基于直流電阻焊的高強度鋼塑管道PLC控制系統

廖繼明，熊 健，楊繼文，姜 正

(北京航星機器制造公司 研發中心，北京 100013)

基于直流電阻焊的高強度鋼塑管道PLC控制系統

廖繼明，熊 健，楊繼文，姜 正

(北京航星機器制造公司 研發中心，北京 100013)

針對日益嚴格的技術、環境指標和交流焊接生產的管道無法應用于高品質工程的問題，利用中頻逆變直流電阻焊原理，設計并實現了控制精度為0.001 s的高強度鋼塑復合管道PLC控制系統。經過系統組態、焊接電路的設計和改進，與交流電阻焊相比較，直流焊焊點強度提高約20 kg，抗擠壓能力提高約3.0MPa。試驗結果表明，通過采取抗干擾措施，系統運行穩定可靠、通用性強、控制精確、操作方便。

直流電阻焊；可編程控制器(PLC)；高強度；鋼塑管道

0 前言

我國管道行業在近二十年來以令人驚奇的速度蓬勃發展，其中塑料復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合管道(鋼塑管道)等幾類。鋼塑復合管道于1996年在國內研制成功，解決了壓力管道防腐的世界性難題。鋼塑復合管道屬于新型的耐壓防腐管道，它克服了傳統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，將耐壓與防腐有機結合起來，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、抗快速開裂等優點而廣泛應用于電力、燃氣、冶金等高品質工程中[1-2]。

日益提高的質量和環境指標對復合管道提出了更加嚴格的要求，如更高的耐壓防腐性能、安全系數和更低的成本，以進一步提高復合管道使用的安全性、可靠性和經濟性。目前，國內的生產線大多都采用傳統的工頻交流電阻焊接，其生產的鋼塑復合管道耐壓性能等無法滿足一些高品質工業應用的要求。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]，以增強耐壓防腐性能、提高生產效率和降低生產成本為目標，研制了高強度鋼塑復合管道控制系統。所涉及的內容主要有：中頻逆變直流電阻焊原理、控制系統方案設計與實現、抗干擾設計、復合管道焊接回路改進以及相關結論。

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通電，利用電極間的接觸電阻產生的焦耳熱熔化金屬而達到焊接的目的，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，在短時間內產生大量的熱量，使溫度達到被焊接材料的熔點，形成以接觸點B為中心的熔核。當壓力和電流消失時，熔核溫度迅速降低，被焊接材料在接觸點以一定強度連接在一起而實現具有一定強度的焊接。

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

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

1.2 中頻逆變電阻焊[4-6]

目前應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，從而實現焊接電流調節的目的。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整流形成脈動較小的直流電壓，再經過逆變電路逆變成中頻脈沖信號，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、不過零點且無大的峰值沖擊、焊接穩定性高、控制精度高等優勢。

1.3 高強度鋼塑復合管道焊接原理

高強度鋼塑復合管道是由高密度聚乙烯和圓柱型的鋼絲網經過注塑而成，其中高強度鋼絲網是由直徑為3～5mm的經線、緯線低碳鋼絲焊接而成。目前國內的鋼塑復合管道生產線基本采用工頻交流電阻焊方式，主要的缺陷是焊接強度不高、耗能高和焊接電路耐磨性不高，所生產的鋼塑復合管道無法滿足石油等高品質輸送工程的需求。根據中頻逆變直流電阻焊的優勢和復合管道生產方式，設計的高強度鋼絲網焊接方式如圖3所示，它由成型基軸、經線鋼絲、緯線鋼絲、壓緊機構(F)、旋轉機構和焊接電路組成。

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 高強度鋼絲網焊接成型原理Fig.3 Diagram of steel net welding forming

經線均勻地分布在成型基軸表面，緯線在牽引機構的作用下以一定角速度ω等間距纏繞在經線上的同時，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，經線和緯線在接觸點被焊接在一起，從而實現高強度鋼骨架網絡的焊接，緊接著向鋼骨架網絡注塑聚乙烯，經過冷卻后高強度鋼塑復合管道即成型。

上述生產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。一般的應用是直流電阻焊焊接電路非常短，而本設計的特殊生產方式導致焊接電路比較長，達2 m左右。對控制電源來說相當于常規控制電源的非常規應用，這就增加了系統設計和調試的難度。

2 控制系統方案設計與實現

2.1 PLC控制系統總體方案

要實現高強度鋼骨架網絡的焊接和復合管道的注塑成型，需要精確和合理的控制系統。從靈活性和可靠性出發，設計采用OMRON的PLC可編程控制器對復合管道成型控制系統進行組態，總體方案如圖4所示。該系統主要由主機焊接、機頭模具加熱、擠料機控制、噴淋控制、牽引控制、切割翻料、PLC主機架等分系統和相關的檢測顯示操作面板組成。

電壓分配控制模塊負責整個系統的供電；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成PLC主機架控制核心，分控制水泵、主機、牽引機、擠料機、通信模塊和相應傳感模塊，實現系統水路、氣路和機電結構的精確控制。

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

2.2 硬件方案設計與實現

2.2.1 中頻焊機外圍控制電路

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

采用某型號的中頻微控焊機對鋼絲網進行焊接，為了保證焊接的安全和可靠，外圍電路設計如圖5所示。K1～K3是復合管道焊接程序的自動選擇端子，K4是焊接程序的手動選擇端子，PLC根據目前具體生產的管道型號(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Device-Net總線輸入端子的光耦，對焊接使能；焊接使能觸發之后，PLC對主機進行起動旋轉，并起動焊機，當旋轉到焊接位置時，焊接控制傳感器組中的光耦觸發中頻焊機，對焊接點進行有效可靠的焊接。上述設計保證焊接在緯線就位的情況下進行，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計和改進

