Civil Engineering and Technology September 2015, Volume 4, Issue 3, PP.28-35
Application of Automatic Control Technology in Mobile Gas Welding Rail Licai Zhao School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China
Abstract Based on automation and control technology platform, PLC and man-machine interface for electrically controlled system, High pressure electric pump system, Fired heater system, Control system of postweld heat treatment, Heater swing fire control system, Data record and history trend curve line drawn, the on-site rail air pressure welding and corresponding postweld heat treatment have been achieved, and the entire welding process of railway long rail and its postweld heat treatment are automatically controlled, guaranteeing the stability of the rail joint quality and the heat treatment effect. Keywords: PLC; Man-machine Interface; Automation control; Rail Gas Pressure Welding; Postweld Heat Treatment
自动控制技术在移动式气压焊焊接钢轨中的应用 赵立财 天津大学 建筑工程学院，天津 300072 摘
要：基于自动化控制技术平台、PLC 及人机界面实现电控系统、高压电动泵系统、火焰加热器系统、焊后热处理控
制系统、加热器摆火控制系统、数据记录及历史趋势曲线绘制，完成现场钢轨气压焊接和焊后热处理过程，对铁路超长 钢轨整个焊接过程及焊后热处理工艺实现了自动化控制，确保了钢轨接头质量与热处理效果的稳定性。 关键词：PLC；人机界面；自动化控制；钢轨气压焊；焊后热处理
1 引言 目前，铁路和轨道交通的钢轨焊接是在工程现场完成的，最终使 500 米的钢轨条经现场再焊接成为超长 无缝线路。而国内时速 200 公里以上的客运专线现场钢轨焊接均采用铝热焊、移动闪光焊，长期以来一直依 赖手工作业的焊接设备，控制手段落后，产品稳定性差，焊接质量参差不齐。焊接工艺和焊接接头的热处理 方面，只能按照现场作业人员的经验来控制，其弊端是钢轨焊接预热温度不足，预热温度仍在 500℃左右， 这样的温度会引起焊合不良，稍有延迟焊缝处温度快速下降，导致焊缝的热影响区性能变坏等因素使焊接失 败，尤其在冬季施工更为明显。 笔者研制了“计算机自动控制移动式气压焊接钢轨”工艺，替代了传统的铝热焊、移动闪光焊工艺，而 且通过计算机控制与管理，实现了焊缝质量的可追朔性，PLC（可编程序控制器）及数据库的管理使钢轨焊 接与接头热处理的实际情况一目了然，大大降低了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[1]。
2 系统原理设计 对高碳钢轨钢气压焊接头进行金相分析得知,温度为 760℃～850℃时出现小串的细小晶粒，钢轨在 900℃ 时开始重新结晶，其结晶速度和晶粒急剧增长的临界温度为 1150℃。钢轨进行气压焊接时应将焊接温度控制 在 1250℃，钢轨表面温度约在 1350℃～1400℃，此时钢轨表面已呈半熔化状态，适宜的焊接温度是获得高 - 28 http://www.ivypub.org/cet
