自動(dòng)控制技術(shù)在移動(dòng)式鋼軌氣壓焊設(shè)備中的應(yīng)用

1、自動(dòng)控制技術(shù)在移動(dòng)式鋼軌自動(dòng)控制技術(shù)在移動(dòng)式鋼軌氣壓焊設(shè)備中的應(yīng)用氣壓焊設(shè)備中的應(yīng)用沈陽(yáng)鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所 王子儒 自控型鋼軌氣壓焊設(shè)備自控型焊后熱處理設(shè)備1 目的目的 由于鐵路和軌道交通運(yùn)輸?shù)匿撥壓附邮窃诠こ态F(xiàn)場(chǎng)完成的，最終使一般長(zhǎng)300-500米的鋼軌條經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)再焊接成為超長(zhǎng)無(wú)縫線路?，F(xiàn)場(chǎng)完成鋼軌焊接使用的氣壓焊技術(shù)和設(shè)備，過(guò)去二十幾年一直延用傳統(tǒng)手工操作類型的氣壓焊設(shè)備，工藝和工序進(jìn)程完全憑施工人員經(jīng)驗(yàn)和眼力判定，頂鍛與推凸工步不連貫，頂鍛完成后必須將壓力泄釋方能開始推凸，其弊端是此刻鋼軌焊縫處溫度仍在1200左右，焊縫處金屬原子正處于互相擴(kuò)散而進(jìn)行再結(jié)晶的塑性狀態(tài)，泄壓推凸勢(shì)必嚴(yán)重影響

2、再結(jié)晶效果，降底焊接質(zhì)量，稍有延遲焊縫處溫度快速下降，導(dǎo)致無(wú)法推凸或焊縫處被拉開。本研究的目的就是克服人為因素等諸多弊端，保證焊接參數(shù)和焊后熱處理參數(shù)的一致性，從而保證焊接質(zhì)量的連續(xù)穩(wěn)定。 2 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理設(shè)計(jì) 針對(duì)上述諸多問(wèn)題，提出移動(dòng)式氣壓焊自動(dòng)化控制研發(fā)項(xiàng)目。整套設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)保壓推凸，由可編程控制器即PLC完成控制整個(gè)焊接和焊后熱處理過(guò)程。氧氣和乙炔流量控制分別采用了兩套特殊的PID調(diào)節(jié)，人機(jī)介面完成運(yùn)行參數(shù)設(shè)置，畫面監(jiān)控，記錄歷史趨勢(shì)曲線，USB接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)，作業(yè)次數(shù)記錄打印等?？朔藶橐蛩嘏c環(huán)境溫度對(duì)焊接質(zhì)量的影響，減少 操作人員數(shù)量和操作者勞動(dòng)強(qiáng)度，保證焊

3、接質(zhì)量持續(xù)穩(wěn)定性。基本系統(tǒng)組成如圖1所示。圖1 基本系統(tǒng)組成 3 系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì) 檢查氧氣和乙炔鋼瓶出口壓力是否在規(guī)定的范圍之內(nèi)，確認(rèn)參數(shù)設(shè)置無(wú)誤，水冷卻系統(tǒng)水管暢通條件下，按動(dòng)自動(dòng)控制箱操作面板上“啟動(dòng)”按鈕之后，以下各個(gè)工步將按照所設(shè)置的參數(shù)自動(dòng)地執(zhí)行下去；直到焊接結(jié)束包括打印報(bào)告數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)在內(nèi)一次性完成，最后自動(dòng)將機(jī)械復(fù)位，為下次焊接作好準(zhǔn)備。3.1 系統(tǒng)啟動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng) 按下啟動(dòng)按鈕，PLC中系統(tǒng)控制區(qū)畫面編號(hào)寄存器（SNIR）將人機(jī)切換到“工作狀態(tài)一覽表”畫面，如圖2所示。油泵起動(dòng)油壓從0 Mpa升到預(yù)頂壓力（一般為13Mpa），將兩段待焊鋼軌端面擠壓密貼，下一步自動(dòng)開啟兩個(gè)氣體

