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数字化柴油机驱动式多功能焊机监控系统
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作者:焊接协会
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发布时间: 2020-08-25
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石油、天然气长输管道的焊接施工属于野外施工，动力电源基本上都是靠各种发电机组供应的，由于现场物质、人员条件较差，对提供电源的通用发电机组、移动电站不按规定操作、维护、保养的现象普遍存在，严重影响了设备的可靠性和使用寿命。
摘要：石油、天然气长输管道的焊接施工属于野外施工，动力电源基本上都是靠各种发电机组供应的，由于现场物质、人员条件较差，对提供电源的通用发电机组、移动电站不按规定操作、维护、保养的现象普遍存在，严重影响了设备的可靠性和使用寿命。本文介绍的数字化柴油机驱动式多功能焊机监控系统，根据我国施工队伍的现状和野外工作的具体情况，提供了全面的监测、保护，保证了无人执守柴油机驱动式焊机在严酷环境中长时间安全运行，焊机的开机、焊接、关机、故障处理完全由微控制器自动监控，排除了可能对焊机不利的人为因素，并实现了开关机的一键操作。该系统已成功应用于MD-500 CC/CV和MD-2×400 CC/CV焊机。
关键词：电焊机；油机驱动；监控系统；长输管道
作者简介：邱林，1982年4月生于四川中江，成都熊谷电器工业有限公司工程师，内燃机驱动式焊机研究室主任，专门从事内燃机驱动式焊机、数字化焊机的研发工作。
1.引言
采用管道输送天然气和石油是最经济、最安全的运输方式，但在长输管道的安装、施工过程中，施工现场通常都没有动力电源。因此，只能采用通用发电机组和移动电站等发电设备提供焊接所需电源，再配上电焊机来满足现场施工需要。但是野外发电设备，不同于网络市电，电源频率和电压都不能得到良好的保障，因此提高了焊接电源的使用故障率。
随着自驱动式焊接电源的研制，这一系列的矛盾正在逐步得到解决。但是，由于现场的物质条件以及人员条件的差别，如何正确的使用发动机、怎样正确的保养发动机却成了一个新的课题。因施工现场经常出现的误操作、不保养等情况，缩短了发动机的使用寿命，甚至损坏发动机。为了防止误操作、满足用户的使用习惯，制造出操作、使用简单的自驱动焊接电源迫在眉睫。
我们根据熊谷电器工业有限公司设计、制造自驱动焊接电源的经验，研发设计了一种自动化的柴油驱动式焊接电源，这种焊接电源采用以单片机为控制核心，多路信号检测等手段，对柴油机的整个运行状况起到监控、保护的作用。
图1。MD-500 CC/CV外形
2.柴油驱动式焊接电源控制系统的硬件组成
柴油驱动式焊接电源硬件原理如图2所示。柴油机运转，带动三相发电机转动发电，发电机输出的三相交流电，经过工频整流滤波后，供给IGBT逆变器变频至20KHZ的交流电、再经过高频变压器降压、整流滤波后输出适合焊接的直流电。
输出电压、电流经传感器从输出端采样反馈给控制电路，通过控制电路来调整逆变管的导通宽度，使输出的电流、电压达到焊接的需要。
发电机采用AVR自励电压调整系统，通过控制低功率的励磁机磁场，调节励磁机电枢的整流输出功率，从而达到控制主发电机磁场电流的要求，保证了电压的调整率，避免了通用发电机组或者移动电站由于电压不稳定对焊机造成的损坏。
发动机的启动，停止以及怠速/高速运行由单片机发出控制信号来控制，并通过一系列的传感器，对柴油机的冷却液、油温、油压、转速、三相电压进行检测，一旦任何一个指标超过单片机的预设值，立即对驱动式焊接电源作必要的保护，从而保障了驱动式焊接电源在无人执守的情况下正常运行。
发电机AVR系统以及三相电压检测系统，实现了逆变供电电源的双重保护，确保了逆变焊接单元的可靠工作。
实现了发电设备与电焊机设备的一体化，解决了分体式设备的弊端。
图2。工作原理方框图
传统的柴油发电机组、移动电站，都有一系列的开机、关机操作步骤，操作过程相当繁琐，人工操作容易出错，造成不必要的麻烦，甚至对柴油机以及操作者造成不同程度的危害。
本文介绍的柴油驱动式焊接电源的柴油机操作简单，可靠。操作面板只设置了开机，关机，累时以及紧急停机4个按钮（操作面板如图3所示），其中通常需要操作的按钮只有开机、关机两个按钮，紧急停机只在有紧急情况出现时才使用。发动机机一旦处于运行状态，开机按钮将被封锁，避免了发动机运行时因误操作再次启动马达而损坏启动马达齿轮的情况，实现了柴油机的一键开、关机操作，操作步骤实现了最简化。
虽然柴油机的操作被彻底简化了，但柴油机的所有监控、保护都时齐全的，监控、保护都是通过内部的单片机来实现的。
