西门子模块6ES7221-1BH22-0XA8保内产品
1 引言
结晶器钢水液面检测为钢水液面高度控制提供依据，是连铸的关键技术之一。它在保证连铸机安全、可靠的运行，改善铸坯的质量，提高铸机的生产率及改善操作条件等方面，都起很重要的作用。
用于结晶器钢水液面高度检测装置有:同位素式钢水液面计，电磁式钢水液面计，电涡流式钢水液面计，热电偶式、超声波式、红外辐射式、电极跟踪式、浮子式等。
包钢连铸机于1997年建成投产，共有方、圆坯2台铸机，年设计生产能力为120万吨。其中结晶器液位采用自动控制，该系统属于同位素式钢水液面计(或称Co60液面控制系统)，其基本原理如图1所示。
如图1所示，结晶器液面检测仪由放射源、探测器、信号处理及输出等部分组成。放射源，采用Co60放射元素，利用其发射出的γ射线穿过被测钢液时一部分被吸收，而使γ射线强度变化，其变化规律是随着钢水液面高度的增加，能吸收γ射线的区域扩大，γ射线强度减弱的越多。检测出γ射线强度变化，就可以转换出钢水液面高度的变化，将信号送塞棒液压缸的伺服阀，使液压缸塞棒动作，依此调节中间包流入结晶器中的钢水流量，达到控制结晶器中钢水液面高度的目的。
包钢连铸机的结晶器液面控制系统能够保证结晶器液位在±3mm的范围内波动，控制精度高，液面波动小铸坯的表面质量好，减少溢漏钢事故的发生，并且该系统具有先进的自动开浇功能。该系统对保证铸坯质量和产量，减轻操作工人劳动强度具有重要意义，必需保证结晶器液位自动控制系统的正常运行。
2 工作原理及使用情况
2.1 工作原理
结晶器自动控制的执行机构为塞棒系统，其自动控制
图2 结晶器液位自动控制系统工作原理图
系为模糊控制器，详细工作原理框图如图2所示。
2.2 使用情况
该系统具有控制精度高，响应速度快等优越性能，但由于原程序设计存在一定的缺陷，导致经常出现自动控制信号突然消失的故障，造成停浇、漏钢等故障，严重影响铸机的正常生产和铸坯质量，尤其对方坯重轨钢的生产影响非常大，有必要对产生该故障的原因进行分析，并从根本上加以解决。
3 常见故障分析及解决方案
3.1 程序介绍
结晶器液位自动控制是一个非常精密的系统，对相关器件的要求比较严格,在程序中对实现结晶器液位自动控制的条件进行了要求,相关程序在PB10-S17,如图3所示。
图3 结晶器液位自动控制示意图
其中:
F158.7 结晶器液位控制故障
F11.4 结晶器液位刻空
F159.0 射源已打开
F20.0 塞棒零点测试正运行
F21.2 塞棒零点测试正常
F151.0 中包车1在浇铸位
F151.1 中包车2在浇铸位
F10.0 自动信号
当上述各条件中任意一个不满足时,都会导致自动信号消失,为了查清造成自动信号消失的故障来源,需要先临时加装一段监视计数程序,该程序能够记录是由哪一个条件引起的故障,经该程序运行跟踪发现:引起自动控制信号消失的条件:中包车塞棒液压缸自动测试正常,即F21.2,现在问题的关键就是对F21.2这个标志进行研究.
