臺達(dá)自動化技術(shù)在軌道工程焊機(jī)改造中的應(yīng)用

應(yīng)用觸摸式液晶屏即人機(jī)介面，直接輸入焊接參數(shù)，顯示參數(shù)、歷史趨勢曲線，控制工程現(xiàn)場軌道接軌焊接。
關(guān)鍵詞：軌道 頂鍛 現(xiàn)場 自動化

1 引言

鐵路和軌道交通的路軌是在工程現(xiàn)場完成接軌焊接的，最終使一般長50米短鋼軌條經(jīng)焊接成為長距無縫鐵軌。現(xiàn)場完成接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瀉釋方能開始推凸，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)，瀉壓推凸勢必嚴(yán)重影響再結(jié)晶效果，降底焊接質(zhì)量，稍有延遲焊縫處溫度快速下降，尤其冬季里施工更為明顯，甚至無法推凸或焊縫被拉開，人為因素多并且難以保正焊接參數(shù)一致性。

2 系統(tǒng)原理設(shè)計

針對上述諸多問題，提出移動式小型氣壓軌道自動化焊機(jī)改造項目。整套設(shè)備采用模塊化設(shè)計，保壓推凸。由可編程序控制器（PLC）控制整個焊接過程，氧氣和乙炔流量控制采用PID調(diào)節(jié)，人機(jī)介面完成參數(shù)設(shè)置，畫面監(jiān)控，USB口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲，作業(yè)次數(shù)記錄打印等。克服人為因素與環(huán)境溫度對焊接質(zhì)量的影響，減少操作人員及勞動強(qiáng)度。保正焊接質(zhì)量持續(xù)穩(wěn)定。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

3 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)，在確認(rèn)冷卻系統(tǒng)水管暢通條件下，按動自動控箱操作面板上“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(jī)械復(fù)位，為下次焊接作好準(zhǔn)備。

3.1 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(jī)切換到“工作狀態(tài)一覽表”畫面，見圖2所示。油泵起動油壓從0 Mpa升到預(yù)頂壓強(qiáng)，將兩段待焊鋼軌對嚴(yán)，下一步自動地開啟兩個氣體質(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，鋼軌焊接端面在無污染條件下加熱升溫，我們稱謂此為待頂工步，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孔縮小，為此在氧氣和乙炔氣體質(zhì)量流量的控制中應(yīng)用了PID調(diào)節(jié)程序,使其加熱功率大，火焰穩(wěn)定，熱力場分布合理，這方面手工操作方式的氣體控制箱是不能比擬的。在此期間也可以通過自控箱上的微調(diào)按鈕隨時調(diào)節(jié)氧氣乙炔流量和配比，使其加熱火力達(dá)到最佳狀態(tài)。

圖2 主工藝畫面

3.2 接軌焊接控制

軌道接軌焊接的工藝由頂鍛與推凸過程實(shí)現(xiàn)。PLC通過磁性標(biāo)尺的相對位置變化檢測到預(yù)頂鍛量達(dá)到設(shè)定值時，自動將系統(tǒng)壓力降到待頂壓力值，加熱器繼續(xù)加熱，待加熱時間到設(shè)定值后立即進(jìn)入頂鍛工步，同時擺火速度加快，磁性標(biāo)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機(jī)處保壓狀態(tài)不變，爾后推凸閥動切換到進(jìn)刀位置，系統(tǒng)油壓上調(diào)的同時開始推凸操作，刀架前移趨動推刀除掉焊瘤部分。PLC通過壓力傳感器判別推凸?fàn)顟B(tài)，如果推凸壓力在增大趨勢時突然變小說明推凸結(jié)束。整個焊接周期五分鐘左右時間。

3.3 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，爾后油泵電動機(jī)停止工作。PLC中系統(tǒng)控制區(qū)畫面編號寄存器（SNIR）將人機(jī)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）。次刻壓機(jī)仍然在保壓，直到焊口自然冷卻后方撤壓。

3.4 數(shù)據(jù)記錄

關(guān)于畫面轉(zhuǎn)儲，自動控制箱面板上除了微型熱敏漢字打印機(jī)外，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(jī)畫面放置一個按鈕,此按鈕屬性為：據(jù)取畫面，其功能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(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(jī)上作為技術(shù)留檔，為以后查閱分析總結(jié)打印提供原始數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 工藝數(shù)據(jù)記錄

4 自動化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 電控系統(tǒng)

（1）人機(jī)界面：人機(jī)介面型號選擇臺達(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；夏季在陽光陰影下圖形和文本顯示清晰。（估測DOP-AE80THTD亮度在350cd/m２）。