4、質(zhì)量流量控制器，點(diǎn)燃加熱器，擺火機(jī)構(gòu)開始慢速擺動(dòng)，鋼軌焊接端面在無(wú)污染條件下加熱升溫，我們稱此為待頂工步，在此期間鋼瓶?jī)?nèi)氣體壓力有向低變化趨勢(shì)；加熱器本身溫度上升使火焰縮短，為此在氧氣和乙炔氣體質(zhì)量流量的控制中應(yīng)用了特殊的PID調(diào)節(jié)程序,使其火焰穩(wěn)定，熱力場(chǎng)分布合理，這是手工操作方式的氣體控制箱不能比擬的。在此期間也可以通過(guò)自動(dòng)控箱上的微調(diào)點(diǎn)動(dòng)按鈕隨時(shí)調(diào)節(jié)氧氣、乙炔流量和配比，使其加熱火焰功率達(dá)到最佳狀態(tài)2。見圖2 主工藝畫面。圖圖2 主工藝畫面主工藝畫面 3.2 鋼軌焊接控制鋼軌焊接控制 鋼軌焊接的工藝由頂鍛與推凸過(guò)程實(shí)現(xiàn)。PLC通過(guò)磁性標(biāo)尺的相對(duì)位置變化檢測(cè)到預(yù)頂鍛量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)將系

5、統(tǒng)壓力降到待頂壓力值（壓力值取決于待焊軌條長(zhǎng)度和道床阻力），加熱器繼續(xù)加熱，待加熱時(shí)間到設(shè)定值后立即進(jìn)入頂鍛工步，同時(shí)擺火速度加快，磁性標(biāo)尺檢測(cè)到頂鍛量等于設(shè)置的數(shù)值時(shí)則關(guān)閉氧氣和乙炔閥門，停止擺火和加熱。保壓閥切換保壓位置使壓接機(jī)處保壓狀態(tài)不變，而后將推凸換向閥切換到進(jìn)刀位置，系統(tǒng)液壓力增加的同時(shí)開始推凸操作，刀架前移趨動(dòng)推凸刀除掉焊瘤部分。PLC通過(guò)壓力傳感器判別推凸?fàn)顟B(tài)，如果推凸壓力在增大趨勢(shì)時(shí)突然變小說(shuō)明推凸結(jié)束。整個(gè)焊接過(guò)程大約在五分鐘左右時(shí)間內(nèi)完成。 3.3 降溫保壓控制降溫保壓控制 推凸結(jié)束后推凸閥自動(dòng)切換到推凸退刀位置，使其退刀到位后，高壓油泵壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)到0 Mpa，而后油泵

6、電動(dòng)機(jī)停止工作。PLC中系統(tǒng)控制區(qū)畫面編號(hào)寄存器（SNIR）將人機(jī)切換到“工作報(bào)告”畫面并啟動(dòng)打印程序，將其打印輸出（根據(jù)需要可以多次打印輸出）。此刻壓機(jī)仍然在保壓狀態(tài)，直到焊口自然冷卻后系統(tǒng)壓力才撤除 3.4 焊后熱處理（欠速淬火）工藝控制焊后熱處理（欠速淬火）工藝控制 金屬材料重新加熱奧氏體化，在合適的加熱金屬材料重新加熱奧氏體化，在合適的加熱溫度和時(shí)間下，可使奧氏體晶粒細(xì)化，從而改善溫度和時(shí)間下，可使奧氏體晶粒細(xì)化，從而改善其韌、塑性能。鋼軌焊縫接頭在低于其韌、塑性能。鋼軌焊縫接頭在低于500后，后，重新加熱至重新加熱至850950，然后進(jìn)行軌面和軌頭，然后進(jìn)行軌面和軌頭側(cè)面噴風(fēng)冷卻，以

7、達(dá)到細(xì)化晶粒，硬化軌面的目側(cè)面噴風(fēng)冷卻，以達(dá)到細(xì)化晶粒，硬化軌面的目的的3。當(dāng)采樣溫度達(dá)到設(shè)定溫度后，自動(dòng)停止加。當(dāng)采樣溫度達(dá)到設(shè)定溫度后，自動(dòng)停止加熱，冷卻風(fēng)機(jī)啟動(dòng)。運(yùn)用熱，冷卻風(fēng)機(jī)啟動(dòng)。運(yùn)用PLC控制氣體流量、變控制氣體流量、變頻器和鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、紅外線測(cè)溫儀系統(tǒng)、加熱器頻器和鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、紅外線測(cè)溫儀系統(tǒng)、加熱器擺動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)人機(jī)界面設(shè)置焊后熱處理工藝參擺動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)人機(jī)界面設(shè)置焊后熱處理工藝參數(shù)（見圖數(shù)（見圖3）。）。圖圖3 人機(jī)界面設(shè)置工作參數(shù)人機(jī)界面設(shè)置工作參數(shù) 測(cè)溫方法采用了非接觸式測(cè)量方法，選擇了HT-14AL紅外線測(cè)溫儀，測(cè)溫范圍在500 1400，其電路圖如圖4所示。當(dāng)采樣溫度

