1 前言
20世纪50年代，气动式卷取机开始应用于热轧生产线;70年代，开发出液压定压式卷取机;1981年，日本石川岛播磨公司研制出第1台AJC卷取机[1]。在我国，武钢热轧厂于1978年从石川岛公司引进气动式卷取机，宝钢热轧厂于1989年从西德引进AJC卷取机。进入2000年以后，我国热轧卷取机技术国产化水平取得较大提高，目前已有数条热轧线采用了国产AJC卷取机。
2006年以来，中冶赛迪工程技术股份有限公司先后在新疆八钢1750mm热轧、天津天铁1750mm热轧、凌钢中宽带热轧等生产线投产了具有自主知识产权的全液压AJC卷取机，其卷取机自动化系统控制软件也逐步实现了标准化和产品化。本文对这类AJC热轧卷取机控制软件的整体结构、实现功能、主要模块控制策略、帮助系统及软件开发平台等进行阐述。
2卷取机控制程序概况
典型带钢热轧线的精轧一卷取区包括F1～F7，7架精轧机、F7机架后的辊道、机前侧导板、DC1～DC33个卷取机、卸卷小车等工艺设备，标准化的卷取机控制软件按精轧机架与卷取机台数最多的配置情况进行设计，当精轧机或卷取机台数不足时，只须将相关功能取消即可。卷取机控制程序的结构框图见图1，设定数据来自L2或L1HMI，L1应用软件由3个层级的程序单元构成：一是主控单元，负责带钢跟踪、设定数据管理及卷取机选用管理。二是设备控制单元，包括电气传动设备控制单元和液压设备控制单元两部分，前者由速度一张力控制模块根据不同的卷取阶段，计算各电气设备速度超前一滞后率及张力分配关系，输出速度给定和转矩给定;后者由顺控器在不同时机触发相关液压设备的位置一压力控制，经闭环一是主控单元，负责带钢跟踪、设定数据管理及卷取机选用管理。二是设备控制单元，包括电气传动设备控制单元和液压设备控制单元两部分，前者由速度一张力控制模块根据不同的卷取阶段，计算各电气设备速度超前一滞后率及张力分配关系，输出速度给定和转矩给定;后者由顺控器在不同时机触发相关液压设备的位置一压力控制，经闭环回路处理后得到液压系统给定。三是输出处理单元，对手动、自动、手动干预等操作模式进行逻辑判断，输出电气/液压设备的运行指令。
主控单元以跟踪为基础，负责卷取区域设定数据管理和设备选用管理。跟踪信息触发设定数据的接收和分配，同时为顺控器和速度一张力控制器提供触发信号。
程序中设计了宏跟踪和微跟踪两套跟踪系统。宏跟踪用于从F1咬钢到卷取机卷取结束全过程的带钢跟踪。微跟踪针对单个卷取机，实现从带头到达夹送辊开始，到卷取结束的带钢跟踪。在宏跟踪系统中设计2个带钢信息缓冲区FST1、
FST2，当精轧第1个激活机架咬钢后，启动FST1或FST2，再根据卷取机占有状况选择目标卷取机。按此逻辑进行带钢跟踪和卷取机选择，卷取区可以同时存在2块带钢，以实现最快轧制节奏。
3设备程序单元功能分析
3.1速度-张力控制
3.1.1速度控制策略
卷取区速度主令跟随精轧机带钢出口速度，直至带尾离开该机架。其后，保持离开时的速度直至带尾到达尾部减速位置，再减速至尾部定位速度。辊道采取“波浪式递推”加减速方案以节能降耗，在带头到达该组辊道的前一组之前，辊道升速至主令速度，在带尾离开该组辊道后，辊道减速至待轧速度。
速度主令计算环节所输出的是卷取区的速度基准，各旋转设备的速度设定还需要在统一的速度基准基础上叠加相应的偏置量。根据精轧机抛钢以前，带头是否进入卷取机，设计了“短材”与“长材”两套速度偏置方案。其中短材方案为：带头进入卷取区到精轧抛钢以前，输出辊道速度超前于主令速度;精轧抛钢后到卷取成形前，夹送辊、助卷辊、卷筒超前于主令速度，输出辊道滞后于主令速度;稳定卷取以后，卷取机、辊道速度保持同步速度。长材方案为：带头进入卷取区到卷取成形以前，输出辊道及卷取机速度超前于主令速度;稳定卷取阶段，卷取机、辊道与精轧机保持同步速度;精轧机抛钢以后，辊道速度滞后于主令速度。为避免带钢起套或打滑，辊道速度偏置设定遵循特定的原则：离精轧机越远，超前率越大;离卷取机越远，滞后率越大。
