焊接數據的網絡監控

蘇憲東

(唐山松下產業機器有限公司，河北 唐山 063020)

焊接數據的網絡監控

蘇憲東

(唐山松下產業機器有限公司，河北 唐山 063020)

介紹了一種使用電腦監控軟件實現與焊機通信的數字通信系統，該系統由焊接電源、RS232C、RS232C－LAN轉換器、電腦組成。通過采集焊機的輸出電壓、輸出電流等數據，通過監控軟件可以實時了解到每臺焊機的工作情況，包括焊接電流、焊接電壓、短路頻率、焊接時間、報警信息等重要焊接數據；另外，在此軟件中還可以設置焊接規范的上、下限值。當焊接超出此規范時，系統會發出報警信息并記錄到電腦中，幫助使用者進行焊接質量等的有效管理。介紹了關于焊接網絡監控的應用實例。

焊接、電腦監控、網絡

0 前言

在焊接領域，無論對生產加工過程、質量評定，還是科學研究，都需要有數據的支持，焊接過程非常容易受到外界條件的影響，而且和焊接作業者本身的技能密切相關，焊接質量是關系到產品質量的關鍵因素。因此，如何有效地取得焊接過程的數據是分析焊接質量的重要依據。

在此利用現有數字化控制焊接系統硬件平臺，通過充分挖掘其接口兼容性，開發了基于串口通信的焊接數據在線采集和分析系統，通過RS232－LAN轉換器能夠進行網絡連接，為提高焊接品質和設備維護等提供了更加有力的輔助工具，并進一步證明了數字化控制焊接系統的優勢和巨大潛力。

1 網絡監控系統組成

網絡監控系統組成如圖1所示。由圖1可見，全數字電焊機和網絡電腦之間使用監控軟件，通過通信電纜進行通信，將焊接的過程參數實時地顯示并記錄在電腦中，實現焊接的網絡監控管理人員可根據監控數據對焊接質量進行分析、管理，也可對焊機的使用情況、焊工的作業情況等信息進行管理。通過網絡監控，焊機如出現報警等故障，焊機會及時將錯誤代碼發送到監控電腦，因此對公司的設備維護管理有輔助作用。

監控系統組成包括：數字焊機、監控電腦以及LAN網絡設備等，在焊接車間一般都具有公司獨立的局域網，因此焊機接入網絡非常方便，而在局域網內的所有電腦都能監控到每臺焊機的工作情況。

2 網絡監控的實現

2.1 下位機實現

工業設備一般設計有RS232或RS485接口作為通信接口，RS232的信號通過與地的電壓級別來表示，每個信號使用一個線纜，與地線進行比較。這種接口對于低速的點到點通信很有用。例如，PC上使用的用來連接鼠標或者調制解調器的串口等，一個端口接一個設備。由于RS232的信號需要地線，限制了線纜的長度，一般為30～60 m，主要針對局部的通信[1]。

RS485使用了與RS232不同的原理。每個信號使用一對雙絞線，如果把它們定為A和B，A是正電壓而B是負電壓時是活動信號，A是負電壓而B是正電壓時是不活動信號，RS485的線纜能夠達到1 200 m，提供 2.5 MB/s的傳輸速度。RS485 可以進行多點通信，可以把多個設備連接在一起，類似于以太網。大部分的RS485系統使用主/從結構，每個從設備都有自己唯一的地址，只響應針對自己的數據包，這些數據包由主設備生成[2]。

目前，工業控制用MCU都具備串行通信接口，很方便實現RS232接口，而且價格便宜。本設計也采用RS232接口，串行通信接口通信速率等均可通過控制寄存器實現。

2.2 協議轉換器

為實現網絡化，每臺焊機必須具有LAN接口和獨立的IP地址，因焊機的控制板本身不具有此功能，為實現擴展功能，選擇串口以太網協議轉換器可以將傳統的RS－232設備轉換成具有以太網接口的設備，并連接到以太網網絡上。

