基于 PLC 的轧辊磨床电气自动控制系统

轧辊是轧钢厂重要生产工具，在轧制一段时间后，辊身表面出现磨损、龟裂，需要进行修磨，以保证轧制产品的质量。高精铝板带轧制过程中轧辊直接与带材表面接触，磨辊的质量直接影响着整体热轧生产线的最终产品质量。所以，轧辊磨床则是保证轧辊修磨质量的关键设备。

　　河南某钢铁公司购置了一台二手轧辊磨床，该机床为原东德 1978 年生产的 SAXW1400 型外圆磨床，最大磨削直径 1 400mm，最小磨削直径 350mm，中心高 850mm，中心架支撑重量 50 吨，顶尖支撑重量14 吨，顶尖距 8 800mm，最大砂轮外径 750mm，内径 305mm，砂轮宽度 75mm，总功率约 65kW。电气系统已经缺失，机械部件基本完好。

　　用户要求砂轮转速 450-900rpm，工件转速 2.8-29rpm，拖板移动速度 34-1 600mm/min。针对轧辊磨削工艺和机械部分的性能，重新设计了 SAXW1400 轧辊磨床电气控制系统，经运行证明可以满足性能要求。

一、控制系统的组成

　　2008 年，有学者针对 M7475 立轴平面磨床传统电气控制系统的不足之处，用 PLC 程序替换继电器接触器控制线路对其进行了技术改造，结果是保持磨床原操作方式不变,降低了故障检修的难度，提高了可靠性，用户使用方便。本文吸收了其研究成果，图 1 给出了电气控制系统的组成框图。

图 1 磨床电气自动控制系统框图

　　新的 SAXW1400 轧辊磨床电气控制系统的核心是两台西门子公司的 S7-200 可编程控制器（PLC），它们之间的信息传递采用了 PPI 点对点通讯方式。其中一台 PLC （CPU224XP）作为主控制器控制两台西门子 MM440 通用型变频器，分别为磨床砂轮主轴、工件主轴的拖动电动机供电。PLC 与变频器之间通讯采用了西门子公司的 USS 通讯方式。拖板移动采用西班牙法格公司的动态响应快、特性好、在低速时能保证电机转矩输出的交流伺服电机拖动。主 PLC（CPU224XP）上集成了一个模拟量输出口，输出的0-10V 模拟信号作为拖板移动电机的速度给定信号以控制伺服电机的转速。辅助 PLC（CPU224）接一台西门子公司的文本显示器 TD-200，放置在机床的操作面板上，用来进行自动往返功能的数据设定，并显示机床的运行与故障信息。利用 S7-200 的高速计数功能，由辅助 PLC 采集由一台欧姆龙公司的 600 线光电编码器送出的拖板移动行程数据，与设定的位置给定信号相比较。当拖板移动位置数据和设定值相等时，利用中断程序实现停车、延时、进刀、换向等自动往返功能的动作控制。

　　改造完成后的轧辊磨床有 3 个主运动：第一，砂轮主轴的旋转运动，调速比 1：2，砂轮最高转速 900rpm；第二，工件主轴的旋转运动，调速比 1：12，工件最高转速 30rpm；第三，拖板的移动，调速比 1：50，最高速度 1 700mm/min。机床性能良好，满足轧辊磨削的要求。

二、硬件的配置

　　系统主要硬件选型如表 1。

表 1 控制系统的主要硬件选型

三、采用的特殊处理方法

　　现对该系统设计与调试过程中使用的特殊解决方案做简要说明：

　　1.模块化的程序设计

　　机床的程序设计采用了模块化编程的方法。在系统程序设计过程中将整个机床的动作分解成几个局部动作来处理，每一个动作的编程难度减小，程序条理清楚，缩短了程序代码长度，可以更好地组织程序结构，便于程序的阅读和调试，为整机的调试和今后的维护工作，节省了时间。主站、从站包含的子程序模块如表 2。

表 2 电气控制系统中的子程序模块

　　2.通讯的应用

　　由于机床上的操纵按钮、限位开关、压力接点、仪表、指示灯以及新增加的计量拖板移动距离的光电编码器都设置在拖板上，按常规设计应将这些信号通过敷设在坦克链（拖链）内的导线、电缆引入到

