MKZA84125轧辊磨床电控系统升级改造

王西成，戢 亮

(西南铝业有限责任公司，重庆 401326)

轧辊磨床是板带材轧制生产线的重要配套设备，用于将轧辊按要求磨削成各种曲线形状和不同的表面粗糙度，其加工精度直接影响轧制产品质量。辊面粗糙度均匀性和母线形状对轧制板形控制也有很大关系，所以为了满足对板形控制的工艺要求，轧辊辊面母线需按照不同工艺要求加工成所需的各种特殊高次方程曲线，有些在工作辊与支承辊的辊面母线之间还要按照一定要求实现耦合匹配，对磨削控制特别是曲线控制部分要求很高，加工难度大。为达到精度要求多数磨床曲线磨削控制都是使用专用位置控制单元(PCU)或数控机床(CNC)来实现，其特点是模块化编程，应用方便，但由于采用的专用模块在维护和功能升级改造时受制于平台，可操作性小，替代性差，且备件价格昂贵，后期维护成本高。本次改造中利用了S7-400PLC高速运算能力和等时总线功能，通过等时运算的方式实时计算砂轮位置实现轧辊磨削的曲线控制，取代PCU及CNC实现轧辊曲线磨削功能。

1 改造前磨床状况

我公司MKZA84125轧辊磨床是由险峰机床厂于上世纪90年代初设计制造的，由床身、头架、尾架、大拖板、磨架、托架、测量架及电气控制系统等组成，轧辊由头架、尾架和托架支撑，并由头架电机驱动旋转，数控系统依据设定的轧辊表面母线的曲线，控制头架、磨架、磨头作多轴复合运动，实现砂轮对辊面的磨削；担负着冷轧机工作辊、支承辊以及拉矫机列S辊的磨削任务，其磨削效率和磨削精度不仅关乎生产任务能否顺利完成，也是决定工厂产品轧制质量好坏的关键之一。

经过20多年的生产运行，测量部分损坏无法使用，元器件老化导致电气控制系统稳定性越来越差，设备故障率随之升高，已不能适应当前快速生产和高质量产品的要求，主要存在的问题有：

(1)CNC计算机系统故障频繁。CNC计算机系统是磨床的人机交互系统，用于辊形曲线的输入、编辑、存储、磨削曲线的显示以及完成相关操作等。系统基于DOS系统开发的，无法移植到当前主流工控机硬件平台运行，原计算机已经不能使用，目前靠淘来的一台二手计算机维持运行。即便做到了精心维护，但系统仍运行在极不稳定的状态下，磨削过程中频繁死机的现象已成常态。CNC计算机系统死机重新启动后，对磨削参数进行重新设定，轧辊磨削也需要从头开始，加速轧辊消耗并严重制约磨削效率的提高。

(2)伺服轴控制存在缺陷。中高控制轴(U轴)运行不稳定，在磨削过程中偶尔会突然进给造成啃辊，损伤主轴及轴瓦，给设备和轧辊带来很大损失，也是影响生产运行的重大安全隐患。

(3)控制核心部件无备件可更换。磨床控制的核心PLC、数字I/O板、模拟输入、位置调节板以及人机界面接口模块都是早期产品，备件组织非常困难。CNC计算机系统的主板、硬盘、数据采集卡、通讯板及电源板等，在市场上也无法购买到，完全依靠板卡的芯片级维修和极少量库存备件维持生产。

(4)导轨和驱动轴精度下降。该磨床已安装使用20多年，其主轴、导轨及各伺服系统精度都有所下降，基础精度的降低直接影响轧辊磨削的精度，无法满足当前工厂的高精产品战略发展要求。

(5)传动系统。原砂轮和头架采用的是直流电机传动，直流电机已多次送修，受电机线圈老化和磨床间高湿度影响故障率依然较高。

由于以上问题，造成该轧辊磨床设备故障频发，生产效率低下，不仅加大了维护人员的劳动强度，在加工精度上也不能满足当前工厂的发展要求，已成为影响企业综合生产能力的薄弱环节。为了提高加工精度、生产效率和自动化磨削程度，迫切需要对轧辊磨床电气控制系统进行彻底全面的升级改造。

2 升级改造方案

(1)原电气控制系统全部拆除，重新设计新的电控系统。用西门子S7-400PLC硬件平台作为主控系统替代原PLC控制系统及CNC系统，充分利用S7-400PLC高速度、高精度的控制特点，实现对复杂辊形的高精度磨削控制。

(2)砂轮和头架电机更换为西门子1PH8交流主轴电机，电机控制采用SIEMENS SINAMIC S120高速交流伺服传动。1PH8 系列电机是SIEMENS新一代电机，基于灵活的结构组件原理，具有高性能、高动态响应和高精度的特点；内装西门子Sine/Cos1Vpp，2048 S/R光电编码器，以检测电机转速和间接位置，其是专为与SINAMICS S120驱动系统配合使用而特别设计的，两者的有机配合能进一步发挥1PH8电机的优势。

(3)原西门子交流伺服装置(SIMODRIVE 611A)和交流伺服电动机(1FT5)拟保留，用以控制大拖板(Z轴) 、磨架(X轴) 和曲线磨削机构(U轴)3个伺服轴，位置检测元件仍沿用原有的光栅尺和编码器。

(4)采用主流配置的工控机硬件平台，软件系统采用SIEMENS WINCC程序重新设计操作界面；WINCC可以Windows 7及Windows XP系统下运行，并可进行升级支持更高操作系统。