3.2 关于F21.2
F21.2是代表“中包车塞棒液压缸自动测试正常”的一个标志,具体的意思就是在开浇前中包车打车过程中对塞棒液压缸进行自动测试,以检验液压缸是否能满足结晶器液位自动控制的需要,测试内容包括3步:
l 液压缸开启度≥85%
l 液压缸上下腔压力差ΔP≥35bar或液压缸速度V≤100mv/s
l 此时液压缸零位在35%—65%之间
当塞棒自动测试依次满足上述3个条件后,F21.2变为‘1’,表示塞棒液压缸工作正常能够满足结晶器液位控制的需要。
3.3 故障原因
原程序中F21.2这一标志的设计上,未采用触发器保护信号,而是直接采用信号传递置位,其程序框图如图4所示。
图4 未采用触发器的程序框图
这样的程序设计有如下缺陷:
l 干扰信号有可能造成零位信号消失，从而影响自动控制
l 在工作中如果压力传感器等器件有问题也可能造成误动作信号
经过跟踪观察,结晶器液位自动控制信号消失就是由原因1造成的,有必要对这一部分程序进行修改完善。
3.4 改造方案
对有关F21.2的产生程序进行修改，加SR触发器对信号加认保护，屏蔽干扰信号，其作用就是保证在塞棒175494e-38到3.402823e+38，占1个32位字。浮点数在寄存器中32位的空间表示为:
S xxxxxxxx mmmmm
上面: s=符号 x=指数 m=尾数
可见用浮点数表示的值的十进制有效位数只有7位。必须考虑有效位数问题。举例如下:
假设A代表计算的总流量，F代表计算上一次累加的流量，把F加到A上就会计算出一个新的总流量。在控制器的存储器中，A和F使用浮点数文件格式，有效数字是7位。一旦A比F大很多时，那么A和F的加数将会产生误差。
请看计算过程:
A＝3.632523E+9
F=4.978E+3
3,632,523,000
+ 4,978
3,632,527,978
因为这个结果只能保留7个有效位，舍去后几位数，写成3.632527E+9或3,632,527,000，数值978被丢失。为了避免出现这个问题，我们可以想办法使A和F在整个运算过程中不出现小数，数值不超过7个有效位。
4 结束语
流量累积的运算，要尽量避免计算过程中的误差，一是要选择正确的文件存储格式，二是要避免运算值超出数值范围和有效位数范围，三是尽可能减少采样时间的定时器带来的误差。在上面PLC5/40C的梯形逻辑中，我们按照以上几个原则，经过细致的考虑和计算，使用长预置值的参考定时器，并使所有被用到的浮点数文件的值的有效位数不超出范围，不出现小数，避免了丢失小的数值，从而实现高精度的累积运算，满足了工艺要求。
1 TOSLINE-S20网络的系统构成
莱钢中型型钢生产线PLC控制系统主要由加热炉(RHF)、粗轧(BD)、精轧(FM)、精轧辅助1(FM AUX1)、精轧辅助2(FMAUX2)、公用(UT)、热锯/冷床/矫直(HS/CB/SS)、编组/冷锯/检查(CT/CS/IB)、码垛(PB)、打捆/成品/剔除(BM/SB/RB)等10套东芝的T3HPLC控制系统组成，各PLC与操作站和过程机系统通过以太网进行数据通信，而整个PLC控制系统则由东芝的TOSLINE-S20网连接在一起，实现PLC与PLC之间的数据通信，各PLC还通过TOSLINE-S20网与东芝的变频器相连，实现PLC与变频器之间的数据通信。整个PLC控制系统的TOSLINE-S20网络图如图1所示。图1中:OS1—触摸屏;OS2~OS8—操作站;RHFP/C—加热炉过程机;MILL P/C—轧机过程机;VF-A5、T-250、T-350、CYC850-变频器。
2 TOSLINE-S20网络的硬件组成
2.1 SN系列工作站
在TOSLINE-S20系统中，工作站采用东芝公司SN系列模块，即S20-站，S20-站有多种系列，可用于东芝不同型号的PLC和不同的传输介质。模板上有状态指示灯、站号设定开关、站复位开关、传输电缆连接接口、RS232C串行接口等。
2.2 传输介质
TOSLINE-S20网络系统可采用两种类型的传输介质，即同轴电缆和光缆。同轴电缆使用特征阻抗为75Ω的5C-2V(JISC3501)型的细缆，网络覆盖范围可达1km;光缆采用石英玻璃制成的GI型(JIS C6820)50/125μm的光导纤维电缆，网络覆盖范围可达10km。不同的传输介质对应不同的SN模板。莱钢中型型钢生产线采用光缆为传输介质。
