基于PLC的鋼軌接觸焊機速度控制系統

柴遠斌

（德州職業技術學院，山東德州253034）

基于PLC的鋼軌接觸焊機速度控制系統

柴遠斌

（德州職業技術學院，山東德州253034）

介紹鋼軌閃光接觸焊接機械結構和焊接工藝流程。研究控制系統的硬件組成和軟件設計，重點討論閃光接觸焊接閃光階段和頂鍛階段的頂鍛油缸同步速度控制系統，針對焊接過程中頂鍛送進速度對焊頭的關鍵性作用，重新設計了基于速度反饋的PID閉環同步控制系統。

PID；PLC；接觸焊；同步控制

0 前言

現代軌道交通多采用無縫鋼軌線路，而我國采用閃光接觸焊接工藝實現鋼軌焊接的比例高達90％以上[1]。閃光接觸焊是利用電阻熱效應來熔化焊接金屬，并通過加壓頂煅而成型的對接電阻焊，閃光接觸焊主要有閃光、頂鍛、保壓、推瘤四個焊接階段，閃光階段的主要作用是加熱工件同時燒掉工件端面的不平去除污渣，閃光階段后期對焊件施加頂鍛力，使燒化端面迅速緊密接觸，再經保壓和去瘤得到優質的焊接接頭，其中閃光階段和頂鍛階段是影響焊接接頭質量的關鍵[2]。在此以具代表性的國產1200型閃光接觸焊機為研究對象，重新設計了焊機的速度控制系統。

1 焊機結構組成

1200型閃光接觸焊接機由機械主體結構、電氣控制系統、液壓系統和冷卻系統四部分組成，除閃光外，焊接過程中的頂鍛、保壓、推瘤三個階段的均依靠液壓油缸動作完成。焊機主體結構如圖1所示。

閃光接觸焊機由機架、兩個箱型夾鉗、兩個夾緊油缸、兩個頂鍛油缸、1個推瘤油缸和頂鍛中心軸等組成。箱型夾鉗的鉗臂通過夾緊油缸活塞桿的伸縮以及中心軸上的鉸鏈實現對工件的夾緊和放松，在焊接閃光階段，左側工件保持靜止狀態，頂鍛油缸推動右夾鉗帶動右側焊接工件在中心軸的導向作用下向左移動，實現焊接工件的點接觸；閃光階段后期，頂鍛油缸加壓增大頂鍛力，使工件電加熱熔化端面迅速緊密接觸。油缸保壓階段完成后，推瘤油缸動作帶動推瘤刀去除焊接接頭上多余的焊瘤，以獲得光潔的焊接接頭表面。

為了獲得優良的焊接接頭，頂鍛油缸在閃光頂鍛階段必須滿足三個條件：（1）由于在頂鍛時是兩個頂鍛油缸同時動作，因此必須保證兩支油缸運動的同步性。（2）為了使焊接接頭處有足夠的塑性變形，需要有足夠大的頂鍛力。（3）頂鍛速度要與鋼軌端面的實際燒化速度相匹配，以實現實際焊接電流在設定值附近波動，同時排除閃光焊接過程中產生的氧化物和液態金屬。頂鍛送進速度過小時，鋼軌端面形成的接觸點減少，容易造成閃光中斷產生未焊透、夾渣、氣孔等焊接缺陷；頂鍛送進速度過大時，端面接觸點急劇增多引起鋼軌焊縫短路，導致過燒或過熱等缺陷。第2個條件只需選擇輸出壓力較大的油泵即可實現，油缸同步和焊接頂鍛送進速度需要嚴格控制。

圖1 鋼軌接觸焊機結構

2 控制系統組成

鋼軌閃光接觸焊接控制系統主要由電氣控制柜、PLC、信號傳感器、油泵電機，液壓閥塊、操作面板等組成。西門子PLC作為控制系統的核心，全程控制整個焊接過程。上位機采用工業控制計算機，負責采集、記錄和顯示焊接過程工藝參數（包括焊接電流、焊接電壓、油缸位移、泵站壓力等），工控機通過RS232接口與PLC進行串行通訊[3]，以實現針對不同鋼軌型材的不同焊接參數設定。PLC作為下位機實現焊接過程的過程控制。對頂鍛油缸的控制過程主要有PLC發出控制電信號控制電液比例閥閥芯位移，電液比例閥控制頂鍛油缸的送進速度，油缸位置傳感器檢測油缸位移又反饋到PLC，實現頂鍛油缸送進速度的閉環控制。頂鍛油缸閉環控制系統如圖2所示。

