基于焊接設備的實時監測與數據分析系統設計

摘 要：隨著互聯網設備的快速發展，全球的數據量正以驚人的速度增長，對當今和未來的科技、經濟發展以及社會生產、生活帶來重大影響。焊接是工業生產的一種關鍵工藝，焊接設備的智能控制和數據記錄更是國內外焊接專業科研工作者的研究熱點。隨著工業4.0時代的到來，開發智能化的焊接參數采集終端、利用網絡技術實時傳輸焊接過程參數，并通過大數據分析手段，建立基于焊接設備的實時監測與數據分析系統，實現對焊接作業的全過程監控與分析，對工程項目焊接設備運行數據進行分析，精確掌握焊接資源投入、精確把控焊接人工時、提高焊接工效、提升項目管理水平，對于提升企業經濟效益具有較高的價值。

關鍵詞：焊接監測；大數據；焊接電源

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）11-0163-03

Design of Real-time Monitoring and Data Analysis System Based on Welding Equipment

YUAN Haiwu，CHENG Dingfu，CHEN Jinqiang

（China Nuclear Industry Fifth Construction Co.，Ltd.，Shanghai 201500，China）

Abstract：With the rapid development of internet equipment has led to a dramatic increase in the global data volume，which has a great impact on the development of science and technology，economy，social production and life in the future and in the future. Welding is a key process in industrial production. Intelligent control and data recording of welding equipment is a research hotspot of welding professional researchers at home and abroad. With the arrival of industrial 4.0，intelligent welding parameter collection terminal is developed，and network technology is used to transmit welding parameters in real time. By means of large data analysis，a real-time monitoring and data analysis system based on welding equipment is established to realize the monitoring and analysis of the whole process of the welding operation and welding of the project. The operation data of the equipment is analyzed，the input of the welding resources，the precision welding time，the welding efficiency and the management level of the project are improved，which has high value for the promotion of the economic benefit of the enterprise.

Keywords：welding monitoring；big data；welding power supply

1 項目焊接管理中存在的問題

焊接作為一種特殊工藝過程，在建筑安裝企業的生產過程中發揮著關鍵性作用，但是在目前的項目焊接管理中還存在如下問題。

1.1 焊接功效缺乏有效數據進行統計分析

目前的焊接生產普遍缺乏統計分析、數據追溯、定期報表等手段，導致現代管理理念在焊接生產中難以推廣。

焊接效率不高的原因在于沒有對大量數據進行統計和分析，導致項目整體管理水平難以得到提高。焊接施工在設備和人員的調配、焊接工時的指定等方面都僅僅靠簡單的通用項目管理系統和管理人員的經驗來管理，對于設備的利用率缺乏準確的數據統計和分析，對于焊接工時的制定缺乏科學量化的依據。事實上，除了焊接操作人員本身的工作效率以外，焊接工效往往會受到組對、焊前坡口清理、焊前預熱、零部件的到貨情況、相關文件的準備情況、焊接檢查和記錄、焊接材料、施工作業環境、交叉作業等方面的影響。這些影響因素中，沒有精確的數據統計和分析，難以確定主因，從而無法針對施工管理改進提供最優改進方案。這種現狀造成了項目管理人員無法對實際焊接情況做實時的掌控，也無法對下一步的工作形成很好的計劃性，可能導致在某一個階段所有的人員和設備都閑置的情況，而另一個階段又可能會出現焊工又必須加班加點，同時還需要大量人員配合催進度、趕工期，管理人員和技術人員到處“救火”，忙的一團糟的情況。

1.2 焊接成本控制困難，項目盈利能力難以估計

近年來，人工成本不斷攀升，造成施工成本增加，企業利潤降低。傳統粗略的對產品焊接人工時的統計已經難以滿足現階段企業精細管理的要求。傳統的焊接人工時的統計是管理人員進行人工時的抽樣統計分析，存在統計取樣數量不足，不能持續地進行統計和分析的問題，還可能造成統計數據失真。

1.3 焊接作業監控困難，焊接信息反饋速度慢

焊接作業監控往往需要到施工現場才能實現，無法對項目全面的焊接作業進行宏觀管理。焊接工作量的統計、焊接質量的監控等都需要通過班長日報、周報等形式逐層上報，信息溝通和處理的時效性差，出現問題時不能及時反饋給管理者以相關的信息。

1.4 能源浪費、過程管理困難

若焊接設備長期待機，便會造成電能的浪費；設備的長期空載運轉降低了設備的使用壽命。而施工項目的手工報表記錄，無法準確實時地反映設備的狀態，給施工管理造成困難。

1.5 設備的布置和調度

工廠預制設備的優化定制布局、現場安裝焊接位置的移動性，對實現焊接設備的動態調度，缺乏第一手的數據和規律分析。

2 系統目標

通過對焊接設備實時運行數據進行采集及遠程訪問，建立一套信號采集、信息通信、數據遠程訪問、大數據分析為一體的集群焊接設備監測系統。通過數據分析系統，可以實現：查看任意時間段及各生產區域焊接設備實際焊接時間、關閉時間、待機時間、設備利用率/閑置率/負荷率、設備維修保養記錄、超規范焊接等，為各級管理者對焊接工序進行精細化管理、提高生產緊湊性、提升生產效率和質量提供數據支持，使得各級管理部門共享生產數據。

