù)。通過編程軟件編寫程序?qū)?8位開關(guān)量信號按二進(jìn)制數(shù)據(jù)權(quán)加的方法轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制模擬信號賦值給一個(gè)模擬變量以備用[1]。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)輥型的數(shù)據(jù)采集處理

標(biāo)準(zhǔn)輥型凸度數(shù)據(jù)是每種凸度規(guī)格的工作輥有一組已知的輥面凸度分布值，即輥面上均勻分布的21個(gè)點(diǎn)的凸度值。每個(gè)點(diǎn)位置的高度相對起始點(diǎn)的高度（即凸度值）是按正弦曲線分布的，將四種不同凸度規(guī)格的輥形的21個(gè)數(shù)據(jù)值分別永久錄入程序中的數(shù)據(jù)塊中。操作員在進(jìn)行輥形測量之前需通過人機(jī)界面WINCC的畫面上選擇相應(yīng)凸度規(guī)格的輥形（通訊傳送給PLC程序，程序調(diào)用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)凸度數(shù)據(jù)塊）以及每個(gè)軋輥ID編號輸入。在測量系統(tǒng)運(yùn)行過程中，每當(dāng)傳感器探頭移動到輥面對應(yīng)的21個(gè)已知點(diǎn)位置時(shí)，程序?qū)⒄{(diào)用出根據(jù)操作員選擇的標(biāo)準(zhǔn)凸度規(guī)格的輥形數(shù)據(jù)塊對應(yīng)的位置凸度值賦值給同一個(gè)變量，作為標(biāo)準(zhǔn)輥形隨實(shí)際被測研磨的輥面同步變化的凸度變化量，例如：測量研磨好的實(shí)際輥形凸度值變量是連續(xù)平滑的凸度變化量，而標(biāo)準(zhǔn)輥形凸度變量同步整個(gè)輥面只有21個(gè)點(diǎn)的凸度值變化量，在WINCC畫面中顯示出來的曲線為不平滑的折線式正弦曲線圖[2]。程序里將每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輥形凸度值數(shù)據(jù)塊命名對應(yīng)的凸度名稱以備WINCC使顯示曲線圖形用。在測量輥形時(shí)，隨著軋輥的移動，每當(dāng)傳感器探頭相對移動到輥面每個(gè)分割點(diǎn)時(shí)，將傳感器探頭測量凸度值（測量傳感器探頭位移絕對值于測量起始位置的傳感器探頭絕對位移值之差）和相應(yīng)輥形該位置的數(shù)據(jù)塊里已知標(biāo)準(zhǔn)凸度值相比較，差值依次輸入至新的數(shù)據(jù)塊中命名為“差值塊”，以備WINCC顯示曲線圖形使用。

在測量過程中最重要的是需編寫程序，根據(jù)操作員選擇的相應(yīng)凸度規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)輥形凸度數(shù)據(jù)塊中的凸度數(shù)值，同步賦值給一個(gè)表示標(biāo)準(zhǔn)輥形的模擬量變量(即將數(shù)據(jù)塊里的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成刷新率較低的連續(xù)模擬量，并且和實(shí)際研磨的輥面凸度傳感器探頭所測量的輥形凸度值是同位置變化的同步變量)以備WINCC對其歸檔和顯示曲線圖形使用，這就還需要PLC接受測量系統(tǒng)開始時(shí)和測量停止或終止的指令開關(guān)量信號，作為實(shí)際輥形和標(biāo)準(zhǔn)輥形的同步聯(lián)絡(luò)信號。WINCC接受通訊來自PLC處理好的數(shù)據(jù)，顯示完整的測量輥形曲線、相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)輥形曲線圖形、輥面21個(gè)等分點(diǎn)對應(yīng)的測量凸度值和標(biāo)準(zhǔn)凸度值及兩者的差值也供WINCC顯示出在表格里，供用戶參考所研磨的軋輥是否合格一目了然，最后通過打印電子版PDF文檔保存至電腦硬盤中，一個(gè)軋輥對應(yīng)一個(gè)ID號，研磨電子版數(shù)據(jù)對應(yīng)軋輥使用周期內(nèi)歷史歸檔，有助于科學(xué)化管理。

