做座基于DSP数字控制技术的管道专用焊机

基于DSP数字控制技术的管道专用焊机

随着我国及世界石油工业的发展，长输管线的建设也得到了长足的发展。据统计，我国已建成的长输管线承担着90%的油气输送任务。如何确保压力管道安装工程的质量关键在于控制焊接焊缝的质量。影响这一关键环节的，除焊材、焊工操作手法等因素外，焊接设备的性能也尤为重要。

从长输管线的作业特点来看，其作业大都在野外进行，自然风力超过了常规的气体保护焊所能承受的范围，很难采取防风等焊接保护措施。

从长输管线的焊接要求来看，针对其大口径、大壁厚的特点，其焊接过程大致分为4步（如表）。

综合上述特点及焊接要求，熔深大、穿透力强、单面焊双面成形、气孔敏感性小、适用于厚壁管道打底焊的纤维素下向焊工艺，以及焊接性能稳定、熔敷效率高、抗环境能力和抗风性能良好的自保阻燃等级达UL 94 V-0护焊接工艺自然成为目前条件下长输管线焊接的首选。

管道专用焊机的特点及要求

1. 纤维素焊条对焊机性能的要求

纤维素下向焊焊条的药皮中含有30%～50%的有机物(纤维素)具有极强的造气功能，焊接时分解大量的CO和CO2气体，在保护电弧和熔池金属的同时，增加电弧吹力，保证熔滴在全位置焊接时向熔池的稳定过渡，并阻止铁水和熔渣下淌。同时有较大的熔透能力，具有优异的填充间隙性能，对管子的对口间隙要求不很严格。焊缝背面成形好、气孔敏感性小、易于获得高质量的焊缝，因此特别适合打底焊。

一般手工弧焊电源在使用纤维素焊条进行小电流(50～90A)焊接时，易出现断弧、熄弧及粘条等现象，这些都是由纤维素焊条自身特性引起的。纤维素药皮焊接时分解形成大量气体如CO、CO2等，而这些气体使其电弧电压高于普通焊条，易引起断弧的发生。因此要求其电源静特性曲线的上拐点要提高，在小电流时至少要达到50V以上，如图1中的a段曲线。

2. 药芯自保焊对焊机性能的要求

长输管线的填充和盖面焊都采用平特性的药芯自保焊工艺。电弧电压是自保护焊的重要参数之一。药芯自保焊的工艺参数范围较窄，弧压一般使用在18～24V之间，电压过高时则熔渣太稀，不易存留在焊缝表面，失去其对焊缝金属的表面保护作用；电压过低则熔池温度过低，电弧过程失稳，易发生顶丝，且焊道发鼓。

3. 管道专用焊机的特点

针对长输管线的特点及焊接要求，作为其专用焊接设备的药芯自保护焊机，除了要具有优良的药芯自保护焊接性能外，还应具有良好的纤维素下向焊性能。数字控制技术和电源逆变技术相结合的数字化逆变电源将使得上述问题迎刃而解。

DSP技术在管道专用焊机中的应用

1. 数字化管道专用逆变焊机的特点

数字化焊接技术是指用计算机技术来控制焊接设备的运行状态，使其满足焊接工艺所提出的要求，以得到完全合格的焊缝。它主要利用数字信号处理器所具有的三个基本功能，即数值计算、数值分析和实时控制，实现数字化焊接，把软硬件融合在焊接工艺中，提高焊接稳定性、精确度、生产效率和质量，并减少飞溅。

和传统的模拟焊接电源系统相比，采用DSP等微处理器控制的逆变电源具有如下优点：

（1）柔性化控制

电源外特性由软件编程实现，通过不同的算法控制可以实现多外特性集成一体，实现一机多用。

（2）智能控制

利用微处理器强大的控制能力和事件管理能力使焊机控制引入自适应控制、模糊控制、神经络控制等智能控制方法成为可能，提高了焊机的智能化.

（3）人机接口

通过友好的人机接口对焊接参数进行设置、存储、调用，进行故障指示等，极大的方便了焊工的操作。

（4）远程通信

数字控制的焊接电源可以配备功能强大的通讯接口，使得远程控制和全自动焊接都能得以实现，这在现代化大生产中将越来越重要。

（5） 易于产品开发和升级

数字逆变弧焊电源的功能通过软件和硬件相组合来实现，通过模块化的软、硬件设计，可以以不同的模块化组合构成不同功能的焊机。焊机性能的改进可以通过软件的升级来实现，从而缩短开发周期，降低开发成本。

2. DSP技术在管道专用焊机中的应用

利用数字控制技术柔性化控制的特点，只需对算法稍作调整，就可以在同一套主电路和控制电路上实现用于自保护焊接的平特性和用于纤维素下向焊的陡降特性，还可实现对焊接波形的精细控制。

