GEFanuc系列90-30PLC在ACCU轧机中的应用与特点1772.docx

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1、GE Fanuc系列90-30 PLC在ACCU轧机中的应用0 引引言AACCU轧轧机是采用用两辊斜轧轧工艺、广广泛应用于于无缝钢管管生产线的的世界上先先进的轧管管机。它将将穿孔后的的毛管插入入芯棒后喂喂入轧机，在在轧辊与导导盘的协同同作用下前前进并延伸伸，将毛管管轧成薄壁壁管材。由由于用长芯芯棒生产，管管材内壁光光滑无刮伤伤。ACCCU轧机机机组控制设设备较多，且且设备工艺艺间连锁关关系复杂，是是钢管热轧轧线上的核核心机组。该该机组与相相邻的穿孔孔、定径机机组也存在在实时数据据交换，连连续作业需需求使其自自动化与实实时性要求求高，因而而对它的控控制只适于于用先进的的自动控制制装置来完完成。当

2、今今，ACCCU轧机控控制系统主主要设备一一般都采用用计算机集集散控制系系统DCSS或可编程程控制器PPLC两大大类。应用用DCS系系统时，AACCU轧轧机的控制制分布于局局域控制网网的一个或或多个工作作站，而局局域网上同同时挂接轧轧线上其它它机组的若若干工作站站，操作员员站和工程程师站提供供了人机接接口，通过过操作员站站或工程师师站的键盘盘可输入各各类操作命命令和数据据、调用状状态画面，结结果可在CCRT上显显示及打印印。应用这这种实现模模式，系统统控制与管管理功能都都较强，但但缺陷是投投资大且通通用性与可可移植性差差；而应用用PLC时时，投资则则相对较低低且随着PPLC与网网络技术的的不断

3、发展展，基于以以太网的PPLC网络络逐步普及及开来，不不但利用了了单体PLLC功能性性价比高的的长处，集集中管理功功能也大为为加强，各各控制系统统之间集成成方便。GGE 900-30PPLC是GGE Faanuc系系列90可可编程控制制器家族中中的一员，它它成本低、性性能高，不不仅其CPPU具有内内置PIDD、间接寻寻址、中断断控制等强强大的功能能，并且除除了多种类类型开关量量及模拟量量I/O外外，还有轴轴定位模块块、Gennius通通讯模块等等功能很强强的特殊模模块供选择择。对于如如ACCUU轧机控制制这类复杂杂的工业自自动化应用用场合而言言，能提供供更经济有有效的解决决途径。本本文以某公公

4、司已投入入在线作业业的ACCCU轧机系系统为例，描描述了机组组工艺流程程、控制系系统功能需需求和采用用GE900-30PPLC作为为基本控制制单元的整整个控制系系统设计及及实现。1 机机组工艺流流程AACCU轧轧机机组主主要设备分分布如图11-1所示示。机组主主要工艺流流程如下：穿孔后的的毛管经星星轮翻料机机月牙挡挡料钩横横移链对对齐辊道对齐辊道道翻料钩予穿台芯棒插入入毛管步步进梁入入口台限动动小车启动动芯棒夹夹钳动作、芯芯棒予旋转转启动斜斜送辊升起起并旋转限动小车车前进到22.85米米（可设定定）限动位位置主机机负荷继电电器得电导盘润滑滑启动、机机内定心夹夹紧、1-3号芯棒棒夹持器闭闭合、限

5、动动小车以极极低的限动动速度运行行开始轧轧制停芯芯棒旋转、斜斜送辊降下下并停转轧制完成成（负荷继继电器掉电电）限动动小车高速速回退芯芯棒夹钳打打开限动动小车继续续回退到HHome位位置停止管子在出出口台拖拖出辊升起起并旋转、上上导板打开开管子送送往定径机机入口辊道道。同同时回抽芯芯棒由毛管管步进梁1#冷却却辊道11-3#冷冷却辊道依依次启动芯棒送到到冷却台架架芯棒冷冷却旋转冷却步进进梁芯棒棒润滑及定定位辊道定位辊道道翻料钩予穿台（供供下次芯棒棒插入使用用）。 图1-1 ACCCU轧机机主要设备备分布图2 系系统控制范范围与功能能需求ACCUU轧机电气气传动与自自动化系统统控制范围围总体包含含以

