船用物聯(lián)網(wǎng)式智能型防觸電節(jié)能焊機(jī)

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(jī)的研制

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

船上焊接作業(yè)時(shí)，電焊工工作現(xiàn)場(chǎng)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(shí)工頻及高頻電磁場(chǎng)的干擾;②船廠供船用的大功率變頻電站的廣譜高強(qiáng)電磁泄漏;③吊車工作時(shí)滑環(huán)處的電磁干擾;④塔式變頻吊車的使用。這些對(duì)焊工觸電信號(hào)的提取和處理都會(huì)產(chǎn)生影響。尤其是大量焊工大面積換板焊接作業(yè)時(shí)，電磁干擾就顯得更為強(qiáng)烈。

針對(duì)以上不同干擾源的性質(zhì)和特點(diǎn)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(jì)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(diǎn)，加工制造時(shí)，還對(duì)信號(hào)采集、處理、驅(qū)動(dòng)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(jìn)行封裝，對(duì)外只留下插接件接口。圖1為防觸電節(jié)能焊機(jī)主要結(jié)構(gòu)模塊的原理框圖。

圖1 防觸電節(jié)能焊機(jī)的原理框圖

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

人體觸電時(shí)，電流從零增至致命電流是很短的過(guò)程。該防觸電裝置在人體觸電初期，通過(guò)人體的電流還處于微安 (μA)級(jí)階段時(shí)，就使驅(qū)動(dòng)裝置迅速動(dòng)作，切斷電源，這就最大限度地起到了保護(hù)作用。實(shí)踐應(yīng)用證明，該裝置在人體觸電時(shí)電壓僅為4～5 V時(shí)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(jī)都配有觸電模擬試驗(yàn)按鈕，每次作業(yè)前都必須做模擬斷電試驗(yàn)。

電焊機(jī)空載耗電一般為2～3 kW，多數(shù)情況下，焊接作業(yè)時(shí)間很短，若忘記拉閘或下班、下船時(shí)再拉閘，勢(shì)必造成很大的電能浪費(fèi)。何況船廠的焊機(jī)數(shù)量很多，修、造船時(shí)需局部少量焊接的部位很多，空載時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，空載耗電量很大，因而對(duì)電焊機(jī)實(shí)行節(jié)能管理，可達(dá)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(shí)還能防止空載電焊機(jī)漏電傷人，電焊機(jī)設(shè)計(jì)了智能延時(shí)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(dòng)的時(shí)間繼電器延時(shí)時(shí)間可在1 h內(nèi)自由設(shè)置，焊接時(shí)每接到焊接信號(hào)，重新開(kāi)始計(jì)時(shí)，超過(guò)了設(shè)定時(shí)間電焊機(jī)不工作，時(shí)間繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，驅(qū)動(dòng)漏電保護(hù)器斷電。既保證了節(jié)電，又防止了萬(wàn)一電焊機(jī)漏電，傷及人身。

經(jīng)過(guò)幾年來(lái)的實(shí)際應(yīng)用，該保護(hù)裝置靈敏可靠，帶上指環(huán)線，只要觸電，在人體毫無(wú)察覺(jué)的情況下會(huì)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(shí)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(shí)均為高電平“1”，無(wú)焊接信號(hào)時(shí)，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(shí)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(wú)動(dòng)作。當(dāng)焊接時(shí)，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(lái)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(guò)D1放電。這時(shí)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(dòng)作，其常閉動(dòng)觸點(diǎn)打開(kāi)，切斷延時(shí)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(guò)30～50 s時(shí)間 (決定于R5與C3的充電時(shí)間常數(shù))，C3電平上升到一定值時(shí)，門Ⅱ輸出變?yōu)榈碗娖健?”，T2截止，繼電器K常閉觸點(diǎn)閉合，延時(shí)繼電器得電復(fù)位重新開(kāi)始計(jì)時(shí)。

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

2 指環(huán)線工作是否可靠的智能檢測(cè)

隨著防觸電節(jié)能焊機(jī)的大規(guī)模使用，也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，一是作業(yè)人員嫌麻煩，時(shí)有不帶指環(huán)線的現(xiàn)象發(fā)生。二是萬(wàn)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(hào)的故障時(shí)，防觸電功能也會(huì)喪失。針對(duì)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(cè)系統(tǒng)。并且信號(hào)的施加和反饋還是通過(guò)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(kāi)發(fā)難度更大，表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1)信號(hào)的檢測(cè)，絲毫不能影響指環(huán)線對(duì)人觸電信號(hào)的傳輸。

2)信號(hào)的發(fā)出和檢測(cè)達(dá)到了納安 (nA)(高級(jí)半導(dǎo)體器件反向漏電流大小)級(jí)，也就是說(shuō)半導(dǎo)體的本底噪聲即有可能蓋過(guò)有用的信號(hào)。

