GE90-70PLC在热轧板精整线上的应用

摘要：攀钢热轧板厂精整线改造包含：纵切机组全线机械、液压、电气及自动化设备改造，1#、２#横切机组上料装置机械、液压、电气及部分自动化设备改造。我们主要负责电气传动及基础自动化系统的设计、制作、编程、调试。整个系统的自动化程度达到国际二十世纪九十年代末技术水平。
1、概述
攀钢三期改造项目之一，热轧板厂1450精整上料装置及纵切机组技术改造是三条线（纵切机组、1#、2#横切上料装置）同时进行改造。
1.1、1#、2#横切上料装置：是从上料步进梁、钢卷宽度对中、上料小车、钢卷高度对中到开卷机，其控制系统各采用一套GE90-70PLC,控制机械、液压、传动系统。其配置（两套相同）见图。

1.2、纵切机组控制系统采用一套GE90-70PLC，通过Ethernet网与上位机通讯（上位机有一台服务器，两台操作员浏览站）；采用Profibus-DP总线方式与FieldControl站和传动装置之间进行通讯控制。其拓扑图见图。

1.3、纵切机组整条线改造，其主要设备有：参见图示

2、工艺操作说明
2．1、 1#横切机组、2#横切机组
1#横切机组、2#横切机组工艺流程相同，并且与纵切机组从上料步进梁到开卷机的功能描述是一样的；控制过程基本相同。
2．2、 纵切机组
纵切机组改造后，除实现纵切和重卷功能外，还将完成分卷作业功能；操作说明如下：
生产计划管理，纵切机组生产计划将从主操作室内的操作员站输入和编辑。当编辑完毕时，可传送到上料操作台操作终端显示，以便于上料操作工与实际原料进行确认。生产计划将存储在服务器的数据库内。当预留的管理自动化系统投入运行时，纵切机组的生产计划可来自于管理自动化系统。
上卷时，按照生产计划，用行车将钢卷吊至上料步进梁的固定鞍座上，上料步进梁与纵切机组中心线垂直布置，其上可同时存放5个钢卷(三个卷位在钢卷库)。吊车将钢卷吊到步进梁上料工位。上料操作台处的操作工根据生产计划数据，确认步进梁第一和第二卷位处的钢卷数据无误后，再启动步进梁自动送卷。如有误，则由操作工修改该钢卷的生产计划内容，或向吊车发出指令，将钢卷移回钢卷库。当操作工确认该钢卷数据正确无误后，控制系统自动记忆和跟踪该钢卷。
操作工确认钢卷数据后，步进梁由PLC控制，一步一步往前运送钢卷，钢卷在第三个卷位和第四卷位之间借助于光电开关和位移传感器自动完成钢卷的宽度测量并计算出对中偏移量，在第四卷位借助于位移传感器自动完成钢卷对中，对中后，由步进梁自动将钢卷运送到步进梁出口侧开卷准备站的地辊上。由上料操作台实现拆除捆带和切除不规则头部，钢卷准备好后由上料小车运送。上料钢卷小车将钢卷准备站上的钢卷托起并送至开卷机卷筒上，在钢卷小车送卷到对中站后借助于光电开关和位移传感器，实现钢卷高度自动对中，此部分手动控制由上料操作台实现，自动则由控制系统完成。
钢卷套入开卷机卷筒上后，开卷机外支撑摆下，开卷机卷筒横移伸入外支撑，并在横移过程中建立与深弯辊的机械连锁。然后开卷机卷筒扩张使钢卷固定在卷筒上，压紧辊摆出压住带卷外圈，上料钢卷小车下降并退回原位，等待下一个钢卷。此部分手动控制由上料操作台实现，自动则由控制系统完成。穿带时，开卷机的外支承在油缸作用下摆动，支撑住卷筒的活动端，此时压辊将钢卷带头压住，以防松卷。油缸驱动刮板将带头打开，开卷机卷筒低速旋转，在深弯辊与压辊的共同作用下送至入口反弯夹送辊。带头进入反弯夹送辊后，刮板退回原位。机组运行过程中深弯辊一直紧贴带钢表面。此部分手动控制由上料操作台实现，自动则由控制系统完成。
当钢卷由上卷小车送到开卷机后，并当设备处于自动工作方式时，则调出存储在服务器内相应的设定数据传送到PLC，由PLC控制执行机构对以下设备根据板宽板厚自动进行调整：
1) 1#侧导板长行程、短行程
2) 五辊矫直机下辊辊缝调整
3) 2号侧导板长行程、短行程、纠偏
4) 张力装置辊缝调整
对这些设备作自动调整时，必须保证相应设备内无带钢。
与此同时，服务器将有关参数送到PLC，如切分重量、长度等，以便对全线设备进行控制。在自动调整完成后，各对应的操作台、点和主操作台根据实际情况，可进行人工干预。
当机组分卷或重卷工作时，此时可由五辊矫直机操作台切换到主操作台控制，由主操台发出指令，控制相应设备以穿带速度经1#侧导板进入五辊矫直机，并与开卷机形成一定张力。随后带钢经切头尾液压剪进入1#活套，通过2#侧导板在1#夹送辊作用下将带钢送入圆盘剪进行切条（或空过），圆盘剪剪切的废料边（手动穿带）经卷边机卷取后由废料收集小车运出。剪切后的带钢进入2#活套，在2#夹送辊作用下将带钢送入张力装置，进入切分剪切除不规则头部后，带钢头部进入带分离盘的出口导向辊后，通过机械喂钳口装置送至卷取机卷筒处，并喂入钳口。卷取机钳口夹紧带钢头部，压辊和分离辊压下，卷取机开始低速卷取（V≤30M/min）。当卷取机卷上2～3圈带钢后，整个机组开始加速到某一工作速度，在加速开始时压辊打开，卷取机与张力辊之间建立设定的张力，以保证带钢的卷取质量，正常卷取达到一定长度时，提前降速，并在到达设定长度时准确停车，切分剪自动切分，完成分卷过程。机组升速和降速时的1#、2#活套的套量和活套挡板控制将由自动化系统自动完成。卷取（切分和纵切时）快结束时，机组减速至穿带速度。当带钢尾部行至切分剪切时，切除不规则尾部，机械喂钳口装置中的予弯辊压下，将带钢尾部压成弧形。压辊压下，使带钢尾部紧贴钢卷表面。卷取机停止转动。
