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[摘 要]本文论述了BECKHOFF系统在邯钢CSP轧辊数控磨床升级改造中的应用，详细介绍了新技术的特点，以及新的控制技术在磨床中的具体应用。
[关键词]Beckhoff TwinCAT 轧辊 磨床
中图分类号：TG333.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）26-238-01
1 前言
为了给轧机提供高质量的轧辊，对磨床的要求更为苛刻。河北钢铁集团邯郸钢铁有限责任公司连铸连轧厂的三台赫克利斯磨床连续运转9年，电气故障较多，严重影响CSP生产线的用辊需求。
为解决上述问题，邯钢CSP生产线1号轧辊磨床电气系统采用当今世界先进的BECKHOFF系统控制技术对原来的老系统进行升级改造，改造以来新系统运行稳定，效果良好，为邯钢CSP生产的顺利进行提供了有力的轧辊供应。
2 邯钢CSP轧辊数控磨床简介
邯钢CSP轧辊数控磨床分为承载系统、驱动系统、磨削系统、测量系统和控制系统五个子系统。数控系统根据轧辊表面母线的数学模型，控制机床作多轴复合运动，在运动过程中实现砂轮对辊面金属的磨削。在线测量系统实时地将测量数据反馈给磨床控制系统，并由控制系统对机床进行闭环控制，从而完成对工件的精密加工。
3 改造前磨床电气控制系统存在问题
3.1 电气控制系统属厂家已淘汰产品，控制系统主要备件厂家已停产。
3.2 原电气系统采用PLC+HCC进行控制，控制点多，通迅复杂，故障率很高；且由于故障诊断系统不完善，因而故障查找、排除困难。HCC辊形磨削控制系统开放性不好，磨床维护人员无法对其进行任何操作，只能简单更换备件，使故障排除相当困难。
3.3 原电气系统所用PLC为SIEMENS SIMANTIC S7，程序逻辑层次不清且语句注释为德文，阅读困难大。
4 Beckhoff系统特点
倍福工控机基于 PC 平台的实时核技术，将安装了 Microsoft WindowsXP嵌入式操作系统的普通 PC 和 Beckhoff 公司的嵌入式控制系统改造为具有实时能力的 PC 控制器。Beckhoff 产品通过与 TwinCAT 编程环境相结合，以及系统管理器对 Beckhoff 公司各种 I/O 设备的驱动程序相结合，使TwinCAT CP、I/O、PLC、PTP 和 NC I 构成了一套较完整的基于 PC平台的实时控制器解决方案。
4.1 多任务调度管理
由于 TwinCAT 软件安装到 PC 之后，可以将普通的 Windows NT/2000/XP 系统改造为具有 4 套实时控制器的系统；并且，每套控制器都可以分配 4 个不同等级的优先级任务。为了充分发挥TwinCAT 系统的优越性，可以在 TwinCAT PLC 中的资源管理器中，配置任务调度管理，实现多任务运行。
4.2 Lightbus及Profibus总线通讯
Beckhoff 提供了I/O系列组件，配有相应的编程和组态工具。在磨床上主要应用Lightbus、Profibus总线进行通讯：
Lightbus为Beckhoff 光纤总线系统。在机床的各个通讯子站间，通过一根光纤电缆代替其它传统通讯电缆线路。在控制计算机中集成一块智能型 Beckhoff Lightbus 接口卡来取代一系列 I/O 接口单元，Lightbus具有较强的抗 EMI 性能，数据循环具有确定性。所应用的分布式 Lightbus 模块，在现场安装比较方便，抗干扰能力较强。
Profibus
Profibus 作为一种快速总线，广泛应用于分布式外围组件（Profibus-DP）。Beckhoff支持 Profibus-DP 和 FMS 及Profibus MC。磨床上应用Profibus-DP实现工控机和伺服驱动之间的通讯。
4.3 PLC程序跟踪和编制
TwinCAT PLC 通过虚拟工业PC主机来运行PLC程序任务。程序的编辑上可以对库进行调用，通过PLC调试器可以监控程序和流程控制，并进行单步运行和断点设置。程序表达使用了IEC 61131-3 标准的编程语言。
5 改造后应用BECKHOFF系统在磨床上的工艺实现
