廖繼明，熊 健，楊繼文，姜 正

(北京航星機(jī)器制造公司 研發(fā)中心，北京 100013)

基于直流電阻焊的高強(qiáng)度鋼塑管道PLC控制系統(tǒng)

廖繼明，熊 健，楊繼文，姜 正

(北京航星機(jī)器制造公司 研發(fā)中心，北京 100013)

針對日益嚴(yán)格的技術(shù)、環(huán)境指標(biāo)和交流焊接生產(chǎn)的管道無法應(yīng)用于高品質(zhì)工程的問題，利用中頻逆變直流電阻焊原理，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了控制精度為0.001 s的高強(qiáng)度鋼塑復(fù)合管道PLC控制系統(tǒng)。經(jīng)過系統(tǒng)組態(tài)、焊接電路的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，與交流電阻焊相比較，直流焊焊點(diǎn)強(qiáng)度提高約20 kg，抗擠壓能力提高約3.0MPa。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過采取抗干擾措施，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、通用性強(qiáng)、控制精確、操作方便。

直流電阻焊；可編程控制器(PLC)；高強(qiáng)度；鋼塑管道

0 前言

我國管道行業(yè)在近二十年來以令人驚奇的速度蓬勃發(fā)展，其中塑料復(fù)合管道主要有碳鋼管道、塑料管道、玻璃管道和高密度聚乙烯鋼骨架復(fù)合管道(鋼塑管道)等幾類。鋼塑復(fù)合管道于1996年在國內(nèi)研制成功，解決了壓力管道防腐的世界性難題。鋼塑復(fù)合管道屬于新型的耐壓防腐管道，它克服了傳統(tǒng)碳鋼管道耐壓而不耐腐、塑料管道耐腐不耐壓、玻璃管道施工條件苛刻且易脫化等缺陷，將耐壓與防腐有機(jī)結(jié)合起來，成為這三種管道的理想替代品。因其安裝方便、壽命長、污染小、輸送阻力小、抗快速開裂等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于電力、燃?xì)?、冶金等高品質(zhì)工程中[1-2]。

日益提高的質(zhì)量和環(huán)境指標(biāo)對復(fù)合管道提出了更加嚴(yán)格的要求，如更高的耐壓防腐性能、安全系數(shù)和更低的成本，以進(jìn)一步提高復(fù)合管道使用的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。目前，國內(nèi)的生產(chǎn)線大多都采用傳統(tǒng)的工頻交流電阻焊接，其生產(chǎn)的鋼塑復(fù)合管道耐壓性能等無法滿足一些高品質(zhì)工業(yè)應(yīng)用的要求。因此，本研究利用可編程控制器(PLC)和直流中頻電阻焊原理[3-4]，以增強(qiáng)耐壓防腐性能、提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本為目標(biāo)，研制了高強(qiáng)度鋼塑復(fù)合管道控制系統(tǒng)。所涉及的內(nèi)容主要有：中頻逆變直流電阻焊原理、控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、抗干擾設(shè)計(jì)、復(fù)合管道焊接回路改進(jìn)以及相關(guān)結(jié)論。

1 中頻逆變直流電阻焊接原理

1.1 電阻焊接原理

電阻焊是采用電極對焊件施加一定壓力的同時(shí)通電，利用電極間的接觸電阻產(chǎn)生的焦耳熱熔化金屬而達(dá)到焊接的目的，屬于低壓大電流工作模式[5]，工作示意如圖1所示。焊接材料在壓力F的作用下，被施加一定形式的電壓，形成幾千安培不等的電流，接觸電阻在大電流作用下，在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱量，使溫度達(dá)到被焊接材料的熔點(diǎn)，形成以接觸點(diǎn)B為中心的熔核。當(dāng)壓力和電流消失時(shí)，熔核溫度迅速降低，被焊接材料在接觸點(diǎn)以一定強(qiáng)度連接在一起而實(shí)現(xiàn)具有一定強(qiáng)度的焊接。