目前，工業設備普遍采用串口以太網協議轉換器的方式接入網絡[3]，而且，串口以太網協議轉換器有效隔離焊機和LAN網絡，這樣能夠有效地保障網絡不受焊機的電磁干擾，同時防止網絡破壞型病毒對網絡端口的攻擊，保障焊機的運行安全性。

串口以太網協議轉換器支持 TCP/IP、UDP、ARP、ICMP、TELNET等協議。多種流量控制方式，軟流量控制 XON/XOFF，硬流量控制 RTS/CTS，DTR/DSR。串口數據多種分段方式：1 460字節限定/數據定界符/超時發送。電源起動后，可以自動進行網絡連接。串口狀態線變化時，能夠智能地進行網絡連接和關閉。輸入/輸出緩沖采用大容量的環形緩沖區機制，保證產品的全雙工通信。支持虛擬串口功能(適用于Win2000/XP)。

(1)從CA－100XPF建立連接。

從CA－100XPF建立TCP/IP連接有三種方法：從終端機器發送OPEN命令到串行信道中；從終端機器通過控制線的控制連接(DTR＝O或者CD＝nn的設定)；接通CA－100XPF電源后，系統自動連接(PW＝nnT的設定)。

根據上述連接開設要求，CA－100XPF發送SYN包(連接要求包)，按順序執行開設要求。此時，沒有取到對方以太網地址時，發送ARP請求得到，再發送SYN。

(2)從對方機器建立連接。

從對方機器接收SYN包時，執行開設程序。不管是什么方法，連接成功時，通過信息或者控制線來通知連接成功，使系統變成數據通信狀態。CA－100XPF已經是建立連接時，不能接受其他通信對方機器的連接請求。此時，CA－100XPF發送連接拒絕信息給要求連接的機器。

(3)從CA－100XPF斷開連接。

從CA－100XPF結束TCP/IP連接有兩種方法：從終端機器發送QUIT命令到串行信道；從終端機器通過控制線來控制結束(DTR＝O的設定時)。

CA－100XPF發送FIN包(斷開請求包)，執行斷開連接程序。正確執行斷開程序后，變為時間等待狀態。時間等待是最后發行的完全減弱為止的時間，取決于網絡回路的硬件要素。此時間內，不能把SYN(連接要求)發送到相同對方。

(4)從終端機器斷開連接。

從對方機器接受FIN包時，也執行斷開程序。并且從對方機器接受RST包(強制結束包)時，也斷開連接。不管以何種方法斷開連接時，都會通過信息或者控制線來通知連接變為等待連接狀態。CA－100XPF數據重送的超時以及送FIN包重送超時的時候，會發送RST包，變為等待連接狀態。

(5)數據的傳送。

CA－100XPF處于TCP/IP連接狀態時，串行信道接收除命令以外，其他數據都將封裝為TCP/IP數據包來發送。TCP/IP接收數據包，把數據部分發送到串行信道中。數據傳送時，因某些原因包的互換發生異常時，更改發送者的發送間隔來進行重新發送。當超過重新發送次數的設定值，也無法恢復到正常時，發送RST包，強制斷開。

3 上位機數據分析系統

3.1 開發說明

本研究借助C＃.net開發工具，開發了上位機的焊接數據采集分析系統，該系統主要包括三大功能：(1)在下位機配合下將采集傳送上來的數據存儲到磁盤中；(2)焊接數據分析輔助系統一般分析功能模塊的實現，如焊接電流、焊接電壓的波形圖，超出規定焊接規范的焊接點等。(3)圖形化直觀顯示和輸出電壓、電流分析結果等數據曲線。

