費(fèi) 佳

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

1 卷取QOC控制概述

某熱軋產(chǎn)線卷取機(jī)共有三套助卷輥裝置，每個(gè)助卷輥裝置由輥?zhàn)?、框架以及用以引?dǎo)帶鋼頭尾的弧形板組成，通過液壓油缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。頭部卷取主要采用快速打開（QOC）控制功能，在引導(dǎo)帶鋼頭部緊貼卷筒纏繞以保證卷取張力的順利建立的同時(shí)，也避免由于助卷輥的壓靠力使帶鋼頭部對(duì)鋼卷內(nèi)圈產(chǎn)生“壓痕”的質(zhì)量缺陷，并能延長機(jī)械部件的使用壽命。

助卷輥控制模塊可以根據(jù)工藝需要實(shí)現(xiàn)位置和壓力兩種控制模式。每套助卷輥液壓控制系統(tǒng)配有1 個(gè)伺服閥以及8 個(gè)電磁閥，可實(shí)現(xiàn)的控制功能包括：①Q(mào)OC 位置/壓力控制；②鋼卷壓尾控制；③緊急回路控制；④助卷輥擺動(dòng)電磁閥快慢速控制功能[1]。

圖1 助卷輥輥縫控制原理示意圖

如圖所示，卷取助卷輥控制可以簡(jiǎn)化的認(rèn)為是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的閉環(huán)控制構(gòu)成，分別為輥縫閉環(huán)控制和壓力閉環(huán)控制。其中，輥縫閉環(huán)控制又稱位置控制，也是目前最為常用的一種控制模式，其原理是通過對(duì)助卷輥輥縫的定位來實(shí)現(xiàn)卷取的踏步功能。其優(yōu)點(diǎn)是，通過助卷輥抬下壓力的循環(huán)動(dòng)作，避開帶鋼頭部防止頭部錯(cuò)層產(chǎn)生，能有效控制卷型；其缺點(diǎn)是，當(dāng)輥縫設(shè)定有偏差，或帶鋼頭部出現(xiàn)疊板等異常造成實(shí)際值與輥縫設(shè)定不符時(shí)，頭部卷型會(huì)不受控，出現(xiàn)錯(cuò)層或塔型。

壓力閉環(huán)控制是根據(jù)油缸兩腔壓力差換算出實(shí)際壓力來進(jìn)行閉環(huán)控制的一種控制方式，其原理是在帶鋼頭部卷取過程中助卷輥始終以恒壓壓靠在鋼卷外圈，以確保卷取機(jī)對(duì)帶鋼頭部的順利卷取。其優(yōu)點(diǎn)是，帶鋼頭部壓靠較緊，卷取建張速度較快；缺點(diǎn)是壓力反饋環(huán)節(jié)精度有限，導(dǎo)致模型計(jì)算有偏差，反而可能導(dǎo)致頭部錯(cuò)層的形成。

2 QOC控制原理

在三電系統(tǒng)改造后，本產(chǎn)線卷取的QOC 控制有多種模式可供選擇切換，由兩種基本控制方式組成：

－ QOC STEP （踏步控制方式）；

－ QOC CF （壓力控制方式）。

其中QOC STEP 踏步控制方式是在卷取機(jī)進(jìn)行帶鋼頭部卷取過程中，通過對(duì)助卷輥為避讓帶鋼頭部通過時(shí)而進(jìn)行的跳躍控制，可以避免帶鋼頭部由于助卷輥的壓靠作用而對(duì)帶鋼表面造成的質(zhì)量影響。

QOC CF 壓力控制方式是在帶鋼頭部第一次通過助卷輥后立即切換到壓力控制，在帶鋼頭部卷取過程中助卷輥始終以恒壓壓靠在鋼卷外圈，以確保卷取機(jī)對(duì)帶鋼頭部的順利卷取。

其中QOC STEP 踏步控制方式有二種控制方式可供操作人員選擇使用：

－ QOC STEP1 （P/FC 位置/壓力交替控制）；

－ QOC STEP2 （PC 全位置控制）。

2.1 QOC STEP1 (P/FC)控制方式

QOC P/FC（位置/壓力控制）控制模式（簡(jiǎn)稱：QPF）其中在跳躍控制過程中抬起采用位置控制，壓下采用壓力控制，因此在整個(gè)過程中是位置與壓力交替控制的。其控制原理如下：