3.1.2张力控制策略
定义沿物流方向的张力为正张力。对于长材，张力控制过程分为6个阶段：
(1)带钢进入卷取机前：正张力由精轧出口辊道提供，精轧机提供反向张力。通过设置，按一定规律分布的出口辊道速度超前达到张力平衡。
(2)带钢进入卷取机到卷取成形阶段：精轧出口辊道、夹送辊、助卷辊、卷筒共同提供正张力，精轧机提供反向张力。夹送辊、卷筒进入转矩控制方式，按穿带张力计算转矩设定。
(3)卷取成形到卷取张力建立前，卷筒提供正张力，精轧机提供反向张力。出口辊道、夹送辊、助卷辊逐步减小所提供的正向张力。夹送辊、卷筒为转矩控制方式，按卷取张力计算卷筒转矩设定。
(4)稳定卷取到精轧机抛钢以前，卷筒提供正张力，精轧机提供反向张力。出口辊道、夹送辊仅提供很小的张力，夹送辊、卷筒为转矩控制方式，卷筒按卷取张力计算转矩设定，但在抛钢前实施“锥形张力”控制，提前减少张力设定，以避免带钢在精轧末机架抛钢时突然失张而形成塔形。夹送辊实施“零电流控制”，其运行接近于随动状态。
(5)精轧机抛钢以后到带尾定位减速前，卷筒提供正向张力，输出辊道、夹送辊提供反向张力。卷筒实施转矩控制，夹送辊实施速度控制。
(6)带尾定位开始直到卷取结束，卷筒与夹送辊都为速度控制方式。
对于短材，张力控制过程分为4个阶段：
(1)带钢进入卷取区到精轧抛钢以前：出口辊道提供正张力，精轧机提供反向张力。
(2)精轧抛钢后到卷取成形阶段：夹送辊、助卷辊、卷筒共同提供正张力，精轧出口辊道提供反向张力。夹送辊、卷筒进入转矩控制方式，按穿带张力计算转矩设定。
(3)卷取成形后到带尾定位前，卷筒提供正张力，出口辊道、夹送辊提供反向张力。卷筒为转矩控制方式，按卷取张力计算卷筒转矩设定。
(4)带尾定位开始直到卷取结束，卷筒与夹送辊为速度控制方式。
3.2侧导板液压控制
3.2.1侧导板自动标定功能
侧导板具有自动位置标定和压力标定功能。启动标定时，侧导板打开到最大位置，对位移传感器读数进行清零，其后侧导板关闭到标定位置，在关闭过程中读取侧导板在不同位置的压力，该压力为关闭过程中机械设备产生的阻力。当侧导板关闭到位后，测量实际开口度，与位移传感器读出的开口度相比较，得到侧导板零位补偿量。然后侧导板打开到最大，在打开过程中读取侧导板在不同位置的压力，该压力为打开过程中机械设备产生的阻力。
3.2.2侧导板短行程及压力控制功能
侧导板具备头尾短行程及压力控制功能。在带头进入时，侧导板投入头部短行程功能，避开不规则的带钢头部。在带尾离开时，侧导板投入尾部短行程功能，避开不规则的带钢尾部。头尾短行程功能可以基本消除因头尾失宽使侧导板夹住带钢而造成堆钢的可能。
当带钢进入夹送辊后，侧导板投入位置/压力控制功能。两侧侧导板控制模式可以在HMI画面上进行预设。预设模式见表1。通常将操作侧设定为位置模式，传动侧设定为压力模式。
3.3夹送辊液压控制
3.3.1夹送辊自动标定功能
夹送辊具有自动位置标定和压力标定功能。启动标定时，上夹送辊抬升到最大位置，对位移传感器读数进行清零;其后下夹送辊旋转，上夹送辊位置逐渐降低，在夹送辊关闭过程中读取上夹送辊在不同位置的压力，该组压力为夹送辊自重与平衡缸上抬作用抵消后的调零压力。在计算夹送辊作用到带钢的压力时，须将调零压力扣除。上夹送辊继续下降，压靠下夹送辊，并在下辊带动下旋转，当压靠力超过标定压力，上辊速度超过下辊速度的某一比例时，读取对应辊缝值为夹送辊零位辊缝。其后夹送辊抬起到等待位。
3.3.2夹送辊位置一压力双闭环控制
当卷取机选中时，夹送辊定位于设定辊缝;当带钢穿入时，夹送辊投入压力控制;当带尾离开时，夹送辊抬起到等待位置。夹送辊位置一压力双闭环控制回路如图2所示。
辊缝设定经几何关系折算到液压缸行程后，与液压缸位置反馈构成闭环;作用到带钢的压力设定折算为液压缸的压力给定，与压力传感器反馈构成闭环。夹送辊具有传动侧/操作侧位置同步功能、在线压力倾动功能;当位置环输出饱和时，夹送辊自动从位置控制切换到压力控制;将位置环输出限幅放开，则夹送辊切换到位置控制。
