许礼江

1 磨床辊形测量概述

被改造的2台工业磨床是用来研磨铝箔轧机的轧辊，属于高精度研磨，也是20世纪90年代初科技含量较高和较集成的自动化老设备。其研磨出来的辊形轴向辊面曲线按正弦15°至75°之间的弧线为标准的曲线，如图1，方程式如公式（1）。辊面凸度有30μm、40μm、45 μm、50μm四种对应公式中不同的(A-h)值表征曲线。研磨精度为0.1μm。测量辊形的传感器探头是根据霍尔原理设计的，贴靠在辊面上的传感器探头外侧随着辊面凸度的变化而径向移动，推动探头内侧的磁杆与霍尔元件有相对位移变化，霍尔传感器便输出一个高灵敏的mV电压信号，mV电压与磁杆的位移成很好的线性正比关系。再由vollmer测量系统将此模拟信号放大变送转换成实时的18位精度为0.1μm带符号的二进制数据传输给研磨中心控制系统HCC（德国产赫克力斯磨床控制中心）的I/O通道输入电路板。由HCC系统处理采集的数据通过一台老式打印机打印出辊形曲线和参数值，供磨床操作手查看研磨结果是否合格，判断是否继续研磨轧辊，整个信号流程如图2所示。由于打印机使用较频繁和年代较久远，逐渐老化而无法工作了，同款型号的打印机已经没有生产，市场亦早已淘汰无法购买到，想要使用新款打印机，由于打印机驱动程序无法安装入控制系统HCC的操作系统中而无法实现产品替代。如果没有打印机则无法输出系统内的辊形曲线图形和参数，工作人员无法判断辊面研磨的质量水平，对于高品质高精度要求的铝箔轧机影响非常大，甚至无法生产铝箔。所以面临着老设备的改造升级计划。

其中：φ（初相位）：决定波形与X轴位置关系或横向移动距离；

ω：决定周期（最小周期T=2π/ ||ω）；

A：决定峰值（即纵向拉伸压缩的倍数）；

H：表示波形在X轴的位置关系或纵向移动距离。

图1 辊面正弦曲线

图2 辊形测量数据信号走向

2 辊形测量原理和改造思路概述

辊形凸度测量原理是：测量传感器探头贴靠在辊面的起始端固定的位置上，测量信号启动时（系统记录此时的传感器探头的绝对位移值作为“起始值”），轧辊匀速横向（轴向）移动，随着辊面凸度的变化，压迫传感器探头移动，霍尔传感器的磁杆机械位移被转换成mV电压信号输送至VOLLMER的变送器，对应算出测量传感器探头绝对位移变化的模拟量值数据（将探头在辊面连续位置测量所得的绝对位移值与“起始值”相减计算出值作为该辊形的凸度变化，其差值的最大值即曲线的峰值就是该轧辊的凸度值），设备分布如图2所示。改造思路就是通过使用西门子PLC-300系列PLC记录辊形测量探头传感器的绝对位移模拟量数据，由于测量传感器探头的电信号需要通过一台VOLLMER设备对其零点和量程的标定及转换成实际的绝对位移量数值，再将此数值转换成二进制数据以开关量电信号形式传送给HCC系统的DI模块通道。所以改造使用的PLC对辊形测量的传感器探头绝对位移值的数据采集方式是通过HCC的I/O通道电路板上18位（二进制精度为0.1μm）的输入通道端子上并接输送至PLC的开关量模块通道中（PLC并接HCC通道采集的信号流程如图3所示）；并经过PLC程序的运算计算出辊面的凸度连续变化量，再通过MPI电缆通讯传送至上位机WINCC画面呈现出凸度值的曲线画面及相应的参数供操作员使用。

3 数据采集和处理

3.1 实际辊形辊面凸度数据采集处理

数据采集包括测量探头绝对位移带符号型的二进制模拟量信号，还有测量系统开始和停止的开关量信号，和工作辊面轴向位移量的信号（和凸度测量的探头值一样为带符号型二进制的模拟信号）。而辊形测量探头绝对位移值和辊面轴向位移值这两个二进制的模拟量信号分别输入到SIEMENS S7-300PLC的18个DI通道，其中最高一位第18位是符号位，0表示正数，1表示负数。通过编程软件编写程序将18位开关量信号按二进制数据权加的方法转换成十进制模拟信号赋值给一个模拟变量以备用[1]。

