王子儒-自动控制技术在移动式钢轨气压焊设备中的应用

自动控制技术在移动式钢轨气压焊设备中的应用沈阳铁路局科学技术研究所王子儒自控型钢轨气压焊设备自控型焊后热处理设备1目的由于铁路和轨道交通运输的钢轨焊接是在工程现场完成的，最终使一般长300-500米的钢轨条经现场再焊接成为超长无缝线路。现场完成钢轨焊接使用的气压焊技术和设备，过去二十几年一直延用传统手工操作类型的气压焊设备，工艺和工序进程完全凭施工人员经验和眼力判定，顶锻与推凸工步不连贯，顶锻完成后必须将压力泄释方能开始推凸，其弊端是此刻钢轨焊缝处温度仍在1200℃左右，焊缝处金属原子正处于互相扩散而进行再结晶的塑性状态，泄压推凸势必严重影响再结晶效果，降底焊接质量，稍有延迟焊缝处温度快速下降，导致无法推凸或焊缝处被拉开。本研究的目的就是克服人为因素等诸多弊端，保证焊接参数和焊后热处理参数的一致性，从而保证焊接质量的连续稳定。2系统原理设计针对上述诸多问题，提出移动式气压焊自动化控制研发项目。整套设备采用模块化设计，可实现保压推凸，由可编程控制器即PLC完成控制整个焊接和焊后热处理过程。氧气和乙炔流量控制分别采用了两套特殊的PID调节，人机介面完成运行参数设置，画面监控，记录历史趋势曲线，USB接口实现数据转储，作业次数记录打印等。克服人为因素与环境温度对焊接质量的影响，减少操作人员数量和操作者劳动强度，保证焊接质量持续稳定性。基本系统组成如图1所示。图1基本系统组成3系统工艺设计检查氧气和乙炔钢瓶出口压力是否在规定的范围之内，确认参数设置无误，水冷却系统水管畅通条件下，按动自动控制箱操作面板上“启动”按钮之后，以下各个工步将按照所设置的参数自动地执行下去；直到焊接结束包括打印报告数据转储在内一次性完成，最后自动将机械复位，为下次焊接作好准备。3.1系统启动按下启动按钮，PLC中系统控制区画面编号寄存器（SNIR）将人机切换到“工作状态一览表”画面，如图2所示。油泵起动油压从0Mpa升到预顶压力（一般为13Mpa），将两段待焊钢轨端面挤压密贴，下一步自动开启两个气体质量流量控制器，点燃加热器，摆火机构开始慢速摆动，钢轨焊接端面在无污染条件下加热升温，我们称此为待顶工步，在此期间钢瓶内气体压力有向低变化趋势；加热器本身温度上升使火焰缩短，为此在氧气和乙炔气体质量流量的控制中应用了特殊的PID调节程序,使其火焰稳定，热力场分布合理，这是手工操作方式的气体控制箱不能比拟的。在此期间也可以通过自动控箱上的微调点动按钮随时调节氧气、乙炔流量和配比，使其加热火焰功率达到最佳状态[2]。见图2主工艺画面。图2主工艺画面3.2钢轨焊接控制钢轨焊接的工艺由顶锻与推凸过程实现。PLC通过磁性标尺的相对位置变化检测到预顶锻量达到设定值时，自动将系统压力降到待顶压力值（压力值取决于待焊轨条长度和道床阻力），加热器继续加热，待加热时间到设定值后立即进入顶锻工步，同时摆火速度加快，磁性标尺检测到顶锻量等于设置的数值时则关闭氧气和乙炔阀门，停止摆火和加热。保压阀切换保压位置使压接机处保压状态不变，而后将推凸换向阀切换到进刀位置，系统液压力增加的同时开始推凸操作，刀架前移趋动推凸刀除掉焊瘤部分。PLC通过压力传感器判别推凸状态，如果推凸压力在增大趋势时突然变小说明推凸结束。整个焊接过程大约在五分钟左右时间内完成。3.3降温保压控制推凸结束后推凸阀自动切换到推凸退刀位置，使其退刀到位后，高压油泵压力自动调节到0Mpa，而后油泵电动机停止工作。PLC中系统控制区画面编号寄存器（SNIR）将人机切换到“工作报告”画面并启动打印程序，将其打印输出（根据需要可以多次打印输出）。此刻压机仍然在保压状态，直到焊口自然冷却后系统压力才撤除3.4焊后热处理（欠速淬火）工艺控制金属材料重新加热奥氏体化，在合适的加热温度和时间下，可使奥氏体晶粒细化，从而改善其韧、塑性能。钢轨焊缝接头在低于500℃后，重新加热至850℃～950℃，然后进行轨面和轨头侧面喷风冷却，以达到细化晶粒，硬化轨面的目的[3]。