當(dāng)帶鋼頭部第一次通過助卷輥后，助卷輥從位置控制切換到壓力控制，迅速壓在鋼卷外圈進(jìn)行恒壓控制，保證壓緊帶鋼。當(dāng)帶鋼頭部第二次通過助卷輥前，助卷輥切換到位置控制并抬起到設(shè)定位置，確保頭部在無助卷輥接觸的情況下順利通過助卷輥，一旦頭部通過助卷輥，助卷輥又將切換到壓力控制，迅速下壓以設(shè)定壓力緊貼鋼卷外圈，并循環(huán)執(zhí)行直至允許打開條件滿足后擺開到設(shè)定位置[2]。

圖2 QPF 控制示意圖

2.2 QOC STEP2 (PC)控制方式

QOC PC 控制方式，其控制原理與QOC P/FC 控制模式基本相同，唯一的區(qū)別是助卷輥在頭部卷取過程中為避讓帶鋼頭部的的跳躍控制完全采用位置控制，如下圖所示，整個(gè)踏步過程均采用位置控制方式，即根據(jù)設(shè)定的帶鋼厚度，計(jì)算出每一圈的輥縫值，再通過伺服控制系統(tǒng)使助卷輥完成抬起放下動(dòng)作，特點(diǎn)是響應(yīng)快，定位準(zhǔn)，目前該產(chǎn)線主要采用這種控制方式。此控制方式也為卷取機(jī)在模擬卷取過程中助卷輥踏步控制的投入提供了可能。

圖3 QP 控制示意圖

2.3 QOC CF 控制方式

QOC CF 壓力控制方式的控制原理是當(dāng)帶鋼頭部第一次到達(dá)并通過助卷輥后，助卷輥迅速壓靠在鋼卷外圈，并根據(jù)上位機(jī)L2 下傳的助卷輥壓力設(shè)定值進(jìn)行恒壓控制，直至允許打開條件滿足后擺開到設(shè)定位置。

圖4 QCF 控制示意圖

3 論文研究背景

以上詳細(xì)介紹了目前卷取QOC 控制的功能及原理，在三電改造后，助卷輥系統(tǒng)的控制和功能都有了明顯的改善，但在生產(chǎn)卷取部分特殊層別或規(guī)格的鋼卷時(shí)，卷型的質(zhì)量不夠穩(wěn)定，錯(cuò)層和塔型等質(zhì)量問題暴露較多，尤其是2#卷取機(jī)，在卷取高溫厚板時(shí)，頭部經(jīng)常有打滑現(xiàn)象，導(dǎo)致踏步圈速多，內(nèi)圈不能快速漲緊，成卷后頭部錯(cuò)層嚴(yán)重。PDA 數(shù)據(jù)如下圖，從電流上可以明顯看出在卷取5.2mm 厚度鋼卷時(shí)頭部打滑較為嚴(yán)重，而4.0mm、CT 溫度大于700 度的頭部打滑也是比較明顯。

圖5 高溫厚板頭部打滑PDA 曲線

基于以上現(xiàn)象，提高2#卷取機(jī)在生產(chǎn)高溫厚板時(shí)的穩(wěn)定性對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量是必要的。本文將介紹現(xiàn)場(chǎng)通過一系列試驗(yàn)最后總結(jié)合成的一些功能上的優(yōu)化和改善，對(duì)卷取L1 系統(tǒng)后續(xù)的優(yōu)化提供借鑒。

4 QOC位置分層控制

根據(jù)打滑現(xiàn)象較嚴(yán)重的高溫厚板帶鋼進(jìn)行數(shù)據(jù)分析（如下圖），可見頭部前三圈電流波動(dòng)嚴(yán)重，助卷輥壓力達(dá)不到設(shè)定值，踏步曲線正常，輥縫反饋也是正常的。

圖6 典型頭部打滑曲線

因此，可以判斷，導(dǎo)致打滑的原因可能助卷輥實(shí)際壓力不夠，導(dǎo)致帶鋼打滑發(fā)生。因而考慮針對(duì)這一特殊情況，引入QOC 位置分層別控制的功能，也即在生產(chǎn)非高溫厚板材料時(shí)使用常規(guī)參數(shù)設(shè)定，而在生產(chǎn)高溫厚板材料時(shí)使用壓下量更大的參數(shù)設(shè)定。

