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

　　河南某鋼鐵公司購置了一臺二手軋輥磨床，該機床為原東德 1978 年生產的 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，內徑 305mm，砂輪寬度 75mm，總功率約 65kW。電氣系統已經缺失，機械部件基本完好。

　　用戶要求砂輪轉速 450-900rpm，工件轉速 2.8-29rpm，拖板移動速度 34-1 600mm/min。針對軋輥磨削工藝和機械部分的性能，重新設計了 SAXW1400 軋輥磨床電氣控制系統，經運行證明可以滿足性能要求。

一、控制系統的組成

　　2008 年，有學者針對 M7475 立軸平面磨床傳統電氣控制系統的不足之處，用 PLC 程序替換繼電器接觸器控制線路對其進行了技術改造，結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的組成框圖。

圖 1 磨床電氣自動控制系統框圖

　　新的 SAXW1400 軋輥磨床電氣控制系統的核心是兩臺西門子公司的 S7-200 可編程控制器（PLC），它們之間的信息傳遞采用了 PPI 點對點通訊方式。其中一臺 PLC （CPU224XP）作為主控制器控制兩臺西門子 MM440 通用型變頻器，分別為磨床砂輪主軸、工件主軸的拖動電動機供電。PLC 與變頻器之間通訊采用了西門子公司的 USS 通訊方式。拖板移動采用西班牙法格公司的動態響應快、特性好、在低速時能保證電機轉矩輸出的交流伺服電機拖動。主 PLC（CPU224XP）上集成了一個模擬量輸出口，輸出的0-10V 模擬信號作為拖板移動電機的速度給定信號以控制伺服電機的轉速。輔助 PLC（CPU224）接一臺西門子公司的文本顯示器 TD-200，放置在機床的操作面板上，用來進行自動往返功能的數據設定，并顯示機床的運行與故障信息。利用 S7-200 的高速計數功能，由輔助 PLC 采集由一臺歐姆龍公司的 600 線光電編碼器送出的拖板移動行程數據，與設定的位置給定信號相比較。當拖板移動位置數據和設定值相等時，利用中斷程序實現停車、延時、進刀、換向等自動往返功能的動作控制。

　　改造完成后的軋輥磨床有 3 個主運動：第一，砂輪主軸的旋轉運動，調速比 1：2，砂輪最高轉速 900rpm；第二，工件主軸的旋轉運動，調速比 1：12，工件最高轉速 30rpm；第三，拖板的移動，調速比 1：50，最高速度 1 700mm/min。機床性能良好，滿足軋輥磨削的要求。

二、硬件的配置

　　系統主要硬件選型如表 1。

表 1 控制系統的主要硬件選型

三、采用的特殊處理方法

　　現對該系統設計與調試過程中使用的特殊解決方案做簡要說明：

　　1.模塊化的程序設計

　　機床的程序設計采用了模塊化編程的方法。在系統程序設計過程中將整個機床的動作分解成幾個局部動作來處理，每一個動作的編程難度減小，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構，便于程序的閱讀和調試，為整機的調試和今后的維護工作，節省了時間。主站、從站包含的子程序模塊如表 2。

表 2 電氣控制系統中的子程序模塊

　　2.通訊的應用

　　由于機床上的操縱按鈕、限位開關、壓力接點、儀表、指示燈以及新增加的計量拖板移動距離的光電編碼器都設置在拖板上，按常規設計應將這些信號通過敷設在坦克鏈（拖鏈）內的導線、電纜引入到