圖2 頂鍛油缸閉環控制系統

3 頂鍛油缸同步控制系統

兩支頂鍛油缸的同步控制采用“主從方式”閉環控制策略，主從控制原理如圖3所示。

圖3 主從方式閉環控制原理

頂鍛油缸2的輸出跟隨頂鍛油缸1的輸出達到與頂鍛油缸1速度同步的效果，且計算機自動控制可通過數模轉換、比例放大器和位置控制器的設計來實現。控制閥1采用普通電磁閥，控制閥2采用電液比例閥。該系統還可與普通控制系統配合實現組合控制。

同步控制過程如下。

（1）主動缸一路：電壓信號U由PLC設定，控制電壓經比例放大器轉化為電流信號輸入給比例閥電磁鐵，電磁鐵帶動閥芯移動特定位移，從而控制閥的流量，決定主動缸的運行速度。

（2）從動缸一路：從動缸前向通道與主動缸相同，只是在閉環反饋環節上有所區別。通過兩支油缸上的位移傳感器Ll、L2測出從、主缸的即時位移，位移的差值以電壓的形式（補償電壓）反饋給電壓信號U，在兩個電壓信號共同作用下，修正伺服閥的控制電壓，即時修正位移以確保雙缸的同步運行。采用比例方向閥對兩個油缸的同步運行形成了閉環系統，不但工作穩定性好、控制精度高、調整方便，并且使PLC的自動控制也易于實現。

由于液壓同步閉環控制具有強耦合、非線性的特點，所以需要在前向通道中加入較正環節，來調整系統的穩態特性和動態特性。即在PLC輸出給放大器之前加入控制算法使系統快速響應快速穩定等。本研究選用常規PID算法對閃光接觸焊頂鍛油缸送進速度進行精確控制。

4 PLC程序設計

PLC程序設計采用西門子公司自帶的STEP7-Micro/WIN32編程軟件，增量式PID算法為

式中e（k）為第k次掃描計算出的兩支頂鍛油缸運動速度的偏差值；Δu（k）為PLC計算出的第k次電液比例閥輸出電流值的調整變量值。

PLC程序段如圖4所示，PID控制算法的PLC流程如圖5所示。升降油缸剛開始動作時，PLC將電壓信號U（模擬量）通過SM332模塊輸出給兩支油缸的電液比例閥[4]，兩缸位移誤差小于1.5mm時，控制器采用增量式的PID算法，計算出電壓信號的增量ΔU，用U-ΔU不斷調整的信號來控制從動缸比例閥的閥口大小，從而實現從動缸對主動缸的跟隨跟蹤作用。

圖4 頂鍛油缸速度控制PLC程序段

5 結論

介紹了鋼軌閃光接觸焊接機械結構和焊接工藝流程。研究控制系統的硬件組成和軟件設計，重點討論閃光接觸焊接閃光階段和頂鍛階段的頂鍛油缸同步速度控制系統，針對焊接過程中頂鍛送進速度對焊接接頭質量有決定性作用，重新設計了就速度反饋的PID閉環控制系統。實踐表明，鋼軌閃光接觸焊頂鍛速度控制采用PID控制策略是可行的，該控制系統結構簡單，且跟蹤性能好，超調量小，所設計的鋼軌閃光接觸焊機送進同步控制系統運行穩定，提高了同步控制精度和鋼軌接頭質量。

圖4 PID控制流程

[1]董衛國，劉奇梅.鋼軌無縫線路焊接技術現狀[J].焊接，2000（3）：37-39.

[2]徐偉人，周志江.K系列鋼軌焊機連續閃光焊時的速度控制[J].上海鐵道科技，2003（4）：42-43.

[3]李鳳閣，佟為明.電氣控制與可編程控制器應用技術[M].北京：機械工業出版社，2007：251-259.

[4]陶永華.PID控制原理和自整定策略[J].工業儀表與自動化裝置，2007（4）：60-64.

Study on contact welding speed control system of rail based on PLC

CHAI Yuanbin
（Dezhou Vocational and Technical College，Dezhou 253034，China）

The mechanical structure and welding process of flash contact welding for rail are described in this paper.The hardware and software design of control system are studied.The cylinder synchronous speed control system between flash stage and upset forging stage in flash contact welding is discussed.Because of the key role of upset feeding speed for the welding process，the PID closed-loop synchronous control system based on speed feedback is redesigned.

PID；PLC；contact welding；synchronous control

TG439.9

A

1001-2303（2015）08-0119-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.08.25

2015-02-09；

2015-07-15

柴遠斌（1970—），男，山東德州人，副教授，碩士，主要從事控制理論與控制工程的教研工作。