GE Fanuc系列90-30 PLC在ACCU軋機中的應用摘 要 本文介紹了GE Fanuc系列 90-30 PLC在某公司軋管生產線中的關鍵機組——ACCU軋機中的應用實例。文中描述了該機組工藝流程、自動化系統(tǒng)的控制范圍與功能要求，詳細給出了采用GE Fanuc解決方案的系統(tǒng)硬件、軟件配置，實現所需求項目的過程與要點、程序結構和相應控制功能與特點。
關鍵詞 ACCU軋機 GE Fanuc系列 90-30 PLC APM軸定位 人機接口HMI
Application on ACCU roll with GE Fanuc Series 90-30 PLCAbstract: 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軋機是采用兩輥斜軋工藝、廣泛應用于無縫鋼管生產線的世界上先進的軋管機。它將穿孔后的毛管插入芯棒后喂入軋機，在軋輥與導盤的協同作用下前進并延伸，將毛管軋成薄壁管材。由于用長芯棒生產，管材內壁光滑無刮傷。ACCU軋機機組控制設備較多，且設備工藝間連鎖關系復雜，是鋼管熱軋線上的核心機組。該機組與相鄰的穿孔、定徑機組也存在實時數據交換，連續(xù)作業(yè)需求使其自動化與實時性要求高，因而對它的控制只適于用先進的自動控制裝置來完成。當今，ACCU軋機控制系統(tǒng)主要設備一般都采用計算機集散控制系統(tǒng)DCS或可編程控制器PLC兩大類。應用DCS系統(tǒng)時，ACCU軋機的控制分布于局域控制網的一個或多個工作站，而局域網上同時掛接軋線上其它機組的若干工作站，操作員站和工程師站提供了人機接口，通過操作員站或工程師站的鍵盤可輸入各類操作命令和數據、調用狀態(tài)畫面，結果可在CRT上顯示及打印。應用這種實現模式，系統(tǒng)控制與管理功能都較強，但缺陷是投資大且通用性與可移植性差；而應用PLC時，投資則相對較低且隨著PLC與網絡技術的不斷發(fā)展，基于以太網的PLC網絡逐步普及開來，不但利用了單體PLC功能性價比高的長處，集中管理功能也大為加強，各控制系統(tǒng)之間集成方便。GE 90-30PLC是GE Fanuc系列90可編程控制器家族中的一員，它成本低、性能高，不僅其CPU具有內置PID、間接尋址、中斷控制等強大的功能，并且除了多種類型開關量及模擬量I/O外，還有軸定位模塊、Genius通訊模塊等功能很強的特殊模塊供選擇。對于如ACCU軋機控制這類復雜的工業(yè)自動化應用場合而言，能提供更經濟有效的解決途徑。本文以某公司已投入在線作業(yè)的ACCU軋機系統(tǒng)為例，描述了機組工藝流程、控制系統(tǒng)功能需求和采用GE90-30PLC作為基本控制單元的整個控制系統(tǒng)設計及實現。
1 機組工藝流程ACCU軋機機組主要設備分布如圖1-1所示。機組主要工藝流程如下：穿孔后的毛管經星輪翻料機→月牙擋料鉤→橫移鏈→對齊輥道→對齊輥道翻料鉤→予穿臺→芯棒插入→毛管步進梁→入口臺限動小車啟動→芯棒夾鉗動作、芯棒予旋轉啟動→斜送輥升起并旋轉→限動小車前進到2.85米（可設定）限動位置→主機負荷繼電器得電→導盤潤滑啟動、機內定心夾緊、1-3號芯棒夾持器閉合、限動小車以極低的限動速度運行→開始軋制→停芯棒旋轉、斜送輥降下并停轉→軋制完成（負荷繼電器掉電）→限動小車高速回退→芯棒夾鉗打開→限動小車繼續(xù)回退到Home位置停止→管子在出口臺→拖出輥升起并旋轉、上導板打開→管子送往定徑機入口輥道。
同時回抽芯棒由毛管步進梁→1#冷卻輥道→1-3#冷卻輥道依次啟動→芯棒送到冷卻臺架→芯棒冷卻旋轉→冷卻步進梁→芯棒潤滑及定位輥道→定位輥道翻料鉤→予穿臺（供下次芯棒插入使用）。
圖1-1 ACCU軋機主要設備分布圖2 系統(tǒng)控制范圍與功能需求ACCU軋機電氣傳動與自動化系統(tǒng)控制范圍總體包含以下裝置：直流可控硅調速控制裝置、交流傳動控制裝置、交流變頻調速控制裝置、自動化控制裝置、液壓控制系統(tǒng)、干稀油潤滑電控裝置。按系統(tǒng)控制功能需求，應滿足如下控制功能：速度曲線設定、位置調整及顯示、順序邏輯控制、交直流傳動調節(jié)、故障診斷及報警。所有設備可分為兩大類：
A． 在線設備——指相關信號進PLC，根據在線邏輯控制其動作，對交直流傳動而言，將控制其啟停和完成相應的速度曲線。
根據ACCU軋機設備布局與工序之間銜接關系，在線設備劃分為以下7個控制區(qū)域：
1） 橫向輸送鏈區(qū)。區(qū)域設備包含月牙擋料器、毛管橫移鏈、對齊輥道及對齊輥道翻料鉤；
2） 入口臺區(qū)。區(qū)域設備包含限動小車、限動小車芯棒夾鉗、芯棒予旋轉、1#-3#芯棒夾持器、導盤潤滑、機內定心；
3） 芯棒插入區(qū)。區(qū)域設備包含1#-2#芯棒支持器和芯棒插入傳動設備；
4） 毛管步進梁區(qū)。區(qū)域設備只含毛管步進梁；
