MKZA84125軋輥磨床電控系統(tǒng)升級改造

王西成，戢 亮

(西南鋁業(yè)有限責任公司，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)控機床(CNC)來實現(xiàn)，其特點是模塊化編程，應用方便，但由于采用的專用模塊在維護和功能升級改造時受制于平臺，可操作性小，替代性差，且備件價格昂貴，后期維護成本高。本次改造中利用了S7-400PLC高速運算能力和等時總線功能，通過等時運算的方式實時計算砂輪位置實現(xiàn)軋輥磨削的曲線控制，取代PCU及CNC實現(xiàn)軋輥曲線磨削功能。

1 改造前磨床狀況

我公司MKZA84125軋輥磨床是由險峰機床廠于上世紀90年代初設計制造的，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，并由頭架電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，數(shù)控系統(tǒng)依據(jù)設定的軋輥表面母線的曲線，控制頭架、磨架、磨頭作多軸復合運動，實現(xiàn)砂輪對輥面的磨削；擔負著冷軋機工作輥、支承輥以及拉矯機列S輥的磨削任務，其磨削效率和磨削精度不僅關乎生產(chǎn)任務能否順利完成，也是決定工廠產(chǎn)品軋制質(zhì)量好壞的關鍵之一。

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

(1)CNC計算機系統(tǒng)故障頻繁。CNC計算機系統(tǒng)是磨床的人機交互系統(tǒng)，用于輥形曲線的輸入、編輯、存儲、磨削曲線的顯示以及完成相關操作等。系統(tǒng)基于DOS系統(tǒng)開發(fā)的，無法移植到當前主流工控機硬件平臺運行，原計算機已經(jīng)不能使用，目前靠淘來的一臺二手計算機維持運行。即便做到了精心維護，但系統(tǒng)仍運行在極不穩(wěn)定的狀態(tài)下，磨削過程中頻繁死機的現(xiàn)象已成常態(tài)。CNC計算機系統(tǒng)死機重新啟動后，對磨削參數(shù)進行重新設定，軋輥磨削也需要從頭開始，加速軋輥消耗并嚴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)運行不穩(wěn)定，在磨削過程中偶爾會突然進給造成啃輥，損傷主軸及軸瓦，給設備和軋輥帶來很大損失，也是影響生產(chǎn)運行的重大安全隱患。

(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)板以及人機界面接口模塊都是早期產(chǎn)品，備件組織非常困難。CNC計算機系統(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)導軌和驅(qū)動軸精度下降。該磨床已安裝使用20多年，其主軸、導軌及各伺服系統(tǒng)精度都有所下降，基礎精度的降低直接影響軋輥磨削的精度，無法滿足當前工廠的高精產(chǎn)品戰(zhàn)略發(fā)展要求。

(5)傳動系統(tǒng)。原砂輪和頭架采用的是直流電機傳動，直流電機已多次送修，受電機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，造成該軋輥磨床設備故障頻發(fā)，生產(chǎn)效率低下，不僅加大了維護人員的勞動強度，在加工精度上也不能滿足當前工廠的發(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)效率和自動化磨削程度，迫切需要對軋輥磨床電氣控制系統(tǒng)進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，重新設計新的電控系統(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，實現(xiàn)對復雜輥形的高精度磨削控制。

(2)砂輪和頭架電機更換為西門子1PH8交流主軸電機，電機控制采用SIEMENS SINAMIC S120高速交流伺服傳動。1PH8 系列電機是SIEMENS新一代電機，基于靈活的結(jié)構組件原理，具有高性能、高動態(tài)響應和高精度的特點；內(nèi)裝西門子Sine/Cos1Vpp，2048 S/R光電編碼器，以檢測電機轉(zhuǎn)速和間接位置，其是專為與SINAMICS S120驅(qū)動系統(tǒng)配合使用而特別設計的，兩者的有機配合能進一步發(fā)揮1PH8電機的優(yōu)勢。

(3)原西門子交流伺服裝置(SIMODRIVE 611A)和交流伺服電動機(1FT5)擬保留，用以控制大拖板(Z軸) 、磨架(X軸) 和曲線磨削機構(U軸)3個伺服軸，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硬件平臺，軟件系統(tǒng)采用SIEMENS WINCC程序重新設計操作界面；WINCC可以Windows 7及Windows XP系統(tǒng)下運行，并可進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行編寫；結(jié)合當前主流的伺服驅(qū)動系統(tǒng)、人機界面計算機等，形成一套高效穩(wěn)定的自動控制系統(tǒng)。根據(jù)以上方案設計出MKZA84125磨床電控系統(tǒng)配置如圖1所示。

