高真空焊接煙塵凈化系統電氣控制系統的開發

江 華

(中船第九設計研究院工程有限公司， 上海 200063)

高真空焊接煙塵凈化系統電氣控制系統的開發

江 華

(中船第九設計研究院工程有限公司， 上海 200063)

焊煙治理是造船乃至整個制造企業的難題，中船九院公司研發了高真空焊接煙塵凈化系統，本文主要針對該系統的電氣控制部分進行控制原理的詳細闡述。

焊接煙塵 輸入檢測PLC變頻

1 引言

1.1 船廠焊接煙塵污染現狀

焊接作為機械加工不可缺少的技術手段，是現代船舶制造的關鍵工藝技術。隨著我國造船業的發展，船體裝焊工場日趨大型化，車間建筑尺寸也從單跨、數千平方米發展到了多跨、數萬平方米，各種焊接工位數量不斷增多，焊接煙塵污染造成室內作業環境惡劣的問題越來越引起船廠的重視，同時焊接煙塵引起的以“塵肺”為代表的職業疾病也已經成為勞動衛生安全工作的突出問題。

國家對新建項目規定必須對焊接污染源進行治理，《工作場所有害因素職業接觸限值》(GBZ2-2002)中的電焊煙塵的容許濃度為4 mg/m3。

1.2 目前船廠常規焊煙治理措施與治理難點

焊接煙塵治理方法一般采用通風換氣措施，以降低空氣中煙塵以及有害氣體濃度。通風措施可分為全面通風和局部通風兩類。

在全面通風技術方面，目前船廠裝焊車間僅通過安裝屋頂通風器以及增加建筑進風面積的方式來引導車間內氣流流動，從而稀釋焊接煙塵。該方法受自然氣候條件影響大，穩定性、可控性差。局部焊煙凈化是在焊煙產生初期，尚未完全擴散至室內時，在第一時刻進行捕捉，是對污染物治理效率最高、最有成效的方法之一，其運行功率較低，可起到事半功倍的效果。可以真正起到減少污染，清潔生產的作用。然而由于裝焊車間廠房建筑尺寸較大，焊接范圍廣、焊接位置隨時隨地移動，單純采用局部通風凈化法會給操作帶來不便，從而無法在實際操作中廣泛使用。因此采用全面通風凈化與局部通風凈化相結合，是全面、經濟、合理地治理焊接廠房內焊煙的有效方法。

船廠裝焊車間焊煙治理存在如下難點。

(1) 船廠裝焊車間規模巨大，且大部分處于車間建筑結構上為半開放形式，全面通風在此類車間應用無可行性。

(2) 船廠裝焊車間縱深大，跨度多，外部自然風處于非連續狀態，車間內部自然通風效果難以保證。

(3) 北方寒冷地區船廠裝焊車間冬季處于封閉狀態，考慮焊接工藝及采暖要求，不能采用自然補風的方式，即使采用機械通風的方式，仍存在著補風溫度、補風方式和補風量的矛盾，這不僅僅涉及到技術方面的問題，而且涉及到經濟性方面的問題。

(4) 船廠裝焊車間工藝設備布置密集，焊接工位多，焊接工位不固定，工件較大，加之受場地、工件轉移、行車運行等條件限制，各類常規局部除塵技術不可行。

(5) 船廠裝焊車間工件大，焊縫長，現有的移動式焊煙凈化設備需焊工操作跟隨焊縫移動，增加了工人勞動強度，降低了工作效率。

(6) 部分焊槍吸塵裝置及個體防護產品由于增加了焊工負重或需改變焊接操作習慣，無法普及應用。

由于上述難點的存在，目前南北船廠的焊煙問題均未得到解決，焊煙污染治理已成為工業通風領域的難題。

2 高真空焊接煙塵治理技術介紹

高真空焊接煙塵治理技術是目前國際上焊煙局部治理最先進的技術。中船第九設計研究院工程有限公司通過對國內外船廠焊接煙塵治理技術的調研，針對船廠裝焊車間焊接的各項特點，自主研究開發了高真空焊接煙塵治理技術。

該技術可應用于裝焊車間半自動焊、自動焊和機器人焊接等工位。在不影響焊機運行、不影響焊工操作、不影響焊接質量的前提下，對焊接煙塵進行源頭控制，捕集率達到99%，從根本上解決了焊接煙塵污染問題，大大降低了焊工塵肺發病率，創造了潔凈、高效、安全的工作環境，從而達到節能減排的目標。

高真空焊接煙塵治理技術是局部焊煙凈化技術中的新技術，該法利用高壓風機產生的巨大負壓，在焊煙產生初期，尚未完全擴散至室內時，第一時刻進行捕捉，捕捉的焊煙經過袋式除塵器過濾凈化后室內排放。

高真空焊接煙塵凈化系統的核心是高真空焊接煙塵除塵器，同時包括了高真空吸口、高真空軟管、除塵風管，具有集成氣量調節、壓力調節、自動反吹、自動開機、自動變頻等功能的自動控制系統，如圖1所示。

