GE 智能平台系列90-30 PLC在ACCU轧机中的应用_编码器_电机

GE 智能平台系列90-30 PLC在ACCU轧机中的应用

2007/5/23 9:23:00

GE Fanuc系列90-30 PLC在ACCU轧机中的应用

摘要 本文介绍了GE Fanuc系列 90-30 PLC在某公司轧管生产线中的关键机组——ACCU轧机中的应用实例。文中描述了该机组工艺流程、自动化系统的控制范围与功能要求，详细给出了采用GE Fanuc解决方案的系统硬件、软件配置，实现所需求项目的过程与要点、程序结构和相应控制功能与特点。
关键词 ACCU轧机 GE Fanuc系列 90-30 PLC APM轴定位人机接口HMI

Application on ACCU roll with GE Fanuc Series 90-30 PLC

Abstract: The paper introduces an application instance for ACCU roll of a certain corporation that is the key mill in the steel pipe production line. The paper describes the technological process and control scope of the automation system as well as the function requirements. GE Fanuc solution for the project is explained in detail, including the hardware and software configurations, the procedures how to accomplish it, the program structure and corresponding functions and features.
Keywords: ACCU roll; GE Fanuc Series 90-30 PLC; APM axis position module; Human machine interface

0 引言
ACCU轧机是采用两辊斜轧工艺、广泛应用于无缝钢管生产线的世界上先进的轧管机。它将穿孔后的毛管插入芯棒后喂入轧机，在轧辊与导盘的协同作用下前进并延伸，将毛管轧成薄壁管材。由于用长芯棒生产，管材内壁光滑无刮伤。ACCU轧机机组控制设备较多，且设备工艺间连锁关系复杂，是钢管热轧线上的核心机组。该机组与相邻的穿孔、定径机组也存在实时数据交换，连续作业需求使其自动化与实时性要求高，因而对它的控制只适于用先进的自动控制装置来完成。当今，ACCU轧机控制系统主要设备一般都采用计算机集散控制系统DCS或可编程控制器PLC两大类。应用DCS系统时，ACCU轧机的控制分布于局域控制网的一个或多个工作站，而局域网上同时挂接轧线上其它机组的若干工作站，操作员站和工程师站提供了人机接口，通过操作员站或工程师站的键盘可输入各类操作命令和数据、调用状态画面，结果可在CRT上显示及打印。应用这种实现模式，系统控制与管理功能都较强，但缺陷是投资大且通用性与可移植性差；而应用PLC时，投资则相对较低且随着PLC与网络技术的不断发展，基于以太网的PLC网络逐步普及开来，不但利用了单体PLC功能性价比高的长处，集中管理功能也大为加强，各控制系统之间集成方便。GE 90-30PLC是GE Fanuc系列90可编程控制器家族中的一员，它成本低、性能高，不仅其CPU具有内置PID、间接寻址、中断控制等强大的功能，并且除了多种类型开关量及模拟量I/O外，还有轴定位模块、Genius通讯模块等功能很强的特殊模块供选择。对于如ACCU轧机控制这类复杂的工业自动化应用场合而言，能提供更经济有效的解决途径。本文以某公司已投入在线作业的ACCU轧机系统为例，描述了机组工艺流程、控制系统功能需求和采用GE90-30PLC作为基本控制单元的整个控制系统设计及实现。
1 机组工艺流程
ACCU轧机机组主要设备分布如图1-1所示。机组主要工艺流程如下：穿孔后的毛管经星轮翻料机→月牙挡料钩→横移链→对齐辊道→对齐辊道翻料钩→予穿台→芯棒插入→毛管步进梁→入口台限动小车启动→芯棒夹钳动作、芯棒予旋转启动→斜送辊升起并旋转→限动小车前进到2.85米（可设定）限动位置→主机负荷继电器得电→导盘润滑启动、机内定心夹紧、1-3号芯棒夹持器闭合、限动小车以极低的限动速度运行→开始轧制→停芯棒旋转、斜送辊降下并停转→轧制完成（负荷继电器掉电）→限动小车高速回退→芯棒夹钳打开→限动小车继续回退到Home位置停止→管子在出口台→拖出辊升起并旋转、上导板打开→管子送往定径机入口辊道。
同时回抽芯棒由毛管步进梁→1#冷却辊道→1-3#冷却辊道依次启动→芯棒送到冷却台架→芯棒冷却旋转→冷却步进梁→芯棒润滑及定位辊道→定位辊道翻料钩→予穿台（供下次芯棒插入使用）。
图1-1