质量接头的重要因素。气压焊接的另一个重要因素是顶锻，钢轨待焊端面存在微观与宏观的不平度，经过顶 锻，不均匀的接触面因塑性变形而被辗平，从而增加了实际接触面积，同时由于塑性变形产生了不平衡的缺 陷，即在塑性变形过程中增加了过剩的空穴浓度，增加了扩散速度，这样就为两端面之间的原子互相扩散， 重新结晶成为一体，完成两钢轨的焊接[2]。 综上分析，移动式气压焊焊接钢轨生产线设备均采用模块化程序设计，可实现保压顶锻，使加热后的钢 轨端头产生塑性变形、再结晶和扩散等作用形成接头，焊接过程中没有其它焊接材料加入，完全是钢轨材质 的金属原子间接近结合而形成金属键，使钢轨金属连为一体。由 PLC 来实现钢轨焊缝接头的加热温度及焊后 热处理工艺参数。由两个独立的具有 PID 调节功能的闭环系统来控制氧气和乙炔气体的流量和配比，使其火 焰稳定[3]。基本工作系统如图 1 所示。
图 1 基本工作系统
图 2 钢轨端面打磨作业
3 系统工艺设计 以氧气、丙烷为燃料，氧气和乙炔从各自的进口进入控制器混合后，通过快速阀、微调阀及气体流量计 后进入火焰加热器；火焰加热器内部装有燃气管路和冷却水路，在冷却水路通畅条件下，按下自动控箱上的 系统启动按钮，随时调节氧气和乙炔的流量及配比，测定出口气体温度压力，确认参数设置无误之后，下一 步工序会按照 PLC 预先设定的单元参数自动地执行下去。
3.1 系统启动 点动一下触摸屏人机界面中的启动键，此时 PLC 画面编号指定寄存器（SNIR）将人机界面切换至“工 作状态一览表”画面，如图 2 所示。启动高压电动泵，油压从 0Mpa 升至 13Mpa，使两段待焊钢轨端面挤压 密贴，自动开启两个气体流量控制器，点燃火焰加热器，摆火控制装置开始匀速运动；随加热时间的延续， 被焊轨的焊接区由冷态逐渐升温，直至被加热区的钢轨表面产生微量塑性凸起为止，称之为初始焊接段变化； 在钢轨被焊（已打磨完）端面上，采用 16MPa 左右的压力被加热区的钢轨产生塑性凸起称之为中间焊接段变 化；在钢轨被焊（已打磨完）端面上，采用 40～45MPa 的高压力，当被加热区的钢轨焊接温度达到 1350～ 1400℃时，即进入焊接段变化[4]。此时氧气与乙炔瓶内气体压力呈逐渐变低的趋势，火焰加热器火焰缩短， 因此在氧气和乙炔气体质量流量控制箱中应用了 PID 调节器,可直接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，使其得到气压焊接所需的火焰，这是人工手动控制箱无法完成的。钢轨端面打磨 如图 2 所示，DOP-B07S515 工作如图 3 所示。
3.2 钢轨焊接控制 钢轨移动式气压焊接工艺是由顶锻与推凸过程实现。钢轨被加热 5 分钟后，压力值降到 8～12Mpa，钢
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轨表面温度大约在 1350℃-1400℃时，在油缸推力作用下开始顶锻。PLC 通过磁性标尺的相对位置变化检测 到顶锻量达到要求时，自动将气体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），火焰加 热器继续加热，待加热时间达到要求后立即进入顶锻工序，同时摆火速度加快，磁性标尺检测到顶锻量等于 要求的数值时，将火焰加热器推离焊缝，关闭氧气阀和乙炔阀，停止摆火装置，顶锻结束。最后，将保压阀 切换保压位置使压接机处保压状态不变，然后将推凸换向阀切换到进刀位置，同时借助压接机自身的动力油 缸带动推刀完成钢轨接头焊后的焊瘤推凸工作。此时 PLC 通过信息传感器了解推凸状态，当推凸压力值在逐 渐增大时突然变小，即推凸工作结束。火焰加热器作业如图 4 所示。
图 3 DOP-B07S515 工作状态画面
图 4 火焰加热器加热作业
3.3 降温保压控制 由于钢轨气压焊接时焊缝处受到了外力作用，焊缝接头降温速度过快会引起裂缝。焊瘤推凸工作完成后， 自动将推凸换向阀切换到推凸退刀位置，高压电动油泵压力自动调至 0Mpa，然后关断电机，油泵电动机停 止工作。PLC 中控制区画面编号写寄存器（SNIR）将触摸屏人机界面切换到“工作报告”画面，同时启动打 印程序，将控制数据打印输出（根据需要可多次打印输出）。此刻气压焊机仍然在保压状态，直到焊口自然 冷却后系统压力才撤除。
3.4 钢轨焊后热处理 型号 HT-14AL
量程（ 500--1400） C 输出 4--20m A 红色电源正 E1 +2 4V
黄色信号 兰色电源地
绿色信号 + 0V
RA A+ A- RB B+ B- RC C+ C- RD D+ DAIW4 EM235 CN 6ES7 235-0KD22-0XA8 M L+