6、下装置置：直流可可控硅调速速控制装置置、交流传传动控制装装置、交流流变频调速速控制装置置、自动化化控制装置置、液压控控制系统、干干稀油润滑滑电控装置置。按系统统控制功能能需求，应应满足如下下控制功能能：速度曲曲线设定、位位置调整及及显示、顺顺序逻辑控控制、交直直流传动调调节、故障障诊断及报报警。所有有设备可分分为两大类类：AA 在线线设备指相关信信号进PLLC，根据据在线逻辑辑控制其动动作，对交交直流传动动而言，将将控制其启启停和完成成相应的速速度曲线。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

7、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

8、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

9、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A

10、PM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

11、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

12、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 ACCCU轧机机PLC系系统配置图图3.22 硬件配配置特点两台PPLC硬件件配置类似似，有利于于减少备件件储备。为为了使用户户能更方便便地判断与与查找故障障源，在II/O配置置选型时，选选用了两类类DI开关关量输入模模块，一种种是8路 220VVAC（IIC6933MDL2231），用用于来自操操作台的信信号输入，如如按钮、转转换开关等等；另一种种是16路路24VDDC（ICC693MMDL6446），用用于来自现现场检测元元件的信号号输入，如如热探、光光电开关、接接近开关、PPLS等。同同样选用了了两类DQQ开关量输输出，

13、一种种为16路路220VVAC（IIC6933MDL9940），用用于操作台台指示等；而另一种种为8路224VDCC（IC6693MDDL9300），用于于驱动现场场电磁阀等等（需通过过中间继电电器）。虽然系系统所有速速度给定与与控制都是是通过上位位机、现场场总线及PPLC的软软给定（数数字给定），但但为了进一一步确保系系统可靠性性，配置上上增加了硬硬接线形式式的给定和和控制，即即使出现以以太网或PProfiibus网网通讯异常常时，系统统也能采用用模拟给定定工作。选选用了4路路模拟量输输入AI模模块（ICC693AALG2220），用用于上下辊辊及导盘的的转速电位位器给定（当当通讯出现现异常

14、时采采用）；两两类模拟量量输出AQQ模块，一一种为8路路（IC6693ALLG3922），用于于到电流表表或转速表表的显示；另一种为为2路（IIC6933ALG3390），用用于交流变变频及直流流调速装置置的控制给给定（当通通讯异常时时投入）。3.3 系统软件配置3.3.1 PLC编程平台GE CIMPLICITY Machine EditionCIMPLICITY Machine Edition是GE Fanuc推出的一个可以在统一的工作平台下同时开发多目标逻辑控制、运动控制等的新一代软件。它提供一个公共的环境用于配置、编程、调试和维护用户应用软件。其强大功能可以大大缩短应用软件开发、调试时

15、间。应用ME开发ACCU轧机PLC软件的步骤如下：打开CIMPLICITY Machine Edition，在出现的对话框中，选择空项目OK，项目名为accu_plc1（或plc2），右击项目名后，在加入目标选项中，选择GE Fanuc PLC的系列90-30 PLC，对自动生成的Target1进行硬件配置，配置方法为右击机架和槽号，通过替换模块或加入模块完成。需要注意的是Profibus主模块配置完后，还要依次加入从模块，选SIEMENS的MASTERDRIVES CBPx后，设置站号和PPO4协议模式，站号设置应与调速装置的相应参数设置一致。所有硬件组态完成后，须校验一下，无错误（仅有程序

16、为空的警告）时，可以在逻辑的程序块栏下编写梯形图程序，缺省只有主程序块_main，可通过右击选新LD块加入各个子程序块。在每个程序块内编写相应的控制程序。程序编写完后需进行校验，无错误后，方能下载到PLC控制器内，第一次下载只能通过串口，将CPU以太网的IP地址写入，之后，就可以直接通过以太网来通讯了。3.3.2 上位机SCADA软件平台GE CIMPLICITY HMI Plant Edition采用GE CIMPLICITY HMI Plant Edition作为 ACCU轧机上位机监控软件的开发平台。CIMPLICITY HMI软件是GE Fanuc在数十年工业自动化经验积累基础上，与微