卷取机前装有EPC边缘对中系统，以控制钢卷塔形。机组从穿带速度升至全线工作速度，控制系统给EPC发出对中信号，EPC投入工作实现浮动对中，当卷取快近终了时，卷取由工作速度切换至甩尾速度，在带尾进入张力装置之前，控制系统发出信号自动切除EPC对中。
称重操作台处的操作工启动自动卸卷、钢卷移送、称重、打印和翻卷过程。当称重时，自动化系统将该钢卷信息与重量自动打印到成品标签上。称重完毕后，自动化系统自动将该钢卷的重量添入存储在服务器内的生产计划表内，以便生产统计用。
卷取结束后，卷取操作台处的操作工启动自动卸卷，卸卷小车托辊上升，托住钢卷，然后压辊、分离辊打开，卷筒收缩，卷筒活动支承摆开，推板机构与卸卷小车同步将钢卷卸下，把钢卷运送到卸卷步进梁上，在这里进行人工径向和轴向打捆，也可在小车上打捆。
电子秤安装在卸卷步进梁第二个卷位上，步进梁运送钢卷到此卷位处，自动化系统自动将该钢卷信息与重量打印到成品标签上。称重完毕后，自动化系统自动将该钢卷的重量添入存储在主操作室HMI内的生产计划表内，以便生产统计用。
卸卷步进梁一步一步将钢卷运至翻卷机上，由翻卷机将卧卷变立卷再由吊车吊运入库。
当机组作为分条工作时，整个穿带过程都由人工在主操作室内通过工业电视观察设备与带钢头部运行状况手动控制设备。当穿带到卷取机后，由操作工启动机组自动运行，其过程同分卷基本相同。
3、传动系统
3. 1、 1#和2#横切机组
生产线调速电机的电气传动根据现有设备情况，1#横切机组开卷机和2#横切机组开卷机采用直流调速，其供电装置分别采用西门子公司的SIMOREG DC MASTER 6RA70全数字直流调速装置，并配置T400工艺板、脉冲发生器接口板、PROFIBUS-DP通信板和OP1S操作面板等相关的附件。
开卷机的恒张力控制在直流装置中配置T400工艺板组态来实现。
3. 2 纵切机组
该生产线根据用户“机组电气传动调速采用交流变频调速”的要求，故调速电机选用变频调速三相异步电动机，其供电装置采用ABB公司的矢量控制三相交流传动系统电压型变频调速装置。该型变频调速装置具有IGBT功率器件，采用全数字技术，具有电压中间回路。
传动调速采用公共母线的供电方式，由一台干式整流变压器供电，其整流/回馈装置容量为2200kVA，包括交流开关、自藕变压器、PROFIBUS-DP通信板和操作面板等。
每套逆变器直流侧配有刀熔开关、带有预冲电回路、脉冲发生器接口板、PROFIBUS-DP通信板和操作面板等，开卷机和卷取机还带有卷绕软件。
为了调试和维护方便，建立一个传动调试、维护网。
逆变器主要技术参数：
直流母线电压：DC510V
输出电压：AC 0-380V
额定频率：50HZ（±6%）
输出频率：0-200Hz
基本负载电流：0.91 Ie
短时过载电流：1.36 Ie
4、基础自动化
4．1、 1#横切机组、2#横切机组基础自动化
1#横切机组、2#横切机组基础自动化系统主体利旧，在原有GE 90-70 PLC系统中分别各新增2个远程I/O站和西门子直流传动控制站，西门子直流传动装置带有T400工艺板和CBP2通讯板，系统采用PROFIBUS-DP总线方式与上位机通讯；将与上料装置系统有关的开关量信号和模拟量信号接入原有的GE 90/70 PLC，上料装置相关设备的控制和控制功能的实现在原有GE 90/70 PLC中完成。
4．1．1、 上料装置设备组成：
1)上料步进梁平移
驱动：液压驱动
检测：设接近开关四个（分别为前/后极限和减速点检测）
操作：自动/手动二种。
2)上料步进梁升降
驱动：液压驱动
检测：接近开关二个（用于上升/下降位置检测）
操作：自动/手动
3)宽度对中装置
驱动：液压比例系统
检测：位移传感器
光幕测宽装置
操作：自动/手动
4)上卷小车平移
驱动：液压比例系统
检测：设接近开关四个（分别为前/后极限和减速点检测）
编码器一台（入原GE 90/70主站）
超声波卷径测量装置
操作：自动/手动
5)上料小车升降
驱动：液压比例系统
检测：接近开关二个（用于上升/下降位置检测）
超声波卷径检测装置一台
位移传感器
操作：自动/手动
4．1．2、 基础自动化的主要控制功能包括：
1) 上料步进梁的动作及逻辑联锁控制
2) 上料钢卷宽度对中控制
3) 开卷机上卷小车的定位控制
4) 上卷小车钢卷高度对中控制
5) 卷径测量计算