圖1 高真空焊煙凈化系統中試結構圖

2.1 高真空焊接煙塵治理技術特點

(1) 高真空管道系統占地面積小，不增加額外土建費用，投資小，能耗低，特別適合于車間改造工程。

(2) 系統使用高壓風機，以小風量高負壓對焊煙進行捕捉，運行功率低，可以節省風量和能源。

(3) 采用高真空除塵軟管，管壁為軟質PVC纖維強化，螺旋彈性鋼絲包覆，耐磨抗碾壓，適合船廠車間生產環境。耐高溫，可排靜電，管徑小，質量輕，可與焊機供電送絲管線捆綁，不增加焊工操作負荷。

(4) 系統的高真空吸口以最佳方式與焊機固定，直接捕捉焊槍附近產生的焊煙，捕捉效率達到99%，保證了室內空氣不受焊接煙塵污染。

(5) 焊煙捕捉端與焊接系統通過合理設計融為一體，捕捉系統可隨焊機自動移動，不影響焊接操作，不阻擋焊工視線，不增加焊工操作負荷，不妨礙工件轉移。

(6) 系統過濾單元采用袋式過濾器，對焊煙過濾效率大于99%，濾后氣體清潔，可直接室內排放，不會對車間內采暖通風產生任何壓力。

(7) 每套系統可根據車間實際工位情況設置高真空吸口，工位發生轉移時可方便對其進行拆裝調整。

(8) 控制系統可自動關閉停止運行焊接工位所對應的高真空吸口，同時風機通過變頻調整風量，減少了風量的浪費，降低了能源消耗。

(9) 高真空吸口位置經過優化設計和中試試驗認證，將不會引起二氧化碳保護焊時保護氣體的額外損耗，嚴格保證焊接質量不受影響。

(10) 技術開發針對性強，特別適用于船廠裝焊車間的半自動焊、自動焊工位。

2.2 高真空焊接煙塵治理技術的意義

高真空焊接煙塵治理技術真正實現了源頭捕捉的污染控制模式，從根本上解決了船廠裝焊車間焊煙治理的難題。焊接煙塵的源頭控制和高效凈化給船廠車間帶來了清潔的工作環境，徹底改變了以往裝焊車間焊煙積聚能見度低的面貌，使車間生產更加安全。最為重要的是該技術真正將焊接工人從焊煙污染中解放出來，對于焊接工人，不再受焊煙污染的危害，保障了職業健康安全，提高了工作效率。對于企業，解決了焊煙引起的塵肺等職業病及其帶來的財務、健康保險支付問題。該項技術的推廣應用體現了“綠色造船”的理念，達到了船廠節能減排和清潔生產的目標。

3 高真空焊接煙塵治理電氣控制系統要求

高真空焊接煙塵治理根據不同焊接形式，對控制系統的要求也有所不同，例舉表1已實施的項目中對控制系統不同的要求。

由于不同的車間工藝都有不同，以下以大連造船廠三區曲面分段裝焊工場為例，介紹了具體的要求。表2為環保專業所提的該工程需要的設備數量和管路及并發數。

表1 各項目對控制系統不同的要求

表2 三區焊機與高真空設備配置情況

根據工藝要求，對電氣控制的工藝要求進行了梳理和整理，確定了如下的控制要求。

(1) 任意工況要求。

① 無論在自動或手動工況時，風機停止后，在70 s內即使有管子接入系統也不會啟動風機，只有在70 s后檢測才自動啟動系統。避免風機未停穩就啟動，損壞風機和變頻器。

② 無論在自動或手動工況時，如果設備正在運行時進行模式的切換則所有設備停機。該方法可作為緊急停止使用。

③ 任何工況下，風機停止時脈沖儀反吹持續80 s，即2個循環(每個閥動作2次)。

④ 開機反吹，設備上電后立即執行反吹持續80 s，即2個循環(每個閥動作2次)。

⑤ 電機故障則故障燈亮，系統停止。

(2) 手動工況。

① 手動模式時，通過面板上的按鈕啟動風機和脈沖儀，此時自動系統不起作用。電機運行在高速。

② 手動模式時，按下脈沖儀啟動按鈕， 脈沖儀的4個閥依次進行反吹，每個閥間隔10 s，中間反吹1 s，每個循環40 s，反復運行。

(3) 自動模式。

① 當系統檢測到共有1或2條線路在工作時，風機運行在低速狀態，當系統檢測到共有3或4條線路在工作時，風機運行在中速狀態，當系統檢測到共有5或6條線路在工作時，風機運行在高速狀態。

② 當系統檢測到大于6條線路在工作時，系統過載燈亮。

③ 風機運行時，每30 min脈沖儀進行反吹，持續80 s，2個循環(每個閥動作2次)，然后過30 min繼續循環。

4 系統解決方案的重點技術及具體方法

4.1 焊機輸入端的檢測

本設備的前端輸入信號必須是焊接設備的工作信號，如果是新配焊機，可以考慮對設備商要求在焊機上配置與否工作的開關信號，但對于大多數廠家來說，都是對現有的焊機進行改造，因此，整個系統最先要解決的就是如何讀取焊機信號的問題。

