GE Fanuc系列90-30 PLC在ACCU軋機(jī)中的應(yīng)用摘 要 本文介紹了GE Fanuc系列 90-30 PLC在某公司軋管生產(chǎn)線中的關(guān)鍵機(jī)組——ACCU軋機(jī)中的應(yīng)用實(shí)例。文中描述了該機(jī)組工藝流程、自動(dòng)化系統(tǒng)的控制范圍與功能要求,詳細(xì)給出了采用GE Fanuc解決方案的系統(tǒng)硬件、軟件配置,實(shí)現(xiàn)所需求項(xiàng)目的過程與要點(diǎn)、程序結(jié)構(gòu)和相應(yīng)控制功能與特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞 ACCU軋機(jī) GE Fanuc系列 90-30 PLC APM軸定位 人機(jī)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(jī)是采用兩輥斜軋工藝、廣泛應(yīng)用于無縫鋼管生產(chǎn)線的世界上先進(jìn)的軋管機(jī)。它將穿孔后的毛管插入芯棒后喂入軋機(jī),在軋輥與導(dǎo)盤的協(xié)同作用下前進(jìn)并延伸,將毛管軋成薄壁管材。由于用長(zhǎng)芯棒生產(chǎn),管材內(nèi)壁光滑無刮傷。ACCU軋機(jī)機(jī)組控制設(shè)備較多,且設(shè)備工藝間連鎖關(guān)系復(fù)雜,是鋼管熱軋線上的核心機(jī)組。該機(jī)組與相鄰的穿孔、定徑機(jī)組也存在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換,連續(xù)作業(yè)需求使其自動(dòng)化與實(shí)時(shí)性要求高,因而對(duì)它的控制只適于用先進(jìn)的自動(dòng)控制裝置來完成。當(dāng)今,ACCU軋機(jī)控制系統(tǒng)主要設(shè)備一般都采用計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)DCS或可編程控制器PLC兩大類。應(yīng)用DCS系統(tǒng)時(shí),ACCU軋機(jī)的控制分布于局域控制網(wǎng)的一個(gè)或多個(gè)工作站,而局域網(wǎng)上同時(shí)掛接軋線上其它機(jī)組的若干工作站,操作員站和工程師站提供了人機(jī)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(shù)據(jù)、調(diào)用狀態(tài)畫面,結(jié)果可在CRT上顯示及打印。應(yīng)用這種實(shí)現(xiàn)模式,系統(tǒng)控制與管理功能都較強(qiáng),但缺陷是投資大且通用性與可移植性差;而應(yīng)用PLC時(shí),投資則相對(duì)較低且隨著PLC與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展,基于以太網(wǎng)的PLC網(wǎng)絡(luò)逐步普及開來,不但利用了單體PLC功能性價(jià)比高的長(zhǎng)處,集中管理功能也大為加強(qiáng),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(nèi)置PID、間接尋址、中斷控制等強(qiáng)大的功能,并且除了多種類型開關(guān)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(qiáng)的特殊模塊供選擇。對(duì)于如ACCU軋機(jī)控制這類復(fù)雜的工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用場(chǎng)合而言,能提供更經(jīng)濟(jì)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(jī)系統(tǒng)為例,描述了機(jī)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(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。
1 機(jī)組工藝流程ACCU軋機(jī)機(jī)組主要設(shè)備分布如圖1-1所示。機(jī)組主要工藝流程如下:穿孔后的毛管經(jīng)星輪翻料機(jī)→月牙擋料鉤→橫移鏈→對(duì)齊輥道→對(duì)齊輥道翻料鉤→予穿臺(tái)→芯棒插入→毛管步進(jìn)梁→入口臺(tái)限動(dòng)小車啟動(dòng)→芯棒夾鉗動(dòng)作、芯棒予旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)→斜送輥升起并旋轉(zhuǎn)→限動(dòng)小車前進(jìn)到2.85米(可設(shè)定)限動(dòng)位置→主機(jī)負(fù)荷繼電器得電→導(dǎo)盤潤(rùn)滑啟動(dòng)、機(jī)內(nèi)定心夾緊、1-3號(hào)芯棒夾持器閉合、限動(dòng)小車以極低的限動(dòng)速度運(yùn)行→開始軋制→停芯棒旋轉(zhuǎn)、斜送輥降下并停轉(zhuǎn)→軋制完成(負(fù)荷繼電器掉電)→限動(dòng)小車高速回退→芯棒夾鉗打開→限動(dòng)小車?yán)^續(xù)回退到Home位置停止→管子在出口臺(tái)→拖出輥升起并旋轉(zhuǎn)、上導(dǎo)板打開→管子送往定徑機(jī)入口輥道。