（1）分層控制原理。分層控制的基本思路是針對(duì)個(gè)別特殊的產(chǎn)品或特殊控制要求進(jìn)行定制化的補(bǔ)償或修正，其原理是在原有控制系統(tǒng)及控制功能的基礎(chǔ)上增加輔助的功能從而滿足多樣化的生產(chǎn)需求。分層控制的優(yōu)點(diǎn)在于能夠使系統(tǒng)控制具有拓展性，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，滿足多樣化的控制需求。

實(shí)現(xiàn)分層控制的基本要求是特殊的控制要求具有特殊普遍性與合理性，特殊普遍性是指增加或修改的輔助功能能夠滿足特殊控制的要求，例如，生產(chǎn)特殊產(chǎn)品A 需要增加功能A 投入，當(dāng)功能A 投入能夠完全滿足產(chǎn)品A 的生產(chǎn)，則功能A 對(duì)產(chǎn)品A具有特殊普遍性，若功能A 投入即能滿足產(chǎn)品A 95%的生產(chǎn)，而仍有5%無法受控，則功能A 不具此項(xiàng)特性。合理性即指分層控制功能的增加建立在滿足當(dāng)前生產(chǎn)控制需求的前提之下，不能因滿足特殊產(chǎn)品的控制需求影響正常的控制系統(tǒng)。分層控制的設(shè)計(jì)方式即對(duì)控制要求進(jìn)行分類，區(qū)分正?？刂婆c特殊控制，在控制系統(tǒng)中增加補(bǔ)償量或額外的功能，彌補(bǔ)在特殊控制要求下正?？刂茻o法滿足的控制輸出或未設(shè)計(jì)考慮的特殊控制對(duì)象。

（2）分層控制應(yīng)用。針對(duì)上文所述的2#DC 頭部打滑異?，F(xiàn)象，進(jìn)行大量PDA 數(shù)據(jù)分析比對(duì)，基本可以確定這一現(xiàn)象在卷取厚度超過4.0mm 的材料時(shí)，電流上開始出現(xiàn)階梯性的波動(dòng)，頭部出現(xiàn)打滑，卷型質(zhì)量有明顯劣化傾向。初次試驗(yàn)，結(jié)合操作人員的經(jīng)驗(yàn)，嘗試增加2#DC QOC 踏步的壓下率設(shè)定，在原基礎(chǔ)上增加10%，看能否改善由于壓下不夠?qū)е麓蚧膯栴}，之后卷取的幾塊4.8mm 厚度帶鋼確實(shí)有了明顯改善，如下圖。

圖7 帶鋼頭部踏步曲線

基于初次試驗(yàn)的結(jié)果，可以證明在卷取厚板時(shí)適度增加QOC 的壓下率系數(shù)是能有效提升踏步時(shí)的壓力，即助卷輥能夠更加貼住帶鋼的表面完成壓緊動(dòng)作，防止頭部出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。因此初步將分層設(shè)定在大于4.0mm 和小于4.0mm 兩個(gè)區(qū)間，設(shè)定兩套不同的壓下率分別進(jìn)行QOC 控制。

但是，在軋制3.5-4.0 厚度材料時(shí)，出現(xiàn)了頭部踏步壓力過大的現(xiàn)象，QOC 踏步過程中容易自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到壓力控制模式，反而會(huì)造成頭部錯(cuò)層。這一現(xiàn)象反映出兩套壓下率設(shè)定不適合不同的厚度規(guī)格，無法完全適應(yīng)所有的品種，不具有特殊普遍性。因此，必須重新細(xì)分的分段區(qū)間。通過對(duì)不同厚度的PDA 數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，同時(shí)在線進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，最終將分層的區(qū)間修改為厚度3.0mm 以下、3.0mm-4.5mm、4.5mm 以上，并根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)，將原4.0mm 以下參數(shù)表套用至3.0mm 以下區(qū)間，3.0mm-4.5mm、4.5mm 以上區(qū)間采用修改后的壓下系數(shù)。

