軋輥磨床電氣自動(dòng)化特點(diǎn)分析

南山輕合金有限公司 (山東龍口 265706) 李俊豐 孫 妍

山東南山鋁業(yè)股份有限公司 (龍口 265706) 李素蘋

南山輕合金有限公司引進(jìn)了意大利波米尼公司生產(chǎn)的磨床，波米尼機(jī)床體現(xiàn)了當(dāng)今軋輥磨床所能達(dá)到的最高水平，即通過(guò)高水平自動(dòng)化將機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)進(jìn)行集成。自動(dòng)化系統(tǒng)的主要部件是:CNC 計(jì)算機(jī)數(shù)字控制、PLC 編程邏輯控制、Power converter 功率變頻器及PC 個(gè)人計(jì)算機(jī)。

軋輥磨床自動(dòng)化系統(tǒng)是由伺服電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、PLC (編程邏輯控制)和CNC (數(shù)字控制)組成的。自動(dòng)化水平是確定機(jī)床價(jià)值的一個(gè)最重要參數(shù)。根據(jù)自動(dòng)化實(shí)際監(jiān)控的參數(shù)和工藝功能性，我們可以從其極限值低級(jí)(LOW)和高級(jí)(HIGH)來(lái)歸類。如果操作者不得不連續(xù)地觀察并調(diào)節(jié)機(jī)床參數(shù)，那末其自動(dòng)化水平可確定為低級(jí)，而如果不需要或少需要人類干預(yù)就能達(dá)到目標(biāo)，則可確定為高級(jí)。波米尼軋輥磨床以高水平自動(dòng)化為其特點(diǎn):

(1)波米尼機(jī)床使用CNC 和PLC 系統(tǒng)作為自動(dòng)化的核心，而CNC 和PLC 的性能影響著最終的結(jié)果;因此CNC 和PLC 的選型是設(shè)計(jì)階段非常重要的一步，并且必須考慮自動(dòng)化的目標(biāo)水平。

(2)自動(dòng)化系統(tǒng)的另一個(gè)重要方面是人機(jī)界面(HMI):HMI 可由特定PC 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于高水平自動(dòng)化，必須根據(jù)CNC 和PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)HMI。通常盡可能地簡(jiǎn)化操作(從操作者觀點(diǎn)出發(fā))和防止任何錯(cuò)誤。HMI 將幫助操作者控制、跟蹤和觀察加工過(guò)程。

(3)當(dāng)磨床與其他機(jī)床和磨輥間設(shè)備連接時(shí)，在每個(gè)站(磨床)和其他系統(tǒng)之間開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)連接是非常有用的。這樣在和上級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)時(shí)，每臺(tái)機(jī)床的報(bào)告都可控制和評(píng)估。這就是為什么計(jì)算機(jī)要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到服務(wù)器的原因，所有數(shù)據(jù)會(huì)保存在服務(wù)器里并和上級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)共享這些數(shù)據(jù)。

1.CNC (NUMERICAL CONTROL) (數(shù)字控制)

波米尼軋輥磨床配置了西門子SIEMENS SINUMERIK 840D-sl 用于機(jī)床的自動(dòng)化。CNC 用于:

(1)各軸向的速度和位置調(diào)節(jié)。

(2)主軸的速度調(diào)節(jié)。

(3)管理和執(zhí)行程序，這些程序包含了用于磨削循環(huán)、測(cè)量和工作等循序操作和運(yùn)動(dòng)的指令。

(4)它能夠連續(xù)地呈現(xiàn)正在加工的凸面形狀，與理論形狀進(jìn)行比較，這要?dú)w功于Windows 視窗系統(tǒng)下由波米尼開(kāi)發(fā)的專用軟件，以及由裂紋/瘀痕探測(cè)器的測(cè)量值。

(5)砂輪修磨工作能夠包括在磨削周期內(nèi)，不要操作人員等待。因此修磨可以是磨削周期的一個(gè)實(shí)際步驟。

(6)集成的錯(cuò)誤診斷讓操作人員容易地監(jiān)測(cè)設(shè)備所有的功能和報(bào)警。

(7)設(shè)備可以與工廠的中心計(jì)算機(jī)連接，直接傳輸生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并用于軋輥庫(kù)存的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)管理。

(8)所用的交換協(xié)議定義了兩個(gè)系統(tǒng)之間信息交換的路徑。目前支持兩種協(xié)議:①ODBC -直接數(shù)據(jù)入口。②TCP/IP Sockets。SIEMENS SINUMERIK 840D-sl (Solution Line)是高性能數(shù)控系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)包含兩個(gè)主處理器:CNC 處理器和PLC 處理器。這個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)用于磨床的CNC 連續(xù)通道控制的模塊化微處理機(jī)，可處理多種模式和集成的功能強(qiáng)大的PLC。