3)周邊電磁場(chǎng)對(duì)納安 (nA)級(jí)電信號(hào)比對(duì)微安 (μA)級(jí)電信號(hào)干擾更大，更不易剔除。

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

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

設(shè)計(jì)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(cè)電路經(jīng)絕緣處理后置于罐中測(cè)試，并用電吹風(fēng)創(chuàng)造高溫環(huán)境，再把試驗(yàn)電焊機(jī)置于電磁環(huán)境復(fù)雜的施工現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)多次反復(fù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、修改電路設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)終于開(kāi)發(fā)成功，滿足設(shè)計(jì)要求。

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

由于這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明成功，使得電焊機(jī)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(jī)投入工作馬上就會(huì)跳閘，同時(shí)系統(tǒng)對(duì)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(hào)提示判斷出跳閘的原因，改正自己焊接操作時(shí)的不良習(xí)慣或?qū)δ承┎僮鳝h(huán)節(jié)加以注意，必要時(shí)可請(qǐng)維修人員維修，維修人員也可根據(jù)信號(hào)提示進(jìn)行必要的檢測(cè)和維修。使診斷維修的智能化上了一個(gè)等級(jí)。

3 電焊機(jī)物聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)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(wèn)題，開(kāi)發(fā)了電焊機(jī)無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，每組電焊機(jī)都配有無(wú)線發(fā)射裝置，可將焊接作業(yè)人員用指環(huán)線對(duì)外屏蔽線短接來(lái)傳輸?shù)男韬祥l信號(hào) (國(guó)家無(wú)線電管理委員會(huì)特許的無(wú)需執(zhí)照ISM頻段)發(fā)射出去 (當(dāng)然，在保證漏電保護(hù)器斷電時(shí)間符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(hào)也可。巡視或安檢人員持有無(wú)線接收裝置，接到信號(hào)后可迅速將需合閘的電焊機(jī)合閘。

在復(fù)雜電磁環(huán)境下為增強(qiáng)發(fā)射和接收的可靠性，無(wú)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(kāi)發(fā)了可靠的無(wú)線發(fā)射接收協(xié)議軟件和雙向無(wú)線收發(fā)裝置的握手協(xié)議。

在硬件層面，為防止干擾，增強(qiáng)射頻無(wú)線信號(hào)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(jì)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(jì)均采用了電池驅(qū)動(dòng)的極低功耗設(shè)計(jì)方案。

為了充分發(fā)揮無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)的作用，針對(duì)組網(wǎng)中的每臺(tái)電焊機(jī)還專門開(kāi)發(fā)了電焊機(jī)絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電焊機(jī)絕緣情況，防止電焊機(jī)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(jī)無(wú)線裝置立即發(fā)出信號(hào)，手持無(wú)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(wú)線發(fā)射與接收有死角，無(wú)線裝置的發(fā)射功率又必須符合國(guó)家無(wú)線電管理委員會(huì)特許的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，不能太高，所以為使全廠各處都能接收到信號(hào)，還研發(fā)了用于無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)的微功率蜂窩式無(wú)線基站系統(tǒng)，并配合開(kāi)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(diǎn)，轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，構(gòu)成真正意義上的物聯(lián)網(wǎng)。

實(shí)際使用時(shí)，3臺(tái)電焊機(jī)為一組，每組電焊機(jī)的絕緣故障和要求合閘信號(hào)分別由2個(gè)繼電器組成或門，閉合后驅(qū)動(dòng)雙向無(wú)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(rèn)無(wú)線指令，得不到確認(rèn)指令，電焊機(jī)每隔一段時(shí)間發(fā)一次指令，直至收到確認(rèn)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(shí)防抖程序。

圖3 電焊機(jī)無(wú)線發(fā)射軟件流程框圖

手持無(wú)線通訊裝置的巡視人員，接到焊機(jī)或基站轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的指令后，接收機(jī)的振鈴響并顯示是哪組焊機(jī)。待巡視人員按下確認(rèn)按鈕后，振鈴聲消掉，并指令焊機(jī)不再自動(dòng)觸發(fā)。液晶顯示屏上的顯示并不消失，待下一次焊機(jī)無(wú)線指令到來(lái)時(shí)，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(wú)線裝置軟件流程框圖

4 結(jié)束語(yǔ)

幾年來(lái)智能型防觸電節(jié)能焊機(jī)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(hù)。取得很好的防觸電和節(jié)能效果，使安全、節(jié)能生產(chǎn)達(dá)到一個(gè)新的、更高的水平。

可以期待和預(yù)見(jiàn)的是物聯(lián)網(wǎng)的引入，將會(huì)使安全生產(chǎn)和設(shè)備的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管理具有新的、革命性的進(jìn)步，對(duì)船廠生產(chǎn)和設(shè)備管理方式的改進(jìn)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。