王西成，戢 亮

(西南鋁業(yè)有限責(zé)任公司，重慶 401326)

軋輥磨床是板帶材軋制生產(chǎn)線的重要配套設(shè)備，用于將軋輥按要求磨削成各種曲線形狀和不同的表面粗糙度，其加工精度直接影響軋制產(chǎn)品質(zhì)量。輥面粗糙度均勻性和母線形狀對軋制板形控制也有很大關(guān)系，所以為了滿足對板形控制的工藝要求，軋輥輥面母線需按照不同工藝要求加工成所需的各種特殊高次方程曲線，有些在工作輥與支承輥的輥面母線之間還要按照一定要求實(shí)現(xiàn)耦合匹配，對磨削控制特別是曲線控制部分要求很高，加工難度大。為達(dá)到精度要求多數(shù)磨床曲線磨削控制都是使用專用位置控制單元(PCU)或數(shù)控機(jī)床(CNC)來實(shí)現(xiàn)，其特點(diǎn)是模塊化編程，應(yīng)用方便，但由于采用的專用模塊在維護(hù)和功能升級改造時(shí)受制于平臺，可操作性小，替代性差，且備件價(jià)格昂貴，后期維護(hù)成本高。本次改造中利用了S7-400PLC高速運(yùn)算能力和等時(shí)總線功能，通過等時(shí)運(yùn)算的方式實(shí)時(shí)計(jì)算砂輪位置實(shí)現(xiàn)軋輥磨削的曲線控制，取代PCU及CNC實(shí)現(xiàn)軋輥曲線磨削功能。

1 改造前磨床狀況

我公司MKZA84125軋輥磨床是由險(xiǎn)峰機(jī)床廠于上世紀(jì)90年代初設(shè)計(jì)制造的，由床身、頭架、尾架、大拖板、磨架、托架、測量架及電氣控制系統(tǒng)等組成，軋輥由頭架、尾架和托架支撐，并由頭架電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，數(shù)控系統(tǒng)依據(jù)設(shè)定的軋輥表面母線的曲線，控制頭架、磨架、磨頭作多軸復(fù)合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)砂輪對輥面的磨削；擔(dān)負(fù)著冷軋機(jī)工作輥、支承輥以及拉矯機(jī)列S輥的磨削任務(wù)，其磨削效率和磨削精度不僅關(guān)乎生產(chǎn)任務(wù)能否順利完成，也是決定工廠產(chǎn)品軋制質(zhì)量好壞的關(guān)鍵之一。

經(jīng)過20多年的生產(chǎn)運(yùn)行，測量部分損壞無法使用，元器件老化導(dǎo)致電氣控制系統(tǒng)穩(wěn)定性越來越差，設(shè)備故障率隨之升高，已不能適應(yīng)當(dāng)前快速生產(chǎn)和高質(zhì)量產(chǎn)品的要求，主要存在的問題有：

(1)CNC計(jì)算機(jī)系統(tǒng)故障頻繁。CNC計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是磨床的人機(jī)交互系統(tǒng)，用于輥形曲線的輸入、編輯、存儲(chǔ)、磨削曲線的顯示以及完成相關(guān)操作等。系統(tǒng)基于DOS系統(tǒng)開發(fā)的，無法移植到當(dāng)前主流工控機(jī)硬件平臺運(yùn)行，原計(jì)算機(jī)已經(jīng)不能使用，目前靠淘來的一臺二手計(jì)算機(jī)維持運(yùn)行。即便做到了精心維護(hù)，但系統(tǒng)仍運(yùn)行在極不穩(wěn)定的狀態(tài)下，磨削過程中頻繁死機(jī)的現(xiàn)象已成常態(tài)。CNC計(jì)算機(jī)系統(tǒng)死機(jī)重新啟動(dòng)后，對磨削參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)定，軋輥磨削也需要從頭開始，加速軋輥消耗并嚴(yán)重制約磨削效率的提高。