圖1 電阻焊接示意Fig.1 Principle of resistance welding

在焊接系統(tǒng)中，焊接控制電源(焊接方式)是電阻焊接系統(tǒng)的核心部件，其中中頻逆變直流電阻焊[4]作為一種新型的焊接方式，已經(jīng)成為電阻焊發(fā)展的主要方向。

1.2 中頻逆變電阻焊[4-6]

目前應(yīng)用比較普遍的工頻交流電阻焊原理如圖2a所示，它是利用晶閘管控制導(dǎo)通角的改變來控制焊接變壓器二次繞組輸出的電壓，從而實(shí)現(xiàn)焊接電流調(diào)節(jié)的目的。圖2b所示的中頻逆變直流焊接則是利用交-直流變換將工頻信號(hào)整流形成脈動(dòng)較小的直流電壓，再經(jīng)過逆變電路逆變成中頻脈沖信號(hào)，通過脈沖變壓器來控制焊接電流。

與交流焊接相比較，直流焊接具有不受電感影響、不過零點(diǎn)且無大的峰值沖擊、焊接穩(wěn)定性高、控制精度高等優(yōu)勢。

1.3 高強(qiáng)度鋼塑復(fù)合管道焊接原理

高強(qiáng)度鋼塑復(fù)合管道是由高密度聚乙烯和圓柱型的鋼絲網(wǎng)經(jīng)過注塑而成，其中高強(qiáng)度鋼絲網(wǎng)是由直徑為3～5mm的經(jīng)線、緯線低碳鋼絲焊接而成。目前國內(nèi)的鋼塑復(fù)合管道生產(chǎn)線基本采用工頻交流電阻焊方式，主要的缺陷是焊接強(qiáng)度不高、耗能高和焊接電路耐磨性不高，所生產(chǎn)的鋼塑復(fù)合管道無法滿足石油等高品質(zhì)輸送工程的需求。根據(jù)中頻逆變直流電阻焊的優(yōu)勢和復(fù)合管道生產(chǎn)方式，設(shè)計(jì)的高強(qiáng)度鋼絲網(wǎng)焊接方式如圖3所示，它由成型基軸、經(jīng)線鋼絲、緯線鋼絲、壓緊機(jī)構(gòu)(F)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和焊接電路組成。

圖2 工頻交流和中頻直流焊接原理對比Fig.2 Contrast of DC and AC welding principle

圖3 高強(qiáng)度鋼絲網(wǎng)焊接成型原理Fig.3 Diagram of steel net welding forming

經(jīng)線均勻地分布在成型基軸表面，緯線在牽引機(jī)構(gòu)的作用下以一定角速度ω等間距纏繞在經(jīng)線上的同時(shí)，在一定軸向牽引速度、兩對相等壓力(F1和F2)和電流(I1和I2)的作用下，經(jīng)線和緯線在接觸點(diǎn)被焊接在一起，從而實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度鋼骨架網(wǎng)絡(luò)的焊接，緊接著向鋼骨架網(wǎng)絡(luò)注塑聚乙烯，經(jīng)過冷卻后高強(qiáng)度鋼塑復(fù)合管道即成型。

上述生產(chǎn)方式對于直流電阻焊而言較為特殊，特別是針對中頻逆變電阻焊接控制電源。一般的應(yīng)用是直流電阻焊焊接電路非常短，而本設(shè)計(jì)的特殊生產(chǎn)方式導(dǎo)致焊接電路比較長，達(dá)2 m左右。對控制電源來說相當(dāng)于常規(guī)控制電源的非常規(guī)應(yīng)用，這就增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試的難度。

2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 PLC控制系統(tǒng)總體方案

要實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度鋼骨架網(wǎng)絡(luò)的焊接和復(fù)合管道的注塑成型，需要精確和合理的控制系統(tǒng)。從靈活性和可靠性出發(fā)，設(shè)計(jì)采用OMRON的PLC可編程控制器對復(fù)合管道成型控制系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)，總體方案如圖4所示。該系統(tǒng)主要由主機(jī)焊接、機(jī)頭模具加熱、擠料機(jī)控制、噴淋控制、牽引控制、切割翻料、PLC主機(jī)架等分系統(tǒng)和相關(guān)的檢測顯示操作面板組成。