　　控制柜内。这样以来，坦克链内的线路就会比较多。因为机床在工作时，拖板在不停地运动，这样会造成发生故障机率的增多。S7-200 PLC 提供了一种简易点对点 PPI 通讯，通过一对双绞线，使两台 PLC 进行数据交换，传输速率达到 187.5kbit/s，能够满足机床操作的实时性要求。采用 S7-200 的编程软件Step7-Micro/WIN32 中提供的软件工具，可以快捷地生成子程序，来建立 PPI 通讯。根据机床情况，设计时将电柜内的 CPU224XP 设为通讯主站，负责将从站 CPU224 的数据读到主站相应存储区内。根据读到的数据，主站 PLC 做出相应的逻辑运算，并将运算结果写到从站 S7-200 CPU224 的相应存储区。另外，西门子 PLC 提供一种基于 RS485 方式的、与西门子驱动装置之间的简易通讯协议 USS。设计时，将 PLC 主站 CPU224XP 的 port0 通讯口和两台西门子 MM440 变频器之间构成 USS 通讯。PLC 主站向变频器传送控制命令，同时读取变频器内电机的运行数据，并通过 Port1 通讯口的 PPI 通讯写到从站的相应数据区，在连接到从站的文本显示器 TD-200 上显示电机运行的数据，供操作者监视机床的运行情况。同样，西门子的编程软件 Step7-Micro/WIN32 提供了一个 USS 子程序库，可供 USS 通信用，只需在变频器上简单设置即可。

　　由于通讯的使用，使机床的连线简单，现场施工、维护的工作量减少，控制的灵活性增强。加上文本显示器的应用，把机床的故障信息直接显示在屏幕上，减少了维修查找故障的时间，提高了工作效率，减少了机床停机时间，使生产效率大大提高。

　　3.高速计数器的使用

　　由于轧辊磨床定长自动往返磨削的功能要求，设计采用了在拖板传动蜗杆端部安装光电编码器，用光电编码器脉冲数来计量拖板移动行程的方案。S7-200CPU 的 I1、I2、I3、I4 数字量输入端可以作为高速计数器的输入点，来采集光电编码器产生的脉冲。通过对脉冲的计数，得到拖板移动的距离数据，进而通过程序来控制拖板的起动、停止和自动换向。在本系统中，采用了 I1、I2、I3 三个输入点，其中 I1、I2 为编码器的 A、B 相脉冲输入。I3 是由程序控制的一个输出点引入的外部复位。

　　和 PPI、USS 通讯一样，Step7-Micro/WIN32 编程软件提供了一个辅助工具来创建高速计数器的子程序。在使用中，版本 4.0 的编程软件提供的高速计数器 HSC 指令向导中存在一个 BUG，即：高速计数器HSC0、HSC1 在设置成模式 10 时，脉冲倍率默认设置是 4X，不能修改。如果不用 HSC 指令向导，自行创建高速计数器子程序时，则可以设成 2X。倍率高低关系到计数器的分辨率，如果设得较高，在拖板移动快时，会使得计数脉冲输入过快，CPU 无法识别频率过高的脉冲，于是会发生丢脉冲的现象，造成拖板移动位置计数不准确。由于光电编码器的每转脉冲数固定，无法更改，现场条件不允许更换低脉冲数的编码器，所以在调试时，自行编制了高速计数器的子程序，解决了这个问题。

　　由于采用光电编码器来计量拖板移动距离，使得轧辊磨床定长自动往返磨削的功能得以精确地实现，避免了早期常规设计中使用机械齿轮加上限位开关来实现定长自动往返磨削功能的磨削长度不准、限位开关易损坏、往返次数无法设定等问题。如果操作者在文本显示器上设置完自动往返磨削的长度、次数、延时时间、磨架自动进给方式等数据后，机床可以自动完成设定的工作，这样就减轻了操作者劳动强度，减少了操作时间，提高了磨削效率。

　　4.变频器的干扰问题

　　在现场调试时发现，由于采用了变频器驱动砂轮、工件电机，PPI 通讯不太稳定，偶尔会出现通讯中断，拖板、工件、砂轮不受控制等情况。经过一段时间的摸索、试验，发现将 MM440 的载波频率值由默认值降到最低，可以解决这个问题。但由于有布线方式和线路长度等现场情况的不同，这种方法不一定适合在其他场合使用。所以，最保险的做法是按照西门子公司《西门子自动化与驱动产品选型、EMC 规则以及安装规范》一书中的要求，采用西门子原装屏蔽电缆，做好线路的屏蔽。

四、应用效果

　　该系统自 2005 年 9 月调试完成后，至今运行情况良好，未出现任何问题。实践证明，该系统的设计是合理的，实现了用户要求的功能，具有预期的性能指标，为用户的生产提供了有力的支持，效果十分理想。