3.2 标准辊型的数据采集处理

标准辊型凸度数据是每种凸度规格的工作辊有一组已知的辊面凸度分布值，即辊面上均匀分布的21个点的凸度值。每个点位置的高度相对起始点的高度（即凸度值）是按正弦曲线分布的，将四种不同凸度规格的辊形的21个数据值分别永久录入程序中的数据块中。操作员在进行辊形测量之前需通过人机界面WINCC的画面上选择相应凸度规格的辊形（通讯传送给PLC程序，程序调用相应的标准凸度数据块）以及每个轧辊ID编号输入。在测量系统运行过程中，每当传感器探头移动到辊面对应的21个已知点位置时，程序将调用出根据操作员选择的标准凸度规格的辊形数据块对应的位置凸度值赋值给同一个变量，作为标准辊形随实际被测研磨的辊面同步变化的凸度变化量，例如：测量研磨好的实际辊形凸度值变量是连续平滑的凸度变化量，而标准辊形凸度变量同步整个辊面只有21个点的凸度值变化量，在WINCC画面中显示出来的曲线为不平滑的折线式正弦曲线图[2]。程序里将每个标准辊形凸度值数据块命名对应的凸度名称以备WINCC使显示曲线图形用。在测量辊形时，随着轧辊的移动，每当传感器探头相对移动到辊面每个分割点时，将传感器探头测量凸度值（测量传感器探头位移绝对值于测量起始位置的传感器探头绝对位移值之差）和相应辊形该位置的数据块里已知标准凸度值相比较，差值依次输入至新的数据块中命名为“差值块”，以备WINCC显示曲线图形使用。

在测量过程中最重要的是需编写程序，根据操作员选择的相应凸度规格的标准辊形凸度数据块中的凸度数值，同步赋值给一个表示标准辊形的模拟量变量(即将数据块里的数据转换成刷新率较低的连续模拟量，并且和实际研磨的辊面凸度传感器探头所测量的辊形凸度值是同位置变化的同步变量)以备WINCC对其归档和显示曲线图形使用，这就还需要PLC接受测量系统开始时和测量停止或终止的指令开关量信号，作为实际辊形和标准辊形的同步联络信号。WINCC接受通讯来自PLC处理好的数据，显示完整的测量辊形曲线、相应标准辊形曲线图形、辊面21个等分点对应的测量凸度值和标准凸度值及两者的差值也供WINCC显示出在表格里，供用户参考所研磨的轧辊是否合格一目了然，最后通过打印电子版PDF文档保存至电脑硬盘中，一个轧辊对应一个ID号，研磨电子版数据对应轧辊使用周期内历史归档，有助于科学化管理。

图3 辊形数据采集柜和PLC柜

3.3 系统硬件结构及程序结构

硬件使用西门子PLC-300系列PLC，一台研华工控机作为上位机，并安装有西门子PLC程序开发软件STEP7 Basic V5.4和一套WINCC V6.0软件开发编辑器，PLC与上位机通过MPI通讯电缆建立通讯[3]。上位机既可用作在程序开发和运行维护时的工程师站，亦可用作生产运行时的操作员站。

软件结构，上位机的人机接口WINCC可负责两台磨床辊形的同时测量、记录和显示。STEP7主程序块（OB块）负责采集两台磨床辊形测量探头的数据值并转换成十进制的模拟量变量，和两台磨床轧辊位移数据量的采集并转换成十进制的模拟量变量，此模拟量数据的转换由编写的两个FC功能的程序负责，可提供两台磨床同时测量辊形时的同时使用，由OB主程序块调用。同时OB组织块接受人机界面用户选择的标准凸度辊形调用相应的子程序块，每个子程序块对应的是不同标准凸度辊形的FB功能块，每个FB功能块被调用时，FB会从公用的标准凸度的辊形数据块中调用凸度数组。并且负责将对应数据块里标准的离散型凸度值数组和实际辊形测量探头位移的绝对数值的转换、计算和同步问题处理并赋值于三个模拟变量，三个模拟量分别是传感器探头位移绝对值变量、实际辊形辊面凸度变量和标准辊形辊面凸度变量。将标准已知的21个点位凸度值和对应的测量的辊形21个点位凸度值，以及两者同步位置上的凸度差值输出至各自相应的数据块中，分别起名为：“标准块”、“测量块”和“差值块”，以备WINCC显示。