電壓分配控制模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的供電；PLC電源模塊、CPU模塊、I／O模塊、特殊功能模塊(D／A模塊)、Device-Net總線模塊和串行通信模塊等構(gòu)成PLC主機(jī)架控制核心，分控制水泵、主機(jī)、牽引機(jī)、擠料機(jī)、通信模塊和相應(yīng)傳感模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)水路、氣路和機(jī)電結(jié)構(gòu)的精確控制。

圖4 鋼塑復(fù)合管道成型PLC控制系統(tǒng)框圖Fig.4 PLC controlling system diagram of plastics-steel composite pipe

2.2 硬件方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.2.1 中頻焊機(jī)外圍控制電路

在復(fù)合管道成型過程中，焊接質(zhì)量的好壞直接影響復(fù)合管道的耐壓性能和管道外壁的光滑程度。

采用某型號(hào)的中頻微控焊機(jī)對鋼絲網(wǎng)進(jìn)行焊接，為了保證焊接的安全和可靠，外圍電路設(shè)計(jì)如圖5所示。K1～K3是復(fù)合管道焊接程序的自動(dòng)選擇端子，K4是焊接程序的手動(dòng)選擇端子，PLC根據(jù)目前具體生產(chǎn)的管道型號(hào)(DN400 mm、DN500 mm和DN600 mm管徑)選擇不同的焊接程序。

焊接控制傳感器組中的緯線盤就位傳感器檢測到緯線盤就位之后，觸發(fā)Device-Net總線輸入端子的光耦，對焊接使能；焊接使能觸發(fā)之后，PLC對主機(jī)進(jìn)行起動(dòng)旋轉(zhuǎn)，并起動(dòng)焊機(jī)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)到焊接位置時(shí)，焊接控制傳感器組中的光耦觸發(fā)中頻焊機(jī)，對焊接點(diǎn)進(jìn)行有效可靠的焊接。上述設(shè)計(jì)保證焊接在緯線就位的情況下進(jìn)行，并能精確控制焊接位置，從而保證了焊接的可靠性和安全性。

圖5 中頻焊機(jī)外圍電路Fig.5 Peripheral circuit of mid-frequency welder

2.2.2 中頻逆變直流焊接電路設(shè)計(jì)和改進(jìn)

中頻焊接外圍電路設(shè)計(jì)保證了焊接的可靠性和安全性，但是焊接質(zhì)量的好壞還與焊接壓力和焊接電流有關(guān)，即焊接電路是管道質(zhì)量的決定因素。設(shè)計(jì)的焊接電路如圖6a所示，焊接電流經(jīng)焊接支架、導(dǎo)電輪和焊輪到達(dá)經(jīng)線和緯線的接觸點(diǎn)；在壓力的作用下焊點(diǎn)溫度迅速達(dá)到經(jīng)線和緯線的熔點(diǎn)，使接觸點(diǎn)熔化或者達(dá)到塑性狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)兩者的焊接；接著焊接電流經(jīng)過部分經(jīng)線，經(jīng)過如圖6a所示的接觸面和焊接導(dǎo)線回到負(fù)極。

圖6 改進(jìn)前焊接回路和接觸面實(shí)物Fig.6 Welding circuit and interface before improving

利用上述焊接電路在現(xiàn)場進(jìn)行長期試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，負(fù)極回路焊接接觸面出現(xiàn)嚴(yán)重的點(diǎn)蝕和碳化現(xiàn)象，如圖6b所示，這影響了電路的導(dǎo)電性能，從而導(dǎo)致焊接強(qiáng)度不穩(wěn)定。

為了消除接觸面導(dǎo)致的不良現(xiàn)象，將焊接電路修改為如圖7a所示的滑環(huán)接觸形式，將側(cè)壓和垂直接觸全部修改為垂直接觸的滑環(huán)方式。經(jīng)過長期運(yùn)行后接觸面的實(shí)物圖如圖7b所示。通過對比可知，改進(jìn)后的接觸面沒有點(diǎn)蝕和氧化的現(xiàn)象，驗(yàn)證了焊接回路負(fù)極滑環(huán)接觸方式的可靠性。