2.3 网络互连设备
(1) BNC连接器 同轴电缆的端头均采用BNC-P-5型连接器。
(2) T型头 当连接分支同轴电缆和SN模板时，采用BNC-TA型的T形头。
(3) 星型耦合器是一种光纤分配器，有多路光纤端口，当SN模板与传动通信时，先通过光缆连接SN模板与星型耦合器，再通过星型耦合器使用光缆连接到各个变频器上，以进行数据通信。
3 TOSLINE-S20网络的软件系统
3.1 S-LS软件
S-LS软件是TOSLINE-S20网的专用软件,该软件可运行于IBM及其兼容机上，用于设定传输参数、监视TOSLINE-S20网上各站的运行状态，在该系统中，由S-LS设定的传输参数存储在PLC的EEPROM内。
3.2 T-DPS软件
T-PDS(V1.3)软件是东芝公司提供的编程软件，该编程软件基于bbbbbbsNT/95系统，适用于东芝T-系列PLC，可进行离、在线编程、监视执行状态、数据设定等，操作方面、直观，具有在线跟踪和程序诊断功能[1]。
T-PDS可连接S20-站的串行口(和T3H CPU模块上的编程口一样)，通过S20网对任一站进行远程编程和监控。
4 TOSLINE-S20网络的基本原理
TOSLINE-S20网是一个令牌总线网络，S20网大传输距离10km，通信速率可达2Mbps，大可挂接64个站，传输编码采用曼彻斯特或差分曼彻斯特编码，调制方式采用基带传输方式，提供扫描传输(周期广播)和消息传输(请求传输)通信服务。
在TOSLINE-S20网上，工作站是以数据包的形式来发送信息，数据包包括扫描帧和数据帧。数据包的发送顺序如图2所示，由主工作站发送同步帧，每一个工作站按照其站号顺序依次发送数据包，当后一个工作站发送完毕，主站又重新发送同步帧，开始下一轮的数据传输。其中，S表示同步帧，用于标记一个传输周期(扫描周期)的起始，并使接收端在数据接收过程中始终与发送端保持同步。
目标扫描时间是TOSLINE-S20网的一个重要时间参数，它用来限制一个扫描周期内数据传输的时间。如果传输周期(即工作站从上次获得数据传输令牌到该次获得令牌的时间)比目标扫描时间长，则该工作站只允许发送扫描帧而不能发送数据帧。这样就能保证所有的工作站可以获得相对均等的数据传输机会，并可以防止因接受端的缓存溢出而造成网络堵塞的现象。目标扫描时间必须大于所有工作站发送扫描帧所用的总时间。
在TOSLINE-S20网上始终有一个令牌在网中循环，只有拥有令牌的工作站才有权发送数据。每个工作站都有一个通用存储单元，该存储单元的大小为1024字节。当一个工作站要发送数据时，它将数据写到通用存储单元中，在网上以广播的形式传播。其他工作站将收到的信息暂时存储到通用存储单元中，每个站通用存储单元中的数据在每次扫描周期内都是不一样的。该存储单元在使用之前必须由S-LS软件划分成发送块和接收块，并由T-PDS软件将为每个块分配寄存器地址。
每一个工作站都必须有一个唯一的站号，TOSLINE-S20网允许的站号范围是1-64，站号是通过SN322模块上的旋钮开关设定的，STNH和STNL旋钮分别对应高位和低位，例如，如果STNH=2，STNL=3，则站号对应23。当所有的工作站接入TOSLINE-S20网并上电后，具有小站号的工作站将成为主站，其余的站为从站，主站负责确定整个网络的时钟。站号确定后还必须对每个工作站的数据发送块进行划分，接收块由系统自动设定，这项工作通过S-LS软件来设定。
5 TOSLINE-S20网络的RAS功能
5.1 维护功能
在同轴电缆连接方式下，如果任何一个站下线或掉电，则该异常的站就会从S20系统断开，剩余站的通信将重新启动。如果同轴电缆被损坏，由于出现异常的终端阻抗，则S20系统将不能再继续进行正常的通信。
在光缆连接方式下，如果是发生一个站下线，则该异常的站就会从S20系统断开，剩余站的通信将重新启动;如果是一个站掉电，则S20系统将在掉电的站处把S20系统分成两个独立的S20系统。如果光缆的传送和接收线路均被损坏，则S20系统就被分成两个独立的S20系统;如果只损坏了一根，则S20系统仍将系统分成两个系统，由于其中一个系统的干扰，另一个系统将不能进行正常的通信。