(2)伺服軸控制存在缺陷。中高控制軸(U軸)運(yùn)行不穩(wěn)定，在磨削過程中偶爾會(huì)突然進(jìn)給造成啃輥，損傷主軸及軸瓦，給設(shè)備和軋輥帶來很大損失，也是影響生產(chǎn)運(yùn)行的重大安全隱患。

(3)控制核心部件無備件可更換。磨床控制的核心PLC、數(shù)字I/O板、模擬輸入、位置調(diào)節(jié)板以及人機(jī)界面接口模塊都是早期產(chǎn)品，備件組織非常困難。CNC計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主板、硬盤、數(shù)據(jù)采集卡、通訊板及電源板等，在市場上也無法購買到，完全依靠板卡的芯片級維修和極少量庫存?zhèn)浼S持生產(chǎn)。

(4)導(dǎo)軌和驅(qū)動(dòng)軸精度下降。該磨床已安裝使用20多年，其主軸、導(dǎo)軌及各伺服系統(tǒng)精度都有所下降，基礎(chǔ)精度的降低直接影響軋輥磨削的精度，無法滿足當(dāng)前工廠的高精產(chǎn)品戰(zhàn)略發(fā)展要求。

(5)傳動(dòng)系統(tǒng)。原砂輪和頭架采用的是直流電機(jī)傳動(dòng)，直流電機(jī)已多次送修，受電機(jī)線圈老化和磨床間高濕度影響故障率依然較高。

由于以上問題，造成該軋輥磨床設(shè)備故障頻發(fā)，生產(chǎn)效率低下，不僅加大了維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，在加工精度上也不能滿足當(dāng)前工廠的發(fā)展要求，已成為影響企業(yè)綜合生產(chǎn)能力的薄弱環(huán)節(jié)。為了提高加工精度、生產(chǎn)效率和自動(dòng)化磨削程度，迫切需要對軋輥磨床電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行徹底全面的升級改造。

2 升級改造方案

(1)原電氣控制系統(tǒng)全部拆除，重新設(shè)計(jì)新的電控系統(tǒng)。用西門子S7-400PLC硬件平臺作為主控系統(tǒng)替代原PLC控制系統(tǒng)及CNC系統(tǒng)，充分利用S7-400PLC高速度、高精度的控制特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜輥形的高精度磨削控制。

(2)砂輪和頭架電機(jī)更換為西門子1PH8交流主軸電機(jī)，電機(jī)控制采用SIEMENS SINAMIC S120高速交流伺服傳動(dòng)。1PH8 系列電機(jī)是SIEMENS新一代電機(jī)，基于靈活的結(jié)構(gòu)組件原理，具有高性能、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)和高精度的特點(diǎn)；內(nèi)裝西門子Sine/Cos1Vpp，2048 S/R光電編碼器，以檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速和間接位置，其是專為與SINAMICS S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配合使用而特別設(shè)計(jì)的，兩者的有機(jī)配合能進(jìn)一步發(fā)揮1PH8電機(jī)的優(yōu)勢。

(3)原西門子交流伺服裝置(SIMODRIVE 611A)和交流伺服電動(dòng)機(jī)(1FT5)擬保留，用以控制大拖板(Z軸) 、磨架(X軸) 和曲線磨削機(jī)構(gòu)(U軸)3個(gè)伺服軸，位置檢測元件仍沿用原有的光柵尺和編碼器。

(4)采用主流配置的工控機(jī)硬件平臺，軟件系統(tǒng)采用SIEMENS WINCC程序重新設(shè)計(jì)操作界面；WINCC可以Windows 7及Windows XP系統(tǒng)下運(yùn)行，并可進(jìn)行升級支持更高操作系統(tǒng)。

(5)根據(jù)磨床功能和工藝性能的要求，重新對磨輥工藝程序進(jìn)行編寫；結(jié)合當(dāng)前主流的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、人機(jī)界面計(jì)算機(jī)等，形成一套高效穩(wěn)定的自動(dòng)控制系統(tǒng)。根據(jù)以上方案設(shè)計(jì)出MKZA84125磨床電控系統(tǒng)配置如圖1所示。