3 電氣控制系統(tǒng)設計

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ET200控制站，分別是3個ET200低速控制站和2個ET200高速工作站，兩套S120傳動控制系統(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DP接口和一個MPI/DP接口，可以根據(jù)信號采集的周期需求不同設置成不同傳輸速率，既滿足數(shù)據(jù)采集頻次要求又能減少PLC負擔。本次設定DP為等時總線，MPI/DP為一般總線。等時總線用于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伺服電機的控制裝置狀態(tài)信號采集、伺服電機控制等。一般總線主要完成開關及保護裝置的狀態(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、輔助電機控制等。

人機交互系統(tǒng)主機采用研華工控機，操作系統(tǒng)采用最常用穩(wěn)定性好的XP系統(tǒng)。人機操作界面基于西門子 WINCC 軟件的基礎上自行開發(fā)的，WINCC軟件是SIMATIC全集成自動化的主要組成部分，能夠確保與S7系列PLC連接的穩(wěn)定性，采用SIEMENS WINCC組態(tài)編程軟件作為設計HMI軟件，實現(xiàn)工藝參數(shù)及控制實時數(shù)據(jù)的輸入和采集，同時盡量遵循原有HMI系統(tǒng)的操作習慣。人機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)指示以及故障報警指示等功能。人機操作界面的字體為簡體中文，系統(tǒng)具有自動診斷顯示功能，用戶能夠通過診斷功能實現(xiàn)對磨床故障的判斷和處理。

4 曲線磨削的實現(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。實際磨削時軋輥磨床砂輪的移動軌跡不是以曲線的實際形狀去移動的，而是在Z軸和U軸方向上以若干條很短的直線段移動，最終形成的曲線實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算出介于軋輥母線起點和終點之間的所有折線端點的坐標，如圖3所示。

在軋輥磨削過程中數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)拖板進給速度實時計算出每兩點之間的坐標置，控制砂輪沿著計算出的直線點群來逼近，完成兩點間的直線磨削，這種實時運算操作就是插補運算。為了實現(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來實現(xiàn)的，改造前的磨床是利用PCU來實現(xiàn)。

在西門子PLC運行周期中，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模塊以已確定的時間傳送實現(xiàn)可再現(xiàn)的響應時間(即相同的時間長度)的等時線控制模式，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)已確定的時間間隔傳送至I/O模塊，然后切換至“終端”。在等時模式下，系統(tǒng)響應時間是完全相同的，當前所有自由運行的單個循環(huán)均實現(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總線等時控制模式實現(xiàn)了曲線磨削控制。利用等時模式在開始時并不需要將軋輥分成很多小段計算出各點坐標，再實時計算出兩點之間的坐標點群用插補逼近的方式完成曲線磨削，而是利用等時模式的信號同時采集同時處理同時輸出控制的特點，以拖板移動速度和等時時間間隔之積的長度將軋輥分成許多小段，磨削時PLC以拖板實際位置(Z軸)為基準，根據(jù)輥面母線曲線方程實施計算出砂輪(U軸)位置，控制砂輪沿計算出的坐標點移動，來達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)時間6ms為例，每一周期內(nèi)拖板移動距離0.03mm，相當于將軋輥分成60000段。這一數(shù)字遠超插補法所運算的點數(shù)，同時等時模式下，每一循環(huán)周期間隔都是固定不變的，而PLC實際運行周期是有一定波動的，兩者比較等時模式可以實現(xiàn)更精確控制的高速閉環(huán)。

5 實施效果

MKZA84125軋輥磨床電控系統(tǒng)進行改造后，其磨削精度、效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性都有了明顯提高。從運行情況來看，試運行期間(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)學模型，利用西門子等時模式實現(xiàn)了對磨床多軸復合運動控制。同時也簡化了以往操作中繁雜的步驟，可以隨時根據(jù)需要進行修正，使其更符合操作人員習慣，既方便操作也有利于生產(chǎn)效率的提高。