当采样温度达到设定温度后，自动停止加热，冷却风机启动。运用PLC控制气体流量、变频器和鼓风机系统、红外线测温仪系统、加热器摆动系统。通过人机界面设置焊后热处理工艺参数（见图3）。图3人机界面设置工作参数测温方法采用了非接触式测量方法，选择了HT-14AL红外线测温仪，测温范围在500℃～1400℃，其电路图如图4所示。当采样温度达到设定温度后，自动停止加热。图4红外测温仪控制电路L+RAA+MM0100001V0I0A-GOEM235CN6ES7235-0KD22-0XA8RBB+B-RCC+C-RDD+D-输出4--20mAAIW4型号HT-14AL红色电源正兰色电源地绿色信号+黄色信号-量程（500--1400）CE1+24V0V3.5数据记录关于画面转储，自动控制箱面板上安装微型热敏汉字打印机，完成即时作业打印输出。还有一个USB接口（USBHostVer1.1口用于接驳可移动U盘）,通过在人机画面放置一个“USB数据转储”按钮,此按钮属性为：据取画面，其功能是将本画面上的全部内容以BMP格式存储在可移动U盘上（人机编辑软件Sersion1.05.76版本有此功能，要求U盘格式化为FAT32）。这样焊接工作数据报表和历史趋势曲线等资料十分方便地通过U盘转储到个人计算机上作为技术留档，为以后查阅、分析总结提供原始数据，如图5所示。图5工艺数据记录4自动化系统实现4.1电控系统（1）人机界面：人机介面型号选择台达DOP-AE80THTD型触摸屏。其特点是DOP-AE80THTD型人机介面，在野外冬季工作温度可以达零度；夏季在阳光阴影下图形和文本显示清晰。（估测DOP-AE80THTD亮度在350cd/m2）。DOP-AE80THTD的显示分辨率为640×480，65536色，开发使用方便，功能完善强大的编辑软件赋有人性化，完全适合该系统要求。配置2个串通讯接口UART和2个USB接口，其中COM2/RS458和可编程序控制器（PLC）相连；一个USBHostVer1.1口用于接驳移动U盘，作为整个画面内容转储。人机界面中的焊接参数设置画面运用了画面开启宏和画面关闭宏功能及画面周期宏功能Cycle。在校对PLC内部时钟与人机界面时钟时，要求同步，用GETSYSTEMTIME命令和资料搬移MOV命令，配合画面上“系统时间日期按钮”十分方便地将实时时间设置在PLC中，这样PLC内时钟与人机时钟和当地时区时间三者统一，保证作业记录的实时性和准确性。其他如氧气流量设置，乙炔流量设置，位移量设置，预顶压力设置，顶锻压力设置等完全用实数，既三位整数二位小数表示。而加热时间参数设置等用三位整数表示。重要参数如预顶压力和待顶压力，如果您在数值上设置不合符要求人机则会用闪动“错”字和声音报警，一直到设置正确显示“对”字为止，并且系统掉电后所设置的参数也不会丢失。设置参数一共八项：①预顶压力13.00Mpa；②待顶时间86Sec；③待顶长度1.12mm；④待顶压力6.50Mpa；⑤顶锻长度31.00mm；⑥顶锻压力45.00Mpa；⑦氧气流量87.50SLM；⑧乙炔流量91.60SLM，如图6所示。图6工艺参数设置画面（2）可编程序控制器PLC:可编程序控制器是整个系统的核心，由CPU单元含数字量和扩展模拟量模块组成。其中数字量完成各个阀门位置检测和限位及气体流量微调等功能；模拟量A/D部分对氧气和乙炔气体质量流量采样、系统压力采样、钢轨顶锻位移量的采样等。D/A部分对氧气和乙炔气体质量流控制阀门开度的控制，气体质量流量的控制由两个独立的具有PID调节功能的闭环系统完成。压力传感器采用扩散硅型，内置压力变送器和线性校正电路，24V供电，输出4—20mA的标准电流信号对应压强0—60Mpa。4.2油泵与压机系统超高压油泵使传递动力的液压油产生最大压强达到60Mpa，供油量每分钟4升以上。电动锥式调压阀，压力传感器，PLC和人机界面构成一个闭环控制系统，油泵压力稳准快地跟踪人机所设置压力值。