自動控制技術(shù)在移動式鋼軌氣壓焊設(shè)備中的應(yīng)用

1、自動控制技術(shù)在移動式鋼軌自動控制技術(shù)在移動式鋼軌氣壓焊設(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輸?shù)匿撥壓附邮窃诠こ态F(xiàn)場完成的，最終使一般長300-500米的鋼軌條經(jīng)現(xiàn)場再焊接成為超長無縫線路。現(xiàn)場完成鋼軌焊接使用的氣壓焊技術(shù)和設(shè)備，過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，工藝和工序進程完全憑施工人員經(jīng)驗和眼力判定，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散而進行再結(jié)晶的塑性狀態(tài)，泄壓推凸勢必嚴重影響

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)計系統(tǒng)原理設(shè)計 針對上述諸多問題，提出移動式氣壓焊自動化控制研發(fā)項目。整套設(shè)備采用模塊化設(shè)計，可實現(xiàn)保壓推凸，由可編程控制器即PLC完成控制整個焊接和焊后熱處理過程。氧氣和乙炔流量控制分別采用了兩套特殊的PID調(diào)節(jié)，人機介面完成運行參數(shù)設(shè)置，畫面監(jiān)控，記錄歷史趨勢曲線，USB接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲，作業(yè)次數(shù)記錄打印等?？朔藶橐蛩嘏c環(huán)境溫度對焊接質(zhì)量的影響，減少 操作人員數(shù)量和操作者勞動強度，保證焊

3、接質(zhì)量持續(xù)穩(wěn)定性?；鞠到y(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)計系統(tǒng)工藝設(shè)計 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)，確認參數(shù)設(shè)置無誤，水冷卻系統(tǒng)水管暢通條件下，按動自動控制箱操作面板上“啟動”按鈕之后，以下各個工步將按照所設(shè)置的參數(shù)自動地執(zhí)行下去；直到焊接結(jié)束包括打印報告數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲在內(nèi)一次性完成，最后自動將機械復(fù)位，為下次焊接作好準備。3.1 系統(tǒng)啟動系統(tǒng)啟動 按下啟動按鈕，PLC中系統(tǒng)控制區(qū)畫面編號寄存器（SNIR）將人機切換到“工作狀態(tài)一覽表”畫面，如圖2所示。油泵起動油壓從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，下一步自動開啟兩個氣體

4、質(zhì)量流量控制器，點燃加熱器，擺火機構(gòu)開始慢速擺動，鋼軌焊接端面在無污染條件下加熱升溫，我們稱此為待頂工步，在此期間鋼瓶內(nèi)氣體壓力有向低變化趨勢；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自動控箱上的微調(diào)點動按鈕隨時調(diào)節(jié)氧氣、乙炔流量和配比，使其加熱火焰功率達到最佳狀態(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程實現(xiàn)。PLC通過磁性標尺的相對位置變化檢測到預(yù)頂鍛量達到設(shè)定值時，自動將系

5、統(tǒng)壓力降到待頂壓力值（壓力值取決于待焊軌條長度和道床阻力），加熱器繼續(xù)加熱，待加熱時間到設(shè)定值后立即進入頂鍛工步，同時擺火速度加快，磁性標尺檢測到頂鍛量等于設(shè)置的數(shù)值時則關(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處保壓狀態(tài)不變，而后將推凸換向閥切換到進刀位置，系統(tǒng)液壓力增加的同時開始推凸操作，刀架前移趨動推凸刀除掉焊瘤部分。PLC通過壓力傳感器判別推凸狀態(tài)，如果推凸壓力在增大趨勢時突然變小說明推凸結(jié)束。整個焊接過程大約在五分鐘左右時間內(nèi)完成。 3.3 降溫保壓控制降溫保壓控制 推凸結(jié)束后推凸閥自動切換到推凸退刀位置，使其退刀到位后，高壓油泵壓力自動調(diào)節(jié)到0 Mpa，而后油泵

6、電動機停止工作。PLC中系統(tǒng)控制區(qū)畫面編號寄存器（SNIR）將人機切換到“工作報告”畫面并啟動打印程序，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間下，可使奧氏體晶粒細化，從而改善溫度和時間下，可使奧氏體晶粒細化，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，然后進行軌面和軌頭，然后進行軌面和軌頭側(cè)面噴風(fēng)冷卻，以

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

8、達到設(shè)定溫度后，自動停止加熱。圖圖4 紅外測溫儀控制電路紅外測溫儀控制電路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 HT-14AL紅色電源正蘭色電源地綠色信號+黃色信號-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，自動控制箱面板上安裝微型熱敏漢字打印機，完成即時作業(yè)打印輸出。還有一個USB接口（USB Host Ver1.1口用于接駁可移動U盤）,通過在人機畫面放置一個“USB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲”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內(nèi)容以BMP格式存儲在可移動U盤上（人機編輯軟件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)報表和歷史趨勢曲線等資料十分方便地通過U盤轉(zhuǎn)儲到個人計算機上作為技術(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 自動化系統(tǒng)實現(xiàn)自動化系統(tǒng)實現(xiàn)4.1 電控系統(tǒng)電控系統(tǒng) （1）人機界面：人機介面型號選擇臺達DOP-AE80THTD型觸摸屏。其特點是DOP-AE80THTD型人機介面，在野外冬季工作溫度可以達零度；夏季在陽光陰影下圖形和文本顯示清晰。（估測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個串通訊接口UART和2個USB接口，其中COM2/RS458和可編程序控制器（PLC）相連；一個USB Host Ver1.1口用于接駁移動U盤，作為整個畫面內(nèi)容轉(zhuǎn)儲。 人機界面中的焊接參數(shù)設(shè)置畫面運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PLC內(nèi)部時鐘與人機界面時鐘時，要求同步，用GETSYSTEMTIME命令和資料搬移MOV命令，配合畫面上“系統(tǒng)時間日期按鈕”十分方便地將實時時間設(shè)置在PLC中，這樣PLC