同上述分析的思路，考慮到卷取溫度在700 度以上的厚板才更容易出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象，700 度以下的厚板之前未出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，所以之前的參數(shù)設(shè)定是符合實(shí)際需求的，因此也將大于700度的條件加入了分段設(shè)定的條件中，詳見下表。

表1 參數(shù)設(shè)定對(duì)照表

具體參數(shù)的設(shè)定則是參照實(shí)際生產(chǎn)情況及數(shù)據(jù)分析，采用湊數(shù)法通過邊生產(chǎn)邊調(diào)試的方式，最終調(diào)整出最合適的壓下率設(shè)定。由于此參數(shù)的實(shí)際值不具參考和借鑒價(jià)值，本文不進(jìn)行羅列。

經(jīng)過多次的測(cè)試和生產(chǎn)后，得出結(jié)論：優(yōu)化后的QOC 壓下率設(shè)定更加符合實(shí)際生產(chǎn)品種多樣化的需求，卷取的卷形能夠得到更好的控制。

5 QPC位置控制優(yōu)化

如前文所述，QPF 控制功能采用的是壓力控制環(huán)執(zhí)行助卷輥壓下動(dòng)作，位置控制環(huán)執(zhí)行助卷輥抬起動(dòng)作，此功能在實(shí)際應(yīng)用中的卻不甚理想，操作人員給予的反饋是“壓不夠抬不足”，因此QPF 功能大部分情況下是不被投入使用的。

（1）QPC 位置控制優(yōu)化原理?；谏鲜鲇^點(diǎn)，分析助卷輥踏步的兩種控制：壓力控制和位置控制，其優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)是不同的。壓力控制的優(yōu)點(diǎn)在于能在恒定壓力狀態(tài)下壓緊帶鋼成卷，對(duì)于帶鋼的壓緊效果優(yōu)于位置控制，且對(duì)于外部因素的變化能夠有效的通過壓力變化感知，從而有效的進(jìn)行調(diào)節(jié)補(bǔ)償，缺點(diǎn)在于帶鋼頭部經(jīng)過助卷輥時(shí)助卷輥抬起幅度不夠，壓力釋放不充分反而會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)層產(chǎn)生，因而壓力控制的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)是矛與盾的關(guān)系，即這種控制方式即能保證卷取過程快速建張但也可能因設(shè)定不當(dāng)造成錯(cuò)層產(chǎn)生。而位置控制的優(yōu)點(diǎn)在于能根據(jù)帶鋼厚度與卷徑的計(jì)算輥縫值使助卷輥完成踏步動(dòng)作，控制精度和響應(yīng)能力都較高，缺點(diǎn)是當(dāng)踏步過程中存在異常變量時(shí)，位置控制系統(tǒng)則無法感應(yīng)到這些變化做出及時(shí)的響應(yīng)或調(diào)整。因此，綜合兩種控制方式的優(yōu)點(diǎn)，可以推論，以位置控制方式作為主要控制模式，以壓力控制方式作為異常情況下的緊急響應(yīng)作為輔助控制模式，可以有效提高QOC 控制的穩(wěn)定性。

（2）QPC位置控制優(yōu)化應(yīng)用。在以位置控制為主控制模式，壓力控制為輔助模式的構(gòu)架下，對(duì)現(xiàn)有的全位置控制模式進(jìn)行優(yōu)化是較為便捷的實(shí)現(xiàn)方法。在通過對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析后發(fā)現(xiàn)薄板由于穿帶速度較快，質(zhì)量輕，出現(xiàn)頭部疊板或頭部偏移量大的異常時(shí)，對(duì)卷型的影響較為有限，卷取踏步時(shí)的建張過程基本穩(wěn)定。依舊是厚板在出現(xiàn)這類異常情況時(shí)，頭部建張時(shí)間會(huì)延長，成卷速度慢，打滑現(xiàn)象明顯。因此，優(yōu)化的方向也是側(cè)重在厚板的卷取上。

在QP 控制過程中，當(dāng)助卷輥壓力出現(xiàn)異常波動(dòng)，遠(yuǎn)大于設(shè)定壓力時(shí)，可以認(rèn)為計(jì)算的輥縫值與卷取踏步的實(shí)際狀態(tài)是不一直的，若仍堅(jiān)持以位置控制優(yōu)先，則過小的實(shí)際輥縫可能會(huì)造成錯(cuò)層的產(chǎn)生，因此若在出現(xiàn)此類情況時(shí)，壓力控制介入，降低助卷輥壓力，則會(huì)降低頭部錯(cuò)層形成的概率。根據(jù)這一思路，在位置控制模型中增加助卷輥壓力值監(jiān)視，當(dāng)壓力大于某一門檻值后，壓力控制介入，在壓力值降低至期望目標(biāo)后再跳轉(zhuǎn)回位置控制，如此循環(huán)切換控制。

