軋輥是軋鋼廠重要生產(chǎn)工具，在軋制一段時(shí)間后，輥身表面出現(xiàn)磨損、龜裂，需要進(jìn)行修磨，以保證軋制產(chǎn)品的質(zhì)量。高精鋁板帶軋制過程中軋輥直接與帶材表面接觸，磨輥的質(zhì)量直接影響著整體熱軋生產(chǎn)線的最終產(chǎn)品質(zhì)量。所以，軋輥磨床則是保證軋輥修磨質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備。

　　河南某鋼鐵公司購置了一臺(tái)二手軋輥磨床，該機(jī)床為原東德 1978 年生產(chǎn)的 SAXW1400 型外圓磨床，最大磨削直徑 1 400mm，最小磨削直徑 350mm，中心高 850mm，中心架支撐重量 50 噸，頂尖支撐重量14 噸，頂尖距 8 800mm，最大砂輪外徑 750mm，內(nèi)徑 305mm，砂輪寬度 75mm，總功率約 65kW。電氣系統(tǒng)已經(jīng)缺失，機(jī)械部件基本完好。

　　用戶要求砂輪轉(zhuǎn)速 450-900rpm，工件轉(zhuǎn)速 2.8-29rpm，拖板移動(dòng)速度 34-1 600mm/min。針對(duì)軋輥磨削工藝和機(jī)械部分的性能，重新設(shè)計(jì)了 SAXW1400 軋輥磨床電氣控制系統(tǒng)，經(jīng)運(yùn)行證明可以滿足性能要求。

一、控制系統(tǒng)的組成

　　2008 年，有學(xué)者針對(duì) M7475 立軸平面磨床傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的不足之處，用 PLC 程序替換繼電器接觸器控制線路對(duì)其進(jìn)行了技術(shù)改造，結(jié)果是保持磨床原操作方式不變,降低了故障檢修的難度，提高了可靠性，用戶使用方便。本文吸收了其研究成果，圖 1 給出了電氣控制系統(tǒng)的組成框圖。

圖 1 磨床電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)框圖

　　新的 SAXW1400 軋輥磨床電氣控制系統(tǒng)的核心是兩臺(tái)西門子公司的 S7-200 可編程控制器（PLC），它們之間的信息傳遞采用了 PPI 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊方式。其中一臺(tái) PLC （CPU224XP）作為主控制器控制兩臺(tái)西門子 MM440 通用型變頻器，分別為磨床砂輪主軸、工件主軸的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)供電。PLC 與變頻器之間通訊采用了西門子公司的 USS 通訊方式。拖板移動(dòng)采用西班牙法格公司的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、特性好、在低速時(shí)能保證電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出的交流伺服電機(jī)拖動(dòng)。主 PLC（CPU224XP）上集成了一個(gè)模擬量輸出口，輸出的0-10V 模擬信號(hào)作為拖板移動(dòng)電機(jī)的速度給定信號(hào)以控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。輔助 PLC（CPU224）接一臺(tái)西門子公司的文本顯示器 TD-200，放置在機(jī)床的操作面板上，用來進(jìn)行自動(dòng)往返功能的數(shù)據(jù)設(shè)定，并顯示機(jī)床的運(yùn)行與故障信息。利用 S7-200 的高速計(jì)數(shù)功能，由輔助 PLC 采集由一臺(tái)歐姆龍公司的 600 線光電編碼器送出的拖板移動(dòng)行程數(shù)據(jù)，與設(shè)定的位置給定信號(hào)相比較。當(dāng)拖板移動(dòng)位置數(shù)據(jù)和設(shè)定值相等時(shí)，利用中斷程序?qū)崿F(xiàn)停車、延時(shí)、進(jìn)刀、換向等自動(dòng)往返功能的動(dòng)作控制。

　　改造完成后的軋輥磨床有 3 個(gè)主運(yùn)動(dòng)：第一，砂輪主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，調(diào)速比 1：2，砂輪最高轉(zhuǎn)速 900rpm；第二，工件主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，調(diào)速比 1：12，工件最高轉(zhuǎn)速 30rpm；第三，拖板的移動(dòng)，調(diào)速比 1：50，最高速度 1 700mm/min。機(jī)床性能良好，滿足軋輥磨削的要求。