4 WINCC组态

操作员画面采用WINCC V6.0组态软件，画面可分为页眉区显示区、动态显示输入输出区、打印区[4]。

页眉显示区用于显示固定的标题时间信息；动态显示区用于显示轧辊于测量探头的绝对位移值和辊面轴向移动的绝对位移值、不同规格辊形的单选I/O域、三行21个点位的测量凸度值和标准凸度值以及两者差值的I/O域、一个显示理想凸度和测量凸度以及探头在线绝对值的三条曲线窗口；打印区域添加一个动态打印机按钮对象，并从按钮动态属性中打开C-Script脚本编辑器，用C语言编写脚本为打印硬拷贝显示器屏幕的程序，即可将测量后的辊型曲线和参数等画面打印成PDF电子文档保存在电脑硬盘中，编写程序如图4，有利于保存和查阅[5]。

历史数据归档曲线窗口脚本编辑器对三条曲线的变量值归档，有三种形式的归档，分别为连续归档、定时归档和事件触发归档[6]。这里需要使用事件触发归档，利用PLC采集到测量辊形的起始和中止或终止指令信号作为同步启动和停止历史数据变量的归档，这样在历史曲线窗口就可以同步看到测量辊形凸度时的曲线，并且在测量结束后曲线长时间地锁定在画面窗口供操作员观看以及打印窗口用，而不会被持续地归档变量值刷新替代。否则，如果利用连续归档，在测量辊形开始的画面能同步显示出曲线变化图形，但随着测量结束，归档系统仍在对传感器探头变量值实际测量辊形辊面凸度值变量及标准辊形变量值进行归档，这样画面曲线随着时间轴的移动，画面上有限的显示窗口会被测量后没用的各变量值刷新替换掉，而之前测量的曲线图也就看不见了同样定时归档也不合适使用。WINCC画面显示效果如图5。

图4 WINCC画面打印脚本程序

图5 辊形测量打印出的PDF效果图

5 总结

在这次改造项目中使用的西门子自动化软件，由于项目本身的特殊性，在编程时也根据实际情况采用灵活的应用。首先是高精度二进制的模拟量数据的转换、离散型数据转换模拟形式数据供WINCC系统归档和显示。其次在建立不同凸度规格轧辊的标准数据和实际测量数据以及差值数据的数据块时还要分别建立一个公共的数据变量和对应的公共数据块，这样S7软件编程根据用户测量前选择的某一凸度规格的轧辊，将该轧辊对应的数据块包括实际测量值、标准值、差值输送到公共的变量和公共数据块中以供上位机WINCC系统查询归档显示。再次，归档脚本的编辑，要考虑到一个辊形凸度测量完要将实际值、标准值、绝对值三个变量曲线停留在窗口不消失，供用户查看和打印，则WINCC归档组态时要注意，其属性可分为“连续归档”、“定时归档”、“事件触发归档”这三类，这里需要选择第三种归档方式，同时需要WINCC程序建立两个启和停的信号变量，通讯联络对应PLC程序里的辊形测量动作的启停和控制WINCC归档变量的启停，这样测量结束后的用于显示历史曲线的变量也即停止归档，完整的曲线图形可以长时间停留在WINCC画面窗口中，供操作手审看和打印操作。最后打印测量结果，为了便于存储和管理，需编写成打印屏幕为PDF文档形式的脚本文件。

参考文献：

［1］刘锴，周海.深入浅出西门子S7-300PLC［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2004.

［2］苏昆哲，何华.深入浅出西门子WINCC V6［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2004.

［3］王前厚.西门子WINCC从入门到精通［M］.北京：化学工业出版社，2017.

［4］姜建芳，曹琼兴，耿旭东，等.西门子WINCC组态软件工程应用技术［M］.北京：机械工业出版社，2015.

［5］田淑清，周海燕，赵重敏，等.C语言程序设计［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［6］蒋秀英，张建成.SQL Server 2000数据库与应用［M］.北京：清华大学出版社，2006.