图 5 DOP-B07S515 淬火参数设置
M0 V0 I0 G O
100001
图 6 红外线测温仪控制电路图
金属材料重新加热变成奥氏体，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。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、加热器摆动机构来实现温度的自 动控制，焊后热处理触摸屏人机界面（DOP-B07S515）参数设置如图 5 所示。采用 HT-14AL 红外线测温仪来 测量轨温，测温范围在 500℃～1400℃，当钢轨表面温度达到规定的温度值时，自动停止加热。电路图如图 6 所示。 - 30 http://www.ivypub.org/cet
3.4.1
正火热处理 钢轨焊缝热处理后，待焊缝区低于 500℃时，使用加热器对焊缝摆动加热，对焊缝进行正火处理。用焊
轨火焰加热器进行重新加热，使焊缝区迅速升温，瞬时过热，使钢轨表面温度升至 850℃～950℃，然后进行 轨面和轨头侧面喷风冷却，以达到细化晶粒，均匀组织，提高轨面强度和塑韧性的目的[5]。当采样温度达到 设定温度后，自动停止加热，自动关闭流量控制箱快速开关阀，启动冷却风机。 3.4.2
欠速淬火热处理
欠速淬火是把钢轨加热到奥氏体化温度后，用淬火介质缓慢冷却进行淬火，直接淬成奥氏体（不进行回 火），其力学性能、抗疲劳性能、耐磨耗性能较好。根据移动式气压焊工艺、设备实际，采用焊气加热欠速 淬火工艺，焊接结束后，待钢轨冷却到 450℃，再快速加热到奥氏体化温度 1000℃，采用大风量鼓风机 （20m3/min）喷吹轨头顶面及侧面冷却，而轨腰和轨底则自然冷却，将钢轨直接淬成奥氏体[6]。欠速淬火热 处理作业如图 7 所示。
图 7 欠速淬火热处理作业
图 8 DOP-B07S515 焊接数据记录
3.5 数据记录 在钢轨焊接过程中，利用 PLC 移动 U 盘采集信息数据，以此为依据设置调整焊接参数。首先，在 USB2.0 接口处插入一个移动 U 盘，然后在触摸屏人机界面上点击“USB 数据转储”按钮，此按钮属性为：基于 PLC 指令 IMRCP16/EXRCP16 将本画面上的全部内容以 CSV 文件格式存储到可移动 U 盘；然后将全部焊接作业 记录和工艺参数等资料立即通过移动 U 盘转储到个人计算机上，为日后查阅，分析总结提供原始数据；最后 在触摸屏人机界面的自动控制器面板上直连思瑞普针式打印机，完成存储资料打印输出。DOP-B07S515 焊接 数据记录如图 8 所示。
4 自动化系统实现 4.1 电控系统 (1)人机界面：人机界面型号选择台达 DOP-B07S515。DOP-B07S515 型人机界面可以和三菱 A 系列 PLC(A1SHCPU)进行连接；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； DOP-B07S515 显示分辨率为 800×600，易于使用、坚固耐用、反应速度快、节省空间等优点。DOP-B07S515 型人机界面配置 2 个串通讯接口 UART 和 2 个 USB1.1 接口，其中 COM2/RS458 和可编程序控制器(PLC)相 连，一个 USB 2.0 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定使用了画面开 启宏、 画面结束宏及画面 Cycle 宏功能。 在核对 PLC 内部时钟与人机界面时钟时， 可以输入 GETSYSTEMTIME 指令或者宏指令 MOV 得到当地的当前系统日期和时间，之后将当前系统时间设定在 PLC 中，实现 PLC 内 时钟、人机界面时钟、当地时钟相统一，确保气压焊接全过程数据记录的真实性。移动式气压焊接人机界面 - 31 http://www.ivypub.org/cet
设定工作参数有八项：①预顶压力 13.00Mpa；②待顶时间 86Sec；③待顶长度 1.12 mm；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。DOP-B07S515 工艺参数设置画面如图 9 所示。
图 9 DOP-B07S515 工艺参数设置画面
图 10 高压电动泵作业