下面分別對該系統的實現機理進行闡述。

MSComm(Microsoft Communications Control)是Microsoft公司提供的簡化Windows下串行通信編程的ActiveX控件，它為應用程序提供了通過串行接口收發數據的簡便方法。MSComm控件通過串行端口傳輸和接收數據，為應用程序提供串行通信功能。MSComm控件在串口編程時非常方便，程序員不必花時間去了解較為復雜的API函數，而且在VC、VB、Delphi等語言中均可使用。MSComm控件提供兩種處理通信的方式：事件驅動方式(Event－driven)和查詢方式。

(1)事件驅動方式：事件驅動通信是處理串行端口交互作用的一種非常有效的方法。在許多情況下，在事件發生時需要得到通知，如在串口接收緩沖區中有字符，可以利用MSComm控件的OnComm事件捕獲并處理這些通信事件，OnComm事件還可以檢查和處理通信錯誤。在編程過程中，就可以在OnComm事件處理函數中加入自己的處理代碼。這種方法的優點是程序響應及時，可靠性高，在此即采用了這種方式，主要處理OnComm事件接收緩沖區數據和出錯后清理緩沖區事件。

(2)查詢方式：查詢方式實質上還是事件驅動，但在有些情況下，這種方式顯得更為便捷。在程序的每個關鍵功能之后，可以通過檢查CommEvent屬性的值來查詢事件和錯誤。如果應用程序較小，并且是自保持的，這種方法更可取，而本研究的數據傳輸量大，所以沒有采用這種方式。

3.2 上位機連續采樣存儲控制流程

整個數據采樣過程受控于上位機，上位機可以靈活控制采樣過程，可以只進行一次連續采樣，測試通信是否正常，可以根據實際需要設置定時間隔連續自動采樣。本研究根據每次連續采樣 0.1～1.0 s，使用戶能夠集中精力觀察和控制焊接過程，上位機將自動進行采樣和存儲，使在進行焊接試驗的同時進行觀察成為可能。對于上位機的數據存儲問題，本研究將其按照采樣順序，依次連續存儲采樣點的電壓、電流等焊接相關數據，最后存儲采樣過程中其他控制相關信息的固定約定格式存入此次連續采樣文件中，文件名命名就是此次采樣傳輸的結束時間自動生成，即文件名格式 XXXX(年)－XX(月)－XX(日)－XX(時)－XX(分)－XX(秒)，這樣就避免了在自動間隔采樣過程中的文件覆蓋問題，因為每次連續采樣的時間間隔都超過0.1 s，這樣在海量數據存儲時也不會出現文件名重復而造成數據丟失的問題。同時為該數據文件指定特定文件名后綴，并建立該文件與采樣分析軟件的打開關聯，只需雙擊該數據文件則自動調用開發的數據分析系統進行讀取數據和分析顯示，方便用戶使用。

3.3 圖形化顯示

采樣上傳到上位機的數據除了存儲以備分析使用外，最重要的一個方面就是圖形化顯示和輸出，直觀地觀察波形和分析結果。目前市場上在Windows平臺比較成熟的圖形組件產品有MsChart、TeeChart、ProEss entials等，通過比較和應用，ProEssentials功能強大、性能好、運行穩定、使用簡單，本研究使用了獨立開發的波形分析器軟件DA。

DA組件的核心以DLL的形式發布，可以工作在單機和服務器環境中，提供DLL、ActiveX、VCL、WinForm、WebForm開發接口，能夠在Windows平臺上的多種開發環境下使用。使用時只需在程序中引用該組件頭文件即可調用，編程時設置好在程序主界面上的顯示區域(見圖2)，并給對應子坐標曲線賦值，圖形即可自動顯示在指定的區域。該軟件具有支持海量數據顯示、實時數據快速顯示、多子圖顯示、多樣式圖形顯示、多曲線混合標識區別顯示等眾多圖形控件優點；該控件可以自由選取區域放大顯示局部圖形，這對觀察分析波形細節有重要意義，實現了一般示波器沒有的任意局部圖形放大功能；還具有運算顯示快速、占用CPU資源少等特點，非常適合于實時圖形顯示；還支持圖形導出以及打印輸出。