8、達(dá)到設(shè)定溫度后，自動(dòng)停止加熱。圖圖4 紅外測(cè)溫儀控制電路紅外測(cè)溫儀控制電路L+RA A+MM0100001V0 I0A-GOEM235 CN 6ES7 235-0KD22-0XA8RB B+ B- RC C+ C- RD D+ D-輸出 4-20mAAIW4型號(hào) HT-14AL紅色電源正蘭色電源地綠色信號(hào)+黃色信號(hào)-量程（500-1400）CE1 +2 4V0V3.5 數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)記錄 關(guān)于畫面轉(zhuǎn)儲(chǔ)，自動(dòng)控制箱面板上安裝微型熱敏漢字打印機(jī)，完成即時(shí)作業(yè)打印輸出。還有一個(gè)USB接口（USB Host Ver1.1口用于接駁可移動(dòng)U盤）,通過(guò)在人機(jī)畫面放置一個(gè)“USB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)”按鈕,此按鈕屬性為：

9、據(jù)取畫面，其功能是將本畫面上的全部?jī)?nèi)容以BMP格式存儲(chǔ)在可移動(dòng)U盤上（人機(jī)編輯軟件Sersion 1.05.76版本有此功能，要求U盤格式化為FAT32）。這樣焊接工作數(shù)據(jù)報(bào)表和歷史趨勢(shì)曲線等資料十分方便地通過(guò)U盤轉(zhuǎn)儲(chǔ)到個(gè)人計(jì)算機(jī)上作為技術(shù)留檔，為以后查閱、分析總結(jié)提供原始數(shù)據(jù)，如圖5所示。圖圖5 工藝數(shù)據(jù)記錄工藝數(shù)據(jù)記錄 4 自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)4.1 電控系統(tǒng)電控系統(tǒng) （1）人機(jī)界面：人機(jī)介面型號(hào)選擇臺(tái)達(dá)DOP-AE80THTD型觸摸屏。其特點(diǎn)是DOP-AE80THTD型人機(jī)介面，在野外冬季工作溫度可以達(dá)零度；夏季在陽(yáng)光陰影下圖形和文本顯示清晰。（估測(cè)DOP-AE80THTD亮度在

10、350cd/m2）。 DOP-AE80THTD的顯示分辨率為640480，65536色，開發(fā)使用方便，功能完善強(qiáng)大的編輯軟件賦有人性化，完全適合該系統(tǒng)要求。配置2個(gè)串通訊接口UART和2個(gè)USB接口，其中COM2/RS458和可編程序控制器（PLC）相連；一個(gè)USB Host Ver1.1口用于接駁移動(dòng)U盤，作為整個(gè)畫面內(nèi)容轉(zhuǎn)儲(chǔ)。 人機(jī)界面中的焊接參數(shù)設(shè)置畫面運(yùn)用了畫面開啟宏和畫面關(guān)閉宏功能及畫面周期宏功能Cycle。在校對(duì)PLC內(nèi)部時(shí)鐘與人機(jī)界面時(shí)鐘時(shí)，要求同步，用GETSYSTEMTIME命令和資料搬移MOV命令，配合畫面上“系統(tǒng)時(shí)間日期按鈕”十分方便地將實(shí)時(shí)時(shí)間設(shè)置在PLC中，這樣PLC

11、內(nèi)時(shí)鐘與人機(jī)時(shí)鐘和當(dāng)?shù)貢r(shí)區(qū)時(shí)間三者統(tǒng)一，保證作業(yè)記錄的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。其他如氧氣流量設(shè)置，乙炔流量設(shè)置，位移量設(shè)置，預(yù)頂壓力設(shè)置，頂鍛壓力設(shè)置等完全用實(shí)數(shù)，既三位整數(shù)二位小數(shù)表示。而加熱時(shí)間參數(shù)設(shè)置等用三位整數(shù)表示。重要參數(shù)如預(yù)頂壓力和待頂壓力，如果您在數(shù)值上設(shè)置不合符要求人機(jī)則會(huì)用閃動(dòng)“錯(cuò)”字和聲音報(bào)警，一直到設(shè)置正確顯示“對(duì)”字為止，并且系統(tǒng)掉電后所設(shè)置的參數(shù)也不會(huì)丟失。 設(shè)置參數(shù)一共八項(xiàng)：預(yù)頂壓力 13.00 Mpa ；待頂時(shí)間 86 Sec ；待頂長(zhǎng)度 1.12 mm ；待頂壓力 6.50 Mpa ；頂鍛長(zhǎng)度 31.00 mm ；頂鍛壓力 45.00 Mpa ；氧氣流量 87.50 S

