左敬民，李心寧

(1.天津修船技術(shù)研究所，天津 300456;2.天津新港船舶重工有限責(zé)任公司，天津 300456)

1 防觸電節(jié)能焊機的研制

船用物聯(lián)網(wǎng)式智能型防觸電節(jié)能焊機，其核心技術(shù)是:用一根簡易的指環(huán)信號線，將電焊工身體任意部位觸電時的微弱電感應(yīng)信號同步、準確地提取出來，并迅速驅(qū)動專門定制的漏電保護器斷電。

船上焊接作業(yè)時，電焊工工作現(xiàn)場及周邊電磁環(huán)境非常復(fù)雜，比如:①各種船用設(shè)備工作時工頻及高頻電磁場的干擾;②船廠供船用的大功率變頻電站的廣譜高強電磁泄漏;③吊車工作時滑環(huán)處的電磁干擾;④塔式變頻吊車的使用。這些對焊工觸電信號的提取和處理都會產(chǎn)生影響。尤其是大量焊工大面積換板焊接作業(yè)時，電磁干擾就顯得更為強烈。

針對以上不同干擾源的性質(zhì)和特點分別采用了多種抑制和剔除措施。為抑制干擾源，核心電路板采用了4層板設(shè)計方案，電路采用多種接地方案和多重屏蔽措施。為了適應(yīng)船塢中高壓水、噴砂等作業(yè)環(huán)境的多鹽、高濕、多金屬粉塵的特點，加工制造時，還對信號采集、處理、驅(qū)動輸出的核心電路裝置采用了集成電路及電腦芯片用的封裝技術(shù)進行封裝，對外只留下插接件接口。圖1為防觸電節(jié)能焊機主要結(jié)構(gòu)模塊的原理框圖。

圖1 防觸電節(jié)能焊機的原理框圖

為了使用方便，并保證指環(huán)線信號傳輸可靠，智能型防觸電節(jié)能焊機系統(tǒng)研制成功后，在大量裝備時，對焊接用的電纜做了專門的定制，定制的電纜與指環(huán)信號線是合為一體的電纜。

人體觸電時，電流從零增至致命電流是很短的過程。該防觸電裝置在人體觸電初期，通過人體的電流還處于微安 (μA)級階段時，就使驅(qū)動裝置迅速動作，切斷電源，這就最大限度地起到了保護作用。實踐應(yīng)用證明，該裝置在人體觸電時電壓僅為4～5 V時即可切斷電源，保證焊工安全。

為了保證防觸電設(shè)備工作的可靠性，各焊機都配有觸電模擬試驗按鈕，每次作業(yè)前都必須做模擬斷電試驗。

電焊機空載耗電一般為2～3 kW，多數(shù)情況下，焊接作業(yè)時間很短，若忘記拉閘或下班、下船時再拉閘，勢必造成很大的電能浪費。何況船廠的焊機數(shù)量很多，修、造船時需局部少量焊接的部位很多，空載時間相對較長，空載耗電量很大，因而對電焊機實行節(jié)能管理，可達到降本增效的目的。

為了節(jié)能而又不影響焊接質(zhì)量，同時還能防止空載電焊機漏電傷人，電焊機設(shè)計了智能延時斷電式節(jié)能裝置，并與防觸電裝置整合在一起。該裝置驅(qū)動的時間繼電器延時時間可在1 h內(nèi)自由設(shè)置，焊接時每接到焊接信號，重新開始計時，超過了設(shè)定時間電焊機不工作，時間繼電器的常開觸點閉合，驅(qū)動漏電保護器斷電。既保證了節(jié)電，又防止了萬一電焊機漏電，傷及人身。

經(jīng)過幾年來的實際應(yīng)用，該保護裝置靈敏可靠，帶上指環(huán)線，只要觸電，在人體毫無察覺的情況下會100%地迅速切斷電源。圖2為采用2輸入端與非門數(shù)字集成電路制作的節(jié)能延時電路。