圖7 改進(jìn)的焊接電路和接觸面實(shí)物Fig.7 Welding circuit and interface after improving

2.3 抗干擾設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)工作環(huán)境電磁干擾惡劣、灰塵顆粒大且噪聲高，因此必須對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)。采取的抗干擾措施如下：

(1)隔離變壓器。隔離變壓器的變壓比為1∶1，主要目的是利用變壓器的電感作用消除PLC工頻供電線路上的浪涌脈沖等干擾，保證PLC和擴(kuò)展模塊可靠高效的運(yùn)行。

(2)合理的接線方式。系統(tǒng)中的動(dòng)力線、控制線、PLC電源線和I／O線分開配線，減少它們之間的相互干擾。

(3)消弧線圈。針對一些電感性負(fù)載，如大繼電器、接觸器等，并聯(lián)RC消弧線圈，消除感性負(fù)載所帶來的影響。

(4)合理的布局和走線方式。PLC機(jī)架遠(yuǎn)離動(dòng)力電源線路，嚴(yán)格按照產(chǎn)品手冊設(shè)計(jì)PLC控制機(jī)柜和安排各類線纜的走線方式。

2.2 軟件控制流程

系統(tǒng)控制軟件流程如圖8所示?？刂葡到y(tǒng)運(yùn)行開始后，首先自動(dòng)檢測系統(tǒng)的控制器、存儲(chǔ)器等硬件，如果遇到故障，則通過人機(jī)交互界面反饋給用戶以便排除故障，否則PLC控制器進(jìn)行內(nèi)部處理和通信初始化，通過輸入處理和用戶程序的執(zhí)行，及時(shí)輸出得到的結(jié)果，進(jìn)行相關(guān)控制操作。

圖8b是PLC內(nèi)部執(zhí)行程序。在用戶程序執(zhí)行之前，首先初始化各種變量和I／O，接著檢測緯線和經(jīng)線是否準(zhǔn)備就緒，在兩者就緒的前提下，根據(jù)用戶的具體操作要求分別按照主機(jī)、牽引機(jī)和擠出機(jī)的順序調(diào)整三者的參數(shù)，從而使主機(jī)、牽引機(jī)和擠出機(jī)達(dá)到DN400 mm、DN500 mm和DN600 mm管型之一的參數(shù)狀態(tài)；程序按照前面流程不斷地循環(huán)執(zhí)行，如果用戶要求系統(tǒng)停止運(yùn)行，則程序結(jié)束。

3 焊接試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果

3.1 直流電阻焊焊接電流

根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)，用某型號(hào)中頻電阻焊機(jī)作為焊接執(zhí)行元件，其焊機(jī)變壓器輸出端最大電壓DC 9V，結(jié)合DEP-100S手持終端采集的數(shù)據(jù)，與現(xiàn)有的工頻AC 30 V交流焊接電流相比較。

分別提取六組典型的焊接電流作對比，如表1所示。由表1可知，中頻直流焊接最大電流在5 000 A以上(兩個(gè)焊點(diǎn)電流和)，平均值4 000～5 000 A，最小值3500A。同樣條件下的交流焊接最大值7 000 A以上，平均電流6 000～7 000 A，經(jīng)過定性測量得知直流焊接的強(qiáng)度不低于交流焊接強(qiáng)度，由這兩個(gè)方面可知在焊接強(qiáng)度保證情況下，直流焊接耗能低于交流焊接，更節(jié)能。

3.2 焊接電路改進(jìn)前后對比

焊接電路負(fù)極改進(jìn)前后焊接電流的最大值、均值和最小值曲線如圖9所示。由圖9可知，改進(jìn)后的焊接電流最大值達(dá)5500A，平均值4000～5000A，最小值3 000～4 000 A。與改進(jìn)前相比較，焊接電流提高了1 000～2 000 A，進(jìn)一步提高了焊接的可靠性，同時(shí)也證明焊接回路改進(jìn)的正確性。

圖8 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程Fig.8 System software design schedule