12、LM ；乙炔流量 91.60 SLM ，如圖6所示 。 圖圖6 工藝參數(shù)設(shè)置畫面工藝參數(shù)設(shè)置畫面 （2）可編程序控制器PLC:可編程序控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，由CPU單元含數(shù)字量和擴(kuò)展模擬量模塊組成。其中數(shù)字量完成各個(gè)閥門位置檢測(cè)和限位及氣體流量微調(diào)等功能；模擬量A/D部分對(duì)氧氣和乙炔氣體質(zhì)量流量采樣、系統(tǒng)壓力采樣、鋼軌頂鍛位移量的采樣等。D/A部分對(duì)氧氣和乙炔氣體質(zhì)量流控制閥門開度的控制，氣體質(zhì)量流量的控制由兩個(gè)獨(dú)立的具有PID調(diào)節(jié)功能的閉環(huán)系統(tǒng)完成。壓力傳感器采用擴(kuò)散硅型，內(nèi)置壓力變送器和線性校正電路，24V供電，輸出420mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)對(duì)應(yīng)壓強(qiáng)060Mpa。4.2 油泵與壓機(jī)系統(tǒng)油泵

13、與壓機(jī)系統(tǒng) 超高壓油泵使傳遞動(dòng)力的液壓油產(chǎn)生最大壓強(qiáng)達(dá)到60Mpa ，供油量每分鐘4升以上。電動(dòng)錐式調(diào)壓閥，壓力傳感器，PLC和人機(jī)界面構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，油泵壓力穩(wěn)準(zhǔn)快地跟蹤人機(jī)所設(shè)置壓力值。電動(dòng)式超高壓截止閥門能使油路在高低壓的條件下快速進(jìn)行換向并有保持壓力功能；其閥門的位置由接近開關(guān)（OMRON-PNP）限制。壓機(jī)總成是在高壓油泵作用下能產(chǎn)生最大70噸力，滿足鋼軌在焊接時(shí)頂鍛和推凸、保壓等工步所需要的力。保證在焊接全部過(guò)程中兩段鋼軌中心在一條直線上，使軌頂面底面軌腰對(duì)齊，滿足機(jī)械強(qiáng)度和幾何成型要求。油泵和壓機(jī)之間油路用專門快速連結(jié)器交連。目前在壓強(qiáng)大于32.5 Mpa時(shí)換向在液壓自動(dòng)控

14、制領(lǐng)域里還是尖端技術(shù)。自控油泵原理油 泵壓機(jī)4.3 加熱系統(tǒng)加熱系統(tǒng) 由氣源，壓力表，控制器，氣體混合器，乙炔回火防止器，外燃型加熱器，氣體過(guò)濾器及氣體快速接頭，冷卻循環(huán)泵等組成。加熱器的火焰孔徑大小及分布應(yīng)保證鋼軌斷面處受熱均勻，按照焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)將鋼軌加熱到塑性狀態(tài)的溫度（一般為1350）。應(yīng)有防止管路回火和防止漏氣等安全措施?？刂破鞅容^復(fù)雜：由PLC部分開關(guān)量、模擬單元、人機(jī)界面、兩個(gè)氣體質(zhì)量控制器（D079E）組成。特點(diǎn)是流量大200SML（N2）；線性度0.2F.S；準(zhǔn)確度高1.5F.S；重復(fù)精度0.2F.S；響應(yīng)時(shí)間1Sec；泄漏率110-8SCCSHe；具有氣體通道清洗、關(guān)閉、閥控

15、功能。加熱器加熱器4.4 磁性標(biāo)尺磁性標(biāo)尺 由電阻式位移傳感器和5.2V基準(zhǔn)電源構(gòu)成，其測(cè)量精度達(dá)百分之一毫米。三塊釹鐵硼鑲嵌其中，使用時(shí)安裝拆卸十分便利，不需要設(shè)定磁尺幾何原點(diǎn)。頂鍛量是由PLC程序自動(dòng)檢測(cè)并運(yùn)算出鋼軌位移量的相對(duì)差值，由人機(jī)界面直接顯示出來(lái)。鋼軌被加熱到500以上時(shí)軸向膨漲明顯，則人機(jī)界面直接顯示出來(lái)是負(fù)值，同時(shí)系統(tǒng)壓力有所上升，人機(jī)介面實(shí)時(shí)地動(dòng)態(tài)反映焊接過(guò)程各個(gè)參數(shù)的變化。位移傳感器4.5 擺火機(jī)構(gòu)擺火機(jī)構(gòu) 由直流可調(diào)速電動(dòng)機(jī)和可變式曲柄連桿機(jī)構(gòu)及滑動(dòng)小臺(tái)車組成，點(diǎn)動(dòng)按鈕能使加熱器火孔對(duì)準(zhǔn)兩鋼軌間焊縫，并可遠(yuǎn)離焊縫以保證點(diǎn)火時(shí)焊縫間無(wú)積碳污染。擺火電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度由程序改變