3.4助卷辊液压控制
3.4.1助卷辊自动标定功能
助卷辊具有自动位置标定和压力标定功能。其标定过程与夹送辊标定类似，在标定前，应将卷筒置于预扩张位置;应同时启动3个助卷辊标定功能，让助卷辊从3个方向均匀压靠卷筒，以保证其“圆度”。
3.4.2助卷辊位置?压力控制
助卷辊采用位置一压力双闭环控制，通过设定压力限幅，使位置环饱和或退饱和，实现位置一压力自动切换功能。
3.4.3 自动踏步控制
助卷辊自动踏步是卷取机控制的核心功能之一，由带头跟踪功能和跳步动作功能组成，其控制框图见图3。当卷取机夹送辊前HMD测到带钢信号时，启动卷取机带钢头部跟踪，综合带钢速度、助卷辊压力/加速度计检测信号，判断带头第1次到达助卷辊的时刻，并触发助卷辊起跳时刻和起跳高度计算。当带头叠绕部位在助卷辊下时，启动自动踏步控制，直至卷取张力建立。当助卷辊跳起时，投入开环位置控制;当助卷辊落下时，投入闭环压力控制。
3.4。4全程压下及压尾控制
1#、3#助卷辊具有全程压下功能及压尾功能。当助卷辊投入全程压下控制时，在卷取全过程中助卷辊按设定压力压靠钢卷，且当压力增大超过设定值时，助卷辊打开到带钢下一圈卷绕后钢卷外沿位置等待。当卷取厚度大、硬度高的带钢时，应投入全程压下功能，以增大弯曲力矩，减小层间间隙。投入压尾控制时，助卷辊在带钢即将卷取完毕前设定压力压靠钢卷外沿，以减少其外圈塔形。
3.5卷简液压控制
当卷取机选中后，卷筒定位于预扩张位置;当第1圈带钢卷上后，卷筒以全涨为目标持续扩涨，仅当卷筒压力超过设备安全极限才停止;当卷取完成、卸卷小车接卷后，卷筒收缩至卸卷位置。
3.6手动干预
手动干预，是在自动运行模式有效情况下，对设备运行状态或运行参数进行手动修正。设置手动干预功能，可以在保证连续生产条件下，化解突发事故，提高产品质量。本系统设置了9项手动干预功能：带钢张力增加/减小、辊道超前率增加/减小、侧导板开口度增加/减小、侧导板压力增加/减小、夹送辊压力增加/减小、夹送辊压力倾动、助卷辊压力增加/减小、卷筒尾部定位调整、卷筒强制扩涨/收缩。
4模拟轧钢
根据模拟对象不同，本系统提供了实验室模拟、现场模拟两项模拟功能。实验室模拟可在传动装置、液压设备及现场机械设备都不投入时使用，用于对程序逻辑和控制策略算法的正确性进行检查;现场模拟是在现场所有传动、机械、液压设备投入后，在没有实际带钢情况下的模拟测试，用于对现场设备空载动作和检测元件正确性的检查。按模拟范围划分，还提供了卷取区单独模拟和卷取一精轧区联合模拟功能。
5开发运行平台及帮助系统
软件包以Siemens TDC控制器为硬件平台。软件平台为CFC，速度控制模块、张力控制模块及各个设备控制模块用与TDC配套的标准C语言开发工具C Generator编制，生成库文件后，在CFC中调用。
采用微软公司提供的帮助文件通用开发工具HCW(Help Workshop)开发了卷取机控制软件的在线帮助系统，帮助文件描述了每一个控制模块的功能、控制策略和算法、逻辑联锁关系、管脚含义等，方便软件的阅读、调试和维护。
6 结语
在卷取机控制软件设计和调试过程中，广泛利用了国内外成熟的控制思想、控制方法，采用了先进的控制策略。从已投用的几个项目看，随着软件不断优化，调试时间和达产时间都逐渐减少。卷取机事故率、成品塔形、表面质量等指标都达到国内同类型卷取机领先水平。
参考文献：
[1]商野博明.液压式地下卷取机·AJC卷取机的开发[J].石川岛播磨技报。1982。22(127)：349～355.
[2]张大志，周芳。申屠南凯，等.基于TDC的1500热连轧卷取机助卷辊自动踏步控制系统[J].北京科技大学学报。2007，29(6)：622—626.
[3]李松辽，刘洪敏。郭贵云.线棒材轧机主轧线物料跟踪功能分析[刀.冶金自动化，2003。25(2)：24—28.
