基于PLC的辙叉闪光焊机控制系统-.pdf

基 于 P L C 的辙 叉 闪光 焊 机 控 制 系统 浙江工业职业技术学院 绍兴市3 1 2 0 0 0 吴思俊朱楠 摘要在分析铁道辙叉闪光焊接工艺流程基础上 ， 重新设计了焊机控制系统， 系统以S L C 5 0 0系列 P L C为控制 核心， 实现基于焊接电流反馈和焊件送进速度反馈的双闭环控制 ， 实现了焊接电流的精确调节。对控制系统硬件 进行了设计并完成选型， 在控制算法方面以模糊 P I D算法为控制策略， 确定了控制逻辑 ， 并给出变量的模糊化流程 图， 保证了闪光焊机在焊接过程中电流的稳定性。现场试验结果表明， 焊接电流在焊接全过程超调不超过 1 0 ％， 保 证了焊件质量的可靠性。 关键词 辙叉闪光 焊机模糊 P I D控制P L C 中图分类号 T G 4 4 2 0前 言 铁路发展 随着客货运量 的增长和国民经济 的发展 向重载运输和高速运行方 向发展 ， 而实现 高速重载 的 关键就是钢轨铺设 中的无缝连接。 目前钢轨无缝连接 主要依靠焊接来实现。辙叉在车辆通过时承受重载 ， 应具有较高 的强度、 良好 的冲击韧性和耐磨性能。为 保证线路无缝连接的质量 ， 对焊轨装备提 出了更高要 求。钢轨焊接 目前主要采用气压焊、 闪光焊和铝热焊 ， 气压焊工艺检测标准低 ， 焊接强度 和焊接质量难 以保 证 。文 中选用 性价 比高的闪光对焊 工艺实现 钢轨焊 接 ， 并对控制系统进行重点开发。 1 闪光焊 接工 艺 闪光对焊是利用电流通过 电阻时热效应原理来加 热焊件 ， 再经顶锻 以完成焊接。两工件 的接触 面凸尖 在电加热时首先接触被加热到熔化状态 ， 在 凸尖位置 形成液体金属过梁 ， 进一步加热 时各液体过梁被破坏 并从接触面 的缝隙飞溅而出， 从而形成闪光。持续 的 热效应使焊件端面金属薄层逐渐熔化并形成较封闭空 间阻止空气进 入。此 时迅速给两焊 件施加相 向顶锻 力 ， 强制挤压焊接面 ， 液体金属被挤 出并封闭火 口， 实 现工件的焊接。闪光对焊原理 图， 如图 1所示。顶锻 完成后还需要 保压一段 时间以使焊缝组织发生相变 ， 最后去掉焊缝周围的结瘤完成焊接。 辙叉闪光焊机 由机械主体部分、 液压系统、 电气控 制系统等组成 ， 以实现焊接过程 的 自动控制 和数据采 收稿 日期 2 0 1 5 0 72 1 5 8 2 0 1 6年第 1期 P夹 紧 P夹紧 图 1 闪光对焊原理 图 集输出， 主机部分 由底架和动架、 杠杆增力焊件夹紧机 构、 液压顶锻送进机构 、 油缸、 电极 和钳 口等组成 。液 压机构驱动力大且容易实现 自锁 ， 通过 电液伺 服阀可 精确控制焊接过程 中闪光顶锻保压阶段 的送进速度和 压力。电气控制系统主要 由 P L C 、 继 电器接触器等电 器元件 、 各个变送器、 操纵面板 、 手柄 以及 控制柜等组 成 。 2 焊机控制系统硬件设计 焊接过程 中的焊接 电流直接 影 响热 输入量并 对 最终 的辙叉 闪光焊质量起关键作 用。在 闪光 和顶锻 阶段 ， 通过液压 系统驱动动 夹具前 进 靠 近定夹 具 或后退 远 离 定 夹 具 来 实 现 精 确 调 节 焊 接 电流 。 静架上 的工件 与动架上工件表 面之 间 的距离 与接触 电阻值呈正相 关性 ， 即距离 越近 ， 电阻越 大 ， 焊接 电 流越小 。因此控制 系统 的关键就是 对动架送进 速度 的精确控制 ， 送进 速度 的快 慢直接 影 响焊接 电流 的 大小并最终 影响辙 叉焊 接质 量 。因此 ， 在焊 接工 程 中需要对顶锻油缸运 动进行基 于焊 接 电流反馈 和动 架送进 速度 反馈 的双 闭环控 制 。控 制 系统原 理 ， 如 图 2所示 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 生产应用 俘 掳 图 2 焊机控制 系统原理 图 双闭环控制由焊件速度反馈 的内闭环和基 于焊接 电流反馈的外闭环组成 。焊件速度 闭环控制 由比例伺 服阀放大 P L C给定 电流模拟量信号 ， 经 比例伺服 阀 自 动调节流量控制动架 上工件运 动速度 ， 从 而实 现焊接 过程送进速度的控制。焊接电流闭环控制通过 电流变 送器采集焊接电流 ， 并反馈到 P L C中进行运算处理⋯ ， 输出比例伺服阀控制信号。 系统控制器选用罗克韦尔 S L C 5 0 0系列可编程控 制器 ， S L C 5 0 0系列 P L C采用模块化的设计理念 ， 用 户 可以根据需要自由组装 C P U 、 I ／ O模块及其他模块、 电 源等 。控制系统选择 C P U具体型号为 S L C 5 ／ 0 3， 根据 闪光焊机系统有 3 6个数字输入量 ， 2 8个数字输 出量 ， 5 个模拟量输入 ， 3个模拟量输 出。 3 模糊 P I D控制算法设计 焊件送进速度直接影响着实测焊接 电流并最终影 响辙叉焊接质量 ， 因此控制 系统 的关键 就是对动架上 的焊件闪光顶 锻运动速度进行精确调节 ， 以保证两个 焊件在合理的焊接 电流下完成焊接。