4．2、纵切机组自动化系统
纵切机组自动化系统由PLC控制系统、HMI系统、工程师站、一体化操作终端、称重系统、通讯网络以及网络打印机等外设组成。
4．2．1 、 PLC控制系统
纵切机组PLC系统硬件采用GE Fanuc 90-70 PLC和Field Control组成分布式I/O控制系统。在信号较集中的操作室及液压站采用远程Field Control I/O；PLC主站与远程I/O站间网络采用PROFIBUS-DP总线进行数据交换；PLC与传动装置间通过PROFIBUS-DP总线进行连接和通讯；这样可大量减少现场配线及设备运行后的维护量。DP总线的物理介质屏蔽电缆，其通讯速度最大为12M位。PLC用于全线顺序控制、位置控制、速度张力控制等。
4．2．2、 HMI系统
HMI系统采用服务器-客户机结构形式。系统由一台服务器和两台HMI客户机终端组成。服务器和客户机连接到3COM，通过Ethernet网与PLC进行数据交换。
4．2．3 、 工程师站
PLC工程师站硬件采用一台便携式计算机，通过Ethernet以太网实现对PLC的编程、调试、监控和故障查找。
传动工程师站硬件采用一台工控计算机，实现对传动系统的编程、调试、监控和故障查找。
4．2．4 、 一体化操作终端
本系统在原料入口和成品出口处各安装一台一体化操作显示单元QUICKPANEL，用于原料确认、生产计划显示（入口）和成品参数确认（出口）。操作显示单元通过PROFIBUS-DP总线实现与PLC及服务器之间等的数据交换。
4．2．5 、 称重和打印系统
在纵切机组主操作室和出口端各配置一台网络打印机，用于生产报表和产品标签打印；配置一台托利多称重装置，用于成品称重，称重装置通过转换器连接到PROFIBUS-DP总线上，实现与服务器及打印机通讯。
4．2．6 、 通讯网络
Ethernet以太网：通过3COM将各通讯设备相连，用于PLC、HMI、网络打印机及PLC工程师站间的通讯。（预留与工厂管理级计算机的通讯的接口）
PROFIBUS-DP网：用于PLC控制系统与电气传动控制系统间的通讯。用于PLC主站与FieldControl分布式I/O站、称重系统、一体化终端间的通讯。
4．2．7、 纵切线基础自动化的主要控制功能包括：
1)上料步进梁原料确认
2)上料步进梁的动作及逻辑联锁控制
3)上料步进梁宽度对中控制
4)上卷小车高度对中控制；该功能设置手动及自动两种方式
5)卷径测量及计算，甩尾控制
6)钢卷准备站的控制
7)开卷机点动
8)卷筒涨缩，活动支撑起、落
9)开卷机整体平移
10)开卷机压辊，深压辊，深压小车的动作及逻辑控制
11)反弯辊及夹送辊压下，抬升控制
12)开头机铲头的上、下、前、后摆动及逻辑联锁控制
13)液压站，稀油站系统控制
14)开卷区设备传动的自动/手动方式选择控制等
15)全线速度设定、匹配协调控制
16)张力设定
17)卷径检测及计算，包括初始卷径自动检测
18)侧导板开口度控制；该功能设手动及自动两种方式
19)矫直机的辊缝定位控制
20)各设备的手动或点动的逻辑或速度控制
21)带钢甩尾控制
22)EPC投入与切除（EPC全部引进德国设备）
23)钢卷跟踪和带材跟踪
24)自动切分控制
25)活套自动套量调节控制
26)钢卷称重控制
27)全线的工艺过程和报警控制
28)全线设备的逻辑联锁控制
29)与传动系统的通讯
PLC通过其CPU主机架上的5136-PFB-VME模板接口与PROFIBUS-DP总线联接，再通过总线连接器及ABB交流多传动系统的逆变器上的NBPA-12板，可与各逆变器进行主从方式通讯，PLC将速度、张力、起停、封锁等指令传送给传动装置，而传动装置则把速度实际值、电流值、报警等状态信号传送给PLC。
30)与工厂管理级计算机的通讯（预留接口）；
纵 切 机 组 基 础 自 动 化 系 统 通 过 完 成 上 述 主 要 功 能，实 现 全 线 的 自 动 化 控 制。