轧辊磨床完成磨削的全过程主要可以分解为轧辊加工，程序编制，在线监测，砂轮补偿，文件管理及曲线补偿。各部分功能通过TwinCatPLC和数据库及NC进行接口实现。以下对各部分的最终功能进行说明。
轧辊加工：在磨床的操作界面，选择加工程序和轧辊编号，在调用轧辊曲线和磨削程序后进入磨削界面。在磨削界面上将显示轧辊辊形、工艺步骤、公差要求、实时轨迹等信息。轧辊加工可以细分为初始化、程序选择、参数设定、辊型预览等模块。根据不同轧辊及工艺要求调用不同参数以满足各种生产需要。
程序编制：在轧辊加工前确定所用程序各项参数，包括工序参数、机床参数、曲线参数、砂轮参数等。各种参数通过变量链接到TwinCatCAT PLC程序中。
在线监测：在磨削程序运行过程中，屏幕上及时出现报警、系统信息等，对操作者进行提示。在系统中，通过TwinCatCAT PLC程序中的对应变量的实时判断，反映到操作画面进行报警显示和信息提示等。
砂轮补偿：用于砂轮线速度补偿相关参数设定、砂轮修整控制、砂轮修整曲线设定、砂轮进给补偿和砂轮直径补偿等。
曲线补偿：通过曲线补偿，满足对所加工轧辊辊形的要求。
文件管理：NC数据库与TwinCatCAT PLC进行链接后，对磨削程序、曲线、磨削结果、机床数据等文件进行调用和编辑。
以上是对TwinCAT 在磨床上应用进行的说明。TwinCAT 实时任务运行的载荷率（TwinCAT 实时任务运行时间与操作系统运行时间的比率）可调范围为 10% 到90%。并在此基础上，将伺服控制中的 PTP、NC I 和 HMI 技术拓展到系统管理器和 TwinCAT编程环境中。因此也有人认为，TwinCAT 软件模式代表着当今新自动化时代的发展方向。
参考文献：
[1] 《HERKULES WS600╳7000A-CNC萬能磨床改造方案浅谈》河北省冶金学会轧钢技术与学术交流会论文集 2004年9月.
[2] 《轧辊加工方法 轧辊加工工艺》国家知识产权局专家编写组2011.2.
[3] 德国倍福电气有限公司TwinCatCAT编程手册 2.0版本[z]2005.
[4] 《工控系统应用CAN总线的几种改进方法》孙敏 梁泰文 杨宪惠 清华大学自动化系（100084）.
[5] 《Beckhoff 大力拓展运动控制领域 》德国倍福电气有限公司 2010.12.
作者简介：
郎志峰，1979年，男，汉，河北邯郸馆陶，本科，工程师。
[关键词]Beckhoff TwinCAT 轧辊 磨床
中图分类号：TG333.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）26-238-01
1 前言
为了给轧机提供高质量的轧辊，对磨床的要求更为苛刻。河北钢铁集团邯郸钢铁有限责任公司连铸连轧厂的三台赫克利斯磨床连续运转9年，电气故障较多，严重影响CSP生产线的用辊需求。
为解决上述问题，邯钢CSP生产线1号轧辊磨床电气系统采用当今世界先进的BECKHOFF系统控制技术对原来的老系统进行升级改造，改造以来新系统运行稳定，效果良好，为邯钢CSP生产的顺利进行提供了有力的轧辊供应。
2 邯钢CSP轧辊数控磨床简介
邯钢CSP轧辊数控磨床分为承载系统、驱动系统、磨削系统、测量系统和控制系统五个子系统。数控系统根据轧辊表面母线的数学模型，控制机床作多轴复合运动，在运动过程中实现砂轮对辊面金属的磨削。在线测量系统实时地将测量数据反馈给磨床控制系统，并由控制系统对机床进行闭环控制，从而完成对工件的精密加工。
3 改造前磨床电气控制系统存在问题
3.1 电气控制系统属厂家已淘汰产品，控制系统主要备件厂家已停产。
3.2 原电气系统采用PLC+HCC进行控制，控制点多，通迅复杂，故障率很高；且由于故障诊断系统不完善，因而故障查找、排除困难。HCC辊形磨削控制系统开放性不好，磨床维护人员无法对其进行任何操作，只能简单更换备件，使故障排除相当困难。
3.3 原电气系统所用PLC为SIEMENS SIMANTIC S7，程序逻辑层次不清且语句注释为德文，阅读困难大。
4 Beckhoff系统特点
倍福工控机基于 PC 平台的实时核技术，将安装了 Microsoft WindowsXP嵌入式操作系统的普通 PC 和 Beckhoff 公司的嵌入式控制系统改造为具有实时能力的 PC 控制器。Beckhoff 产品通过与 TwinCAT 编程环境相结合，以及系统管理器对 Beckhoff 公司各种 I/O 设备的驱动程序相结合，使TwinCAT CP、I/O、PLC、PTP 和 NC I 构成了一套较完整的基于 PC平台的实时控制器解决方案。