(2)PLC（可编程序控制器）：PLC 是整个系统的控制中心，由 CPU 数字量模块和模拟量模块组成。其 中数字量模块是完成各个阀门位置检测、限位及气体流量微调等功能；模拟量输入 A/D 模块对氧气和乙炔气 体质量流量取样、系统压力取样、钢轨顶锻位移量的取样等。模拟量 D/A 模块对氧气和乙炔气体质量流量控 制阀门开度的控制，气体质量流量的控制由质量流量测量变送器、压力传感器、控制器及控制阀门组成闭环 的控制系统，使质量流量稳定在设定的流量值上。
4.2 火焰加热器系统 火焰加热器是在焊接过程中加热钢轨的设备。火焰加热器本体为箱式结构，氧气瓶、乙炔瓶与流量控制 箱、流量控制箱与火焰加热器之间分别用 2 条管路相连接。火焰控制器由 PLC 的开关量模块、模拟量模块、 人机界面、两个 DSN-600C 气体质量控制器组成。开启 PLC 人机界面上的气体开关量模块，设置模拟量模块 参数（控制流量控制阀），自动开启两个气体流量控制器，氧气和乙炔从各自的进口进入混合箱后，混合后 的气体分别进入左右火焰加热器本体，点燃火焰加热器，通过摆火控制机构将钢轨加热至接近熔化状态的温 度（一般为 1350℃）。火焰加热器能达到：流量规格 250SML(N2)，线性度±0.5%F.S，准确度高±2%F.S，重 复精度±0.2%F.S，响应时间≤1Sec，泄漏率＜1×10-8SCCSHe，具有精度高、重复性好、均匀加热钢轨且保持 燃烧稳定、大大提高了钢轨的焊接质量。
4.3 高压电动泵系统 高压电动泵站由 PLC 的显示模块（设置焊接过程中各阶段的压力大小）、数字控制模块、压力传感器、 电动锥式调压阀、人机界面、压力变送器等组成。高压电动泵和压接机之间油路用专门快速连结器连接。压 力变送器将高压泵输出油路的压力信号转换为电压信号，送入数字控制模块中，并与设定值进行比较，同时 压力传感器检测到的信号，也送入数字控制模块中，通过一定的控制算法进行运算，输出指令信号到电动锥 式调压阀的位置，对压力进行恒值控制与切换，实现钢轨气压焊顶锻与推凸压力的控制。高压电动泵如图 10 所示。
4.4 加热器摆火控制系统 自动摆火控制系统是用来摆动加热器。其系统是由火焰加热器、位移传感器、PCL、数控装置、人机界 面、机头上的两滑杆等组成。启动触摸屏人机界面数字控制指令驱动滑杆，将位移传感器检测出的摆动位移 - 32 http://www.ivypub.org/cet
信号送入数控装置以控制驱动电机的转动角度，实现加热器自动摆动的幅度、频率、稳定控制，使加热器在 焊缝左右摆动，一般摆动频率为 50-70 次/分，摆动距离为 10-20mm，确保了工艺参数的一致性和重现性，钢 轨连接质量十分稳定。
4.5 焊后热处理控制系统 自动控制系统在钢轨焊接热处理中能实现热处理工艺参数的控制→自动启动控制→氧、乙炔气体流量大 小以及关闭控制→加热器点火摆动→钢轨加热→红外测温显示→自动熄火→变频控制→风机启动→自动停 止等。具有良好的操作界面以及参数设置调整和显示功能。
5 自动化系统性能 自动化系统能达到：加热器摆幅 15～100mm，精度为≤±1mm；气体量：氧气为 0～199SLM（标准升/分）、 乙炔为 0～116SLM，控制精度≤±0.1SLM；压接机的压力调节范围：0～60Mpa，控制精度为±0.2Mpa；焊接各 阶段时间调节范围为：0～60 分；控制精度为±1ms。能良好的满足了钢轨气压焊现场焊接各种控制功能需要。
6 软件设计 6.1 台达 PLC 编程 梯形图是使用得最多的 PLC 的编程语言，PLC 编程采用基本单元模块化编程思想，由主程序和子程序构 成进行模块化设计。主程序作为控制台，只需对所选单元模块子程序进行调用，即可通过通讯联网实现对各 模块子程序的全局控制。其特点是梯形图语言形象直观，主程序使用方便，适应性强，CPU 利用率高，与人 机界面通讯连接可靠。
6.2 触摸屏通迅参数设置 台达 PLC 自带有通讯程序，在通讯程序下选择 MODBUS（需写标准的 MODBUS 协议），按照单片机 程序进行选择，不论是 ASCII 或者 RTU，需将触摸屏选择 MASTER（主）。选择好此栏后，下面的“一般” 对具体的通讯参数进行设备，如站号，串口端号(COM2)，通讯方式(232、485)，停止位（1 位），波特率(9600) 等，这些选择需与单片机中的程序一致才能通讯上，选择好后点完成，就可以编写人机画面了。台达 PLC 通 迅参数设置如图 11 所示。
图 11 台达 PLC 通迅参数设置画面
图 12 热处理的历史趋势曲线画面
