智能焊接裝備物聯網平臺的研究與設計

張志鑫，張波，胡德計

（天津商業大學信息工程學院，天津300134）

1 引言

焊接裝備是制造業的重要組成部分，廣泛應用于航空航天、汽車、石化、機械加工、家電制造等行業。在焊接生產中焊接過程的工藝參數控制直接影響到焊接質量的好壞。在傳統應用中，焊接質量是通過穩定焊接工藝參數和焊后檢驗來保證的，由于焊接過程存在大量隨機影響因素，僅通過穩定工藝參數無法完全避免焊接缺陷的產生，實時性差，不能及時發現焊接缺陷，有缺陷的接頭只能返修或報廢。特別對于大量使用電阻焊的場合，亟待解決點焊缺陷在線識別和質量分類等問題，以便減少目前采用的焊后探傷和破壞性抽檢，提高生產率、降低成本。

隨著測量技術的進步以及計算機處理能力的提高，焊接過程動態信號特征采集與顯示受到了焊接行業的重視。采集焊接過程記錄信息并加以分析逐步成為焊接質量控制的一種有力手段。這些記錄數據和焊接過程密切相關，比較重要的參數包括焊接電流、焊接時間、焊接壓力、動態電阻、能量等。這些參數能夠反映焊接過程的完整性及合理性，同時也能反映影響焊接質量的各種因素的變化情況，如母材與電極表面狀態、臨近焊點的分流、散熱情況、電極電壓波動等。截至當前，國內外新型控制器基本具備了焊接過程數據采集和設備控制能力，但控制系統難以實現系統與外界之間的信息交換，是一個“信息孤島”。

2 國內外研究現狀及發展趨勢

近年來制造業對其技術數據共享的要求與日俱增。在焊接方案設計與評定，工藝參數選擇等過程中，工程師們必定要查詢大量的焊接數據和焊接標準，雖然國內在幾十年的生產實踐活動中積累了大量的焊接技術數據，但由于沒有統一的處理與分享機制，導致其形式各異，再加上區域限制，一定程度上阻礙了信息的傳播與共享。要滿足焊接控制器數字信息化要求，實現整個企業，甚至是企業之間的信息集成與共享，形成綜合焊接數據網絡，需要設計出一種能夠在工業環境中運行，性能可靠、造價合理的通信系統構成工廠底層網絡。

目前，國內外焊接工作者在焊接生產過程管理信息化方面做了大量研究，例如阻焊焊工技術檔案管理系統、電阻焊焊接工藝專家系統、電阻焊焊接工藝定制系統等，但這些研究還主要集中于獨立焊機或車間的生產管理與決策，離焊接裝備的網絡化還有一定距離，“信息孤島”仍然限制了焊接數據發揮價值。

能否依托互聯網、物聯網技術，通過縱向貫通，橫向集成的思路，整合各個“信息孤島”，構成電阻焊焊接數據綜合數據庫，實現數據挖掘、信息共享，輔助分析等目標，為焊接工藝優化、焊接質量控制以及焊接工藝標準制定提供大數據支撐；同時與企業現有的網絡信息系統無縫連接，最終實現海量焊接數據收集、分析、追溯和工藝的網絡化管理監控；通過PC、移動終端等設備對數據及分析結果快速查看，提高焊接質量控制和焊接制造過程的敏捷性等均成為市場的迫切需求。

3 平臺總體設計

智能焊接裝備物聯網平臺的建設目標是運用物聯網、互聯網技術，將焊機等生產設施接入網絡，構建基于云數據管理的網絡化物理設備系統，進而使生產設備能夠將工作信息、記錄等通過網絡信息平臺產生延伸價值。加快生產制造實時數據信息的感知、傳送和分析，促進生產資源的優化配置。同時，利用互聯網的廣域性和PC及移動終端性能的提升，維護人員在異地就能實時了解千里之外焊接控制器現場情況，有助于合理制定檢修計劃，大幅節約運維資金。