下圖為2#卷取機(jī)在卷取厚度為3.0mm 帶鋼的頭部踏步PDA 曲線，從圖中可以看出，助卷輥壓力的變化與助卷輥實(shí)際動(dòng)作不能完全對(duì)應(yīng)，甚至1#助卷輥在卷筒過擴(kuò)后出現(xiàn)輥縫變大，壓力變大的情況，這表示輥縫的設(shè)定與實(shí)際產(chǎn)生了偏差，1#助卷輥的壓力接近500 噸，助卷輥可以被認(rèn)為是被帶鋼頂開的，這樣顯然容易導(dǎo)致錯(cuò)層的產(chǎn)生。

圖8 帶鋼頭部踏步曲線

在QP 控制中加入對(duì)壓力反饋值的監(jiān)視，并設(shè)定門檻值，當(dāng)實(shí)際壓力超過設(shè)定壓力的110%后，QP 控制切換至壓力控制，防止助卷輥壓力過大、卷型不受控。功能增加后測(cè)試其投入效果，從PDA 數(shù)據(jù)上分析，此類情況基本受控。

可以清楚的比較出，當(dāng)助卷輥壓力超過門檻值后，壓力控制及時(shí)介入，迅速將助卷輥壓力降低至合理范圍后再切換回位置控制。但是，在功能的測(cè)試過程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓力控制切換回位置控制后，仍有可能出現(xiàn)輥縫壓下比實(shí)際要多，壓力再次過大，直至再次切回壓力控制，這樣對(duì)于錯(cuò)層的控制效果是有限的，因此考慮對(duì)切換至壓力控制的次數(shù)上也進(jìn)行監(jiān)視，對(duì)于一塊帶鋼由位置控制跳至壓力控制超過2 次的情況下，需要對(duì)輥縫的設(shè)定進(jìn)行干預(yù)。若要實(shí)現(xiàn)輥縫的自動(dòng)調(diào)節(jié)，首先需要建立壓力變化與輥縫之間的關(guān)系函數(shù)。在零調(diào)完成零輥縫標(biāo)定后，對(duì)助卷輥靜壓測(cè)得數(shù)據(jù)，如下表（以2#卷取機(jī)為例）：

表2 輥縫壓力變化實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

可見兩者之間沒有明顯線形關(guān)系，且數(shù)據(jù)的測(cè)試及反饋均存在不可消除的誤差，因此在系統(tǒng)中只能利用查表的方式進(jìn)行輥縫的自動(dòng)調(diào)節(jié)。以設(shè)定壓力力100 T 為例，當(dāng)1#UR 實(shí)際壓力達(dá)到120 T 時(shí)，通過試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)為輥縫壓至-0.4mm 時(shí)的壓力，則可以認(rèn)為此時(shí)輥縫比實(shí)際多壓了0.4mm，則在下次切換至位置控制時(shí)，在輥縫設(shè)定中減去0.4mm 的偏差。

目前，上述輥縫自動(dòng)修正功能仍在調(diào)試階段，尚未完全成熟，主要是壓力與輥縫之間的關(guān)系為非線形，較難在控制模型中設(shè)定較精確的參數(shù)進(jìn)行實(shí)測(cè)。查表的方式也會(huì)產(chǎn)生控制上的誤差，存在不穩(wěn)定的隱患，但是，從試驗(yàn)中還是可以看出這一功能有提升踏步控制穩(wěn)定性的空間，值得嘗試。

6 結(jié)論

通過一系列的測(cè)試和優(yōu)化，該產(chǎn)線卷取踏步控制的穩(wěn)定性有了顯著的提升，對(duì)于各種特殊規(guī)格的鋼種生產(chǎn)出現(xiàn)的質(zhì)量問題也能夠有效的控制，文中介紹的一些思路和方法也具有一定的借鑒和參考價(jià)值。