二、硬件的配置

　　系統(tǒng)主要硬件選型如表 1。

表 1 控制系統(tǒng)的主要硬件選型

三、采用的特殊處理方法

　　現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試過程中使用的特殊解決方案做簡要說明：

　　1.模塊化的程序設(shè)計(jì)

　　機(jī)床的程序設(shè)計(jì)采用了模塊化編程的方法。在系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)過程中將整個(gè)機(jī)床的動(dòng)作分解成幾個(gè)局部動(dòng)作來處理，每一個(gè)動(dòng)作的編程難度減小，程序條理清楚，縮短了程序代碼長度，可以更好地組織程序結(jié)構(gòu)，便于程序的閱讀和調(diào)試，為整機(jī)的調(diào)試和今后的維護(hù)工作，節(jié)省了時(shí)間。主站、從站包含的子程序模塊如表 2。

表 2 電氣控制系統(tǒng)中的子程序模塊

　　2.通訊的應(yīng)用

　　由于機(jī)床上的操縱按鈕、限位開關(guān)、壓力接點(diǎn)、儀表、指示燈以及新增加的計(jì)量拖板移動(dòng)距離的光電編碼器都設(shè)置在拖板上，按常規(guī)設(shè)計(jì)應(yīng)將這些信號(hào)通過敷設(shè)在坦克鏈（拖鏈）內(nèi)的導(dǎo)線、電纜引入到

　　控制柜內(nèi)。這樣以來，坦克鏈內(nèi)的線路就會(huì)比較多。因?yàn)闄C(jī)床在工作時(shí)，拖板在不停地運(yùn)動(dòng)，這樣會(huì)造成發(fā)生故障機(jī)率的增多。S7-200 PLC 提供了一種簡易點(diǎn)對(duì)點(diǎn) PPI 通訊，通過一對(duì)雙絞線，使兩臺(tái) PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，傳輸速率達(dá)到 187.5kbit/s，能夠滿足機(jī)床操作的實(shí)時(shí)性要求。采用 S7-200 的編程軟件Step7-Micro/WIN32 中提供的軟件工具，可以快捷地生成子程序，來建立 PPI 通訊。根據(jù)機(jī)床情況，設(shè)計(jì)時(shí)將電柜內(nèi)的 CPU224XP 設(shè)為通訊主站，負(fù)責(zé)將從站 CPU224 的數(shù)據(jù)讀到主站相應(yīng)存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)。根據(jù)讀到的數(shù)據(jù)，主站 PLC 做出相應(yīng)的邏輯運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果寫到從站 S7-200 CPU224 的相應(yīng)存儲(chǔ)區(qū)。另外，西門子 PLC 提供一種基于 RS485 方式的、與西門子驅(qū)動(dòng)裝置之間的簡易通訊協(xié)議 USS。設(shè)計(jì)時(shí)，將 PLC 主站 CPU224XP 的 port0 通訊口和兩臺(tái)西門子 MM440 變頻器之間構(gòu)成 USS 通訊。PLC 主站向變頻器傳送控制命令，同時(shí)讀取變頻器內(nèi)電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并通過 Port1 通訊口的 PPI 通訊寫到從站的相應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)，在連接到從站的文本顯示器 TD-200 上顯示電機(jī)運(yùn)行的數(shù)據(jù)，供操作者監(jiān)視機(jī)床的運(yùn)行情況。同樣，西門子的編程軟件 Step7-Micro/WIN32 提供了一個(gè) USS 子程序庫，可供 USS 通信用，只需在變頻器上簡單設(shè)置即可。

　　由于通訊的使用，使機(jī)床的連線簡單，現(xiàn)場(chǎng)施工、維護(hù)的工作量減少，控制的靈活性增強(qiáng)。加上文本顯示器的應(yīng)用，把機(jī)床的故障信息直接顯示在屏幕上，減少了維修查找故障的時(shí)間，提高了工作效率，減少了機(jī)床停機(jī)時(shí)間，使生產(chǎn)效率大大提高。