面板上设置了油温、水度、油压、转速以及整机工作累时指示，便于了解柴油机的运行状况。面板上还设置了6个故障指示灯（启动、水温、油温、油压、转速、充电）和3个工作状态指示灯（电源、怠速、高速），一旦柴油机出现故障，对应的故障指示灯点亮，为检修者准确而快速的判断故障提供了依据。
图3。柴油机操作面板
3．微控制器（MCU）控制系统
我们使用的单片微控制器具有多通道12位A/D转换器， 全集成的12位数据采集系统，它在单个芯片内包含了高性能的自校准多通道ADC和两个12位DAC及8位与8051兼容的CPU，单片微控制器本身带有8KB的闪速/电檫除程序存储器、640B的闪速/电檫除数据存储器、256B数据SRAM（支持可编程）。另外，MCU还支持看门狗定时器、电源监视器以及ADC等DMA功能。同时它还为多处理器接口和I/O扩展提供32条可编程的I/O线、I2C兼容的SPI和标准UART串行端口I/O。
它的CPU内核和模拟转换器均有正常、空闲以及掉电工作模式，可提供适合于低功耗应用的灵活的电源管理方案，因此，采用此单片机非常方便，省去了A/D以及储存器的扩展。
单片微控制器控制系统如图4所示。
图4。单片微控制器控制系统
控制系统共有4个模拟量输入，分别时时检测柴油机的冷却液温度，机油温度，机油压力和柴油机的转速，一旦任何一个量超过单片机的设定保护值，单片机立即采取保护措施，对柴油机作保护。
控制系统共有3个开关量输入，分别是开机按钮、停机按钮和累时按钮。开机按钮只在柴油机静止时有效，一旦柴油机运行，开机按钮便失去作用，避免误操作；整个系统的显示包括了转速显示、冷却液温度显示、机油油温显示、机油油压显示以及3个运行状态指示灯（电源、怠速、高速），通过这些显示，可以方便的观察柴油机的运行情况。
通过累时按钮，可以转换转速显示为累计时间，便于观察柴油机的累计运行时间，给保养柴油机提供依据。由于累计时间只是给保养提供依据，因此显示3秒后自动返回转速显示。
故障指示灯便于方便、快捷地了解任何一个故障，为排除故障提供了可靠的依据，其中包括了启动故障、水温故障、油温故障、油压故障、转速故障和充电故障。启动故障是指按下启动按钮以后，通过3次自启动柴油机，柴油机仍不能正常运转，启动故障指示灯点亮。水温故障、油温故障、油压故障、转速故障是指在整个柴油驱动式多功能焊机运行过程中，冷却液的温度、机油的温度、机油油压、转速超过设定的标准值，对应的故障指示灯点亮。通过5个继电器输出，控制柴油机的启动、停止、高速/怠速运行、焊接主电路通断电以及总电源的通断电。
4.柴油驱动式焊接电源的工作流程
柴油驱动式焊接电源的工作流程如图5所示。
4.1启动：
按下操作面板上的开机按钮，柴油机自动进入启动程序，电源指示灯亮。
一般柴油机不能长时间运转启动马达，最佳启动时间为5秒钟。然而柴油机也有可能启动失败，为此设置连续3次启动柴油机，3次启动的间隔时间为2分钟，如果3次启动都没有成功，则启动失败，启动故障指示灯亮，柴油机需要检修。
正常启动以后，所有柴油机状态检测开始工作。
由于柴油机在带负载之前，要求怠速运行一段时间，所以开始阶段柴油机以怠速运行，面板上的怠速指示灯亮，怠速运行时间根据柴油机的工艺要求可做调整。
为了保护柴油机，在怠速运行期间不允许带任何负载，所以，在怠速运行期间，主电路的电源被断开，焊接操作也不能执行，无论焊接现场有没有连接焊接负载或者人为操作，都不会对发动机造成影响。
怠速运行时间完成后，柴油机怠速/高速控制器工作，调整柴油机到高速运行状态，此过程中，对柴油机的速度进行检测，如果转速没有达到设定的要求，则对柴油机作保护。一旦达到高速稳定运行以后，高速指示灯亮，怠速指示灯熄灭，主电路通断电控制器工作，给主电路供电，焊接电源才可以进行正常焊接。
在正常运行状态中，柴油机的转速不可低于设定安全值，若超过则对柴油机做保护。
如果在运行过程中出现故障，立即保护停机，并在面板上做指示，故障指示保持时间长达半小时，适合无人执守的条件。
4.2停机：
按下前面板的关机按钮，进入停机程序，停机控制器工作。
停机控制器首先切断主电路的电源，停止焊接单元工作，然后怠速/高速控制器工作，进入停机怠速状态，高速指示灯熄灭，怠速指示灯亮，停机怠速运行完成后，停机控制器工作，直到检测到柴油机的转速为零以后，电源控制器工作，切断所有控制回路电源，柴油机停机。
在运行的过程中，一旦有紧急情况出现，面板设置有紧急停机按钮，拍下紧急停机按钮能切断所有控制回路电源，柴油机立即停机。
图5。 工作流程
5.结论
5.1本文介绍的监控系统实现了一键开、关机操作，不但具备了一般手动操作的柴油机系统所具备的特点，而且使用安全、操作方便、系统稳定。
5.2本系统具备实时监控能力，在无人执守的情况下，柴油机也能够安全可靠的运行，可广泛的运用于柴油机控制系统之中。
5.3本系统已经成功运用于熊谷公司制造的MD-500 CC/CV和MD-2×400 CC/CV焊机，经过长期的考验，证明了此系统能在恶劣的野外施工环境中长期可靠、安全地运行。
备注：此篇论文被评为二类优秀论文并收入到《中国职工焊接技术协会2008焊接技术论文集》。