3 研究過程中存在的難點

3.1 數據采集模塊的研制

數據采集模塊通過采用獨立的傳感器，既能適應多廠家多類型的焊機，又能避免對焊接設備控制回路的干擾，安裝了無線通訊芯片，能夠穩定地向手持移動終端或服務器發送采集數據。

3.2 無網絡情況下數據的記錄和傳送

通過采集模塊自帶的數據存儲功能，以及移動終端在一定區域內的組網，將存儲在模塊中的數據轉發至服務器。

4 系統架構

基于焊接設備的實時監測與數據分析的系統網絡總體結構如圖1所示，采用了多級服務器采集數據并轉發的方式。

數據采集，主要作用是實現現場設備與網絡服務器的數據交互，具有以下功能：（1）具有傳感系統，能夠實現對焊接電源運行狀態的監測，采集焊接過程中關鍵工藝參數，如焊接電流、焊接電壓、送絲速度、焊接速度、焊接熱輸入、熱絲電流、振動頻率等；（2）具有反饋系統，如按鍵功能，用于記錄焊縫信息、焊工信息等；（3）具有顯示和存儲功能，能夠對所采集的數據進行存儲，滿足設備運行若干小時數據連續記錄容量。

數據轉發，提供多種網絡通信接口，將數據上傳至網絡設備，網絡交換設備再通過路由器將數據上傳至多層級服務器。

5 手持移動終端設計

手持移動終端主要作用：在沒有無線網絡的環境下，通過自帶的無線功能，將數據自動采集模塊中記錄的焊接設備運行數據上傳至移動終端，通過移動終端上傳至服務器，實現實時監控和數據分析。中間傳輸裝置主要解決在一定的區域內，搭建一個無線網絡作為節點，將該裝置網絡覆蓋區域內的數據采集模塊的數據上傳至中間計算機（小型服務器），中間傳輸裝置再將數據上傳至服務器，實現實時監控和數據處理，進行屏蔽空間內所有焊接設備的數據采集，并轉存至服務器。數據通訊鏈路如圖2所示。

6 實時監測與數據分析系統的設計及優化

實時監測與數據分析系統采用B/S（瀏覽器/服務器）網絡結構的設計，除服務器之外，其他訪問系統的計算機無須安裝任何軟件，在局域網環境下，在瀏覽器地址欄中輸入對應服務器的域名，輸入用戶名及密碼后即可實現遠程訪問該系統。采用免費開源數據庫MySQL實現數據的持久化處理。

該系統能夠將焊接工藝規程、焊接設備、焊接操作人員、焊口信息等納入數據庫持久化存儲，實現人、機、物、料、法的全流程監督管理。實時監測與數據分析系統主要包括系統管理、實時監測、報表分析等功能模塊。主要實現功能如下：（1）焊口、焊工、焊機管理，可以對焊口、焊工、焊機進行編輯控制，并能夠實現三者之間的數據關聯；（2）工藝規程管理，可以實現對焊機實時數據的判斷與分析；（3）報表分析，能夠輸出焊接設備運行數據的各類報表，如包含集群內焊接設備負荷率/空載率/閑置率、設備利用率、設備閑置率、超時待機統計、焊口焊接工時數、焊接工藝超標統計及回溯等，便于管理用戶保存及分析生產過程涉及的焊工數據、焊口數據、生產過程數據、質量評估數據，以及對焊接設備數據以及焊機實際運行狀態的監控采集。

每臺焊機的狀態以采樣頻率為1s計算，100臺焊機每天工作8小時將產生2880000條數據，一個月將近產生1億條記錄。因此在數據庫設計過程中需要考慮到實際企業中存在焊接實時監測以及對實時數據的查詢分析的需要，其對實時性和訪問快速性要求很高，且查詢流程復雜，涉及海量數據，需要從數據庫物理存儲以及對數據的預處理等方面進行優化。將整套系統分為項目、事業部、公司、集團四個層級的數據庫部署，每層之間實現數據的同步，在系統后臺每小時對實時數據進行一次預處理，有效減少數據存儲容量和優化數據處理速度。

7 結 論

本文所設計的實時監測與數據分析系統，實現了數據庫的優化及海量數據存儲，構建了符合焊接企業實際生產過程的大數據分析系統。該系統既可以實現生產環節的綜合系統化管理，也可以實現焊接過程中焊縫質量的客觀評估，可有效滿足項目焊接管理中實際焊接生產全過程管控的實際需求，可進行多焊機、多任務以及焊接質量的查詢和管理，實踐表明：該系統具有良好的可靠性和實時性，為集群化焊接設備和生產過程的網絡化管控提供了有效手段。

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作者簡介：袁海武（1991-），男，湖南武岡人，系統開發主管，助理工程師，學士。研究方向：信息化；程定富（1980-），男，四川自貢人，工程研究院院長，正研級高級工程師，學士。研究方向：焊接；陳金強（1982-），男，江蘇溧陽人，研發中心副主任，工程師，學士。研究方向：電氣。