(5)根据磨床功能和工艺性能的要求，重新对磨辊工艺程序进行编写；结合当前主流的伺服驱动系统、人机界面计算机等，形成一套高效稳定的自动控制系统。根据以上方案设计出MKZA84125磨床电控系统配置如图1所示。

3 电气控制系统设计

升级改造后的电气控制系统是以SIEMENS S7-400可编程控制器作为核心控制部件，5个ET200控制站，分别是3个ET200低速控制站和2个ET200高速工作站，两套S120传动控制系统，利用旧的一套611A伺服控制系统。硬件配置如图2所示。

S7-400PLC的412-2 DP CPU有一个DP接口和一个MPI/DP接口，可以根据信号采集的周期需求不同设置成不同传输速率，既满足数据采集频次要求又能减少PLC负担。本次设定DP为等时总线，MPI/DP为一般总线。等时总线用于U轴、Z轴、X轴编码器以及手摇盘编码器、磨架光栅尺的信号采集、611A伺服电机的控制装置状态信号采集、伺服电机控制等。一般总线主要完成开关及保护装置的状态监控，操作按钮、限位、压力等检测信号的采集，液压托瓦尾架头架信号采集和控制以及砂轮头架电机、辅助电机控制等。

人机交互系统主机采用研华工控机，操作系统采用最常用稳定性好的XP系统。人机操作界面基于西门子 WINCC 软件的基础上自行开发的，WINCC软件是SIMATIC全集成自动化的主要组成部分，能够确保与S7系列PLC连接的稳定性，采用SIEMENS WINCC组态编程软件作为设计HMI软件，实现工艺参数及控制实时数据的输入和采集，同时尽量遵循原有HMI系统的操作习惯。人机界面部分主要包括控制参数状态显示、控制参数传递、曲线编程、状态指示以及故障报警指示等功能。人机操作界面的字体为简体中文，系统具有自动诊断显示功能，用户能够通过诊断功能实现对磨床故障的判断和处理。

4 曲线磨削的实现

为满足板形控制要求，轧辊大多磨削成带有中凸、中凹或S型的表面母线形状。实际磨削时轧辊磨床砂轮的移动轨迹不是以曲线的实际形状去移动的，而是在Z轴和U轴方向上以若干条很短的直线段移动，最终形成的曲线实际就是由一段段的折线拼接而成。虽然是折线，但是如果每一段的线段都非常小(在精度允许范围内)，那么此段折线还是可以近似看成和实际形状相同的曲线。磨削前首先将轧辊按长度平均分成300(或者更多)段，数控系统根据中凸或中凹以及其他曲线方程计算出介于轧辊母线起点和终点之间的所有折线端点的坐标，如图3所示。

在轧辊磨削过程中数控系统根据拖板进给速度实时计算出每两点之间的坐标置，控制砂轮沿着计算出的直线点群来逼近，完成两点间的直线磨削，这种实时运算操作就是插补运算。为了实现精确控制，多数数控系统都是采用CNC或位置控制单元PCU来实现的，改造前的磨床是利用PCU来实现。

在西门子PLC运行周期中，有一种利用等距离DP总线循环周期、用户程序与DP总线周期的同步以及输入/输出数据到I/O模块以已确定的时间传送实现可再现的响应时间(即相同的时间长度)的等时线控制模式，它通过对DP总线循环周期的同步循环终端(OB61到OB64)处理用户程序的等时部分，然后通过DP从站的背板总线，将输入/输出数据根据已确定的时间间隔传送至I/O模块，然后切换至“终端”。在等时模式下，系统响应时间是完全相同的，当前所有自由运行的单个循环均实现同步，包括CPU中的用户程序、PROFIBUS子网上的DP循环、DP从站中的循环直至DP从站的I/O 模块中的循环。

在此次电控系统改造中就是利用S7-400总线等时控制模式实现了曲线磨削控制。利用等时模式在开始时并不需要将轧辊分成很多小段计算出各点坐标，再实时计算出两点之间的坐标点群用插补逼近的方式完成曲线磨削，而是利用等时模式的信号同时采集同时处理同时输出控制的特点，以拖板移动速度和等时时间间隔之积的长度将轧辊分成许多小段，磨削时PLC以拖板实际位置(Z轴)为基准，根据辊面母线曲线方程实施计算出砂轮(U轴)位置，控制砂轮沿计算出的坐标点移动，来达到曲线磨削控制的目的。以轧辊磨削长度1800mm，磨削速度300mm/min，同步循环终端程序循环时间6ms为例，每一周期内拖板移动距离0.03mm，相当于将轧辊分成60000段。这一数字远超插补法所运算的点数，同时等时模式下，每一循环周期间隔都是固定不变的，而PLC实际运行周期是有一定波动的，两者比较等时模式可以实现更精确控制的高速闭环。

5 实施效果

MKZA84125轧辊磨床电控系统进行改造后，其磨削精度、效率和系统稳定性都有了明显提高。从运行情况来看，试运行期间(90d)共磨削胶辊42根、普辊630根、PS辊108根，未出现电气控制系统故障。

此次轧辊磨床改造是我们的一次大胆尝试，突破了以往磨床系统改造都是由专业厂家采用专门控制系统来做的模式。通过不断摸索深入了解轧辊磨削过程，自己动手去做数控磨床的控制系统，结合磨削工艺建立轧辊表面曲线的数学模型，利用西门子等时模式实现了对磨床多轴复合运动控制。同时也简化了以往操作中繁杂的步骤，可以随时根据需要进行修正，使其更符合操作人员习惯，既方便操作也有利于生产效率的提高。