智能焊接裝備物聯網平臺系統結構分為三層：焊接站點控制接入層、應用服務提供層和數據服務層。

①焊接站點控制接入層。焊接站點控制接入層由智能焊接裝備智能聯網控制器、焊接控制系統和焊接機器人組成。智能焊接裝備智能聯網控制器是焊接站點控制接入層的核心，負責焊接站點工作數據的采集、傳輸到云端和云端遠程控制指令的執行。控制器通過內置的可擴展的工控協議庫和焊接控制系統通訊，可以實現不同類型焊接裝備控制系統的接入。同時聯網控制器提供多種物聯網通訊協議如TCP/IP、WIFI和4G/3G等將數據傳入云端數據服務器，并可接受來自云端的控制指令，實現對焊接工作站的雙向控制。②應用服務層。應用服務層是基于云端的焊接裝備管理控制系統，將提供基于平臺網站的瀏覽器管理、基于PC的桌面應用程序、基于移動WebAPP的管理控制方式，實現多種形式的焊接裝備數據表現和管理控制。③數據服務層。數據服務層包括智能焊接裝備數據池和基于數據資源的應用服務兩部分。其中焊接裝備數據池的數據模型由焊接裝備的基礎數據、狀態數據、生產數據和決策數據構成；應用服務包括大數據分析、數據挖掘、決策支持和數據增值服務等。

4 平臺研發技術

平臺研發主要包括智能聯網控制器和焊接裝備物聯網平臺兩大部分，涉及到了硬件系統、嵌入式軟件、云端應用軟件等多個系統，其中：

4.1 智能聯網控制器

智能聯網控制器是整個智能焊接裝備物聯網平臺的前端采集模塊，主要負責與焊接設備控制系統通訊，采集焊接設備工作狀態信息和數據，并通過有線或無線網絡發送到物聯平臺，同時通過物聯網平臺接收各類控制指令，通過設備控制系統控制焊接設備的運行。聯網控制器由STM32 F407單片機核心系統，電源模塊，外圍控制模塊，數據采集模塊，通訊模塊構成。其硬件基本構成如圖1所示：

圖1 —智能聯網控制器硬件系統結構圖

各模塊主要部分的功能如下：主控機核心單片機，主要負責接收焊接設備異常工作的報警信號，進行數據分析、處理，控制網絡通信模塊向平臺發送信息。單片機和通信模塊之間通過RS485進行雙向通信。通信模塊負責向平臺發送工作狀態數據和發送報警信息，并接收平臺對單片機的控制信息；數據采集模塊：主要由模擬電路、電流變送器、電壓變送器以及霍爾電壓傳感器、電流傳感器等構成，完成焊接電壓、電流等參數的檢測，并將獲得的數據傳輸給單片機控制系統；外圍控制模塊即繼電保護模塊，當單片機發出決策指令后，該模塊的繼電器和斷路器等完成弱電控制強電的工作。

4.2 焊接裝備物聯網平臺

焊接裝備物聯網平臺分為三個層次來實現：控制接入層、應用服務提供層和數據服務層。其中控制接入層負責智能聯網控制器的通訊協議解析和數據傳輸；應用服務提供層提供數據處理邏輯、數據表現和數據應用；接入層通過應用服務提供層和數據服務層通訊，是焊接設備工作數據和控制數據的處理層；數據服務層是實現監控和報警數據的存儲、管理的工作，為整個系統提供數據支持服務。應用服務器采用基于Pascal語言的Delphi7開發工具來實現，主要實現焊接裝備管理、焊接規范管理、焊接裝備狀態監控、焊接數據統計分析、歷史數據曲線重現、焊機故障實時提醒等功能。后臺數據庫采用MYSQL數據庫，主要存儲記錄焊接設備、焊接記錄、焊接時間、焊接電流、焊接電壓、報警閾值等信息。

整個采用B/S訪問結構，訪問前端采用HTML5技術研發實現，HTML5具有良好的跨平臺、自適應的良好特性，保證用戶可以同時使用PC瀏覽器、安卓手機和蘋果手機等多種終端訪問焊接裝備物聯網平臺。

5 結語

本研究通過智能聯網控制器實現離散分布焊接工作站的互聯互通，并可進行遠程控制、多機協同，自主生產、單點焊接規范智能匹配、生產質量的實時監控和調節等主動生產行為。同時，逐步形成包含焊接生產過程基礎數據、狀態數據和生產數據的數據池，未來可借助數據挖掘、人工智能等技術對焊接大數據進行決策分析，為焊接生產過程提供決策支持和數據服務。通過引入互聯網元素，促進傳統焊接企業向互聯網+焊接轉型。