所供的SIEMENS SINUMERIK 840D-sl 主要特性為:①NCU 730.2。②Intel Pentium M -2Ghz processor。③3 MB NC memory。

SIEMENS SINUMERIK 840D-sl 的主要標(biāo)準(zhǔn)功能如下:①配備SINAMICS S120 Drives 的優(yōu)化、完整的數(shù)字化解決辦法。②用于連接CNC、驅(qū)動(dòng)及電動(dòng)機(jī)等標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)絡(luò)(Drive Cliq)。③多達(dá)10 個(gè)模式組合、10 個(gè)通道和31 個(gè)坐標(biāo)軸/主軸。④OEM 開(kāi)放式NCK 軟件。⑤進(jìn)給和快速橫向:0.001 mm/min 到999 m/min。⑥不停地旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)軸。⑦帶擴(kuò)展功能的主軸控制包，如主軸定向停車。⑧仿樣插補(bǔ)。⑨多項(xiàng)式插補(bǔ)。⑩坐標(biāo)軸和主軸的同步移動(dòng)。○1可編程加速度。○12刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償。○13反向間隙補(bǔ)償。○14用于測(cè)量回路、超溫、電池、電壓、存儲(chǔ)器、限位開(kāi)關(guān)及冷卻風(fēng)扇監(jiān)測(cè)等永久有效的安全程序。○15軟件限位。○16主軸監(jiān)視。○17帶有能在監(jiān)視器上顯示簡(jiǎn)易說(shuō)明文本的來(lái)自界面、PLC 和CNC 的故障診斷功能。○18急停限位功能，減少機(jī)械部件的磨損并優(yōu)化往復(fù)移動(dòng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。○19面向使用者的分級(jí)處理的保護(hù)。○20定制的用戶界面可以添加到操作區(qū)域里。○21操作員界面對(duì)OEM 開(kāi)放，在Windows 下配置。○2可用7 種語(yǔ)言顯示，包括中文，具有兩種語(yǔ)言間的切換功能。如需要可提供其他語(yǔ)種。

由一家全球供應(yīng)商如西門子來(lái)提供CNC、PLC、變頻器和電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)整體安全功能，這樣確保高效操作人員和機(jī)床的安全保護(hù)。因此由于控制器和驅(qū)動(dòng)技術(shù)的完全集成，安全功能已成為基本系統(tǒng)的一個(gè)固定部件。

所有的安全功能滿足與歐盟標(biāo)準(zhǔn)符合的安全等級(jí)的要求，并且是基本系統(tǒng)的一個(gè)集成部件。無(wú)需額外的傳感器和測(cè)定裝置。這意味著:減少在設(shè)備上的安裝時(shí)間并縮小開(kāi)關(guān)柜的體積。工藝變化量和安全相關(guān)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是互相交叉監(jiān)控的。在設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)，系統(tǒng)自動(dòng)強(qiáng)制地檢查以安全為主導(dǎo)的軟件和硬件。

通常，系統(tǒng)中所有的安全有關(guān)的故障都會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)的停機(jī)或電動(dòng)機(jī)的快速電氣分離。特別故障引起的變頻器和電動(dòng)機(jī)之間的電氣分離是無(wú)接點(diǎn)分離，對(duì)于特定的一些軸，可以在很短響應(yīng)時(shí)間內(nèi)發(fā)動(dòng)。

2.CONVERTER 變頻器

所有軸向電動(dòng)機(jī)都由模塊式數(shù)字功率變頻器SIEMENS SINAMICS S120 or G150 控制。功率變頻器的型號(hào)取決于所安裝的電動(dòng)機(jī)功率。不論如何，功率變頻器允許:

(1)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是在機(jī)械和系統(tǒng)工程領(lǐng)域應(yīng)用于工業(yè)和高性能方面的基礎(chǔ)。數(shù)字編碼元件和功能適用于設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。

(2)變頻器提供了強(qiáng)有力的單個(gè)驅(qū)動(dòng)和合成驅(qū)動(dòng)(多軸應(yīng)用)以支持矢量或伺服功能。其覆蓋了0.12 到4500 kW 的應(yīng)用范圍。更進(jìn)一步，變頻器提供了范圍很廣的冷卻概念，驅(qū)動(dòng)性能的同步性和相當(dāng)數(shù)量的設(shè)備軸。其版本已經(jīng)擴(kuò)展到液體冷卻版本。模塊式功率變頻器的主要性能如下:①一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊開(kāi)動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。②每一個(gè)模塊執(zhí)行不同的任務(wù)。③模塊式晶體管脈沖控制變頻器。④用于若干個(gè)軸和驅(qū)動(dòng)器組合的緊湊系統(tǒng)。⑤功能模塊可適應(yīng)每一電動(dòng)機(jī)。⑥通過(guò) HMI -Advanced 工具以及與DRIVE-CLiQ 的簡(jiǎn)單連線可以實(shí)現(xiàn)較快的設(shè)計(jì)和調(diào)試。⑦通用的主電源模塊。⑧需要時(shí)可擴(kuò)展，通過(guò)完全集成自動(dòng)化(TIA)得到有效和一致的解決方案，自SINAMICS 到自動(dòng)化水平是兼容的。

