GEFanuc系列90-30PLC在ACCU轧机中的应用

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）。

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。
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器给定（当通讯出现异常时采用）；两类模拟量输出AQ模块，一种为8路（IC693ALG392），用于到电流表或转速表的显示；另一种为2路（IC693ALG390），用于交流变频及直流调速装置的控制给定（当通讯异常时投入）。
3.3 系统软件配置
3.3.1 PLC编程平台GE CIMPLICITY Machine Edition
CIMPLICITY 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：PLC1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，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），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。

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