5、系统软件
5．1、GE90-70 编程软件Cimplicity Machine Edition完成的功能主要包括：
1) 图形系统
用于自由地组态画面，并完全通过图形对象进行操作，图形对象具有动态属性并可对属性进行在线组态。
2) 报警信息系统
记录和存贮事件并予以显示；可自由选择信息分类、报表。
3) 变量存档
接收、记录和压缩测量值：曲线和图表显示及进一步的编辑功能。
4) 报表系统
用户自由选择一定的报表格式，按时间顺序或者事件触发来操作和处理文档当前数据，进行用户报表输出。
5) 处理功能
用ANSI—C语言编辑组态图形对象的动作，该编辑通过系统内部的C编译器执行。
5．2、Cimplicity Plant Edition HMI系统的主要功能
操作室内的HMI主要对整个机组的参数进行画面监控及生产数据的设定，画面均为中文。包括：
1)纵切线生产流程显示
2)机组速度的设定与显示
3)开卷、卷取张力的设定显示
4)各单机设备的速度、电压、电流显示
5)电气传动系统的状态显示（启动、停止、正转、反转、故障等）
6)来料规格的输入，包括来料的卷重、宽度、材质、板厚等
7)成品规格的输入，包括卷重、宽度、板厚等
8)部分功能的投入/切除管理
9)部分设备的测试和操作
10)机组报警信号显示
11)开卷、卷取直径显示
12)各开口度、重合度的显示
13)生产报表的打印
14)活套状态显示
15)液压系统的状态显示
16)历史数据的记录
17)传动系统的电源合/分闸操作控制
18)液压、润滑站的远程操作控制

6、系统编程调试
1)三条线PLC程序编制，画面的组态，生产计划管理、数据库的编制调试优化
2)计算机网络通讯按照配置进行联通测试
3)GE90-70PLC本身的程序测试，与上位机的通讯测试，与ABB交流多传动系统、西门子直流传动装置间的通讯测试，与触摸屏、称重系统间的通讯测试
4)检验数据传送交换信息的正确性

7、结束语：精整线改造项目所涵盖的知识面和技术含量是非常宽而深，既有机械、液压方面的知识；又有PLC编程，人机界面，数据库管理，网络通讯；还有交、直流全数字传动控制系统；而且是多方产品的综合组态、通讯，技术难度大。同样的是已经圆满地完成了本改造项目的设计、编程、调试任务。

8、社会及经济效益
该项目工程投资电气自动化部分：包括盘箱柜设计制造，计算机、PLC、数据库编程，交直流全数字调速装置调试编程等。投资500万元人民币；加上现场电气工程安装调试300万元人民币；总计投资有800万元人民币。
其社会效益和经济效益预计在3000万元人民币以上。后续的技术改造自动化程度会更高，技术难度更大。

2003．10．26