3.PLC 編程邏輯控制

CNC SIEMENS SINUMERIK 840D-sl 包含可編程序控制器PLC 的CPU。PLC 317 -2DP/DP 是完全集成在CNC CPU 同一卡內(nèi)，屬于西門子S7 -300 家族。相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)版本，該P(yáng)LC -CPU 具有一些附加的改進(jìn)，因?yàn)樗? 個(gè)在CNC 和PLC 之間進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換的特別接口。現(xiàn)場(chǎng)用I/O 模塊是標(biāo)準(zhǔn)的西門子I/O 模塊。采用ET 200 分布式I/O 系統(tǒng)，數(shù)字量和模擬量輸入/輸出可以連接到中心控制系統(tǒng)里。通過(guò)ET 200，智能I/O 模塊也可以分散地使用。PLC-CPU和外圍設(shè)備之間的連接采用工業(yè)總線(profibus)協(xié)議。

PLC 用于邏輯操作的執(zhí)行和校驗(yàn)，這個(gè)邏輯，以PLC 程序的形式出現(xiàn)，檢測(cè)和控制機(jī)床的所有操作功能。

所提供的PLC 的主要特性:一套PLC 西門子SIMATIC S7 型。CPU 317 -2DP/DP。PLC 用戶存儲(chǔ)器，包括基本PLC 程序，基本擴(kuò)展，512 kB。STEP 7 編程語(yǔ)言。數(shù)字輸入/輸出，最大數(shù)256 B。外圍輸入/輸出，最大數(shù)4096 B。多達(dá)32768 標(biāo)志，512 定時(shí)器，512 計(jì)數(shù)器。通過(guò)PROFIBUS-DP 的分布式I/O。

特定于軋輥磨削的所有功能都是由波米尼在CNC 中實(shí)現(xiàn)的，這得益于SIEMENS SINUMERIK 840D從NC 核心到用戶接口任何方面都是開(kāi)放的，允許使用者有完全自由的行動(dòng)。

4.PC 個(gè)人計(jì)算機(jī)

SINUMERIK 840D-sl 連接(工業(yè)以太網(wǎng)連接)到配備Windows 平臺(tái)的計(jì)算機(jī)，因而NC 和PLC 控制程序可以和波米尼研制的基于PC 的特殊軟件輕易地集成在一起。對(duì)于硬件模塊、遠(yuǎn)程診斷、測(cè)量數(shù)據(jù)的采集、網(wǎng)絡(luò)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集也是相同的。得益于這個(gè)集成，新的CNC 控制系統(tǒng)并不配備西門子PC 機(jī)，因?yàn)镃NC 視頻頁(yè)面已直接顯示在與操縱臺(tái)一起供貨的PC 機(jī)液晶觸摸屏上。這些部件，CNC、PLC、PC 和打印機(jī)，工作如同一個(gè)集成系統(tǒng)。例如，大多數(shù)軋輥磨床的計(jì)算機(jī)配置可能如下:①Compact Chassis Advantech。

②IPC -7120 -30ZE，300w Power supply ATX。③PC Power Cord European Type 1702002605。④Industrial Motherboard。⑤AIMB -766G2 -00A1E (DUAL GIGALAN)。⑥INTEL COR 2 DUO 2，13 GHz。⑦96MP2DD-21FA-2M7T E6400。⑧KVR800D2N5K2/2G Kingstone Dual Channel DIMM DDR22GB FSB800。⑨Hard Disk SATA MIN.160 GB。⑩Dual Layer DVD RW。○11國(guó)際鍵盤和光學(xué)鼠標(biāo)。○123 LAN Ethernet adapters。○13 Microsoft Windows XP 或最新操作系統(tǒng)。○141 MONITOR 21″ LCD TFT液晶顯示器。○151 A4 激光彩色打印機(jī)。○161 UPS(30 min)。

5.結(jié)語(yǔ)

波米尼軋輥磨床具有高水平自動(dòng)化的特點(diǎn)，操縱臺(tái)可位于遠(yuǎn)離磨床，它的磨削過(guò)程全部是自動(dòng)地進(jìn)行，減少了磨床操作手的操作和檢查，提高了控制精度，避免了過(guò)多人為檢查而產(chǎn)生的隱患，并在最短時(shí)間里達(dá)到最佳的磨削結(jié)果。