DOP-AE80THTD的顯示分辯率為640×480；65536種顏色；畫面和數(shù)碼照片一樣逼真，外觀精美大方。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(jī)介面中的焊接參數(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PLC內(nèi)部時鐘與人機(jī)介面時鐘時，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(shí)時時間設(shè)置在PLC中，這樣PLC內(nèi)時鐘與人機(jī)時鐘和當(dāng)?shù)貢r區(qū)時間三者統(tǒng)一，保正作業(yè)記錄的實(shí)時性和準(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：①預(yù)頂壓力 12.34 Mpa ；②待頂時間 123 Sec ；③待頂長度 12.34 mm ；④待頂壓力 12.34 Mpa ；⑤頂鍛長度 1.23 mm ；⑥頂鍛壓力 12.34 Mpa ；⑦氧氣流量 123.45 SLM ；⑧乙炔流量 123.45 SLM ，如圖4所示 。

圖4 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(kuò)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(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4—20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號對應(yīng)壓強(qiáng)0—60Mpa。

4.2 油泵與壓機(jī)系統(tǒng)

超高壓油泵使傳遞動力的液壓油產(chǎn)生最大壓強(qiáng)達(dá)到60Mpa ，供油量每分鐘4立升以上。電動錐式調(diào)壓閥，壓力傳感器，PLC和人機(jī)介面構(gòu)成一個閉環(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)行換向并有保持壓功能等；其閥門的位置由接近開關(guān)（OMRON--PNP）限制。壓機(jī)總承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。保正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(jī)械強(qiáng)度要求。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時換向在液壓控制領(lǐng)域里還是尖端技術(shù)。

4.3 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)保正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1300℃）。應(yīng)有防止管路回火和防止漏氣等安全措施。控制器比較復(fù)雜；由PLC部分開關(guān)量、模擬單元、人機(jī)介面、兩個氣體質(zhì)量控制器（D07—9E）組成。特點(diǎn)流量大200SML（N2）；線性度±0.2％F.S；準(zhǔn)確度高±1.5％F.S；重復(fù)精度±0.2％F.S；響應(yīng)時間1Sec；泄漏率＜1×10-8SCCSHe；具有氣體通道清洗、關(guān)閉、閥控功能

4.4 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，其測量精度達(dá)百分之一豪米。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(diǎn)。頂鍛量是由PLC程序自動檢測并運(yùn)算出鋼軌位移量的相對差值，由人機(jī)介面直接顯示出來。鋼軌被加熱到200—1000℃時軸向膨漲明顯，則人機(jī)界面直接顯示出來是負(fù)值，同時系統(tǒng)壓力有所上升，人機(jī)介面實(shí)時地動態(tài)地反映焊接過程各個參數(shù)的變化。

4.5 擺火機(jī)構(gòu)

由直流可調(diào)速電動機(jī)和可變式曲柄連桿機(jī)構(gòu)及滑動小臺車組成，點(diǎn)動按鈕能使加熱器火孔正對準(zhǔn)兩鋼軌間焊縫，保正點(diǎn)火時焊縫間無積碳污染。擺火電動機(jī)轉(zhuǎn)動速度由程序改變，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)到最佳化。

5 軟件設(shè)計

PLC系統(tǒng)配置與梯形圖編程，人機(jī)介面用畫面編輯Screen Editor編程（Sersion 1.05.7），兩部分相互配合。

5.1 PLC編程

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)介面通訊可靠。

5.2 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：①人機(jī)站號 0 ； ②PLC預(yù)置站號2 ； ③通迅端口RS-485 ； ④停止位1Bits ；⑤波特率 9600 ； ⑥奇偶校驗 Even。

（2）用畫面Gycle宏完成PLC內(nèi)時鐘與人機(jī)內(nèi)時鐘同步,創(chuàng)建一個所謂系統(tǒng)畫面,并放置<系統(tǒng)時間日期>按鈕,其畫面開啟宏和畫面關(guān)閉宏指令巨集如下:

SETB （2@V490.0） //系統(tǒng)畫面開啟宏V490.0=1
END
CLRB （2@V490.0） //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(jī)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
(2@V236) =$100 //年
(2@V238) =$101 //月
(2@V240) =$102 //日
(2@V242) =$104 //時
(2@V244) =$105 //分
(2@V246) =$106 //秒
END
（3）歷史趨勢曲線：系統(tǒng)壓力與標(biāo)尺位移共用1號緩沖區(qū)，讀取PLC地址2@1000；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2@1008；數(shù)值單位4（字）；取樣周期1000 ms ；取樣點(diǎn)111 ；觸發(fā)源 PLC ；記錄時間日期 Yes 。

6 結(jié)束語

應(yīng)用自動控制鋼軌氣壓焊接設(shè)備，一次性連續(xù)地對十五個鋼軌焊接頭進(jìn)行破壞性落錘試驗，合格率為百分之百。在實(shí)際線路上經(jīng)過一年多千余次焊接施工，合格率為百分之百，用戶反映良好。基于臺達(dá)自動化技術(shù)平臺的智能型移動式鋼軌氣壓焊接設(shè)備已經(jīng)通過路局技術(shù)鑒定。