3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

升級改造后的電氣控制系統(tǒng)是以SIEMENS S7-400可編程控制器作為核心控制部件，5個(gè)ET200控制站，分別是3個(gè)ET200低速控制站和2個(gè)ET200高速工作站，兩套S120傳動(dòng)控制系統(tǒng)，利用舊的一套611A伺服控制系統(tǒng)。硬件配置如圖2所示。

S7-400PLC的412-2 DP CPU有一個(gè)DP接口和一個(gè)MPI/DP接口，可以根據(jù)信號采集的周期需求不同設(shè)置成不同傳輸速率，既滿足數(shù)據(jù)采集頻次要求又能減少PLC負(fù)擔(dān)。本次設(shè)定DP為等時(shí)總線，MPI/DP為一般總線。等時(shí)總線用于U軸、Z軸、X軸編碼器以及手搖盤編碼器、磨架光柵尺的信號采集、611A伺服電機(jī)的控制裝置狀態(tài)信號采集、伺服電機(jī)控制等。一般總線主要完成開關(guān)及保護(hù)裝置的狀態(tài)監(jiān)控，操作按鈕、限位、壓力等檢測信號的采集，液壓托瓦尾架頭架信號采集和控制以及砂輪頭架電機(jī)、輔助電機(jī)控制等。

人機(jī)交互系統(tǒng)主機(jī)采用研華工控機(jī)，操作系統(tǒng)采用最常用穩(wěn)定性好的XP系統(tǒng)。人機(jī)操作界面基于西門子 WINCC 軟件的基礎(chǔ)上自行開發(fā)的，WINCC軟件是SIMATIC全集成自動(dòng)化的主要組成部分，能夠確保與S7系列PLC連接的穩(wěn)定性，采用SIEMENS WINCC組態(tài)編程軟件作為設(shè)計(jì)HMI軟件，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)及控制實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的輸入和采集，同時(shí)盡量遵循原有HMI系統(tǒng)的操作習(xí)慣。人機(jī)界面部分主要包括控制參數(shù)狀態(tài)顯示、控制參數(shù)傳遞、曲線編程、狀態(tài)指示以及故障報(bào)警指示等功能。人機(jī)操作界面的字體為簡體中文，系統(tǒng)具有自動(dòng)診斷顯示功能，用戶能夠通過診斷功能實(shí)現(xiàn)對磨床故障的判斷和處理。

4 曲線磨削的實(shí)現(xiàn)

為滿足板形控制要求，軋輥大多磨削成帶有中凸、中凹或S型的表面母線形狀。實(shí)際磨削時(shí)軋輥磨床砂輪的移動(dòng)軌跡不是以曲線的實(shí)際形狀去移動(dòng)的，而是在Z軸和U軸方向上以若干條很短的直線段移動(dòng)，最終形成的曲線實(shí)際就是由一段段的折線拼接而成。雖然是折線，但是如果每一段的線段都非常小(在精度允許范圍內(nèi))，那么此段折線還是可以近似看成和實(shí)際形狀相同的曲線。磨削前首先將軋輥按長度平均分成300(或者更多)段，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)中凸或中凹以及其他曲線方程計(jì)算出介于軋輥母線起點(diǎn)和終點(diǎn)之間的所有折線端點(diǎn)的坐標(biāo)，如圖3所示。

在軋輥磨削過程中數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)拖板進(jìn)給速度實(shí)時(shí)計(jì)算出每兩點(diǎn)之間的坐標(biāo)置，控制砂輪沿著計(jì)算出的直線點(diǎn)群來逼近，完成兩點(diǎn)間的直線磨削，這種實(shí)時(shí)運(yùn)算操作就是插補(bǔ)運(yùn)算。為了實(shí)現(xiàn)精確控制，多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)都是采用CNC或位置控制單元PCU來實(shí)現(xiàn)的，改造前的磨床是利用PCU來實(shí)現(xiàn)。