5.2 自诊断功能
S-20系统有下述自诊断功能:
(1) 初始化自诊断
a) 对ROMBCC、RAM读/写、CPU及外围LSI、站号进行检查。若异常，该站将下线，不能再与其它站进行通信，该站需要重新断电后再上电或按SN模板上的复位开关。
b)对传输参数(EEPROM)进行检查，若异常，该站将变为备用状态，不能再进行扫描传输(周期广播)，但还能进行消息传送，该站需要对传输参数进行重新设定。
(2) 运行自诊断
a)对看门狗定时器、异常传输进行检查，若异常，该站将下线，不能再与其它站进行通信，该站需要重新断电后再上电或按SN模板上的复位开关。
b) 对接收帧进行检查，若异常，该站忽略该异常的帧。
c) 对响应进行检查，在消息传输情况下，如果从目的站来的响应没有接收到，该源站将重新发送一次消息帧。
d) 对无信号情况进行检查，如果无信号情况不超过规定的时间(主站下线)，该站将重新组态运行。
5.3 LED指示功能
S20站有STN、ONL和SCAN等LEDs，通过这些LEDs，可以指示各站的运行状态。
5.4 T3H及S-LS监控的RAS信息
S20系统RAS信息(例如站状态、在线映像、备用映像、扫描状态映像等)映射在T3H的专用寄存器(SW)中，该信息可通过T3H的用户程序进行解读。
通过S-LS，也可以监控S20系统的RAS信息(例如站状态、在线映像、扫描状态映像、站下线信息等)。
6 结束语
TOSLINE-S20网络运行情况一直非常稳定可靠，功能比较强大，能完全满足控制要求和生产要求。
1 引言
工业锅炉是我国一次能源的消费大户，目前运行的工业锅炉不仅热效率很低，安全性较差，已极不适应目前能源形势的状况。锅炉汽包水位高度关系着汽水分离的速度和生产蒸汽的质量，也是确保安全生产的重要参数，为克服以上缺点，我们开发了一套适用于中小型工业锅炉的给水控制系统，该系统按“蒸汽锅炉安全技术监察规程”可靠供水的有关要求而进行研制，可直接安装在现行的给水系统上，极大的提高了锅炉的热效率和安全稳定性。
2 控制系统总体方案
该系统控制装置由单片机和PLC组成，执行机构由切向调节阀和电动执行机构两部分组成。锅炉蒸汽量频繁波动时，将引起水位与调节阀开度的不平衡，单片机采集前端水位信号和阀位反馈信号，将数据进行处理后送出到PLC，PLC通过模糊控制算法产生相应的输出，电动执行机构将根据控制器的输出调节自动给水执行机构的位置，改变调节阀的流通面积，增减给水流量以达到调节锅炉水位的工艺目的，使锅炉水位与阀位达到新的平衡状态，锅炉水位在变化工况下始终保持在“规程”规定的正常范围内，从而实现锅炉给水量随蒸发量变化的自动调节。
3 控制系统硬件结构设计
本系统采用单片机与PLC相结合的设计思想，在不改变系统性能的前提下极大的降低了系统成本。硬件结构图如图1所示。
先通过单片机对数据进行处理，再把信号以二进制编码的格式送入PLC，这样PLC只需要较少的输入点，就得到了较多的状态。在系统安全性方面也有周密的考虑，现场水位计来的高低保护信号直接接入PLC，单片机受现场干扰造成“死机”，当实际汽包水位威胁到锅炉运行安全时，可以直接通过PLC去实现停炉操作，保障了设备的安全运行。并采用两个水位计冗余技术，避免了单片机稳定性差的缺陷。整个系统的安全性、经济性都是较高的。
3.1 前端水位测量原理
水位计测量元件是均匀分布，间距为5mm的干簧管，测量范围是-100mm～+100mm，磁浮筒对干簧管产生磁场作用，使相应的干簧管吸合，对应生成相应的水位信号，以89C2051为核心的信号采集电路，将这些开关信号采集且转换成对应的水位值，并通过RS485通讯将水位信号送到控制室。
3.2 控制箱设计
控制箱主要由8031为核心的单片机系统和PLC(CPMIA-30)组成，RS485的通讯过程和信号的输入、输出如图2所示。