图1-1 ACCU轧机主要设备分布图
2 系统控制范围与功能需求
ACCU轧机电气传动与自动化系统控制范围总体包含以下装置：直流可控硅调速控制装置、交流传动控制装置、交流变频调速控制装置、自动化控制装置、液压控制系统、干稀油润滑电控装置。按系统控制功能需求，应满足如下控制功能：速度曲线设定、位置调整及显示、顺序逻辑控制、交直流传动调节、故障诊断及报警。所有设备可分为两大类：
A．在线设备——指相关信号进PLC，根据在线逻辑控制其动作，对交直流传动而言，将控制其启停和完成相应的速度曲线。
根据ACCU轧机设备布局与工序之间衔接关系，在线设备划分为以下7个控制区域：
1）横向输送链区。区域设备包含月牙挡料器、毛管横移链、对齐辊道及对齐辊道翻料钩；
2）入口台区。区域设备包含限动小车、限动小车芯棒夹钳、芯棒予旋转、1#-3#芯棒夹持器、导盘润滑、机内定心；
3）芯棒插入区。区域设备包含1#-2#芯棒支持器和芯棒插入传动设备；
4）毛管步进梁区。区域设备只含毛管步进梁；
5）本体区。区域设备包含上、下轧辊和上、下导盘主传动；
6）芯棒循环区。区域设备包含1#-3#冷却辊道、冷前辊道挡料器、冷却步进梁、芯棒冷却旋转、新芯棒给料器、循环芯棒给料器、1-2#芯棒润滑定位辊道、芯棒润滑装置；
7）出口台区。区域设备包含1-2段拖出辊及上导板。
设计中之所以将毛管步进梁设备单独分区，是由于该设备贯穿多个区域设备的控制，而且它的旋转角度准确性也很关键，其停位准确方能保证其它区域的自动初始条件有效，避免设备碰撞。将它单独分区，不但容易手、点动干预，更关键的还考虑到便于调试或将来试车时，通过程序就可以模拟仿真自动轧管过程。
B．离线设备——指相关信号不进PLC，其控制方式与在线逻辑无关。
离线设备包括上下辊入、出口压下调整；上下导盘水平、垂直调整；入口台、予穿台、拖出辊高度调整；上下辊喂入角调整。
在控制系统实现上，对于不受PLC控制的离线调整设备，采用常规控制方式，即在操作台设转换开关或按钮、电位器，直接控制直流调速装置（直流传动时）或MCC（交流传动时）。由旋转编码器和数字显示器获得位置调整结果。而对于在线设备，由GE90-30PLC来完成控制，操作方式有自动、半自动、手动三种，使之能满足现场实际生产的需要。
PLC控制包含了顺序控制、速度及位置控制、显示报警。其中，顺序控制根据检测元件的信号反馈，完成上述7个控制分区各设备启停联琐。速度及位置控制包括芯棒插入、限动小车的定位控制和毛管步进梁、冷却步进梁速度控制系统。在芯棒插入的一个工作周期中，有两个芯棒位置要求定位十分精确：一个是待穿位置，一个是插入完成位置。而限动芯棒周期中，要求Home位置、限动起始位置定位精确。为了保证定位精度和可靠性，这两个位置控制系统同时采用APM轴定位智能控制模块和PLS可编程开关两种措施进行速度与位置控制。在使用轴定位模块（APM）工作时，由APM比较给定位置和Encoder检测的实际偏差，按设定的速度、加速度计算出一个速度给定值送到芯棒插入或限动小车的直流调速装置，由相应直流传动电机完成速度及定位控制；在使用PLS工作时，由PLS开关点检测实际位置，PLC根据PLS结果按速度曲线计算速度给定值并送进直流调速装置。对于毛管步进梁和冷却步进梁，则采用PLS开关由PLC进行分段速度控制。工艺要求在尽可能缩短周期的前提下满足物料轻抬轻放，Home位置精确。PLC显示报警功能则实现在各类事故或故障时，通过电笛、指示灯、画面显示及时通知操作人员相应信息。
3 系统硬、软件配置
3.1 系统硬件配置
ACCU轧机控制系统设计基于这样的思想：满足工艺设备要求，确保自动化水平，优化系统结构，增强运行的稳定性。本系统采用美国GE Fanuc公司的系列90-30 PLC作基本控制单元，完成整个轧机在线设备的自动控制功能。系列90-30 PLC具有系统易扩展、配置灵活、交互式编程、界面友好、易于操作、系统功能强、具有I/O点监测报警、易于查找故障等特点，是完成现代工业自动控制的一种较理想设备。控制系统由两台PLC组成，实现对ACCU轧机在线7个分区的控制，两台PLC通过Genius通讯模块进行相互的控制数据交换。所有调速装置作为PROFIBUS-DP从站，连入DP现场总线网络。通过两个PLC中CPU单元（CPU364）的以太网接口连接到HUB或以太网交换机，进而与上位机PC连接。系统配置如图3-1所示。
图3-1

图3-1 ACCU轧机PLC系统配置图

3.2 硬件配置特点
两台PLC硬件配置类似，有利于减少备件储备。为了使用户能更方便地判断与查找故障源，在I/O配置选型时，选用了两类DI开关量输入模块，一种是8路 220VAC（IC693MDL231），用于来自操作台的信号输入，如按钮、转换开关等；另一种是16路24VDC（IC693MDL646），用于来自现场检测元件的信号输入，如热探、光电开关、接近开关、PLS等。同样选用了两类DQ开关量输出，一种为16路220VAC（IC693MDL940），用于操作台指示等；而另一种为8路24VDC（IC693MDL930），用于驱动现场电磁阀等（需通过中间继电器）。
虽然系统所有速度给定与控制都是通过上位机、现场总线及PLC的软给定（数字给定），但为了进一步确保系统可靠性，配置上增加了硬接线形式的给定和控制，即使出现以太网或Profibus网通讯异常时，系统也能采用模拟给定工作。选用了4路模拟量输入AI模块（IC693ALG220），用于上下辊及导盘的转速电位<