16、，擺火位移線速度按余弦規(guī)律變化，這樣能使得鋼軌受熱效果達(dá)到最佳。擺火機(jī)構(gòu)4.6 焊后熱處理系統(tǒng)焊后熱處理系統(tǒng) 熱處理控制系統(tǒng)應(yīng)滿足現(xiàn)場(chǎng)軌面硬化技術(shù)工藝過(guò)程的要求：（1）控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)：氧、乙炔氣體流量控制加熱器點(diǎn)火擺動(dòng)鋼軌加熱紅外測(cè)溫自動(dòng)熄火變頻控制風(fēng)機(jī)啟動(dòng)自動(dòng)停止等。（2）控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)熱處理工藝參數(shù)的控制。（3）氧、乙炔氣體流量大小以及關(guān)閉、清洗的設(shè)置和自動(dòng)控制。（4）熱處理過(guò)程中紅外測(cè)量溫度的顯示和風(fēng)機(jī)的起停。（5）由于在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，為應(yīng)對(duì)意外情況，系統(tǒng)還應(yīng)具備手動(dòng)功能。（6） 控制系統(tǒng)具有良好的操作界面以及參數(shù)設(shè)置調(diào)整和顯示功能。（7）由于需要保存熱處理接頭參數(shù)，應(yīng)裝有打印機(jī)，自動(dòng)打印

17、熱處理參數(shù)。（8）控制系統(tǒng)要體積小、可靠性高，搬運(yùn)、維護(hù)、使用方便，性價(jià)比高。焊后熱處理系統(tǒng)圖5 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) PLC系統(tǒng)配置與梯形圖編程，人機(jī)界面用畫面編輯Screen Editor編程（Sersion 1.05.7），兩部分相互配合。5.1 PLC編程編程 PLC程序采用模塊化方式，將控制程序根據(jù)功能分為不同邏輯塊即子程序，在主程序（ OB1）中可以根據(jù)條件調(diào)用不同的邏輯塊，其特點(diǎn)是主程序簡(jiǎn)單明了，調(diào)試方便，由于邏輯塊是有條件的調(diào)用，所以CPU利用率高，與人機(jī)界面通訊可靠。5.2 觸摸屏編程觸摸屏編程 （1）設(shè)定模組參數(shù)：系統(tǒng)控制區(qū)8個(gè)字長(zhǎng)。通迅設(shè)置：人機(jī)站號(hào) 0 ； PLC預(yù)置站號(hào)2

18、 ； 通迅端口RS-485 ； 停止位1Bits ；波特率 9600 ； 奇偶校驗(yàn) Even。（2）用畫面Gycle宏完成PLC內(nèi)時(shí)鐘與人機(jī)內(nèi)時(shí)鐘同步,創(chuàng)建一個(gè)所謂系統(tǒng)畫面,并放置按鈕,其畫面開啟宏和畫面關(guān)閉宏指令巨集如下:SETB （2V490.0） /系統(tǒng)畫面開啟宏V490.0=1ENDCLRB （2V490.0） /系統(tǒng)畫面關(guān)閉宏490.0=0 END在系統(tǒng)畫面上可以隨時(shí)地調(diào)整人機(jī)內(nèi)時(shí)鐘（星期暫不用），配合PLC時(shí)鐘寫命令，完成時(shí)鐘同步。 $100=GETSYSTEMTIME (2V236)=$100 /年(2V238)=$101 /月(2V240)=$102 /日(2V242)=$104 /時(shí)(2V244)=$105 /分(2V246)=$106 /秒END（3）歷史趨勢(shì)曲線：紅外溫度傳感器和鋼軌共用1號(hào)緩沖區(qū)，讀取PLC地址21000；數(shù)值單位4（字）；取樣周期1000 ms ；取樣點(diǎn)111 ；觸發(fā)源 PLC ；記錄時(shí)間日期 Yes ；氧氣流量與乙炔流量共用2號(hào)緩沖區(qū)，讀取PLC地址21008；數(shù)值單位4（字）；取樣周期1000 ms ；取樣點(diǎn)