PLC在連鑄結晶器液位自動控制系統中的應用

1 引言
結晶器鋼水液面檢測為鋼水液面高度控制提供依據，是連鑄的關鍵技術之一。它在保證連鑄機安全、可靠的運行，改善鑄坯的質量，提高鑄機的生產率及改善操作條件等方面，都起很重要的作用。
用于結晶器鋼水液面高度檢測裝置有:同位素式鋼水液面計，電磁式鋼水液面計，電渦流式鋼水液面計，熱電偶式、超聲波式、紅外輻射式、電極跟蹤式、浮子式等。
包鋼連鑄機于1997年建成投產，共有方、圓坯2臺鑄機，年設計生產能力為120萬噸。其中結晶器液位采用自動控制，該系統屬于同位素式鋼水液面計(或稱Co60液面控制系統)，其基本原理如圖1所示。

如圖1所示，結晶器液面檢測儀由放射源、探測器、信號處理及輸出等部分組成。放射源，采用Co60放射元素，利用其發射出的γ射線穿過被測鋼液時一部分被吸收，而使γ射線強度變化，其變化規律是隨著鋼水液面高度的增加，能吸收γ射線的區域擴大，γ射線強度減弱的越多。檢測出γ射線強度變化，就可以轉換出鋼水液面高度的變化，然后將信號送塞棒液壓缸的伺服閥，使液壓缸塞棒動作，依此調節中間包流入結晶器中的鋼水流量，達到控制結晶器中鋼水液面高度的目的。
包鋼連鑄機的結晶器液面控制系統能夠保證結晶器液位在±3mm的范圍內波動，控制精度高，液面波動小所以鑄坯的表面質量好，同時減少溢漏鋼事故的發生，并且該系統具有先進的自動開澆功能。該系統對保證鑄坯質量和產量，減輕操作工人勞動強度具有重要意義，因此必需保證結晶器液位自動控制系統的正常運行。

2 工作原理及使用情況
2.1 工作原理
結晶器自動控制的執行機構為塞棒系統，其自動控制

圖2 結晶器液位自動控制系統工作原理圖

系為模糊控制器，詳細工作原理框圖如圖2所示。
2.2 使用情況
該系統具有控制精度高，響應速度快等優越性能，但由于原程序設計存在一定的缺陷，導致經常出現自動控制信號突然消失的故障，造成停澆、漏鋼等故障，嚴重影響鑄機的正常生產和鑄坯質量，尤其對方坯重軌鋼的生產影響非常大，因此有必要對產生該故障的原因進行分析，并從根本上加以解決。

3 常見故障分析及解決方案
3.1 程序介紹
結晶器液位自動控制是一個非常精密的系統，對相關器件的要求比較嚴格,因此在程序中對實現結晶器液位自動控制的條件進行了要求,相關程序在PB10-S17, 如圖3所示。

圖3 結晶器液位自動控制示意圖
其中:
F158.7 結晶器液位控制故障
F11.4 結晶器液位刻空
F159.0 射源已打開
F20.0 塞棒零點測試正運行
F21.2 塞棒零點測試正常
F151.0 中包車1在澆鑄位
F151.1 中包車2在澆鑄位
F10.0 自動信號
當上述各條件中任意一個不滿足時,都會導致自動信號消失,為了查清造成自動信號消失的故障來源,需要先臨時加裝一段監視計數程序,該程序能夠記錄是由哪一個條件引起的故障,經該程序運行跟蹤發現:引起自動控制信號消失的條件:中包車塞棒液壓缸自動測試正常,即F21.2,現在問題的關鍵就是對F21.2這個標志進行研究.
3.2 關于F21.2
F21.2是代表“中包車塞棒液壓缸自動測試正常”的一個標志,具體的意思就是在開澆前中包車打車過程中對塞棒液壓缸進行自動測試,以檢驗液壓缸是否能滿足結晶器液位自動控制的需要,測試內容包括3步:
l 液壓缸開啟度≥85%
l 液壓缸上下腔壓力差ΔP≥35bar或液壓缸速度V≤100mv/s
l 此時液壓缸零位在35%—65%之間
當塞棒自動測試依次滿足上述3個條件后,F21.2變為‘1’,表示塞棒液壓缸工作正常能夠滿足結晶器液位控制的需要。
3.3 故障原因
原程序中F21.2這一標志的設計上,未采用觸發器保護信號,而是直接采用信號傳遞置位,其程序框圖如圖4所示。

圖4 未采用觸發器的程序框圖
這樣的程序設計有如下缺陷:
l 干擾信號有可能造成零位信號消失，從而影響自動控制
l 在工作中如果壓力傳感器等器件有問題也可能造成誤動作信號
經過跟蹤觀察,結晶器液位自動控制信號消失就是由原因1造成的,因此有必要對這一部分程序進行修改完善。
3.4 改造方案
對有關F21.2的產生程序進行修改，加SR觸發器對信號加認保護，屏蔽干擾信號，其作用就是保證在塞棒175494e-38到 3.402823e+38，占1個32位字。浮點數在寄存器中32位的空間表示為:
S xxxxxxxx mmmmm
上面: s=符號 x=指數 m=尾數
可見用浮點數表示的值的十進制有效位數只有7位。因此，必須考慮有效位數問題。舉例如下:
假設A代表計算的總流量，F代表計算上一次累加的流量，把F加到A上就會計算出一個新的總流量。在控制器的存儲器中，A和F使用浮點數文件格式，有效數字是7位。一旦A比F大很多時，那么A和F的加數將會產生誤差。
請看計算過程:
A＝3.632523E+9
F=4.978E+3
3,632,523,000
+ 4,978
3,632,527,978
因為這個結果只能保留7個有效位，所以舍去最后幾位數，寫成3.632527E+9或3,632,527,000，數值978被丟失。為了避免出現這個問題，我們可以想辦法使A和F在整個運算過程中不出現小數，數值不超過7個有效位。
4 結束語
流量累積的運算，要盡量避免計算過程中的誤差，一是要選擇正確的文件存儲格式，二是要避免運算值超出數值范圍和有效位數范圍，三是盡可能減少采樣時間的定時器帶來的誤差。在上面PLC5/40C的梯形邏輯中，我們按照以上幾個原則，經過細致的考慮和計算，使用長預置值的參考定時器，并使所有被用到的浮點數文件的值的有效位數不超出范圍，不出現小數，避免了丟失小的數值，從而實現高精度的累積運算，滿足了工藝要求。