同時(shí)回抽芯棒由毛管步進(jìn)梁→1#冷卻輥道→1-3#冷卻輥道依次啟動(dòng)→芯棒送到冷卻臺(tái)架→芯棒冷卻旋轉(zhuǎn)→冷卻步進(jìn)梁→芯棒潤(rùn)滑及定位輥道→定位輥道翻料鉤→予穿臺(tái)(供下次芯棒插入使用)。
圖1-1 ACCU軋機(jī)主要設(shè)備分布圖2 系統(tǒng)控制范圍與功能需求ACCU軋機(jī)電氣傳動(dòng)與自動(dòng)化系統(tǒng)控制范圍總體包含以下裝置:直流可控硅調(diào)速控制裝置、交流傳動(dòng)控制裝置、交流變頻調(diào)速控制裝置、自動(dòng)化控制裝置、液壓控制系統(tǒng)、干稀油潤(rùn)滑電控裝置。按系統(tǒng)控制功能需求,應(yīng)滿足如下控制功能:速度曲線設(shè)定、位置調(diào)整及顯示、順序邏輯控制、交直流傳動(dòng)調(diào)節(jié)、故障診斷及報(bào)警。所有設(shè)備可分為兩大類:
A. 在線設(shè)備——指相關(guān)信號(hào)進(jìn)PLC,根據(jù)在線邏輯控制其動(dòng)作,對(duì)交直流傳動(dòng)而言,將控制其啟停和完成相應(yīng)的速度曲線。
根據(jù)ACCU軋機(jī)設(shè)備布局與工序之間銜接關(guān)系,在線設(shè)備劃分為以下7個(gè)控制區(qū)域:
1) 橫向輸送鏈區(qū)。區(qū)域設(shè)備包含月牙擋料器、毛管橫移鏈、對(duì)齊輥道及對(duì)齊輥道翻料鉤;
2) 入口臺(tái)區(qū)。區(qū)域設(shè)備包含限動(dòng)小車、限動(dòng)小車芯棒夾鉗、芯棒予旋轉(zhuǎn)、1#-3#芯棒夾持器、導(dǎo)盤潤(rùn)滑、機(jī)內(nèi)定心;
3) 芯棒插入?yún)^(qū)。區(qū)域設(shè)備包含1#-2#芯棒支持器和芯棒插入傳動(dòng)設(shè)備;
4) 毛管步進(jìn)梁區(qū)。區(qū)域設(shè)備只含毛管步進(jìn)梁;
5) 本體區(qū)。區(qū)域設(shè)備包含上、下軋輥和上、下導(dǎo)盤主傳動(dòng);
6) 芯棒循環(huán)區(qū)。區(qū)域設(shè)備包含1#-3#冷卻輥道、冷前輥道擋料器、冷卻步進(jìn)梁、芯棒冷卻旋轉(zhuǎn)、新芯棒給料器、循環(huán)芯棒給料器、1-2#芯棒潤(rùn)滑定位輥道、芯棒潤(rùn)滑裝置;
7) 出口臺(tái)區(qū)。區(qū)域設(shè)備包含1-2段拖出輥及上導(dǎo)板。
設(shè)計(jì)中之所以將毛管步進(jìn)梁設(shè)備單獨(dú)分區(qū),是由于該設(shè)備貫穿多個(gè)區(qū)域設(shè)備的控制,而且它的旋轉(zhuǎn)角度準(zhǔn)確性也很關(guān)鍵,其停位準(zhǔn)確方能保證其它區(qū)域的自動(dòng)初始條件有效,避免設(shè)備碰撞。將它單獨(dú)分區(qū),不但容易手、點(diǎn)動(dòng)干預(yù),更關(guān)鍵的還考慮到便于調(diào)試或?qū)碓囓嚂r(shí),通過程序就可以模擬仿真自動(dòng)軋管過程。
B. 離線設(shè)備——指相關(guān)信號(hào)不進(jìn)PLC,其控制方式與在線邏輯無關(guān)。
離線設(shè)備包括上下輥入、出口壓下調(diào)整;上下導(dǎo)盤水平、垂直調(diào)整;入口臺(tái)、予穿臺(tái)、拖出輥高度調(diào)整;上下輥喂入角調(diào)整。
在控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上,對(duì)于不受PLC控制的離線調(diào)整設(shè)備,采用常規(guī)控制方式,即在操作臺(tái)設(shè)轉(zhuǎn)換開關(guān)或按鈕、電位器,直接控制直流調(diào)速裝置(直流傳動(dòng)時(shí))或MCC(交流傳動(dòng)時(shí))。由旋轉(zhuǎn)編碼器和數(shù)字顯示器獲得位置調(diào)整結(jié)果。而對(duì)于在線設(shè)備,由GE90-30PLC來完成控制,操作方式有自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)三種,使之能滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)的需要。