通過不斷地研究和調研，在項目中目前采取以下兩種方法檢測焊接設備的工作信號：

(1) 采用過電流繼電器。本次項目中采用的是過電流繼電器EIH，可對動作電流和延時動作時間進行設定。

該電流控制繼電器主要參數如下：

測量范圍：0.1～10 A 230 V；

節省空間，精確的測量和功能優化提高電氣安裝的效率，可通過單元下部的撥動開關來選擇：過電流或欠電流控制模式；

可選擇是否激活故障記憶功能，可用同樣方式設定越過門檻值；

品牌CROUZET/高諾斯；

觸點形式：一開一閉；

額定電壓：AC230(V)；

電流性質：交流；

防護特征：封閉式；

電流：8(A)。

圖2為該繼電器觸點動作的時序圖。

圖2 電流繼電器觸點動作的時序圖

現場由于電焊機的種類較多，電流值也都不一樣，導致調試時很多無法實現，解決的主要辦法是一方面調節繼電器的測量范圍，一方面可以更換互感器的變比，最后還可以對互感器的線圈多繞幾圈，以增加電流感應的強度。

(2) 采用干簧管。干簧管是一種磁敏的特殊開關。它的兩個觸點由特殊材料制成，被封裝在真空的玻璃管里。只要用磁鐵接近它，干簧管兩個節點就會吸合在一起，使電路導通。因此可以作為傳感器用，用于計數、限位等。

在重慶長征重工有限責任公司鋼結構車間焊煙治理工程中初步試用了干簧管，針對不同規格的電焊機采用不同大小的干簧管，基本都能采集信號，具體的使用壽命有待項目的驗證。使用該方法系統的投資能大大減少。

4.2 變頻電路

變頻器采用的是丹佛斯變頻器，型號為HLPPOO1543B 15 kW。該類變頻器5 kW以上的變頻器沒內置的制動單元，所以11 kW的只要外接電阻，15 kW的要外接制動單元和電阻。

該變頻器及外接制動單元和電阻安裝圖如圖3所示。

該類變頻器對控制的要求是風機停止供電后60 s(設定為60 s)也就是風機要完全停止轉動后才能再次啟動，否則容易燒壞變頻器。本次風機根據工藝要求使用三段頻率，當系統檢測到有1或2條線路在工作時，風機運行在低速狀態，當系統檢測到有3或4條線路在工作時，風機運行在中速狀態，當系統檢測到有5或6條線路在工作時，風機運行在高速狀態。

該變頻器在本項目的參數設置如表3～表6所示。

圖3 變頻器及外接制動單元和電阻

型號輸入電壓功率(kW)驅動器容量(kVA)輸出電流(A)適用電機(kW)HLPP001143B3Φ380V50Hz11192411HLPP001543B3Φ380V50Hz15263315

表4 主回路端子說明

表5 功能一覽表

表6 制動電阻配量

控制端子功能：FOR(低速)；SPM(中速)；SPH(高速)。

4.3 系統圖

根據上述要求：對PLC的輸入輸出點進行了確定，具體如表7所示。

根據這個PLC I/O輸出表及硬件線路，繪制了電氣控制系統原理圖和接線圖等圖紙。圖4為該系統的電氣控制系統模擬圖。

表7 PLC的輸入輸出點一覽表

圖4 模擬圖 [][]

5 結論及效果

在粉塵治理技術研究中，采用局部除塵技術，對粉塵、焊煙源頭治理是最有效的方法。在焊接煙塵治理方面，高真空焊煙凈化技術為局部除塵技術中最先進技術之一。利用高負壓在焊煙產生初期，尚未完全擴散時，對焊煙進行捕捉，是對污染物治理效率最高、最有成效的方法。該技術通過多次反復試驗、理論研究，并研發了高真空焊接煙塵凈化裝置，得到了工程實踐的驗證。在大連船舶重工集團有限公司工場部件裝焊工場焊煙治理工程實踐中證明，處理裝置焊煙治理效果顯著，項目中的高真空焊煙凈化系統主機對焊煙凈化效率為98.2%，吸口對焊煙捕捉效率達到93.6%，使用高真空焊煙凈化系統和置換通風系統后，工作場所空氣中粉塵平均濃度相比較未使用時，明顯降低。同時該技術也適用于船廠裝焊車間手工焊、半自動CO2保護焊、焊接流水線、平面分段流水線等工位，對減少車間焊煙污染，保障焊工職業健康安全起到積極的推進作用，具有良好的環境效益、經濟效益和社會效益。

The Development of Electric Control System for High Vacuum Welding Fume Purifying System

JIANG Hua

(China Shipbuilding NDRI Engineering Co.,Ltd., Shanghai 200063， China)

Treatment of welding smoke and dust is the difficult problem of shipbuilding and the whole manufacturing enterprises. The high vacuum treatment system of welding smoke and dust is researched and developed by China Shipbuilding NDRI Engineering Co.，Ltd in recent years. In this paper， we elaborate control principle of the electrical control part of the system.

Welding smoke and dust The input test PLC Frequency conversion

江 華(1975-)，男，高級工程師。

TP

A