电动式超高压截止阀门能使油路在高低压的条件下快速进行换向并有保持压力功能；其阀门的位置由接近开关（OMRON--PNP）限制。压机总成是在高压油泵作用下能产生最大70吨力，满足钢轨在焊接时顶锻和推凸、保压等工步所需要的力。保证在焊接全部过程中两段钢轨中心在一条直线上，使轨顶面底面轨腰对齐，满足机械强度和几何成型要求。油泵和压机之间油路用专门快速连结器交连。目前在压强大于32.5Mpa时换向在液压自动控制领域里还是尖端技术。自控油泵原理油泵压机4.3加热系统由气源，压力表，控制器，气体混合器，乙炔回火防止器，外燃型加热器，气体过滤器及气体快速接头，冷却循环泵等组成。加热器的火焰孔径大小及分布应保证钢轨断面处受热均匀，按照焊接工艺标准将钢轨加热到塑性状态的温度（一般为1350℃）。应有防止管路回火和防止漏气等安全措施。控制器比较复杂：由PLC部分开关量、模拟单元、人机界面、两个气体质量控制器（D07—9E）组成。特点是流量大200SML（N2）；线性度±0.2％F.S；准确度高±1.5％F.S；重复精度±0.2％F.S；响应时间1Sec；泄漏率＜1×10-8SCCSHe；具有气体通道清洗、关闭、阀控功能。加热器4.4磁性标尺由电阻式位移传感器和5.2V基准电源构成，其测量精度达百分之一毫米。三块钕铁硼镶嵌其中，使用时安装拆卸十分便利，不需要设定磁尺几何原点。顶锻量是由PLC程序自动检测并运算出钢轨位移量的相对差值，由人机界面直接显示出来。钢轨被加热到500℃以上时轴向膨涨明显，则人机界面直接显示出来是负值，同时系统压力有所上升，人机介面实时地动态反映焊接过程各个参数的变化。位移传感器4.5摆火机构由直流可调速电动机和可变式曲柄连杆机构及滑动小台车组成，点动按钮能使加热器火孔对准两钢轨间焊缝，并可远离焊缝以保证点火时焊缝间无积碳污染。摆火电动机转动速度由程序改变，摆火位移线速度按余弦规律变化，这样能使得钢轨受热效果达到最佳。摆火机构4.6焊后热处理系统热处理控制系统应满足现场轨面硬化技术工艺过程的要求：（1）控制系统能实现：氧、乙炔气体流量控制－加热器点火摆动－钢轨加热－红外测温－自动熄火－变频控制－风机启动－自动停止等。（2）控制系统能实现对热处理工艺参数的控制。（3）氧、乙炔气体流量大小以及关闭、清洗的设置和自动控制。（4）热处理过程中红外测量温度的显示和风机的起停。（5）由于在现场作业，为应对意外情况，系统还应具备手动功能。（6）控制系统具有良好的操作界面以及参数设置调整和显示功能。（7）由于需要保存热处理接头参数，应装有打印机，自动打印热处理参数。（8）控制系统要体积小、可靠性高，搬运、维护、使用方便，性价比高。焊后热处理系统图5软件设计PLC系统配置与梯形图编程，人机界面用画面编辑ScreenEditor编程（Sersion1.05.7），两部分相互配合。5.1PLC编程PLC程序采用模块化方式，将控制程序根据功能分为不同逻辑块即子程序，在主程序（OB1）中可以根据条件调用不同的逻辑块，其特点是主程序简单明了，调试方便，由于逻辑块是有条件的调用，所以CPU利用率高，与人机界面通讯可靠。5.2触摸屏编程•（1）设定模组参数：系统控制区8个字长。通迅设置：①人机站号0；②PLC预置站号2；③通迅端口RS-485；④停止位1Bits；⑤波特率9600；⑥奇偶校验Even。•（2）用画面Gycle宏完成PLC内时钟与人机内时钟同步,创建一个所谓系统画面,并放置系统时间日期按钮,其画面开启宏和画面关闭宏指令巨集如下:•SETB（2@V490.0）//系统画面开启宏V490.0=1•END•CLRB（2@V490.0）//系统画面关闭宏490.0=0•END•在系统画面上可以随时地调整人机内时钟（星期暂不用），配合PLC时钟写命令，完成时钟同步。•$100=GETSYSTEMTIME•(2@V236)=$100//年•(2@V238)=$101//月•(2@V240)=$102//日•(2@V242)=$10