　　控制柜內。這樣以來，坦克鏈內的線路就會比較多。因為機床在工作時，拖板在不停地運動，這樣會造成發生故障機率的增多。S7-200 PLC 提供了一種簡易點對點 PPI 通訊，通過一對雙絞線，使兩臺 PLC 進行數據交換，傳輸速率達到 187.5kbit/s，能夠滿足機床操作的實時性要求。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。根據機床情況，設計時將電柜內的 CPU224XP 設為通訊主站，負責將從站 CPU224 的數據讀到主站相應存儲區內。根據讀到的數據，主站 PLC 做出相應的邏輯運算，并將運算結果寫到從站 S7-200 CPU224 的相應存儲區。另外，西門子 PLC 提供一種基于 RS485 方式的、與西門子驅動裝置之間的簡易通訊協議 USS。設計時，將 PLC 主站 CPU224XP 的 port0 通訊口和兩臺西門子 MM440 變頻器之間構成 USS 通訊。PLC 主站向變頻器傳送控制命令，同時讀取變頻器內電機的運行數據，并通過 Port1 通訊口的 PPI 通訊寫到從站的相應數據區，在連接到從站的文本顯示器 TD-200 上顯示電機運行的數據，供操作者監視機床的運行情況。同樣，西門子的編程軟件 Step7-Micro/WIN32 提供了一個 USS 子程序庫，可供 USS 通信用，只需在變頻器上簡單設置即可。

　　由于通訊的使用，使機床的連線簡單，現場施工、維護的工作量減少，控制的靈活性增強。加上文本顯示器的應用，把機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間，提高了工作效率，減少了機床停機時間，使生產效率大大提高。

　　3.高速計數器的使用

　　由于軋輥磨床定長自動往返磨削的功能要求，設計采用了在拖板傳動蝸桿端部安裝光電編碼器，用光電編碼器脈沖數來計量拖板移動行程的方案。S7-200CPU 的 I1、I2、I3、I4 數字量輸入端可以作為高速計數器的輸入點，來采集光電編碼器產生的脈沖。通過對脈沖的計數，得到拖板移動的距離數據，進而通過程序來控制拖板的起動、停止和自動換向。在本系統中，采用了 I1、I2、I3 三個輸入點，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輸出點引入的外部復位。

　　和 PPI、USS 通訊一樣，Step7-Micro/WIN32 編程軟件提供了一個輔助工具來創建高速計數器的子程序。在使用中，版本 4.0 的編程軟件提供的高速計數器 HSC 指令向導中存在一個 BUG，即：高速計數器HSC0、HSC1 在設置成模式 10 時，脈沖倍率默認設置是 4X，不能修改。如果不用 HSC 指令向導，自行創建高速計數器子程序時，則可以設成 2X。倍率高低關系到計數器的分辨率，如果設得較高，在拖板移動快時，會使得計數脈沖輸入過快，CPU 無法識別頻率過高的脈沖，于是會發生丟脈沖的現象，造成拖板移動位置計數不準確。由于光電編碼器的每轉脈沖數固定，無法更改，現場條件不允許更換低脈沖數的編碼器，所以在調試時，自行編制了高速計數器的子程序，解決了這個問題。

　　由于采用光電編碼器來計量拖板移動距離，使得軋輥磨床定長自動往返磨削的功能得以精確地實現，避免了早期常規設計中使用機械齒輪加上限位開關來實現定長自動往返磨削功能的磨削長度不準、限位開關易損壞、往返次數無法設定等問題。如果操作者在文本顯示器上設置完自動往返磨削的長度、次數、延時時間、磨架自動進給方式等數據后，機床可以自動完成設定的工作，這樣就減輕了操作者勞動強度，減少了操作時間，提高了磨削效率。

　　4.變頻器的干擾問題

　　在現場調試時發現，由于采用了變頻器驅動砂輪、工件電機，PPI 通訊不太穩定，偶爾會出現通訊中斷，拖板、工件、砂輪不受控制等情況。經過一段時間的摸索、試驗，發現將 MM440 的載波頻率值由默認值降到最低，可以解決這個問題。但由于有布線方式和線路長度等現場情況的不同，這種方法不一定適合在其他場合使用。所以，最保險的做法是按照西門子公司《西門子自動化與驅動產品選型、EMC 規則以及安裝規范》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、應用效果

　　該系統自 2005 年 9 月調試完成后，至今運行情況良好，未出現任何問題。實踐證明，該系統的設計是合理的，實現了用戶要求的功能，具有預期的性能指標，為用戶的生產提供了有力的支持，效果十分理想。