熱軋卷取機踏步控制穩定性優化研究

費 佳

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

1 卷取QOC控制概述

某熱軋產線卷取機共有三套助卷輥裝置，每個助卷輥裝置由輥子、框架以及用以引導帶鋼頭尾的弧形板組成，通過液壓油缸進行驅動。頭部卷取主要采用快速打開（QOC）控制功能，在引導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，也避免由于助卷輥的壓靠力使帶鋼頭部對鋼卷內圈產生“壓痕”的質量缺陷，并能延長機械部件的使用壽命。

助卷輥控制模塊可以根據工藝需要實現位置和壓力兩種控制模式。每套助卷輥液壓控制系統配有1 個伺服閥以及8 個電磁閥，可實現的控制功能包括：①QOC 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化的認為是兩個相對獨立的閉環控制構成，分別為輥縫閉環控制和壓力閉環控制。其中，輥縫閉環控制又稱位置控制，也是目前最為常用的一種控制模式，其原理是通過對助卷輥輥縫的定位來實現卷取的踏步功能。其優點是，通過助卷輥抬下壓力的循環動作，避開帶鋼頭部防止頭部錯層產生，能有效控制卷型；其缺點是，當輥縫設定有偏差，或帶鋼頭部出現疊板等異常造成實際值與輥縫設定不符時，頭部卷型會不受控，出現錯層或塔型。

壓力閉環控制是根據油缸兩腔壓力差換算出實際壓力來進行閉環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，以確保卷取機對帶鋼頭部的順利卷取。其優點是，帶鋼頭部壓靠較緊，卷取建張速度較快；缺點是壓力反饋環節精度有限，導致模型計算有偏差，反而可能導致頭部錯層的形成。

2 QOC控制原理

在三電系統改造后，本產線卷取的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進行帶鋼頭部卷取過程中，通過對助卷輥為避讓帶鋼頭部通過時而進行的跳躍控制，可以避免帶鋼頭部由于助卷輥的壓靠作用而對帶鋼表面造成的質量影響。

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，以確保卷取機對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，因此在整個過程中是位置與壓力交替控制的。其控制原理如下：

當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行恒壓控制，保證壓緊帶鋼。當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，迅速下壓以設定壓力緊貼鋼卷外圈，并循環執行直至允許打開條件滿足后擺開到設定位置[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，整個踏步過程均采用位置控制方式，即根據設定的帶鋼厚度，計算出每一圈的輥縫值，再通過伺服控制系統使助卷輥完成抬起放下動作，特點是響應快，定位準，目前該產線主要采用這種控制方式。此控制方式也為卷取機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帶鋼頭部第一次到達并通過助卷輥后，助卷輥迅速壓靠在鋼卷外圈，并根據上位機L2 下傳的助卷輥壓力設定值進行恒壓控制，直至允許打開條件滿足后擺開到設定位置。

圖4 QCF 控制示意圖

3 論文研究背景

以上詳細介紹了目前卷取QOC 控制的功能及原理，在三電改造后，助卷輥系統的控制和功能都有了明顯的改善，但在生產卷取部分特殊層別或規格的鋼卷時，卷型的質量不夠穩定，錯層和塔型等質量問題暴露較多，尤其是2#卷取機，在卷取高溫厚板時，頭部經常有打滑現象，導致踏步圈速多，內圈不能快速漲緊，成卷后頭部錯層嚴重。PDA 數據如下圖，從電流上可以明顯看出在卷取5.2mm 厚度鋼卷時頭部打滑較為嚴重，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

基于以上現象，提高2#卷取機在生產高溫厚板時的穩定性對產品質量是必要的。本文將介紹現場通過一系列試驗最后總結合成的一些功能上的優化和改善，對卷取L1 系統后續的優化提供借鑒。

4 QOC位置分層控制

根據打滑現象較嚴重的高溫厚板帶鋼進行數據分析（如下圖），可見頭部前三圈電流波動嚴重，助卷輥壓力達不到設定值，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，導致打滑的原因可能助卷輥實際壓力不夠，導致帶鋼打滑發生。因而考慮針對這一特殊情況，引入QOC 位置分層別控制的功能，也即在生產非高溫厚板材料時使用常規參數設定，而在生產高溫厚板材料時使用壓下量更大的參數設定。