6.3 触摸屏时间限制宏指令编程 比如现在是 2012 年 1 月 19 日 10:16:05，将 2012 年 1 月 19 日 10:16:05，时间赋值到$M100～$M106（用 数值输入方法），当输入正确密码跳到运行页面时，画面开启巨集 SETB($200.0)，$200.0 ON 后会执行下面 - 33 http://www.ivypub.org/cet
的程序： $100 = GETSYRTEMTIME（$100 就是系统时间，$101～$106 自动按系统时间输入） IF $100 < $M100 THEN GOTO LABEL 10；IF $101 < $M101 THEN GOTO LABEL 10； IF $102 < $M102 THEN GOTO LABEL 10；IF $103 < $M103 THEN GOTO LABEL 10； IF $104 < $M104 THEN GOTO LABEL 10；IF $105 < $M105 THEN GOTO LABEL 10； IF $106 < $M106 THEN GOTO LABEL 10；$0 = 10（储存当前画面页码）；LABEL 10； ENDIF
6.4 历史趋势曲线绘制 6.4.1
设置历史趋势曲线控制命令
控制命令主要是 DOP-B07S515（触摸屏人机界面）用来和 PLC 紧密联系的。其中的一些控制字可以体 现当前屏幕的状态，比如画面号等等，用于 PLC 控制交互或者权限，台达的 PLC 历史趋势曲线控制命令就 是 PLC 对应的数据地址。 6.4.2
历史趋势曲线绘制
红外温度传感器和钢轨共用 1 个历史缓冲区（就是所要记录的历史数据区域），PCL 的历史区域是 D190， 读取 PLC 对应的数据地址为 1@D190， 数据地址单位为 7，取样周期 100ms， 取样点 100， 触发源选择 TIMER(由 内部定时来记录历史数据），记录时间日期 Yes；氧气流量与乙炔流量共用 1 个历史缓冲区，PCL 的历史区 域是 D196， PCL 的历史区域 D190 和 D196 中间的其他数据不采集记录， 读取 PLC 对应的数据地址为 1@D196， 数据地址单位为 7，取样周期 100ms，取样点 100，触发源选择 TIMER，记录时间日期 Yes。对于采集点数 的记录，只需重点关注很短一段内的数据，点数可以不必多，一旦点数达到，新数据会覆盖老数据。如果需 要整个循环的数据，来观察趋势或者做工艺分析，那么就多采集记录几个点，能够满足要求即可。红外温度 传感器特性是测量被测物体的表面温度，易受火焰干扰，为此我们采用倒数渐近线式数字虑波方法加以排除， 效果良好，完全满足钢轨在施工现场工艺要求。钢轨热处理的历史趋势曲线绘制如图 12 所示。
7 结论 自动化控制移动式气压焊接钢轨技术，实现了超长钢轨焊接全过程的自动化，是一种高科技新型工艺。 气压焊接工艺参数可在台达 DOP-B07S515（人机界面）上任意设置，只需一人点动触摸屏人机界面中的启动 键即可操作，就能按照预先设定的参数自动完成气压焊接钢轨（即气体流量自动控制→火焰加热器自动摆火 →焊接压力设置及自动转换→保压顶锻→钢轨加热→自动熄火→自动变频控制→推凸→焊后自动热处理→ 自动停止等焊接过程），完全消除了焊接过程中人为因素对接头质量的影响，可节约焊接操作人员 2～3 人 （约 50%～75%），改善了施工条件，减轻工人劳动强度，满足了钢轨气压焊现场焊接各种控制功能需要。 欠速淬火热处理技术的应用对钢轨焊缝及热影响区进行加热至 1000℃，用大风量鼓风机（20m3/min）喷 吹轨头冷却，而轨腰和轨底则自然冷却，实现了轨头欠速淬火和轨腰轨底的正火同时进行，使焊缝的轨头金 属变成奥氏体，提高其表面硬度和耐磨性，焊缝的轨腰及轨底则获得正火组织，达到细化晶粒提高韧塑性的 目的。采用 PLC 和触摸屏人机界面对整个热处理工艺实现了自动化控制，确保了热处理效果的稳定性。
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【作者简介】 赵立财（1985-），男，满族，辽宁省盖州市人，2013 年 12 月毕业于加拿大魁北克大学工商管理专业获硕 士学位，现为天津大学建筑工程学院在读博士研究生，工程师，主要从事能源与环保领域技术研究工作。 Email: zhaolicai@tju.edu.cn
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