17、软Microsoft合作开发的业界最优秀的人机界面软件之一，它功能强大并易于使用。在上位机PC上（操作系统为Windows2000专业版）安装PE并运行，新建ACCU_ROLL工程，定义工程属性，在“选项”中选中“Basic Control”与“Database Logger”，因本工程中要用VB脚本编辑事件并且在数据库中记录点值（为趋势使用）和事件信息，在“协议”中选中“Series 90 Ethernet”，因PLC与上位机通讯采用以太网TCP/IP。在“安全”的“资源”项中新建ACCU资源，“角色”使用系统缺省的三种，除系统的管理员用户外，在“用户”中新建一个使用密码的用户，让ACCU资

18、源为其所用，以便以后在某些画面能限制未授权用户的访问。但由于这样做至少用户名是明确的，虽然密码可以隐藏，系统使用久了也容易知晓，所以对于一些关键画面和环节，则是通过编写代码建立并隐藏了用户名和密码，使各类用户分级，并在画面运行的状态下，授权用户可以修改他的用户名和密码。定义使用S90_TCPIP协议的端口以及系统占用端口的PLC1和PLC2两台设备（在TCP/IP中写入相应PLC的CPU的IP地址，只是最后一位不同，以确保在同一网段，上位PC机也要使用同一网段的固定IP地址），接下来就可以定义系统点标识（设备点或虚拟点）和编辑系统画面了。4 应用软件结构和功能特点4.1 PLC程序结构与功能特

19、点ACCU轧机7个在线控制分区的设备控制由PLC1和PLC2共同承担。二台PLC分别控制以下分区：PLC1控制：横向输送链区、毛管步进梁区、芯棒插入区、芯棒循环区。PLC2控制：入口台区、本体区、出口台区。4.1.1 PLC1程序结构与功能_MAIN：根据各区的初始准备条件完成相应子程序调用，PLC启停初始化。ALARM：所有指示灯、电笛、仪表显示。CIRAUTO：芯棒循环区自动程序。CIRMAN：芯棒循环区手动程序。CNVBAK：变频与工频倒换的备用辊道控制程序。ESTOP：紧停的相关处理。ETHNET：将直流调速装置有关状态字数据打包转换后通过以太网传给上位机HMI。GDATA：PLC1与

20、PLC2控制数据交换。HENAUTO：横移链区的自动程序。HENMAN：横移链区的手动程序。INSAPM：芯棒插入的APM校零，取上位机HMI的设定数据。INSAUTO：芯棒插入的自动程序。INSMAN：芯棒插入的手动程序。PROFIB：分解和打包与直流调速装置交换的数据。WLKAUTO：毛管步进梁区的自动程序。WLKMAN：毛管步进梁区的手动程序。4.1.2 PLC2程序结构与功能_MAIN： 子程序调用，PLC启停初始化。ALARM： 所有指示灯、电笛、仪表显示。ESTOP： 紧停的相关处理。ETHNET：将直流调速装置有关状态字数据打包转换后通过以太网传给上位机HMI。GDATA：PLC

21、1与PLC2控制数据交换。INTAPM：入口台的APM程序的校零，取上位机HMI下载数据。INTAUTO：入口台自动程序。INTMAN：入口台手动程序。MAIN：本体的控制程序。 OUTAUTO：出口台的自动程序。OUTMAN：出口台的手动程序。PROFIB：分解和打包与直流调速装置交换的数据。4.1.3 PLC程序特点从上面可以看出，两台PLC采用了类似的程序结构，只是控制设备的分区不同而已。PLC程序都采用了梯形图形式编写，这样的目的是为了使程序的可读性、易维护性更好，均由主程序块_MAIN根据各个分区的初始条件调用或直接调用其它的各个子程序块。层次清楚，并且为了在PLC中查找故障更快捷，

22、在每个分区的自动程序块的开始行，都汇总了该分区所有检测与执行元件的开关量输入/输出点（依动作顺序），所有变量和控制段落都给出了中文描述，便于用户对程序的理解。4.2 上位机SCADA应用软件与功能特点ACCU轧机上位机SCADA应用软件完成与之通过以太网通讯的两台PLC的数据采集与监控。创建的主要系统画面包括主画面、机组概貌、检测元件状态、分区自动允许、速度参数设定、位置监控画面、直流调速系统状态、主机/导盘运转允许、主机/导盘运转参数、报警记录等。4.2.1 主要画面功能1)主画面。在项目运行时，自动进入该界面。在该画面中，显示当前报警历史中有无活动报警的提示，可以通过画面按钮直接调用系统其

