PLC在連鑄結(jié)晶器液位自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言
結(jié)晶器鋼水液面檢測(cè)為鋼水液面高度控制提供依據(jù)，是連鑄的關(guān)鍵技術(shù)之一。它在保證連鑄機(jī)安全、可靠的運(yùn)行，改善鑄坯的質(zhì)量，提高鑄機(jī)的生產(chǎn)率及改善操作條件等方面，都起很重要的作用。
用于結(jié)晶器鋼水液面高度檢測(cè)裝置有:同位素式鋼水液面計(jì)，電磁式鋼水液面計(jì)，電渦流式鋼水液面計(jì)，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(jī)于1997年建成投產(chǎn)，共有方、圓坯2臺(tái)鑄機(jī)，年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為120萬(wàn)噸。其中結(jié)晶器液位采用自動(dòng)控制，該系統(tǒng)屬于同位素式鋼水液面計(jì)(或稱Co60液面控制系統(tǒng))，其基本原理如圖1所示。

如圖1所示，結(jié)晶器液面檢測(cè)儀由放射源、探測(cè)器、信號(hào)處理及輸出等部分組成。放射源，采用Co60放射元素，利用其發(fā)射出的γ射線穿過(guò)被測(cè)鋼液時(shí)一部分被吸收，而使γ射線強(qiáng)度變化，其變化規(guī)律是隨著鋼水液面高度的增加，能吸收γ射線的區(qū)域擴(kuò)大，γ射線強(qiáng)度減弱的越多。檢測(cè)出γ射線強(qiáng)度變化，就可以轉(zhuǎn)換出鋼水液面高度的變化，然后將信號(hào)送塞棒液壓缸的伺服閥，使液壓缸塞棒動(dòng)作，依此調(diào)節(jié)中間包流入結(jié)晶器中的鋼水流量，達(dá)到控制結(jié)晶器中鋼水液面高度的目的。
包鋼連鑄機(jī)的結(jié)晶器液面控制系統(tǒng)能夠保證結(jié)晶器液位在±3mm的范圍內(nèi)波動(dòng)，控制精度高，液面波動(dòng)小所以鑄坯的表面質(zhì)量好，同時(shí)減少溢漏鋼事故的發(fā)生，并且該系統(tǒng)具有先進(jìn)的自動(dòng)開(kāi)澆功能。該系統(tǒng)對(duì)保證鑄坯質(zhì)量和產(chǎn)量，減輕操作工人勞動(dòng)強(qiáng)度具有重要意義，因此必需保證結(jié)晶器液位自動(dòng)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2 工作原理及使用情況
2.1 工作原理
結(jié)晶器自動(dòng)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為塞棒系統(tǒng)，其自動(dòng)控制

圖2 結(jié)晶器液位自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理圖

系為模糊控制器，詳細(xì)工作原理框圖如圖2所示。
2.2 使用情況
該系統(tǒng)具有控制精度高，響應(yīng)速度快等優(yōu)越性能，但由于原程序設(shè)計(jì)存在一定的缺陷，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)自動(dòng)控制信號(hào)突然消失的故障，造成停澆、漏鋼等故障，嚴(yán)重影響鑄機(jī)的正常生產(chǎn)和鑄坯質(zhì)量，尤其對(duì)方坯重軌鋼的生產(chǎn)影響非常大，因此有必要對(duì)產(chǎn)生該故障的原因進(jìn)行分析，并從根本上加以解決。

3 常見(jiàn)故障分析及解決方案
3.1 程序介紹
結(jié)晶器液位自動(dòng)控制是一個(gè)非常精密的系統(tǒng)，對(duì)相關(guān)器件的要求比較嚴(yán)格,因此在程序中對(duì)實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器液位自動(dòng)控制的條件進(jìn)行了要求,相關(guān)程序在PB10-S17, 如圖3所示。