8031通过RS485方式与现场两个水位计通讯，RS485采用平衡驱动，差分接收的方式，抗干扰能力强，远传输距离为1200m，能驱动32个接收/发送对。数据的读写控制由P3.7来完成，当P3.7为高电平时RS485的DE端有效，则允许数据发送，当P3.7为低电平时RS485的有效，则允许数据接收，这样在半双工的方式下实现了数据的发送与接收。8031单片机有4个8位双向并行I/O端口，每个I/O端口除可作为字节的输入/输出外，每条I/O线也可以单独地用作输入/输出线，设计中充分利用这一特性，将P0口作为输入口，接收现场的状态，P1和P2口作为输出口，完成报警、水位、阀位信号的输出。
4 控制系统软件设计
单片机程序采用模块化设计的程序设计方法，既方便程序的修改和调试，又能实现软件的自诊断，提高了软件的易理解性和易维护性。对PLC采用梯形图的组态方式，通过CPT编程可实现相应的保护联锁功能和控制算法。整套系统组态灵活、修改方便。
4.1 RS485通讯程序设计
通讯程序的设计包括:通讯协议的约定、报文的信息格式、通讯的任务、多机通讯的实现方法、通信的校验方法、编程方法。
(1) 通讯协议:
本系统采用主从式的通讯方式，主机为8031，从机为两台89C2051，地址分别设为00H和01H，数据格式为1位起始位，8位数据位，1位停止位，传输速率为:1200bps。多机通讯的实现方法是:8031发送地址主动联络2051，两台2051收到地址与本机地址比较，若相同则将本水位计采集的水位值发送出去，若不相同则不反应，主机和从机都采用中断方式接收，这样提高了程序的执行效率并避免了通讯错误发生时死机。
(2) 报文信息格式:
主机与从机都采用这样的信息格式发送数据，@字符作为报文起始位，状态位用来标识单片机的运行状态，校验位为前四位异或的结果，回车符作为报文结束标志。
(3) 通讯出错处理办法:
RS485通信具有高抗干扰能力，但由于系统所处环境干扰较严重，为增强系统通信的可靠性，软件设计中主、从机间的通信采用关键字重发的方法。通讯错误主要有两种:接收不到水位计的数据和接收到错误的数据，接收不到数据时，主机将重新发送地址，如果还是收不到返回的水位信息且次数达到3次，则主机认为这台水位机出现故障;接收的数据如果校验位不正确，则说明接收的数据错误，则主机要求从机重新发送数据，若错误次数达到3次则主机认为水位计有故障。
4.2 模糊控制策略的实现
锅炉是典型的复杂热工系统。锅炉建摸与控制问题一直是人们关注的焦点。工业锅炉汽包水位的主要动态特性包括:非线性、非小相位特性、不稳定性、时滞和负荷干扰，以及汽水分离器动态的不稳定性等。若采用单一的水位反馈控制或能够反映动态特性的三冲量给水系统，由于锅炉水位控制系统的动态特性不断变化，采用各种自校正措施会使系统结构复杂，整定困难，仍然存在误差，在现场工况变化后难以适应控制要求。本系统基于现场操作经验，运用模糊控制策略控制复杂的工业锅炉汽包水位，从而获得了良好的控制效果。
(1) 模糊推理过程
现场操作人员用以调整汽包水位而观察的对象过程参数为:(a)汽包水位实际水位值;(b)汽包实际水位与水位设定值偏差;(c)调节阀开度。操作人员基于以上参数观察一下水位，估计一个入水量与蒸汽流量间的平衡关系，操作主控入水阀以决定入水量是否需要增加或减少。调整操作之后。操作人员再观察运行效果，以决定是否需要调整，模糊控制器的设计正是要体现以上反映人的思维的经验过程。
(2) 模糊推理规则
本系统中，根据水位变化趋势和水位测量值来调节主控入水阀开度校正量和泵的起停，“+1”表示水位上升，“-1”表示水位下降，其控制规则如附表所示。
以水位的上升为例，调节阀与泵的动作过程如下:水位在-20mm到+10mm之间为正常范围，此时A泵开，B泵关，当水位超过+10mm时开始关阀，若关阀后水位继续上升，达到+70mm时开始满水报警，达到+80mm则关掉A泵，若还是上升，达到+95mm则停炉。这一控制规则，充分体现了现场操作人员的经验，实现起来简单、方便，在实际应用中控制效果良好。
5结束语
本文提出了一种利用单片机和PLC组成的锅炉汽包水位控制系统。本系统采用仿人模糊控制策略，用于中小型工业锅炉的技术改造，取得了良好的控制效果。本系统既可以大幅度地提高劳动生产率，改善劳动条件，提高热效率，节约能源，降低成本;又具有结构简单，价格便宜，使用方便，投资少，效率高的优点。