焊接工作房智能通风与节能启停系统设计

摘要：焊接工作房作业时产生大量烟尘、有害气体与热量，传统通风系统存在能耗高、效率低、无法精准应对污染浓度变化等问题。本文设计焊接工作房智能通风与节能启停系统，集成传感器、智能控制器与变频风机，实现污染物浓度与环境参数的实时监测及通风设备动态调控。系统以按需通风、精准启停为核心，结合作业状态识别技术，在保障环境安全达标的同时降低能耗。

关键词：焊接工作房；智能通风；节能启停

引言

焊接作业是机械制造与钢结构加工的核心工序，焊接工作房作为集中作业区域，在各类焊接工艺实施中持续产生焊接烟尘、有害气体及热量。这些污染物若未及时排出，会危害作业人员呼吸系统健康，导致工作房内温度升高与能见度下降，影响焊接质量与作业效率。

一、系统设计原则

1.1安全性原则

系统核心目标是保障焊接工作房内污染物浓度符合相关国家标准。设计需确保传感器监测精度，当污染物浓度接近阈值时提前预警并增强通风；浓度超出阈值时启动应急通风模式，触发声光报警提醒人员采取防护措施。

1.2节能性原则

系统以按需供能为核心，避免通风设备无效运行。结合焊接作业状态与污染物浓度，动态调整风机转速或启停状态：无作业时风机低速运行或停机；作业初期浓度较低时低转速运行；浓度升高时逐步提升转速；作业结束后维持低转速通风至污染物排净，随后自动停机。

1.3可靠性原则

系统需适应焊接工作房高温、高粉尘、电磁干扰的复杂环境。传感器选用防尘、防腐、抗干扰型号；控制器与变频器采用工业级设备，具备过流、过载、过温保护功能；风机选用耐高温、耐磨的变频风机；同时设置备用电源与手动控制模式，确保自动系统故障时通风功能不中断。

二、系统硬件架构设计

2.1感知层

感知层通过部署多类型传感器，采集焊接工作房内污染物浓度、环境参数与作业状态数据，污染物浓度传感器，焊接烟尘传感器采用激光散射原理监测烟尘浓度，响应迅速；臭氧传感器与氮氧化物传感器基于电化学原理，分别监测对应气体浓度，均具备数字信号输出功能，可直接与控制层设备通信。环境参数传感器，温湿度传感器采集工作房内温度与相对湿度，温度过高影响人员舒适度与风机寿命，湿度超标易导致烟尘凝结影响传感器精度，系统结合温湿度数据辅助调整通风强度。作业状态识别设备，电流传感器检测焊接设备工作电流判断是否启动作业；人体红外传感器检测人员活动状态，两者信号联动，避免设备空载或人员非作业时系统误启动通风。

2.2控制层

控制层作为系统核心，通过智能控制器整合感知层数据，执行预设控制逻辑并向执行层下发指令，选用工业级可编程逻辑控制器作为核心控制器，具备多通道输入输出接口，可接入多路传感器信号与执行设备控制信号，内置以太网通信模块，支持与上位机、变频器实时数据交互，具备逻辑运算、定时、计数等功能，能自动判断通风模式并计算风机最优参数。配置触摸屏作为人机交互界面，安装在工作房入口处，人员可查看实时数据与设备状态，支持手动设置参数，自动系统故障时可切换至手动模式控制风机，提升操作灵活性。

2.3执行层

选用变频离心风机，适配不同面积工作房需求，与变频器配套使用，通过调整输出频率改变转速，低频率对应低转速适用于低浓度或作业间隙，高频率对应高转速适用于作业高峰或高浓度情况，具备过热、过载保护功能。在风机进风口与工作房出风口安装电动风阀，与风机联动控制，风机启动时风阀打开，停机时关闭，防止外部灰尘与冷空气进入，减少热量流失降低供暖能耗，采用防腐、耐磨材质适配工作环境。污染物浓度超标或系统故障时，控制器触发报警器，发出蜂鸣声并闪烁红色警示灯，提醒人员暂停作业、撤离或联系维修。