（1）分層控制原理。分層控制的基本思路是針對個別特殊的產品或特殊控制要求進行定制化的補償或修正，其原理是在原有控制系統及控制功能的基礎上增加輔助的功能從而滿足多樣化的生產需求。分層控制的優點在于能夠使系統控制具有拓展性，增加系統的穩定性，滿足多樣化的控制需求。

實現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，生產特殊產品A 需要增加功能A 投入，當功能A 投入能夠完全滿足產品A 的生產，則功能A 對產品A具有特殊普遍性，若功能A 投入即能滿足產品A 95%的生產，而仍有5%無法受控，則功能A 不具此項特性。合理性即指分層控制功能的增加建立在滿足當前生產控制需求的前提之下，不能因滿足特殊產品的控制需求影響正常的控制系統。分層控制的設計方式即對控制要求進行分類，區分正?？刂婆c特殊控制，在控制系統中增加補償量或額外的功能，彌補在特殊控制要求下正?？刂茻o法滿足的控制輸出或未設計考慮的特殊控制對象。

（2）分層控制應用。針對上文所述的2#DC 頭部打滑異常現象，進行大量PDA 數據分析比對，基本可以確定這一現象在卷取厚度超過4.0mm 的材料時，電流上開始出現階梯性的波動，頭部出現打滑，卷型質量有明顯劣化傾向。初次試驗，結合操作人員的經驗，嘗試增加2#DC QOC 踏步的壓下率設定，在原基礎上增加10%，看能否改善由于壓下不夠導致打滑的問題，之后卷取的幾塊4.8mm 厚度帶鋼確實有了明顯改善，如下圖。

圖7 帶鋼頭部踏步曲線

基于初次試驗的結果，可以證明在卷取厚板時適度增加QOC 的壓下率系數是能有效提升踏步時的壓力，即助卷輥能夠更加貼住帶鋼的表面完成壓緊動作，防止頭部出現打滑現象。因此初步將分層設定在大于4.0mm 和小于4.0mm 兩個區間，設定兩套不同的壓下率分別進行QOC 控制。

但是，在軋制3.5-4.0 厚度材料時，出現了頭部踏步壓力過大的現象，QOC 踏步過程中容易自動跳轉到壓力控制模式，反而會造成頭部錯層。這一現象反映出兩套壓下率設定不適合不同的厚度規格，無法完全適應所有的品種，不具有特殊普遍性。因此，必須重新細分的分段區間。通過對不同厚度的PDA 數據進行比較分析，同時在線進行試驗測試，最終將分層的區間修改為厚度3.0mm 以下、3.0mm-4.5mm、4.5mm 以上，并根據實際生產狀態，將原4.0mm 以下參數表套用至3.0mm 以下區間，3.0mm-4.5mm、4.5mm 以上區間采用修改后的壓下系數。

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打滑的現象，700 度以下的厚板之前未出現打滑現象，所以之前的參數設定是符合實際需求的，因此也將大于700度的條件加入了分段設定的條件中，詳見下表。

表1 參數設定對照表

具體參數的設定則是參照實際生產情況及數據分析，采用湊數法通過邊生產邊調試的方式，最終調整出最合適的壓下率設定。由于此參數的實際值不具參考和借鑒價值，本文不進行羅列。

