大電流隔離開關(guān)靜觸頭銅與銅自動焊接系統(tǒng)設(shè)計

吳宇帆，江世程，談健博，王健飛，張 國，管功湖

（臺州學院 電子與信息工程學院，浙江 臨海 317000）

0 引言

隔離開關(guān)是輸配電系統(tǒng)中重要的開關(guān)電器，國家標準GB/T 14048.3-2017和GB 1985—2014分別給出了低壓隔離開關(guān)和高壓隔離開關(guān)的技術(shù)規(guī)范，指出隔離開關(guān)是主要用來接通和分斷電流，隔離電源，保證檢修裝置時工作的安全。隔離開關(guān)一般和斷路器配合使用，在電路斷開的情況下進行分合閘操作，分閘后形成明顯的電路斷開點。隔離開關(guān)沒有使用專門的滅弧裝置，不能開斷負荷電流和短路電流。隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單，但在輸配電系統(tǒng)中使用量大。隨著國內(nèi)外輸配電系統(tǒng)不斷朝著高壓和特高壓方向推進，隔離開關(guān)技術(shù)也隨之不斷發(fā)展，出現(xiàn)多種不同結(jié)構(gòu)類型的隔離開關(guān)［1］，按動作方式分類有閘刀式、旋轉(zhuǎn)式［2］和插入式［3］等，其中閘刀式隔離開關(guān)應(yīng)用最為普遍，如低壓隔離開關(guān)的HD型單擲刀開關(guān)、HS型雙擲刀開關(guān)和GN19系列戶內(nèi)高壓隔離開關(guān)。

靜觸頭是大電流隔離開關(guān)的關(guān)鍵導(dǎo)電部件，采用T2紫銅材料加工而成［4］。靜觸頭的加工工藝有焊接、鉚接和成型觸頭等，使用焊接方法可簡化加工工藝，降低生產(chǎn)成本，減少接觸電阻。文獻［5］公開了一種開啟式刀開關(guān)，靜觸頭和接線銅板垂直鉚合，然后在底部鉚合處進行表面焊接。T2紫銅熔點高，導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性好，焊接難度大，主要焊接方法有氣焊、碳弧焊、等離子弧焊、氬弧焊、摩擦焊和激光焊等［6?9］。適合本項目的是碳弧焊接方法，碳弧能量集中，焊接高效，可快速熔化紫銅表面。實際生產(chǎn)時人工操作碳弧焊，并持續(xù)工作在高熱量、強弧光的惡劣環(huán)境中，存在勞動強度大、生產(chǎn)效率低等問題。自動化、數(shù)字化和智能化是制造業(yè)的發(fā)展方向，PLC控制技術(shù)日益完備與成熟，在自動焊接設(shè)備中也得到了廣泛應(yīng)用［10］。根據(jù)靜觸頭銅與銅焊接工藝要求，本文針對人工碳弧焊存在的問題，設(shè)計靜觸頭的自動焊接PLC控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)同時具備排煙、水冷、故障自動報警等功能。

1 隔離開關(guān)靜觸頭組成

1.1 隔離開關(guān)組成

隔離開關(guān)的組成如圖1所示，其中圖1（a）是GN19系列的高壓隔離開關(guān)組成，主要包括動觸頭、靜觸頭、支柱絕緣子、拉桿絕緣子和操作機構(gòu)等。圖1（b）是HD型單擲刀開關(guān)組成，主要包括動觸頭、靜觸頭、絕緣底座和操作機構(gòu)等。通過操作機構(gòu)可使動觸頭和靜觸頭接通和分斷，隔離開關(guān)動觸頭與靜觸頭之間主要有點、線和面等接觸方式。

圖1 隔離開關(guān)組成

1.2 靜觸頭組成

靜觸頭的制作工藝主要有焊接、鉚接和成型觸頭等。其中成型觸頭是由制造廠家根據(jù)觸頭尺寸把T2紫銅壓鑄成T形長材，然后生產(chǎn)者購買成型觸頭，加工成靜觸頭。成型觸頭各項性能比較好，是觸頭的發(fā)展趨勢，但材料成本高。而焊接觸頭成本低，可簡化加工工藝，且不同尺寸的觸頭可靈活生產(chǎn)。

焊接觸頭的組成如圖2所示，采用T2紫銅加工而成，然后進行鍍錫或鍍銀處理。靜觸頭制作時先把導(dǎo)電銅板與接線銅板加工成榫頭和榫孔，進行垂直鉚合，然后在底部鉚合處進行表面焊接加固，減少接觸電阻。焊接方法使用碳弧焊接，即采用大功率的埋弧焊電源，引燃碳棒，利用碳弧熔化紫銅材料進行焊接。