圖2 節(jié)能裝置原理圖

圖2中，與非門Ⅰ的①和與非門Ⅱ的⑤腳平時均為高電平“1”，無焊接信號時，門Ⅰ的②腳為低電平，所以門Ⅰ的輸出端③腳為高電平。而門Ⅱ的另一輸入端即⑥腳由于在穩(wěn)態(tài)時C3已充好電，所以也為高電平“1”。因此門Ⅱ輸出端④腳為低電平“0”狀態(tài)，三極管T2截止，繼電器K無動作。當(dāng)焊接時，互感器的感應(yīng)電流經(jīng)橋式整流后，經(jīng)R1向C1充電，再經(jīng)T1放大后，使門Ⅰ輸入端②腳由原來的低電平變?yōu)楦唠娖健?”狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖健?”狀態(tài)，二極管D1導(dǎo)通，C3就通過D1放電。這時門Ⅱ的另一輸入端⑥腳也變?yōu)榈碗娖健?”狀態(tài)，輸出端④腳就變?yōu)楦唠娖健?”狀態(tài)。該高電平經(jīng)R6使T2導(dǎo)通，繼電器K得電動作，其常閉動觸點打開，切斷延時繼電器的電源。焊接停止后，門Ⅰ輸出變?yōu)楦唠娖健?”，D1截止，C3又經(jīng)R5充電，大約經(jīng)過30～50 s時間 (決定于R5與C3的充電時間常數(shù))，C3電平上升到一定值時，門Ⅱ輸出變?yōu)榈碗娖健?”，T2截止，繼電器K常閉觸點閉合，延時繼電器得電復(fù)位重新開始計時。

嵌套在時間繼電器長延時內(nèi)的大約30～50 s的附加延時，是為了在頻繁焊接的起弧階段減少繼電器K及時間繼電器的動作次數(shù)，增加壽命。

2 指環(huán)線工作是否可靠的智能檢測

隨著防觸電節(jié)能焊機的大規(guī)模使用，也發(fā)現(xiàn)了一些問題，一是作業(yè)人員嫌麻煩，時有不帶指環(huán)線的現(xiàn)象發(fā)生。二是萬一指環(huán)線出現(xiàn)斷路、與地短路等不能正確傳輸觸電信號的故障時，防觸電功能也會喪失。針對這2種情況，研發(fā)了作業(yè)人員是否佩戴指環(huán)線及指環(huán)線是否好用的智能檢測系統(tǒng)。并且信號的施加和反饋還是通過那根指環(huán)線，絲毫未增加作業(yè)者的麻煩。這一核心技術(shù)的開發(fā)難度更大，表現(xiàn)在以下幾個方面。

1)信號的檢測，絲毫不能影響指環(huán)線對人觸電信號的傳輸。

2)信號的發(fā)出和檢測達到了納安 (nA)(高級半導(dǎo)體器件反向漏電流大小)級，也就是說半導(dǎo)體的本底噪聲即有可能蓋過有用的信號。

3)周邊電磁場對納安 (nA)級電信號比對微安 (μA)級電信號干擾更大，更不易剔除。

4)在環(huán)境及工作溫度變化時，半導(dǎo)體器件工作點都會發(fā)生漂移，總漂移是各種不同器件漂移的非線性疊加。

對于如此微弱信號的處理，電路中器件的工作點穩(wěn)定是至關(guān)重要的。由于電焊機是在-20～50℃的溫度范圍工作，故對信號處理電路的可靠性有著極大的考驗。

設(shè)計中使用了多種備選方案，并在-21℃含鹽冰水混合物保溫罐內(nèi)創(chuàng)造低溫工作環(huán)境，將被測電路經(jīng)絕緣處理后置于罐中測試，并用電吹風(fēng)創(chuàng)造高溫環(huán)境，再把試驗電焊機置于電磁環(huán)境復(fù)雜的施工現(xiàn)場，經(jīng)多次反復(fù)現(xiàn)場試驗、修改電路設(shè)計，該系統(tǒng)終于開發(fā)成功，滿足設(shè)計要求。

該電路板采用的是4層板設(shè)計方案，元器件選型采購和電路設(shè)計也采取了溫漂系數(shù)綜合控制的方案。

由于這項技術(shù)的發(fā)明成功，使得電焊機防觸電裝置的可靠性又有了一次質(zhì)的飛躍。不戴指環(huán)線或指環(huán)線不能正常工作，電焊機投入工作馬上就會跳閘，同時系統(tǒng)對跳閘的原因也能用發(fā)光二極管給出正確的指示。焊接人員能根據(jù)信號提示判斷出跳閘的原因，改正自己焊接操作時的不良習(xí)慣或?qū)δ承┎僮鳝h(huán)節(jié)加以注意，必要時可請維修人員維修，維修人員也可根據(jù)信號提示進行必要的檢測和維修。使診斷維修的智能化上了一個等級。

3 電焊機物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)