PLC控制包含了順序控制、速度及位置控制、顯示報(bào)警。其中,順序控制根據(jù)檢測(cè)元件的信號(hào)反饋,完成上述7個(gè)控制分區(qū)各設(shè)備啟停聯(lián)瑣。速度及位置控制包括芯棒插入、限動(dòng)小車的定位控制和毛管步進(jìn)梁、冷卻步進(jìn)梁速度控制系統(tǒng)。在芯棒插入的一個(gè)工作周期中,有兩個(gè)芯棒位置要求定位十分精確:一個(gè)是待穿位置,一個(gè)是插入完成位置。而限動(dòng)芯棒周期中,要求Home位置、限動(dòng)起始位置定位精確。為了保證定位精度和可靠性,這兩個(gè)位置控制系統(tǒng)同時(shí)采用APM軸定位智能控制模塊和PLS可編程開關(guān)兩種措施進(jìn)行速度與位置控制。在使用軸定位模塊(APM)工作時(shí),由APM比較給定位置和Encoder檢測(cè)的實(shí)際偏差,按設(shè)定的速度、加速度計(jì)算出一個(gè)速度給定值送到芯棒插入或限動(dòng)小車的直流調(diào)速裝置,由相應(yīng)直流傳動(dòng)電機(jī)完成速度及定位控制;在使用PLS工作時(shí),由PLS開關(guān)點(diǎn)檢測(cè)實(shí)際位置,PLC根據(jù)PLS結(jié)果按速度曲線計(jì)算速度給定值并送進(jìn)直流調(diào)速裝置。對(duì)于毛管步進(jìn)梁和冷卻步進(jìn)梁,則采用PLS開關(guān)由PLC進(jìn)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(bào)警功能則實(shí)現(xiàn)在各類事故或故障時(shí),通過電笛、指示燈、畫面顯示及時(shí)通知操作人員相應(yīng)信息。
3 系統(tǒng)硬、軟件配置3.1 系統(tǒng)硬件配置ACCU軋機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于這樣的思想:滿足工藝設(shè)備要求,確保自動(dòng)化水平,優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),增強(qiáng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)采用美國(guó)GE Fanuc公司的系列90-30 PLC作基本控制單元,完成整個(gè)軋機(jī)在線設(shè)備的自動(dòng)控制功能。系列90-30 PLC具有系統(tǒng)易擴(kuò)展、配置靈活、交互式編程、界面友好、易于操作、系統(tǒng)功能強(qiáng)、具有I/O點(diǎn)監(jiān)測(cè)報(bào)警、易于查找故障等特點(diǎn),是完成現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)控制的一種較理想設(shè)備??刂葡到y(tǒng)由兩臺(tái)PLC組成,實(shí)現(xiàn)對(duì)ACCU軋機(jī)在線7個(gè)分區(qū)的控制,兩臺(tái)PLC通過Genius通訊模塊進(jìn)行相互的控制數(shù)據(jù)交換。所有調(diào)速裝置作為PROFIBUS-DP從站,連入DP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。通過兩個(gè)PLC中CPU單元(CPU364)的以太網(wǎng)接口連接到HUB或以太網(wǎng)交換機(jī),進(jìn)而與上位機(jī)PC連接。系統(tǒng)配置如圖3-1所示。
圖3-1 ACCU軋機(jī)PLC系統(tǒng)配置圖3.2 硬件配置特點(diǎn)兩臺(tái)PLC硬件配置類似,有利于減少備件儲(chǔ)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(shí),選用了兩類DI開關(guān)量輸入模塊,一種是8路 220VAC(IC693MDL231),用于來自操作臺(tái)的信號(hào)輸入,如按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)等;另一種是16路24VDC(IC693MDL646),用于來自現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件的信號(hào)輸入,如熱探、光電開關(guān)、接近開關(guān)、PLS等。同樣選用了兩類DQ開關(guān)量輸出,一種為16路220VAC(IC693MDL940),用于操作臺(tái)指示等;而另一種為8路24VDC(IC693MDL930),用于驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)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(jī)、現(xiàn)場(chǎng)總線及PLC的軟給定(數(shù)字給定),但為了進(jìn)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(xiàn)以太網(wǎng)或Profibus網(wǎng)通訊異常時(shí),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(dǎo)盤的轉(zhuǎn)速電位<