5） 本體區(qū)。區(qū)域設備包含上、下軋輥和上、下導盤主傳動；
6） 芯棒循環(huán)區(qū)。區(qū)域設備包含1#-3#冷卻輥道、冷前輥道擋料器、冷卻步進梁、芯棒冷卻旋轉、新芯棒給料器、循環(huán)芯棒給料器、1-2#芯棒潤滑定位輥道、芯棒潤滑裝置；
7） 出口臺區(qū)。區(qū)域設備包含1-2段拖出輥及上導板。
設計中之所以將毛管步進梁設備單獨分區(qū)，是由于該設備貫穿多個區(qū)域設備的控制，而且它的旋轉角度準確性也很關鍵，其停位準確方能保證其它區(qū)域的自動初始條件有效，避免設備碰撞。將它單獨分區(qū)，不但容易手、點動干預，更關鍵的還考慮到便于調試或將來試車時，通過程序就可以模擬仿真自動軋管過程。
B． 離線設備——指相關信號不進PLC，其控制方式與在線邏輯無關。
離線設備包括上下輥入、出口壓下調整；上下導盤水平、垂直調整；入口臺、予穿臺、拖出輥高度調整；上下輥喂入角調整。
在控制系統(tǒng)實現上，對于不受PLC控制的離線調整設備，采用常規(guī)控制方式，即在操作臺設轉換開關或按鈕、電位器，直接控制直流調速裝置（直流傳動時）或MCC（交流傳動時）。由旋轉編碼器和數字顯示器獲得位置調整結果。而對于在線設備，由GE90-30PLC來完成控制，操作方式有自動、半自動、手動三種，使之能滿足現場實際生產的需要。
PLC控制包含了順序控制、速度及位置控制、顯示報警。其中，順序控制根據檢測元件的信號反饋，完成上述7個控制分區(qū)各設備啟停聯瑣。速度及位置控制包括芯棒插入、限動小車的定位控制和毛管步進梁、冷卻步進梁速度控制系統(tǒng)。在芯棒插入的一個工作周期中，有兩個芯棒位置要求定位十分精確：一個是待穿位置，一個是插入完成位置。而限動芯棒周期中，要求Home位置、限動起始位置定位精確。為了保證定位精度和可靠性，這兩個位置控制系統(tǒng)同時采用APM軸定位智能控制模塊和PLS可編程開關兩種措施進行速度與位置控制。在使用軸定位模塊（APM）工作時，由APM比較給定位置和Encoder檢測的實際偏差，按設定的速度、加速度計算出一個速度給定值送到芯棒插入或限動小車的直流調速裝置，由相應直流傳動電機完成速度及定位控制；在使用PLS工作時，由PLS開關點檢測實際位置，PLC根據PLS結果按速度曲線計算速度給定值并送進直流調速裝置。對于毛管步進梁和冷卻步進梁，則采用PLS開關由PLC進行分段速度控制。工藝要求在盡可能縮短周期的前提下滿足物料輕抬輕放，Home位置精確。PLC顯示報警功能則實現在各類事故或故障時，通過電笛、指示燈、畫面顯示及時通知操作人員相應信息。
3 系統(tǒng)硬、軟件配置3.1 系統(tǒng)硬件配置ACCU軋機控制系統(tǒng)設計基于這樣的思想：滿足工藝設備要求，確保自動化水平，優(yōu)化系統(tǒng)結構，增強運行的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)采用美國GE Fanuc公司的系列90-30 PLC作基本控制單元，完成整個軋機在線設備的自動控制功能。系列90-30 PLC具有系統(tǒng)易擴展、配置靈活、交互式編程、界面友好、易于操作、系統(tǒng)功能強、具有I/O點監(jiān)測報警、易于查找故障等特點，是完成現代工業(yè)自動控制的一種較理想設備。控制系統(tǒng)由兩臺PLC組成，實現對ACCU軋機在線7個分區(qū)的控制，兩臺PLC通過Genius通訊模塊進行相互的控制數據交換。所有調速裝置作為PROFIBUS-DP從站，連入DP現場總線網絡。通過兩個PLC中CPU單元（CPU364）的以太網接口連接到HUB或以太網交換機，進而與上位機PC連接。系統(tǒng)配置如圖3-1所示。
圖3-1 ACCU軋機PLC系統(tǒng)配置圖3.2 硬件配置特點兩臺PLC硬件配置類似，有利于減少備件儲備。為了使用戶能更方便地判斷與查找故障源，在I/O配置選型時，選用了兩類DI開關量輸入模塊，一種是8路 220VAC（IC693MDL231），用于來自操作臺的信號輸入，如按鈕、轉換開關等；另一種是16路24VDC（IC693MDL646），用于來自現場檢測元件的信號輸入，如熱探、光電開關、接近開關、PLS等。同樣選用了兩類DQ開關量輸出，一種為16路220VAC（IC693MDL940），用于操作臺指示等；而另一種為8路24VDC（IC693MDL930），用于驅動現場電磁閥等（需通過中間繼電器）。
雖然系統(tǒng)所有速度給定與控制都是通過上位機、現場總線及PLC的軟給定（數字給定），但為了進一步確保系統(tǒng)可靠性，配置上增加了硬接線形式的給定和控制，即使出現以太網或Profibus網通訊異常時，系統(tǒng)也能采用模擬給定工作。選用了4路模擬量輸入AI模塊（IC693ALG220），用于上下輥及導盤的轉速電位<