為可靠、低成本地解決不便自行合閘且通訊困難工位的快速合閘問題，開發(fā)了電焊機無線物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，每組電焊機都配有無線發(fā)射裝置，可將焊接作業(yè)人員用指環(huán)線對外屏蔽線短接來傳輸?shù)男韬祥l信號 (國家無線電管理委員會特許的無需執(zhí)照ISM頻段)發(fā)射出去 (當(dāng)然，在保證漏電保護器斷電時間符合國家標準的前提下，也可制成電控合閘型，直接用指環(huán)線控制自行合閘)，發(fā)聲、光信號也可。巡視或安檢人員持有無線接收裝置，接到信號后可迅速將需合閘的電焊機合閘。

在復(fù)雜電磁環(huán)境下為增強發(fā)射和接收的可靠性，無線發(fā)射、接收采用了FSK頻移鍵控調(diào)制和FHSS跳頻通訊技術(shù)，并開發(fā)了可靠的無線發(fā)射接收協(xié)議軟件和雙向無線收發(fā)裝置的握手協(xié)議。

在硬件層面，為防止干擾，增強射頻無線信號發(fā)射和接收的可靠性和靈敏度，電路板采用了多層板設(shè)計方案，采用了高可靠性的射頻電路發(fā)射、接收元器件。并且手持式接收裝置的全部設(shè)計均采用了電池驅(qū)動的極低功耗設(shè)計方案。

為了充分發(fā)揮無線物聯(lián)網(wǎng)的作用，針對組網(wǎng)中的每臺電焊機還專門開發(fā)了電焊機絕緣監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測電焊機絕緣情況，防止電焊機變壓器高壓端向低壓端漏電。一旦發(fā)現(xiàn)此情況或絕緣低至一定程度，電焊機無線裝置立即發(fā)出信號，手持無線接收裝置的人員及安全管理部門的相應(yīng)人員即可馬上采取措施，防止安全事故的發(fā)生。

由于船體結(jié)構(gòu)的屏蔽作用及無線發(fā)射與接收有死角，無線裝置的發(fā)射功率又必須符合國家無線電管理委員會特許的相關(guān)標準，不能太高，所以為使全廠各處都能接收到信號，還研發(fā)了用于無線信號轉(zhuǎn)發(fā)的微功率蜂窩式無線基站系統(tǒng)，并配合開發(fā)了相應(yīng)的接收、轉(zhuǎn)發(fā)軟件，在廠里相關(guān)部位布點，轉(zhuǎn)發(fā)信號，構(gòu)成真正意義上的物聯(lián)網(wǎng)。

實際使用時，3臺電焊機為一組，每組電焊機的絕緣故障和要求合閘信號分別由2個繼電器組成或門，閉合后驅(qū)動雙向無線發(fā)射裝置發(fā)出指令，巡視人員接到指令后，發(fā)出確認無線指令，得不到確認指令，電焊機每隔一段時間發(fā)一次指令，直至收到確認指令。從發(fā)射裝置的軟件流程框圖3也可看出，為防止發(fā)射裝置誤觸發(fā)，增加發(fā)射指令的可靠性，繼電器觸發(fā)后還加了后延時防抖程序。

圖3 電焊機無線發(fā)射軟件流程框圖

手持無線通訊裝置的巡視人員，接到焊機或基站轉(zhuǎn)發(fā)來的指令后，接收機的振鈴響并顯示是哪組焊機。待巡視人員按下確認按鈕后，振鈴聲消掉，并指令焊機不再自動觸發(fā)。液晶顯示屏上的顯示并不消失，待下一次焊機無線指令到來時，顯示屏得以更新。圖4為手持接收裝置的軟件流程框圖。

圖4 手持無線裝置軟件流程框圖

4 結(jié)束語

幾年來智能型防觸電節(jié)能焊機的大范圍使用，有效地限制了焊接違規(guī)操作，矯正了一些焊接作業(yè)人員的不良操作習(xí)慣，并使不小心觸電的焊接人員得到有效的保護。取得很好的防觸電和節(jié)能效果，使安全、節(jié)能生產(chǎn)達到一個新的、更高的水平。

可以期待和預(yù)見的是物聯(lián)網(wǎng)的引入，將會使安全生產(chǎn)和設(shè)備的實時動態(tài)管理具有新的、革命性的進步，對船廠生產(chǎn)和設(shè)備管理方式的改進產(chǎn)生深遠的影響。