圖2 靜觸頭組成

2 主電路設(shè)計

要實現(xiàn)大電流隔離開關(guān)靜觸頭的自動焊接，首先要充分研究銅與銅碳弧焊接工藝要求，然后設(shè)計碳棒自動送棒機構(gòu)和焊鉗冷卻機構(gòu)，實現(xiàn)碳棒自動引弧和燃弧控制。設(shè)計自動焊接運動機構(gòu)，以及工件的送料機構(gòu)，工件焊接在一個封閉空間內(nèi)進行，防止強弧光和高熱量輻射，同時需設(shè)計排煙系統(tǒng)。

主電路組成如圖3所示。焊接電源采用埋弧焊電源MZ-1250，空載電壓為70 V，最大焊接電流為1250 A。正極通過焊鉗連接碳棒，負極連接工件。碳棒直徑為Φ12 mm，每根長度為350 mm，碳棒能夠串接，由滾輪實現(xiàn)連續(xù)進給。焊接電源的電壓和電流反饋由A/D模塊轉(zhuǎn)換后，送給PLC控制器。設(shè)備工作時，先由碳棒進給步進電機帶動滾輪送進一定長度的碳棒，然后焊鉗夾緊碳棒。接著Z軸步進電機帶動碳棒前進，接觸工件進行短路引弧，引弧成功后，Z軸步進電機帶動碳棒后退，保持碳弧穩(wěn)定燃燒，同時X軸步進電機按指定方向運動，R軸步進電機帶動碳棒左右擺弧，根據(jù)工件的焊接尺寸完成焊接。當一個工件焊接完成后，按圖示箭頭方向送進下一個工件。

圖3 主電路組成

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 PLC控制系統(tǒng)組成

根據(jù)靜觸頭銅與銅碳弧焊接工藝要求，設(shè)計的PLC控制系統(tǒng)如圖4所示。系統(tǒng)采用觸摸屏作為人機界面，運動控制使用步進系統(tǒng)，包括X軸、Z軸、R軸和碳棒進給；通過A/D模塊完成焊接電源的電壓和電流反饋；設(shè)置啟/停、調(diào)試/焊接等功能開關(guān)；通過氣閥控制氣缸完成焊鉗夾緊碳棒和工件上料；通過繼電器控制焊接電源、風機、水泵的通斷，完成硼砂的添加，硼砂在焊接時可凈化焊接表面，增加流動性。

圖4 控制系統(tǒng)組成原理圖

系統(tǒng)具有自動焊接、手動焊接、故障自動報警等功能。上電開機后，設(shè)備會自動回原點。其工作流程為：送靜觸頭→加硼砂→送碳棒引弧→燃弧控制與碳棒運動控制→完成焊接。當完成一個工件的焊接后，自動送入新的工件進行焊接，循環(huán)往復(fù)，直至收到停止指令再停機。

3.2 控制元件選擇與I/O端口分配

控制元件選擇時，充分考慮PLC控制系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性，綜合考慮性價比。主要控制元件的選擇如下：選用信捷PLC XC5-32RT-E，它支持4軸脈沖輸出；觸摸屏采用7吋的TG765-MT；A/D轉(zhuǎn)換擴展模塊為XC-E4AD-H，能提供4路A/D轉(zhuǎn)換；步進電機采用57系列，驅(qū)動器采用DM556。根據(jù)信捷PLC XC5-32RT-E提供的硬件資源，結(jié)合控制系統(tǒng)組成原理圖，確定的I/O端口分配如表1所示。

表1 I/O端口分配表

4 PLC控制軟件設(shè)計

4.1 人機界面設(shè)計

根據(jù)信捷觸摸屏TG765-MT用戶手冊，利用編輯軟件TouchWin進行人機界面設(shè)計，其中用到的按鈕和指示燈須事先分配相應(yīng)的中間軟元件，選用范圍為M0～M3999。輸入數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)須分配相應(yīng)的存儲單元，信捷PLC的存儲單元D4000～D7999斷電后數(shù)據(jù)是不丟失的，而D0～D3999斷電后不能保存數(shù)據(jù)，可存放中間數(shù)據(jù)。

主要人機界面包括主控界面、X軸設(shè)置界面、Z軸設(shè)置界面、R軸設(shè)置界面和碳棒進給設(shè)置界面。其中主控界面如圖5所示。主控界面中設(shè)有“總焊接量”和“已焊接量”數(shù)據(jù)顯示，方便統(tǒng)計工件焊接數(shù)量；設(shè)置“加硼砂”“進工件”“焊接”和“回原點”四個按鈕，可實現(xiàn)手動控制；設(shè)置“啟動”和“停止”按鈕，可實現(xiàn)自動控制，同時設(shè)置報警指示。