系统采用基 于焊 接 电流反馈 和焊件 送进速度反馈的双 闭环控制 ， 电流 传感器测得的实际焊接 电流值为 ， k ， 具体控制逻辑 为 当 ， k 设定的电流值 ， m ； 时 ， 动架 以较快速度前 进 ， 尽快缩短焊缝 间隙； 当 I m i ， k 设定 的电流值 ， n 时 ， 动架 以较慢 速度 前进 ， 缓 慢缩 短 焊缝 间隙 ； 当 ， I o时，焊机的动架送进伺服阀关闭， 油缸停止运 动 ， 前进速度为零 ； 当 I o， k ， 眦 时 ， 动架以较快速度 向后退 ， 尽快增大焊缝间隙， 降低 电 流值。由于常规 P I D算法 比例积分参数不能实时校正 ， 且伺服阀控液压缸无法建立准确 的数学模型， 文 中将模 糊控制理论通 P I D算法相结合 ， 采用模糊 自整定 P I D算 法 ， 在常规控制器 的基础之前加入模糊控制环节_ 2 J ， 模 糊控制环节根据焊接系统实测焊接电流与设定 电流值 的实时偏差 ， 对 P I D的三个参数实现在线整定 。设置 偏差和偏差变化率的基本论域和模糊论域 偏差 e [一 6 0 ， 6 0 ] 偏差变化 e e [一1 5 ， 1 5 ] E和 E C模糊论域 {一6 ， 一5 ， 一4 ， 一3 ， 一2 ， 一1 ， 0， 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 } 模糊 P I D在 P L C中的实现方式采用离线计算参数 和在线查询变量 的方法 ， P I D参数在线查询流程 图， 如 图 3所示。 图 3 P I D参数在线查询流程 图 查询 P I D参数规则表后 ， 得 到经模 糊 P I D校正后 的比例、 积分 、 微分参数模糊 值 ， 模糊值乘量化 因子 运算后 即可得到实际 比例参数变化量 △ K。 。根据现 场的经 验 △ 的基 本论 域 为 [一3 ， 3 ] ， 模 糊论 域 为 [一 6 ， 6 ] ， 量化 因子 K 取值为 1 ／ 2， 积分参数和微分参 数量化因子计算方法相同。于是得到去模糊化值 K p 1 ／ 2 X A K p 1 其 中， 是 P L C程序 中设置的比例积分初始值。 在 P L C程序中， 将 P I D参数 ， K， 的分别赋值 给 N 7 3 ， N 7 4 ， N 7 5三个地址， 供 P I D控制程序调用 整定参数。 4 现 场试 验 结果分 析 现场焊接试验 时， 将计算机在 自由端 口模 式下通 2 o 1 6年第 1期 5 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 俘 掳 生产应用 过 P C ／ P P I 电缆读取传感器采集 的参数 ， 基于 V B语 言 的软件对焊接 电流和动架位移等参数进行处理 ， 以时 间参数曲线形式输出， 以便动态观察， 得到如图4所示 的辙叉焊件成品。辙叉成 品焊件 的焊缝表面平整无变 形 ， 焊接强度通过了落锤试验 ， 满足了铁道部标准 。 控制核心 ， 实现基 于焊接 电流反馈 和焊 件送 进速度反 馈的双闭环控制 ， 精确调节 了焊接电流以得到 良好 的 焊接质量。对控制系统硬 件进行 了设计 并完成选 型 ， 控制算法方面 ， 文中以模糊 P I D算法为控制策略 ， 确定 了控制逻辑 ， 并给出变量的模糊化流程图 ， 保证了闪光 焊接机在焊接过程中电流的稳定性 。现场试验结果表 明， 焊接电流在焊接全过程超调不超过 1 0 ％ ， 保证了焊 件质量的可靠性。 参考文献 [ 1 ] D a v i d G e l l e r ．可编程序控制器原理与设计[ M] ．北京 清 华大学出版社， 2 0 1 3 4 95 5 ． 图 4 觳 件 主 凳 ⋯ 北 5 结 论 荔 蓑 一 文中以铁道辙叉 闪光焊接工艺控制模 型为基础 ， 重新设计了焊机控制系统， 系统以S L C 5 0 0系列 P L C为 作者简介 吴 思俊， 1 9 7 6 年出生， 硕士， 讲师。 专利名称 锡丝输送装置的定位机构 专 利 申请 号 CN 2 0 1 3 2 0 3 7 2 0 9 2 ． 7 公 开 号 C N 2 0 3 3 7 1 1 4 5 U 申请 日 2 0 1 3 ． 0 6 ． 2 0 公开 日 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 1 申请人 深圳市捷克德科技有限公司 本实用新型公开 了锡丝输送装置的定位机构 ， 包括 支架 、 调整杆 、 第一定 位块 、 第 二定位块 和拉 簧 ， 所述调整杆固定在所述支架上 ， 所述第一定位 块和第二定位块可拆卸地 固定于所述调整杆上 ． 所 述拉簧的一端与第一夹具 固定 ． 所述拉簧 的另一端 与第二夹具固定 ，所述第一定位块顶住第一夹具 ． 所述第二定位块与所述第二夹具固定。 专利名称 薄壁管与薄板的点焊工艺 专 利 申请 号 CN 2 0 1 3 1 0 3 8 5 7 5 8 ． 7 6 0 2 0 1 6年第 1期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m