4.1 多任务调度管理
由于 TwinCAT 软件安装到 PC 之后，可以将普通的 Windows NT/2000/XP 系统改造为具有 4 套实时控制器的系统；并且，每套控制器都可以分配 4 个不同等级的优先级任务。为了充分发挥TwinCAT 系统的优越性，可以在 TwinCAT PLC 中的资源管理器中，配置任务调度管理，实现多任务运行。
4.2 Lightbus及Profibus总线通讯
Beckhoff 提供了I/O系列组件，配有相应的编程和组态工具。在磨床上主要应用Lightbus、Profibus总线进行通讯：
Lightbus为Beckhoff 光纤总线系统。在机床的各个通讯子站间，通过一根光纤电缆代替其它传统通讯电缆线路。在控制计算机中集成一块智能型 Beckhoff Lightbus 接口卡来取代一系列 I/O 接口单元，Lightbus具有较强的抗 EMI 性能，数据循环具有确定性。所应用的分布式 Lightbus 模块，在现场安装比较方便，抗干扰能力较强。
Profibus
Profibus 作为一种快速总线，广泛应用于分布式外围组件（Profibus-DP）。Beckhoff支持 Profibus-DP 和 FMS 及Profibus MC。磨床上应用Profibus-DP实现工控机和伺服驱动之间的通讯。
4.3 PLC程序跟踪和编制
TwinCAT PLC 通过虚拟工业PC主机来运行PLC程序任务。程序的编辑上可以对库进行调用，通过PLC调试器可以监控程序和流程控制，并进行单步运行和断点设置。程序表达使用了IEC 61131-3 标准的编程语言。
5 改造后应用BECKHOFF系统在磨床上的工艺实现
轧辊磨床完成磨削的全过程主要可以分解为轧辊加工，程序编制，在线监测，砂轮补偿，文件管理及曲线补偿。各部分功能通过TwinCatPLC和数据库及NC进行接口实现。以下对各部分的最终功能进行说明。
轧辊加工：在磨床的操作界面，选择加工程序和轧辊编号，在调用轧辊曲线和磨削程序后进入磨削界面。在磨削界面上将显示轧辊辊形、工艺步骤、公差要求、实时轨迹等信息。轧辊加工可以细分为初始化、程序选择、参数设定、辊型预览等模块。根据不同轧辊及工艺要求调用不同参数以满足各种生产需要。
程序编制：在轧辊加工前确定所用程序各项参数，包括工序参数、机床参数、曲线参数、砂轮参数等。各种参数通过变量链接到TwinCatCAT PLC程序中。
在线监测：在磨削程序运行过程中，屏幕上及时出现报警、系统信息等，对操作者进行提示。在系统中，通过TwinCatCAT PLC程序中的对应变量的实时判断，反映到操作画面进行报警显示和信息提示等。
砂轮补偿：用于砂轮线速度补偿相关参数设定、砂轮修整控制、砂轮修整曲线设定、砂轮进给补偿和砂轮直径补偿等。
曲线补偿：通过曲线补偿，满足对所加工轧辊辊形的要求。
文件管理：NC数据库与TwinCatCAT PLC进行链接后，对磨削程序、曲线、磨削结果、机床数据等文件进行调用和编辑。
以上是对TwinCAT 在磨床上应用进行的说明。TwinCAT 实时任务运行的载荷率（TwinCAT 实时任务运行时间与操作系统运行时间的比率）可调范围为 10% 到90%。并在此基础上，将伺服控制中的 PTP、NC I 和 HMI 技术拓展到系统管理器和 TwinCAT编程环境中。因此也有人认为，TwinCAT 软件模式代表着当今新自动化时代的发展方向。
参考文献：
[1] 《HERKULES WS600╳7000A-CNC萬能磨床改造方案浅谈》河北省冶金学会轧钢技术与学术交流会论文集 2004年9月.
[2] 《轧辊加工方法 轧辊加工工艺》国家知识产权局专家编写组2011.2.
[3] 德国倍福电气有限公司TwinCatCAT编程手册 2.0版本[z]2005.
[4] 《工控系统应用CAN总线的几种改进方法》孙敏 梁泰文 杨宪惠 清华大学自动化系（100084）.
[5] 《Beckhoff 大力拓展运动控制领域 》德国倍福电气有限公司 2010.12.
作者简介：
郎志峰，1979年，男，汉，河北邯郸馆陶，本科，工程师。