11、內(nèi)時鐘與人機時鐘和當?shù)貢r區(qū)時間三者統(tǒng)一，保證作業(yè)記錄的實時性和準確性。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)置等完全用實數(shù)，既三位整數(shù)二位小數(shù)表示。而加熱時間參數(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)置不合符要求人機則會用閃動“錯”字和聲音報警，一直到設(shè)置正確顯示“對”字為止，并且系統(tǒng)掉電后所設(shè)置的參數(shù)也不會丟失。 設(shè)置參數(shù)一共八項：預(yù)頂壓力 13.00 Mpa ；待頂時間 86 Sec ；待頂長度 1.12 mm ；待頂壓力 6.50 Mpa ；頂鍛長度 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系統(tǒng)的核心，由CPU單元含數(shù)字量和擴展模擬量模塊組成。其中數(shù)字量完成各個閥門位置檢測和限位及氣體流量微調(diào)等功能；模擬量A/D部分對氧氣和乙炔氣體質(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獨立的具有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的標準電流信號對應(yīng)壓強060Mpa。4.2 油泵與壓機系統(tǒng)油泵

13、與壓機系統(tǒng) 超高壓油泵使傳遞動力的液壓油產(chǎn)生最大壓強達到60Mpa ，供油量每分鐘4升以上。電動錐式調(diào)壓閥，壓力傳感器，PLC和人機界面構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，油泵壓力穩(wěn)準快地跟蹤人機所設(shè)置壓力值。電動式超高壓截止閥門能使油路在高低壓的條件下快速進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，滿足鋼軌在焊接時頂鍛和推凸、保壓等工步所需要的力。保證在焊接全部過程中兩段鋼軌中心在一條直線上，使軌頂面底面軌腰對齊，滿足機械強度和幾何成型要求。油泵和壓機之間油路用專門快速連結(jié)器交連。目前在壓強大于32.5 Mpa時換向在液壓自動控

14、制領(lǐng)域里還是尖端技術(shù)。自控油泵原理油 泵壓機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，按照焊接工藝標準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、人機界面、兩個氣體質(zhì)量控制器（D079E）組成。特點是流量大200SML（N2）；線性度0.2F.S；準確度高1.5F.S；重復(fù)精度0.2F.S；響應(yīng)時間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 磁性標尺磁性標尺 由電阻式位移傳感器和5.2V基準電源構(gòu)成，其測量精度達百分之一毫米。三塊釹鐵硼鑲嵌其中，使用時安裝拆卸十分便利，不需要設(shè)定磁尺幾何原點。頂鍛量是由PLC程序自動檢測并運算出鋼軌位移量的相對差值，由人機界面直接顯示出來。鋼軌被加熱到500以上時軸向膨漲明顯，則人機界面直接顯示出來是負值，同時系統(tǒng)壓力有所上升，人機介面實時地動態(tài)反映焊接過程各個參數(shù)的變化。位移傳感器4.5 擺火機構(gòu)擺火機構(gòu) 由直流可調(diào)速電動機和可變式曲柄連桿機構(gòu)及滑動小臺車組成，點動按鈕能使加熱器火孔對準兩鋼軌間焊縫，并可遠離焊縫以保證點火時焊縫間無積碳污染。擺火電動機轉(zhuǎn)動速度由程序改變

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到最佳。擺火機構(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)場軌面硬化技術(shù)工藝過程的要求：（1）控制系統(tǒng)能實現(xiàn)：氧、乙炔氣體流量控制加熱器點火擺動鋼軌加熱紅外測溫自動熄火變頻控制風(fēng)機啟動自動停止等。（2）控制系統(tǒng)能實現(xiàn)對熱處理工藝參數(shù)的控制。（3）氧、乙炔氣體流量大小以及關(guān)閉、清洗的設(shè)置和自動控制。（4）熱處理過程中紅外測量溫度的顯示和風(fēng)機的起停。（5）由于在現(xiàn)場作業(yè)，為應(yīng)對意外情況，系統(tǒng)還應(yīng)具備手動功能。（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，自動打印

17、熱處理參數(shù)。（8）控制系統(tǒng)要體積小、可靠性高，搬運、維護、使用方便，性價比高。焊后熱處理系統(tǒng)圖5 軟件設(shè)計軟件設(shè)計 PLC系統(tǒng)配置與梯形圖編程，人機界面用畫面編輯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，其特點是主程序簡單明了，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個字長。通迅設(shè)置：人機站號 0 ； PLC預(yù)置站號2

18、 ； 通迅端口RS-485 ； 停止位1Bits ；波特率 9600 ； 奇偶校驗 Even。（2）用畫面Gycle宏完成PLC內(nèi)時鐘與人機內(nèi)時鐘同步,創(chuàng)建一個所謂系統(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)畫面上可以隨時地調(diào)整人機內(nèi)時鐘（星期暫不用），配合PLC時鐘寫命令，完成時鐘同步。 $100=GETSYSTEMTIME (2V236)=$100 /年(2V238)=$101 /月(2V240)=$102 /日(2V242)=$104 /時(2V244)=$105 /分(2V246)=$106 /秒END（3）歷史趨勢曲線：紅外溫度傳感器和鋼軌共用1號緩沖區(qū)，讀取PLC地址21000；數(shù)值單位4（字）；取樣周期1000 ms ；取樣點111 ；觸發(fā)源 PLC ；記錄時間日期 Yes ；氧氣流量與乙炔流量共用2號緩沖區(qū)，讀取PLC地址21008；數(shù)值單位4（字）；取樣周期1000 ms ；取樣點