（1）波形的精细控制

以纤维素下向焊为例，在小电流进行根焊时，断弧一直是困扰管道焊接的一个难题。由于逆变弧焊电源工作频率高，所以滤波用的电抗器比传统的电抗器要小很多，这就使得在小电流焊接发生熔滴短路时， 电抗器储能不够，焊机输出的电流不连接，更容易造成纤维素焊条小电流焊接时的熄弧和断弧。通常采用增大电源主电路的感抗来维持电流，以及对焊工的操作手法提出更为苛刻的要求来减少断弧的发生。

这不可避免的增加了设备和人力成本，也不利于逆变技术优势的发挥。运用数字化技术则能很好的解决这个问题。

在进行小电流焊接时，断弧通常发生在短路过渡结束、重新燃弧的时刻。通过对纤维素焊接电流的研究发现，在重新燃弧的时刻，焊接电流有一个明显低于设定焊接电流的反向过冲，即在需要重新燃弧的时刻电流反倒急剧的减小，正是这个反向过冲造成了断弧的发生。而形成这个过冲的原因，是由于在短路过渡完成时刻，电流远高于燃弧所需电流，由于电源要维持恒流特性引起系统的严重超调，出现在恒流值上下形成振荡，因而出现反向过冲。究其原因，还是与系统的响应速度以及在重新燃弧过程的恒流给定值有关。

为了消除电流过冲，需要对重新燃弧过程的电流进行精细的控制。一般采用电流斜降的给定。这种给定如果斜降时间过短，则达不到消除超调的作用；如果时间过长则会增加再引弧时的能量，不利于飞溅的控制。

为此，借助数字化手段，采用一种特定的曲线给定，可以在很短的时间内完成超调抑制而且不会带来再引弧能量的增加，不但消除了断弧的发生，还使得焊接过程更加柔和。

纤维素下向焊在小电流焊接时还经常发生粘条的现象。粘条是因为在喷射过渡中伴随有短路过渡的发生。为尽量消除短路现象，通常在纤维素弧焊电源静特性中加入阶跃外拖电流的特性，即在电弧变短，电压下降到一定值(如15V)时，增大电流输出，如图1中的c段曲线。

这种外拖方式能较好的抑制短路过程的发生，但也给下拐点的选取带来难度，太低起不到抑制效果，太高则可能影响系统的稳定性，因为电弧电压在下拐点左右时，电流将出现阶跃的跳动。

而特定曲线的斜外拖电流则将大大改善这一性能，如图2中c及c′段曲线。在此外拖特性下，可以提高拐点电压至20V甚至更高，在电弧电压从20V下降至10V的过程中，电流只是略微的增大，而在接近短路阶段电流将迅速增大。这样不但对抑制短路起到更好的效果，而且也提高了系统的稳定性。

通过电弧推力调节，可以使斜外拖电流在曲线c及c′的区域内变化，以适应不同焊接位置对电弧推力的要求。

（2）数字PID闭环控制

通过对电流电压反馈的采样，进行电流电压双闭环的PID调节输出得到平特性；通过电流的单闭环PID可以得到陡降特性输出。在本系统中还引入了原边电流反馈参与可以通过拉伸实验来检测调节，实现了电流型PWM控制，提高了系统响应速度。

此外，本系统中采用了增量式数字PID算法，增量算法如下：

Δμ(k)=KpΔe(k)+KIe(k)+KD[Δe(k)-Δe(k-1)] ①

式中Δe(k)=e(k)-e(k-1)

式①可以进一步改进为

Δμ(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2) ②

式中：A=Kp(1+T/TI+TD/T); B=Kp(1+2TD/T); C=KpTD/T)

采用增量式算法时，系统输出的控制增量Δμ(k)对应的是被控对象本次将要执行的增量。利用公式

μ(k)=μ(k-1)+Δμ(k) ③

即可获得被控对象的实际执行量。

增量式PID算法的流程图如图3。

（3）人机接口技术的应用

通过数字人机接口可以实现参装备企业数设定、故障指示等功能，方便操作和设备维护。例如，实现对过流、过欠压、过热等信号的监测和指示，电镀零件的表面有雀斑方便设备的维护和维修。

通过DSP数字控制技术的运用，成功研制出新一代管道专用焊机A。利用数字化技术解决了诸多问题：a.解决了在一套主电路和控制电路上实现两种输出特性的问题。b.提高了系统的动态响应特性和稳定性。c. 实现了对焊接波形的精细化控制。d.利用数字化技术，改善了焊接过程，得到了较为理想的焊接效果，使管道焊接的效率和合格率都得到提升。(end)