三、系统软件功能与控制逻辑

3.1软件功能设计

实时采集并显示感知层与执行层数据，以数字、仪表盘、趋势图等形式展示，浓度超标参数用红色标注，正常参数用绿色标注，便于快速识别异常。根据作业状态与污染物浓度双维度判断，实现通风设备动态控制，分为待机、低强度通风、中强度通风、高强度通风、应急通风五种模式，按预设逻辑调整风机转速与风阀状态。支持人员通过触摸屏修改系统参数，包括污染物阈值、风机频率、启动延迟时间、延时停机时间等，参数修改需密码验证，修改记录自动保存便于追溯。

系统异常时自动触发报警并记录故障信息，报警信息在触摸屏弹窗显示，同时启动声光报警器，故障排除后手动复位报警状态。自动记录系统运行数据，包括污染物浓度平均值、风机运行时长、通风模式切换次数、故障信息等，支持按日期查询历史数据并导出，通过数据分析优化通风参数。

3.2核心控制逻辑

电流传感器检测到焊接设备电流达到阈值且人体红外传感器检测到人员活动，判定为有作业；仅电流达标无人员或仅有人员无电流达标，均判定为无作业，避免无效通风。任意污染物浓度达到预警阈值时，控制器判断作业状态，有作业则提升风机转速，无作业则维持低强度通风；浓度达到标准阈值时，无论作业状态均提升至高强度通风；浓度超出标准阈值一定比例时，立即启动应急通风并报警。节能启停逻辑，焊接设备停止作业后，系统维持当前通风强度运行预设延时时间，期间持续监测浓度，达标则提前停机，未达标则延长通风时间；风机启动采用软启动方式，频率逐步升至目标值，停机采用软停机方式，频率逐步降至零，减少设备损伤。

四、系统安装与调试流程

4.1安装前准备

现场勘察，测量工作房面积、高度、工位数量与位置，确定传感器、风机、风阀安装点位，传感器安装在污染物易聚集区域，避免受弧光或气流干扰，风机安装在高处确保气流合理，风阀安装在管道内保证密封。设备选型核对，根据勘察结果核对传感器量程、风机风量、变频器功率适配性，多工位作业增加传感器数量确保覆盖所有工位。布线规划，规划布线路径，采用阻燃、抗干扰屏蔽线缆，传感器线缆与动力线缆分开敷设，线缆穿管保护防止损坏。

4.2设备安装

传感器安装，将污染物传感器固定在金属支架上并安装在工位上方，温湿度传感器安装在无干扰位置，电流传感器套在焊接设备电源线上，人体红外传感器安装在工位入口侧墙。控制层设备安装，控制器与变频器安装在工作房外侧配电箱内，箱内做好通风散热，触摸屏安装在入口处便于操作，声光报警器安装在顶部显眼位置。执行层设备安装，风机固定在预设基础或支架上，加装减震垫减少噪音与振动，与管道采用柔性接头连接，风阀安装在管道法兰之间确保开关灵活。

4.3系统调试

硬件调试，检查设备接线，测试传感器数据输出、控制器与触摸屏通信、风机与变频器联动，确保设备运行正常。软件调试，下载控制程序，设置参数阈值，模拟不同作业场景与浓度变化，验证系统通风模式切换与报警功能。试运行，系统调试完成后进行试运行，记录运行数据，优化控制参数与硬件位置，试运行结束后组织验收确认满足要求。

结论

焊接工作房智能通风与节能启停系统通过三层硬件架构与完善软件功能，实现污染物浓度与作业状态的精准监测及通风设备动态控制，有效解决传统通风系统痛点。系统设计遵循安全、节能、可靠、兼容原则，安装调试流程规范，应用价值显著。未来通过技术融合与设备升级，可进一步提升系统性能，为焊接工作房绿色化、智能化发展提供有力支撑，推动工业领域通风系统优化升级。

参考文献

[1]李东妹.ABB工业机器人智能焊接工作站的设计研究[J].家电维修，2025，（06）：73-75.

[2]闫明.龙门式机器人焊接工作站设计[D].哈尔滨商业大学，2025.