中頻焊接外圍電路設計保證了焊接的可靠性和安全性，但是焊接質量的好壞還與焊接壓力和焊接電流有關，即焊接電路是管道質量的決定因素。設計的焊接電路如圖6a所示，焊接電流經焊接支架、導電輪和焊輪到達經線和緯線的接觸點；在壓力的作用下焊點溫度迅速達到經線和緯線的熔點，使接觸點熔化或者達到塑性狀態，從而實現兩者的焊接；接著焊接電流經過部分經線，經過如圖6a所示的接觸面和焊接導線回到負極。

圖6 改進前焊接回路和接觸面實物Fig.6 Welding circuit and interface before improving

利用上述焊接電路在現場進行長期試驗后發現，負極回路焊接接觸面出現嚴重的點蝕和碳化現象，如圖6b所示，這影響了電路的導電性能，從而導致焊接強度不穩定。

為了消除接觸面導致的不良現象，將焊接電路修改為如圖7a所示的滑環接觸形式，將側壓和垂直接觸全部修改為垂直接觸的滑環方式。經過長期運行后接觸面的實物圖如圖7b所示。通過對比可知，改進后的接觸面沒有點蝕和氧化的現象，驗證了焊接回路負極滑環接觸方式的可靠性。

圖7 改進的焊接電路和接觸面實物Fig.7 Welding circuit and interface after improving

2.3 抗干擾設計

設計的控制系統工作環境電磁干擾惡劣、灰塵顆粒大且噪聲高，因此必須對整個系統進行抗干擾設計。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和擴展模塊可靠高效的運行。

(2)合理的接線方式。系統中的動力線、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。針對一些電感性負載，如大繼電器、接觸器等，并聯RC消弧線圈，消除感性負載所帶來的影響。

(4)合理的布局和走線方式。PLC機架遠離動力電源線路，嚴格按照產品手冊設計PLC控制機柜和安排各類線纜的走線方式。

2.2 軟件控制流程

系統控制軟件流程如圖8所示。控制系統運行開始后，首先自動檢測系統的控制器、存儲器等硬件，如果遇到故障，則通過人機交互界面反饋給用戶以便排除故障，否則PLC控制器進行內部處理和通信初始化，通過輸入處理和用戶程序的執行，及時輸出得到的結果，進行相關控制操作。

圖8b是PLC內部執行程序。在用戶程序執行之前，首先初始化各種變量和I／O，接著檢測緯線和經線是否準備就緒，在兩者就緒的前提下，根據用戶的具體操作要求分別按照主機、牽引機和擠出機的順序調整三者的參數，從而使主機、牽引機和擠出機達到DN400 mm、DN500 mm和DN600 mm管型之一的參數狀態；程序按照前面流程不斷地循環執行，如果用戶要求系統停止運行，則程序結束。

3 焊接試驗數據和結果

3.1 直流電阻焊焊接電流

根據焊接結構，用某型號中頻電阻焊機作為焊接執行元件，其焊機變壓器輸出端最大電壓DC 9V，結合DEP-100S手持終端采集的數據，與現有的工頻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(兩個焊點電流和)，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，經過定性測量得知直流焊接的強度不低于交流焊接強度，由這兩個方面可知在焊接強度保證情況下，直流焊接耗能低于交流焊接，更節能。

3.2 焊接電路改進前后對比

焊接電路負極改進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，改進后的焊接電流最大值達5500A，平均值4000～5000A，最小值3 000～4 000 A。與改進前相比較，焊接電流提高了1 000～2 000 A，進一步提高了焊接的可靠性，同時也證明焊接回路改進的正確性。

圖8 系統軟件設計流程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，無點蝕和碳化現象，回路電阻有所下降。

另外焊接電流存在浮動，其原因是：系統在線速度1.0 m／s的旋轉速度下是一個動態的過程，即在每個位置焊接電路的電阻因接觸面接觸狀態不同而出現差異，這些差異直接反映在焊接電流上。

3.3 復合管道焊接強度試驗結果

復合管道耐壓能力取決于鋼骨架網絡的焊接強度，即每個焊點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進行焊點抗拉力測試，如表2所示。中頻直流焊接所焊焊點抗拉力最大值、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與工頻交流焊接的相比較，抗拉力提高了約20 kg，復合管道的耐壓抗擠性能有很大提高，說明設計的中頻逆變直流鋼骨架焊接方式具有優勢。

3.4 復合管道耐壓能力測試結果

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

上述分析證明，與交流焊接生產方式相比，中頻直流焊接方式所生產的管道耐壓性能明顯提升，能夠為高質量高品質工程提供技術和安全保障。

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

表2 鋼骨架網絡焊點強度對比 kg

4 結論

(1)焊接電路采用滑環接觸方式有效地降低了電路電阻，有利于焊接質量的提高。

(2)與交流焊接相比，中頻直流焊接方式能夠提高焊點的焊接強度，且能耗更低。

(3)中頻逆變直流焊接方式所生產的復合管道耐壓、抗擠能力大幅提升。

(4)系統控制精確、通用性強、焊接質量高。

圖10 三種管型耐壓試驗結果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設計、PLC控制系統的研發。