圖3 結(jié)晶器液位自動(dòng)控制示意圖
其中:
F158.7 結(jié)晶器液位控制故障
F11.4 結(jié)晶器液位刻空
F159.0 射源已打開(kāi)
F20.0 塞棒零點(diǎn)測(cè)試正運(yùn)行
F21.2 塞棒零點(diǎn)測(cè)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(dòng)信號(hào)
當(dāng)上述各條件中任意一個(gè)不滿足時(shí),都會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)信號(hào)消失,為了查清造成自動(dòng)信號(hào)消失的故障來(lái)源,需要先臨時(shí)加裝一段監(jiān)視計(jì)數(shù)程序,該程序能夠記錄是由哪一個(gè)條件引起的故障,經(jīng)該程序運(yùn)行跟蹤發(fā)現(xiàn):引起自動(dòng)控制信號(hào)消失的條件:中包車塞棒液壓缸自動(dòng)測(cè)試正常,即F21.2,現(xiàn)在問(wèn)題的關(guān)鍵就是對(duì)F21.2這個(gè)標(biāo)志進(jìn)行研究.
3.2 關(guān)于F21.2
F21.2是代表“中包車塞棒液壓缸自動(dòng)測(cè)試正常”的一個(gè)標(biāo)志,具體的意思就是在開(kāi)澆前中包車打車過(guò)程中對(duì)塞棒液壓缸進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試,以檢驗(yàn)液壓缸是否能滿足結(jié)晶器液位自動(dòng)控制的需要,測(cè)試內(nèi)容包括3步:
l 液壓缸開(kāi)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(shí)液壓缸零位在35%—65%之間
當(dāng)塞棒自動(dòng)測(cè)試依次滿足上述3個(gè)條件后,F21.2變?yōu)椤?’,表示塞棒液壓缸工作正常能夠滿足結(jié)晶器液位控制的需要。
3.3 故障原因
原程序中F21.2這一標(biāo)志的設(shè)計(jì)上,未采用觸發(fā)器保護(hù)信號(hào),而是直接采用信號(hào)傳遞置位,其程序框圖如圖4所示。

圖4 未采用觸發(fā)器的程序框圖
這樣的程序設(shè)計(jì)有如下缺陷:
l 干擾信號(hào)有可能造成零位信號(hào)消失，從而影響自動(dòng)控制
l 在工作中如果壓力傳感器等器件有問(wèn)題也可能造成誤動(dòng)作信號(hào)
經(jīng)過(guò)跟蹤觀察,結(jié)晶器液位自動(dòng)控制信號(hào)消失就是由原因1造成的,因此有必要對(duì)這一部分程序進(jìn)行修改完善。
3.4 改造方案
對(duì)有關(guān)F21.2的產(chǎn)生程序進(jìn)行修改，加SR觸發(fā)器對(duì)信號(hào)加認(rèn)保護(hù)，屏蔽干擾信號(hào)，其作用就是保證在塞棒175494e-38到 3.402823e+38，占1個(gè)32位字。浮點(diǎn)數(shù)在寄存器中32位的空間表示為:
S xxxxxxxx mmmmm
上面: s=符號(hào) x=指數(shù) m=尾數(shù)
可見(jiàn)用浮點(diǎn)數(shù)表示的值的十進(jìn)制有效位數(shù)只有7位。因此，必須考慮有效位數(shù)問(wèn)題。舉例如下:
假設(shè)A代表計(jì)算的總流量，F(xiàn)代表計(jì)算上一次累加的流量，把F加到A上就會(huì)計(jì)算出一個(gè)新的總流量。在控制器的存儲(chǔ)器中，A和F使用浮點(diǎn)數(shù)文件格式，有效數(shù)字是7位。一旦A比F大很多時(shí)，那么A和F的加數(shù)將會(huì)產(chǎn)生誤差。
請(qǐng)看計(jì)算過(guò)程:
A＝3.632523E+9
F=4.978E+3
3,632,523,000
+ 4,978
3,632,527,978
因?yàn)檫@個(gè)結(jié)果只能保留7個(gè)有效位，所以舍去最后幾位數(shù)，寫成3.632527E+9或3,632,527,000，數(shù)值978被丟失。為了避免出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題，我們可以想辦法使A和F在整個(gè)運(yùn)算過(guò)程中不出現(xiàn)小數(shù)，數(shù)值不超過(guò)7個(gè)有效位。
4 結(jié)束語(yǔ)
流量累積的運(yùn)算，要盡量避免計(jì)算過(guò)程中的誤差，一是要選擇正確的文件存儲(chǔ)格式，二是要避免運(yùn)算值超出數(shù)值范圍和有效位數(shù)范圍，三是盡可能減少采樣時(shí)間的定時(shí)器帶來(lái)的誤差。在上面PLC5/40C的梯形邏輯中，我們按照以上幾個(gè)原則，經(jīng)過(guò)細(xì)致的考慮和計(jì)算，使用長(zhǎng)預(yù)置值的參考定時(shí)器，并使所有被用到的浮點(diǎn)數(shù)文件的值的有效位數(shù)不超出范圍，不出現(xiàn)小數(shù)，避免了丟失小的數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)高精度的累積運(yùn)算，滿足了工藝要求。