圖5 主控界面

4.2 PID控制與參數(shù)設(shè)置

靜觸頭自動焊接系統(tǒng)在引弧成功后，只有維持碳弧穩(wěn)定燃燒，即保持焊接電流穩(wěn)定，才能確保焊接質(zhì)量。碳棒在連續(xù)焊接過程中會逐步消耗變短，為了保持焊接電流穩(wěn)定，可引入電流負反饋，采用數(shù)字PID控制［11］和模糊PID控制［12］等方法。由于被控對象的不確定性，建模困難，采取位置式數(shù)字PID控制算法，和信捷PLC提供的PID控制指令保持一致，模擬PID控制算法表達式為：

式（1）中，e(t)為偏差，e(t)=r(t)?c(t)，r(t)為給定值，c(t)為實際輸出值，u(t)為控制量。Kp、Ti、Td分別是比例系數(shù)、積分時間系數(shù)、微分時間系數(shù)。

對式（1）進行離散化處理得到位置式數(shù)字PID控制算法，其k采樣時刻的數(shù)字PID表達式為：

式（2）中，T為采樣周期，k為采樣序號，k=1,2,……。e(k)和e(k?1)是第k和第k?1時刻的偏差值。

A/D轉(zhuǎn)換擴展模塊XC-E4AD-H可提供4通道模擬量輸入，14位的高精度模擬量輸出，本系統(tǒng)中采用兩路電壓輸入0～5 V方式，用于焊接電壓和電流的模擬量輸入，其中焊接電壓作為引弧成功與否和斷弧的判斷依據(jù)。霍爾電流傳感器采用電焊機專用的1250 A開環(huán)式傳感器，電源電壓采用+24 V，輸入電流范圍0～1250 A，輸出電壓范圍0～4 V，然后通過A/D轉(zhuǎn)換擴展模塊獲取焊接電流的反饋值，進行PID運算后，調(diào)節(jié)控制Z軸碳棒步進電機的進給量，以達到碳弧燃燒的穩(wěn)定性。

信捷PLC XC5-32RT-E提供PID控制指令，其格式為：PID D200 D210 D4100 D300，其中D200存放的是給定的電流值，D210存放的是實際的電流測定值，D4100存放的是PID控制參數(shù)，D300存放的是PID運算結(jié)果。把D300中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Z軸碳棒的進給量，從而調(diào)整焊接電流，維持燃弧穩(wěn)定。信捷PLC XC5-32RT-E提供手動PID和自整定PID兩種參數(shù)設(shè)置方式。根據(jù)工程經(jīng)驗，采樣周期選擇1000 ms，采用臨界振蕩法，先自整定PID參數(shù)，接著用手動方法微調(diào)PID參數(shù)，在控制系統(tǒng)中逐步試驗，確定最佳的PID參數(shù)。

4.3 梯形圖設(shè)計

PLC采用掃描技術(shù)，一個掃描周期包括輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。使用梯形圖設(shè)計用戶程序，信捷PLC提供流程控制指令，可實現(xiàn)模塊化程序設(shè)計。設(shè)計的流程主要包括回原點流程S0、手動流程S1、自動流程S2、PID控制流程S3等，控制程序的主流程圖如圖6所示。

圖6 控制程序的主流程圖

首先，開始上電初始化；接著，控制X軸、Z軸和R軸步進電機自動回原點；然后觸摸屏顯示主控界面。當直接按下“啟動”按鈕時，進入自動流程S2。當觸摸屏中的手動按鈕按下時，進入手動流程S1。同時在運行過程中設(shè)置了故障自動報警，如回原點故障、引弧故障、送工件故障等。

5 試驗

靜觸頭自動焊接系統(tǒng)通過反復(fù)調(diào)試和完善后，焊接試驗時，采用埋弧焊電源MZ-1250，空載電壓70 V，最大焊接電流為1250 A。碳棒直徑為Φ12 mm，長度為350 mm，焊接的樣品如圖7所示。

圖7 焊接后的靜觸頭

靜觸頭預(yù)先加工的榫頭和榫孔連接處完全熔合，焊接處沒有凸起，低于安裝平面，不需要人工打磨，表明焊接的靜觸頭能夠滿足實際生產(chǎn)的要求。

6 結(jié)語

靜觸頭自動焊接系統(tǒng)改善了高熱量、強弧光的惡劣工作環(huán)境，進一步提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。但在大電流碳弧的高溫燒灼下，靜觸頭紫銅材料很容易造成退火，可尋求摩擦焊或成型觸頭等加工工藝，相應(yīng)的生產(chǎn)成本會有所提高。