表1 交流和中頻直流焊接電流對比 A

焊接電流提高的原因是滑環(huán)接觸方式使接觸面積更大、更換接觸材料后接觸更可靠，無點(diǎn)蝕和碳化現(xiàn)象，回路電阻有所下降。

另外焊接電流存在浮動(dòng)，其原因是：系統(tǒng)在線速度1.0 m／s的旋轉(zhuǎn)速度下是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，即在每個(gè)位置焊接電路的電阻因接觸面接觸狀態(tài)不同而出現(xiàn)差異，這些差異直接反映在焊接電流上。

3.3 復(fù)合管道焊接強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

復(fù)合管道耐壓能力取決于鋼骨架網(wǎng)絡(luò)的焊接強(qiáng)度，即每個(gè)焊點(diǎn)所能夠承受的最大拉力。抽取四段直流和交流焊接的鋼絲網(wǎng)進(jìn)行焊點(diǎn)抗拉力測試，如表2所示。中頻直流焊接所焊焊點(diǎn)抗拉力最大值、平均值和最小值分別在85kg、70kg、60kg附近，而工頻交流焊接的三個(gè)值分別在60 kg、50 kg和45 kg附近。

中頻直流電阻焊所焊接的鋼骨架焊點(diǎn)與工頻交流焊接的相比較，抗拉力提高了約20 kg，復(fù)合管道的耐壓抗擠性能有很大提高，說明設(shè)計(jì)的中頻逆變直流鋼骨架焊接方式具有優(yōu)勢。

3.4 復(fù)合管道耐壓能力測試結(jié)果

分別抽取五段中頻直流和交流焊接方式生產(chǎn)的DN400、DN500和DN600，對其進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，各型管道擠爆時(shí)的壓力如圖10所示。中頻直流焊接所生產(chǎn)的三種管道平均耐壓壓力為5.0 MPa附近，而交流焊接生產(chǎn)的管道平均耐壓為3.0～3.5 MPa。

上述分析證明，與交流焊接生產(chǎn)方式相比，中頻直流焊接方式所生產(chǎn)的管道耐壓性能明顯提升，能夠?yàn)楦哔|(zhì)量高品質(zhì)工程提供技術(shù)和安全保障。

圖9 焊接電路改進(jìn)前后焊接電流Fig.9 Welding current contrast of welding circuit

表2 鋼骨架網(wǎng)絡(luò)焊點(diǎn)強(qiáng)度對比 kg

4 結(jié)論

(1)焊接電路采用滑環(huán)接觸方式有效地降低了電路電阻，有利于焊接質(zhì)量的提高。

(2)與交流焊接相比，中頻直流焊接方式能夠提高焊點(diǎn)的焊接強(qiáng)度，且能耗更低。

(3)中頻逆變直流焊接方式所生產(chǎn)的復(fù)合管道耐壓、抗擠能力大幅提升。

(4)系統(tǒng)控制精確、通用性強(qiáng)、焊接質(zhì)量高。

圖10 三種管型耐壓試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Pressure-resistance results of three type pipes

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Research on PLC controlling system for high strength plastics-steel composite pipe based on DC resistance welding

LIAO Ji-ming，XIONG Jian，YANG Ji-wen，JIANG Zheng
(Beijing Hangxing Machinery Manufacturing Company，Beijing 100013，China)

This paper designed and realized high strength plastics-steel composite PLC controlling system with the precision of 0.001 s，utilizing the principle of mid-frequency inverter resistance welding，in accordance with the problems that composite pipe produced by AC resistance welding can't meet the application in high-quality project in face of the increasingly stringent technological and environmental indexes.The strength of welding point enhanced about 20 kg and the capability of anti-extrusion improved approximately 3.0 MPa in contrast with AC welding.The experimental results indicated that the system in the abominable electromagnetic environment is reliable，strongly universal，accurate control and convenient operation.

DC resistance welding；PLC；high strength；composite pipe

TG409

A

1001-2303(2011)09-0075-06

2011-03-22

廖繼明(1978—)，男，廣西鐘山人，工程師，碩士，主要從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、PLC控制系統(tǒng)的研發(fā)。