圖3 輥形數(shù)據(jù)采集柜和PLC柜

3.3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及程序結(jié)構(gòu)

硬件使用西門子PLC-300系列PLC，一臺研華工控機(jī)作為上位機(jī)，并安裝有西門子PLC程序開發(fā)軟件STEP7 Basic V5.4和一套WINCC V6.0軟件開發(fā)編輯器，PLC與上位機(jī)通過MPI通訊電纜建立通訊[3]。上位機(jī)既可用作在程序開發(fā)和運(yùn)行維護(hù)時(shí)的工程師站，亦可用作生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)的操作員站。

軟件結(jié)構(gòu)，上位機(jī)的人機(jī)接口WINCC可負(fù)責(zé)兩臺磨床輥形的同時(shí)測量、記錄和顯示。STEP7主程序塊（OB塊）負(fù)責(zé)采集兩臺磨床輥形測量探頭的數(shù)據(jù)值并轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制的模擬量變量，和兩臺磨床軋輥位移數(shù)據(jù)量的采集并轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制的模擬量變量，此模擬量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換由編寫的兩個(gè)FC功能的程序負(fù)責(zé)，可提供兩臺磨床同時(shí)測量輥形時(shí)的同時(shí)使用，由OB主程序塊調(diào)用。同時(shí)OB組織塊接受人機(jī)界面用戶選擇的標(biāo)準(zhǔn)凸度輥形調(diào)用相應(yīng)的子程序塊，每個(gè)子程序塊對應(yīng)的是不同標(biāo)準(zhǔn)凸度輥形的FB功能塊，每個(gè)FB功能塊被調(diào)用時(shí)，F(xiàn)B會從公用的標(biāo)準(zhǔn)凸度的輥形數(shù)據(jù)塊中調(diào)用凸度數(shù)組。并且負(fù)責(zé)將對應(yīng)數(shù)據(jù)塊里標(biāo)準(zhǔn)的離散型凸度值數(shù)組和實(shí)際輥形測量探頭位移的絕對數(shù)值的轉(zhuǎn)換、計(jì)算和同步問題處理并賦值于三個(gè)模擬變量，三個(gè)模擬量分別是傳感器探頭位移絕對值變量、實(shí)際輥形輥面凸度變量和標(biāo)準(zhǔn)輥形輥面凸度變量。將標(biāo)準(zhǔn)已知的21個(gè)點(diǎn)位凸度值和對應(yīng)的測量的輥形21個(gè)點(diǎn)位凸度值，以及兩者同步位置上的凸度差值輸出至各自相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊中，分別起名為：“標(biāo)準(zhǔn)塊”、“測量塊”和“差值塊”，以備WINCC顯示。

4 WINCC組態(tài)

操作員畫面采用WINCC V6.0組態(tài)軟件，畫面可分為頁眉區(qū)顯示區(qū)、動態(tài)顯示輸入輸出區(qū)、打印區(qū)[4]。

頁眉顯示區(qū)用于顯示固定的標(biāo)題時(shí)間信息；動態(tài)顯示區(qū)用于顯示軋輥于測量探頭的絕對位移值和輥面軸向移動的絕對位移值、不同規(guī)格輥形的單選I/O域、三行21個(gè)點(diǎn)位的測量凸度值和標(biāo)準(zhǔn)凸度值以及兩者差值的I/O域、一個(gè)顯示理想凸度和測量凸度以及探頭在線絕對值的三條曲線窗口；打印區(qū)域添加一個(gè)動態(tài)打印機(jī)按鈕對象，并從按鈕動態(tài)屬性中打開C-Script腳本編輯器，用C語言編寫腳本為打印硬拷貝顯示器屏幕的程序，即可將測量后的輥型曲線和參數(shù)等畫面打印成PDF電子文檔保存在電腦硬盤中，編寫程序如圖4，有利于保存和查閱[5]。