在西門子PLC運(yùn)行周期中，有一種利用等距離DP總線循環(huán)周期、用戶程序與DP總線周期的同步以及輸入/輸出數(shù)據(jù)到I/O模塊以已確定的時(shí)間傳送實(shí)現(xiàn)可再現(xiàn)的響應(yīng)時(shí)間(即相同的時(shí)間長度)的等時(shí)線控制模式，它通過對DP總線循環(huán)周期的同步循環(huán)終端(OB61到OB64)處理用戶程序的等時(shí)部分，然后通過DP從站的背板總線，將輸入/輸出數(shù)據(jù)根據(jù)已確定的時(shí)間間隔傳送至I/O模塊，然后切換至“終端”。在等時(shí)模式下，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間是完全相同的，當(dāng)前所有自由運(yùn)行的單個(gè)循環(huán)均實(shí)現(xiàn)同步，包括CPU中的用戶程序、PROFIBUS子網(wǎng)上的DP循環(huán)、DP從站中的循環(huán)直至DP從站的I/O 模塊中的循環(huán)。

在此次電控系統(tǒng)改造中就是利用S7-400總線等時(shí)控制模式實(shí)現(xiàn)了曲線磨削控制。利用等時(shí)模式在開始時(shí)并不需要將軋輥分成很多小段計(jì)算出各點(diǎn)坐標(biāo)，再實(shí)時(shí)計(jì)算出兩點(diǎn)之間的坐標(biāo)點(diǎn)群用插補(bǔ)逼近的方式完成曲線磨削，而是利用等時(shí)模式的信號同時(shí)采集同時(shí)處理同時(shí)輸出控制的特點(diǎn)，以拖板移動(dòng)速度和等時(shí)時(shí)間間隔之積的長度將軋輥分成許多小段，磨削時(shí)PLC以拖板實(shí)際位置(Z軸)為基準(zhǔn)，根據(jù)輥面母線曲線方程實(shí)施計(jì)算出砂輪(U軸)位置，控制砂輪沿計(jì)算出的坐標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)，來達(dá)到曲線磨削控制的目的。以軋輥磨削長度1800mm，磨削速度300mm/min，同步循環(huán)終端程序循環(huán)時(shí)間6ms為例，每一周期內(nèi)拖板移動(dòng)距離0.03mm，相當(dāng)于將軋輥分成60000段。這一數(shù)字遠(yuǎn)超插補(bǔ)法所運(yùn)算的點(diǎn)數(shù)，同時(shí)等時(shí)模式下，每一循環(huán)周期間隔都是固定不變的，而PLC實(shí)際運(yùn)行周期是有一定波動(dòng)的，兩者比較等時(shí)模式可以實(shí)現(xiàn)更精確控制的高速閉環(huán)。

5 實(shí)施效果

MKZA84125軋輥磨床電控系統(tǒng)進(jìn)行改造后，其磨削精度、效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性都有了明顯提高。從運(yùn)行情況來看，試運(yùn)行期間(90d)共磨削膠輥42根、普輥630根、PS輥108根，未出現(xiàn)電氣控制系統(tǒng)故障。

此次軋輥磨床改造是我們的一次大膽嘗試，突破了以往磨床系統(tǒng)改造都是由專業(yè)廠家采用專門控制系統(tǒng)來做的模式。通過不斷摸索深入了解軋輥磨削過程，自己動(dòng)手去做數(shù)控磨床的控制系統(tǒng)，結(jié)合磨削工藝建立軋輥表面曲線的數(shù)學(xué)模型，利用西門子等時(shí)模式實(shí)現(xiàn)了對磨床多軸復(fù)合運(yùn)動(dòng)控制。同時(shí)也簡化了以往操作中繁雜的步驟，可以隨時(shí)根據(jù)需要進(jìn)行修正，使其更符合操作人員習(xí)慣，既方便操作也有利于生產(chǎn)效率的提高。