　　3.高速計(jì)數(shù)器的使用

　　由于軋輥磨床定長自動(dòng)往返磨削的功能要求，設(shè)計(jì)采用了在拖板傳動(dòng)蝸桿端部安裝光電編碼器，用光電編碼器脈沖數(shù)來計(jì)量拖板移動(dòng)行程的方案。S7-200CPU 的 I1、I2、I3、I4 數(shù)字量輸入端可以作為高速計(jì)數(shù)器的輸入點(diǎn)，來采集光電編碼器產(chǎn)生的脈沖。通過對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)，得到拖板移動(dòng)的距離數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過程序來控制拖板的起動(dòng)、停止和自動(dòng)換向。在本系統(tǒng)中，采用了 I1、I2、I3 三個(gè)輸入點(diǎn)，其中 I1、I2 為編碼器的 A、B 相脈沖輸入。I3 是由程序控制的一個(gè)輸出點(diǎn)引入的外部復(fù)位。

　　和 PPI、USS 通訊一樣，Step7-Micro/WIN32 編程軟件提供了一個(gè)輔助工具來創(chuàng)建高速計(jì)數(shù)器的子程序。在使用中，版本 4.0 的編程軟件提供的高速計(jì)數(shù)器 HSC 指令向?qū)е写嬖谝粋€(gè) BUG，即：高速計(jì)數(shù)器HSC0、HSC1 在設(shè)置成模式 10 時(shí)，脈沖倍率默認(rèn)設(shè)置是 4X，不能修改。如果不用 HSC 指令向?qū)В孕袆?chuàng)建高速計(jì)數(shù)器子程序時(shí)，則可以設(shè)成 2X。倍率高低關(guān)系到計(jì)數(shù)器的分辨率，如果設(shè)得較高，在拖板移動(dòng)快時(shí)，會(huì)使得計(jì)數(shù)脈沖輸入過快，CPU 無法識(shí)別頻率過高的脈沖，于是會(huì)發(fā)生丟脈沖的現(xiàn)象，造成拖板移動(dòng)位置計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確。由于光電編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)固定，無法更改，現(xiàn)場(chǎng)條件不允許更換低脈沖數(shù)的編碼器，所以在調(diào)試時(shí)，自行編制了高速計(jì)數(shù)器的子程序，解決了這個(gè)問題。

　　由于采用光電編碼器來計(jì)量拖板移動(dòng)距離，使得軋輥磨床定長自動(dòng)往返磨削的功能得以精確地實(shí)現(xiàn)，避免了早期常規(guī)設(shè)計(jì)中使用機(jī)械齒輪加上限位開關(guān)來實(shí)現(xiàn)定長自動(dòng)往返磨削功能的磨削長度不準(zhǔn)、限位開關(guān)易損壞、往返次數(shù)無法設(shè)定等問題。如果操作者在文本顯示器上設(shè)置完自動(dòng)往返磨削的長度、次數(shù)、延時(shí)時(shí)間、磨架自動(dòng)進(jìn)給方式等數(shù)據(jù)后，機(jī)床可以自動(dòng)完成設(shè)定的工作，這樣就減輕了操作者勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了操作時(shí)間，提高了磨削效率。

　　4.變頻器的干擾問題

　　在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于采用了變頻器驅(qū)動(dòng)砂輪、工件電機(jī)，PPI 通訊不太穩(wěn)定，偶爾會(huì)出現(xiàn)通訊中斷，拖板、工件、砂輪不受控制等情況。經(jīng)過一段時(shí)間的摸索、試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)將 MM440 的載波頻率值由默認(rèn)值降到最低，可以解決這個(gè)問題。但由于有布線方式和線路長度等現(xiàn)場(chǎng)情況的不同，這種方法不一定適合在其他場(chǎng)合使用。所以，最保險(xiǎn)的做法是按照西門子公司《西門子自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品選型、EMC 規(guī)則以及安裝規(guī)范》一書中的要求，采用西門子原裝屏蔽電纜，做好線路的屏蔽。

四、應(yīng)用效果

　　該系統(tǒng)自 2005 年 9 月調(diào)試完成后，至今運(yùn)行情況良好，未出現(xiàn)任何問題。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是合理的，實(shí)現(xiàn)了用戶要求的功能，具有預(yù)期的性能指標(biāo)，為用戶的生產(chǎn)提供了有力的支持，效果十分理想。