歷史數(shù)據(jù)歸檔曲線窗口腳本編輯器對三條曲線的變量值歸檔，有三種形式的歸檔，分別為連續(xù)歸檔、定時(shí)歸檔和事件觸發(fā)歸檔[6]。這里需要使用事件觸發(fā)歸檔，利用PLC采集到測量輥形的起始和中止或終止指令信號作為同步啟動和停止歷史數(shù)據(jù)變量的歸檔，這樣在歷史曲線窗口就可以同步看到測量輥形凸度時(shí)的曲線，并且在測量結(jié)束后曲線長時(shí)間地鎖定在畫面窗口供操作員觀看以及打印窗口用，而不會被持續(xù)地歸檔變量值刷新替代。否則，如果利用連續(xù)歸檔，在測量輥形開始的畫面能同步顯示出曲線變化圖形，但隨著測量結(jié)束，歸檔系統(tǒng)仍在對傳感器探頭變量值實(shí)際測量輥形輥面凸度值變量及標(biāo)準(zhǔn)輥形變量值進(jìn)行歸檔，這樣畫面曲線隨著時(shí)間軸的移動，畫面上有限的顯示窗口會被測量后沒用的各變量值刷新替換掉，而之前測量的曲線圖也就看不見了同樣定時(shí)歸檔也不合適使用。WINCC畫面顯示效果如圖5。

圖4 WINCC畫面打印腳本程序

圖5 輥形測量打印出的PDF效果圖

5 總結(jié)

在這次改造項(xiàng)目中使用的西門子自動化軟件，由于項(xiàng)目本身的特殊性，在編程時(shí)也根據(jù)實(shí)際情況采用靈活的應(yīng)用。首先是高精度二進(jìn)制的模擬量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、離散型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模擬形式數(shù)據(jù)供WINCC系統(tǒng)歸檔和顯示。其次在建立不同凸度規(guī)格軋輥的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和實(shí)際測量數(shù)據(jù)以及差值數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊時(shí)還要分別建立一個(gè)公共的數(shù)據(jù)變量和對應(yīng)的公共數(shù)據(jù)塊，這樣S7軟件編程根據(jù)用戶測量前選擇的某一凸度規(guī)格的軋輥，將該軋輥對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊包括實(shí)際測量值、標(biāo)準(zhǔn)值、差值輸送到公共的變量和公共數(shù)據(jù)塊中以供上位機(jī)WINCC系統(tǒng)查詢歸檔顯示。再次，歸檔腳本的編輯，要考慮到一個(gè)輥形凸度測量完要將實(shí)際值、標(biāo)準(zhǔn)值、絕對值三個(gè)變量曲線停留在窗口不消失，供用戶查看和打印，則WINCC歸檔組態(tài)時(shí)要注意，其屬性可分為“連續(xù)歸檔”、“定時(shí)歸檔”、“事件觸發(fā)歸檔”這三類，這里需要選擇第三種歸檔方式，同時(shí)需要WINCC程序建立兩個(gè)啟和停的信號變量，通訊聯(lián)絡(luò)對應(yīng)PLC程序里的輥形測量動作的啟停和控制WINCC歸檔變量的啟停，這樣測量結(jié)束后的用于顯示歷史曲線的變量也即停止歸檔，完整的曲線圖形可以長時(shí)間停留在WINCC畫面窗口中，供操作手審看和打印操作。最后打印測量結(jié)果，為了便于存儲和管理，需編寫成打印屏幕為PDF文檔形式的腳本文件。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉鍇，周海.深入淺出西門子S7-300PLC［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

［2］蘇昆哲，何華.深入淺出西門子WINCC V6［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

［3］王前厚.西門子WINCC從入門到精通［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2017.

［4］姜建芳，曹瓊興，耿旭東，等.西門子WINCC組態(tài)軟件工程應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

［5］田淑清，周海燕，趙重敏，等.C語言程序設(shè)計(jì)［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［6］蔣秀英，張建成.SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.