23、他画面。另外还设置了退出系统按钮，当按下时，要求输入密码，正确后，会提示两种退出方式，一种是不停止服务器，项目在后台运行；另一种是停止服务器和项目。这样即使生产时，方便有权限用户在不中止项目的情况下，临时作其它工作，如进入PLC程序编辑等；或在彻底检修停电时，终止项目的运行，使数据库记录数据不再无谓膨胀。2)机组概貌画面。该画面以色块形式显示了ACCU全部在线设备的实时状态，设备未运转时为灰色，正转或升起时（阀）为绿色，反转或降下时（阀）为黄色，为节约视觉空间，各设备均以传动号标识，画面上有查看帮助按钮，按下会弹出传动号定义画面。画面的左上方集中给出了7个控制分区的当前操作方式的自动/手动文本

24、指示。3)检测元件状态画面。标示了全部在线检测元件的位置与当前状态，PLS的角度，并且能自动弹出每个检测元件的功能描述。4)分区自动允许画面。画面以文本和状态色块结合形式集中显示了7个分区中每个分区的自/手动状态，和自动初始条件每一项是否满足。并且也显示了两个Profibus DP网络的每个装置的当前网络连接状态。5)速度参数设定画面。进入该画面之前会自动弹出权限检查画面，有身份验证和修改选项。将给三次身份检查机会，连续三次错误会自动退出界面，若身份OK，则自动进入速度参数设定画面，在画面中由工艺人员输入喂入角、直径等工艺参数，主机轧辊、导盘、辅机（调速装置）线速度给定（画面可正/逆向翻页），

25、在HMI中，会自动依此换算出PLC控制给调速装置的给定包括转速RPM和工程量值。这样的特点在于可以减轻PLC的CPU计算负担。设置了设定数据送PLC的按钮，以触发设定值的变化，不仅方便提前输入下批轧制数据，而且在将来有多个上位机时，确保到PLC的数据受控。 6)位置监控画面。显示了APM轴定位系统芯棒插入、限动小车的位置调节状态，实时/历史位置趋势图。7)直流调速系统状态画面。集中显示了ACCU轧机所有直流调速装置是否准备好、运行、轻故障、重故障的状态信息。8) 主机/导盘运转允许画面。显示了上、下辊及导盘运转的初始条件满足状态。9) 主机/导盘运转参数画面。以柱状图和趋势图形式显示了上、下辊

26、及导盘的实时运转速度、每台电机电流、总电流，并给出了这些参数的历史趋势调用入口。10) 报警记录画面。综合显示了全部报警历史信息，包括报警项、数目、是否确认、报警日期和时刻，描述等。提供对报警的确认、删除等控制。4.2.2 上位机应用软件特点1) 多层次分级用户的建立。不仅通过PE平台的“用户”功能建立授权用户，还通过编写代码进行文件访问去建立多级用户档案，增加了保密性、灵活性。2) 交互性好。许多画面都给出了弹出式帮助信息，在不妨碍用户视线前提下，使用户获取大量有用信息。3) 最大化信息量。提供控制设备的细化信息，不但保证工艺人员通过HMI自动计算下达工艺参数，也使设备维护与技术支持人员能直

27、接通过HMI有效提取信息。可通过画面直接查找故障。4) 历史数据处理。数据库中的历史数据将定期自动转储到硬盘，方便将来对数据的检索。5) 画面美观、实用。画面的色彩充分考虑了视觉影响，使信息易捕获且不伤视力。信息分类并提供多种表达及入口，更加实用。6) 退出系统功能。一般来说，许多上位机不设置退出系统功能，但为了一机多用，在此设置了两种形式的退出功能。更好地满足了用户所需。5 结束语采用了GE Fanuc解决方案的ACCU轧机控制系统不但节约了投资成本，而且设备稳定性高。两台系列90-30 PLC硬件与软件相似的设计，不但使用户减少备件开支，而且也使用户对系统更容易理解。上位机通过以太网通讯也使控制信息可以很容易从控制层无缝过渡到管理层。系统自投入以来一直可靠运行的实践已表明了它给用户带来的利益。