利用波形分析器軟件DA可以對焊接作業進行有效地分析，特別是對長焊縫的品質分析非常有幫助。數據分析器的應用實例如圖3所示。

3.4 統計分析

圖2 監控軟件界面

圖3 數據分析器的應用實例

由于采樣分析系統能夠連續采集0.2s的焊接過程數據，該采樣頻率能反映出焊接過程的主要信息，根據此數據信息能夠分析是否影響焊接質量。但是對于脈沖焊接，不能完全反映脈沖波形全過程，因此本研究進一步開發了對焊接過程數據的統計分析功能模塊，以對反映焊接過程的主要特征信息進行統計分析。

因焊接時產生大量數據信息，開發的統計分析軟件能夠在短時間內了解整個焊接過程。采用VB6.0進行開發，VB和EXCEL同為微軟公司產品，因此兩者有很好的集成性能，用VB很容易開發讀取EXCEL文件數據的功能。

統計報表數據如圖4所示，可以得出某臺焊接設備在某一時段內的焊接情況：焊接電流、焊接電壓、焊接時間、報警次數以及切換的焊接規范次數等具體信息，通過統計信息的內容可分析焊接工件的質量情況；也可根據統計信息對焊接工件進行針對性地探傷檢驗等，還可以了解掌握焊工的實際工作時間等，為安排生產提供數據參考。

4 現場應用

圖5為某公司煤機生產企業的網絡監控應用實例。該公司主要生產煤礦設備，產品質量關系到人的生命安全，因此公司制定了產品的焊接作業規范要求，但焊接工人往往超規范焊接作業，導致產品質量不能得到有效控制。應用了網絡監控功能后，直接記錄整個焊接作業過程的數據，為產品的質量控制提供了依據。

此外，焊機安裝了聲光報警指示器，當焊接超出規定范圍時，報警器會進行聲光報警，從而提示焊接工人規范焊接作業。

圖4 統計報表圖

圖5 現場事例

5 結論

(1)實現了上位機采樣分析系統對整個焊接采樣系統的有效管理，將采樣、傳輸、存儲、圖形化顯示等過程有序配合，實現了采樣系統的自動調控。

(2)充分發揮上位機運算優勢，開發了電弧數據分析模塊，能對焊接過程中的電弧微觀、宏觀信息和特征信息等進行有效分析，并可借助第三方數學工具進一步深入挖掘所采集數據中包含的有價值的電弧信息，上位機分析系統可有力地輔助解決焊接過程中的種種問題。

利用現有平臺與上位機的通信功能，將焊接過程數據采集傳送到上位PC機后，為焊接過程的跟蹤、監控、分析等方法提供了新的平臺和基礎，將進一步擴展對焊接過程的認識，改善對焊接過程的控制手段和方法，進一步擴展和開發數字化焊接系統的功能，是數字化控制系統開發的優秀輔助工具。

[1]曹志錦，王永梁.基于RS－485的多機串行通信實驗系統設計及應用[J].實驗技術與管理，2001，1(5)：9－15.

[2]鄔寬明.CAN總線原理和應用系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2001.

[3]王 悅.基于RS－485/MODBUS的特種焊機通信系統[J].電焊機，2008，38(5)：1－5.

Research on inspect system of welding data

SU Xian-dong
(Panasonic，Welding System(Tangshan)Co.，Ltd.，Tangshan 063020，China)

A set of inspect system controlled by computer is established，The system is based on welding power，RS232C，RS232C－LAN and computer.By this way,the welding data as welding current，welding voltage，welding times is memorize in the computer.Based those memorized data，it is easy to analyze welding process，and it is helpful to improve weld quality.Some examples about welding data inspected are introduced.

welding；inspect system controlled by computer；intranet

TG409

A

1001－2303(2011)03－0020－04

2009－11－19；

2010－11－16

蘇憲東(1973—)，男，河北唐山人，工程師，碩士，主要從事電焊機的設計工作。