經過多次的測試和生產后，得出結論：優化后的QOC 壓下率設定更加符合實際生產品種多樣化的需求，卷取的卷形能夠得到更好的控制。

5 QPC位置控制優化

如前文所述，QPF 控制功能采用的是壓力控制環執行助卷輥壓下動作，位置控制環執行助卷輥抬起動作，此功能在實際應用中的卻不甚理想，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 位置控制優化原理?；谏鲜鲇^點，分析助卷輥踏步的兩種控制：壓力控制和位置控制，其優勢和劣勢是不同的。壓力控制的優點在于能在恒定壓力狀態下壓緊帶鋼成卷，對于帶鋼的壓緊效果優于位置控制，且對于外部因素的變化能夠有效的通過壓力變化感知，從而有效的進行調節補償，缺點在于帶鋼頭部經過助卷輥時助卷輥抬起幅度不夠，壓力釋放不充分反而會導致錯層產生，因而壓力控制的優點與缺點是矛與盾的關系，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定不當造成錯層產生。而位置控制的優點在于能根據帶鋼厚度與卷徑的計算輥縫值使助卷輥完成踏步動作，控制精度和響應能力都較高，缺點是當踏步過程中存在異常變量時，位置控制系統則無法感應到這些變化做出及時的響應或調整。因此，綜合兩種控制方式的優點，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作為輔助控制模式，可以有效提高QOC 控制的穩定性。

（2）QPC位置控制優化應用。在以位置控制為主控制模式，壓力控制為輔助模式的構架下，對現有的全位置控制模式進行優化是較為便捷的實現方法。在通過對生產數據的分析后發現薄板由于穿帶速度較快，質量輕，出現頭部疊板或頭部偏移量大的異常時，對卷型的影響較為有限，卷取踏步時的建張過程基本穩定。依舊是厚板在出現這類異常情況時，頭部建張時間會延長，成卷速度慢，打滑現象明顯。因此，優化的方向也是側重在厚板的卷取上。

在QP 控制過程中，當助卷輥壓力出現異常波動，遠大于設定壓力時，可以認為計算的輥縫值與卷取踏步的實際狀態是不一直的，若仍堅持以位置控制優先，則過小的實際輥縫可能會造成錯層的產生，因此若在出現此類情況時，壓力控制介入，降低助卷輥壓力，則會降低頭部錯層形成的概率。根據這一思路，在位置控制模型中增加助卷輥壓力值監視，當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后再跳轉回位置控制，如此循環切換控制。

下圖為2#卷取機在卷取厚度為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際動作不能完全對應，甚至1#助卷輥在卷筒過擴后出現輥縫變大，壓力變大的情況，這表示輥縫的設定與實際產生了偏差，1#助卷輥的壓力接近500 噸，助卷輥可以被認為是被帶鋼頂開的，這樣顯然容易導致錯層的產生。

圖8 帶鋼頭部踏步曲線

在QP 控制中加入對壓力反饋值的監視，并設定門檻值，當實際壓力超過設定壓力的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。功能增加后測試其投入效果，從PDA 數據上分析，此類情況基本受控。

可以清楚的比較出，當助卷輥壓力超過門檻值后，壓力控制及時介入，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，在功能的測試過程中，發現當壓力控制切換回位置控制后，仍有可能出現輥縫壓下比實際要多，壓力再次過大，直至再次切回壓力控制，這樣對于錯層的控制效果是有限的，因此考慮對切換至壓力控制的次數上也進行監視，對于一塊帶鋼由位置控制跳至壓力控制超過2 次的情況下，需要對輥縫的設定進行干預。若要實現輥縫的自動調節，首先需要建立壓力變化與輥縫之間的關系函數。在零調完成零輥縫標定后，對助卷輥靜壓測得數據，如下表（以2#卷取機為例）：

表2 輥縫壓力變化實測數據

可見兩者之間沒有明顯線形關系，且數據的測試及反饋均存在不可消除的誤差，因此在系統中只能利用查表的方式進行輥縫的自動調節。以設定壓力力100 T 為例，當1#UR 實際壓力達到120 T 時，通過試驗測得數據為輥縫壓至-0.4mm 時的壓力，則可以認為此時輥縫比實際多壓了0.4mm，則在下次切換至位置控制時，在輥縫設定中減去0.4mm 的偏差。

目前，上述輥縫自動修正功能仍在調試階段，尚未完全成熟，主要是壓力與輥縫之間的關系為非線形，較難在控制模型中設定較精確的參數進行實測。查表的方式也會產生控制上的誤差，存在不穩定的隱患，但是，從試驗中還是可以看出這一功能有提升踏步控制穩定性的空間，值得嘗試。

6 結論

通過一系列的測試和優化，該產線卷取踏步控制的穩定性有了顯著的提升，對于各種特殊規格的鋼種生產出現的質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值。