鋼軌閃光焊遠程監(jiān)控診斷系統(tǒng)研究

楊云堂

【摘?要】針對公司現(xiàn)場鋼軌閃光焊軌機施工地點分散、偏遠而引起的故障處理和管理不便的問題，在現(xiàn)場單個鋼軌閃光焊機焊接質(zhì)量在線監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合公司的管理模式特點，研制開發(fā)了鋼軌閃光焊遠程監(jiān)控診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)了公司對現(xiàn)場施工多臺焊機的遠程監(jiān)控和集中管理：現(xiàn)場施工鋼軌閃光焊機的焊接過程數(shù)據(jù)在有4G信號的地方可以實時傳回公司本部、現(xiàn)場無4G信號的地方一是等到有信號的地方再上傳，對于地鐵等始終無信號的地方可以把數(shù)據(jù)拷貝通過開發(fā)的筆記本發(fā)送軟件進行上傳;數(shù)據(jù)回到公司集中監(jiān)控室后由軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理，對有問題的接頭分級發(fā)送相關(guān)管理人員，由相關(guān)人員進行分析、監(jiān)督處理，從而實現(xiàn)現(xiàn)場焊軌質(zhì)量的監(jiān)控和管理;另外通過專家對現(xiàn)場焊接數(shù)據(jù)的分析，可以有效監(jiān)控現(xiàn)場焊軌機的阻抗、焊機隨動性、現(xiàn)場焊接施工工序是否合理、發(fā)電機組工作狀態(tài)以及每臺設(shè)備的故障率等。

【關(guān)鍵詞】鋼軌閃光焊;遠程集中監(jiān)控管理;應(yīng)用研究

Research on Remote Monitoring and Diagnosis System for Rail Flash Welding

Yang Yun-tang

（China Railway First Bureau Group New Transportation Engineering Co.， Ltd?Xianyang?Shanxi?712000）

【Abstract】 In view of the inconvenience in handling and managing the faults caused by the scattered and remote construction sites of the company's on-site rail flash welding machine， a remote monitoring and diagnosis system for rail flash welding is developed on the basis of the on-line monitoring system for the welding quality of a single rail flash welding machine and the characteristics of the company's management mode. The company's remote monitoring and centralized management of multi-welding machines in site construction： the welding process data of rail flash welding machine in site construction can be real-time transmitted back to the company's headquarters where there are 4-G signals， and where there are no 4-G signals on site. First， it can be uploaded until there are signals， and data can be copied in places where there are no signals at all， such as metro. Beibei uploads the data through the developed notebook sending software; after the data is returned to the company's centralized monitoring room， the data are analyzed and processed by the software， and the related managers are sent to the problematic joints by different levels， and then the relevant personnel are analyzed and supervised to realize the monitoring and management of the quality of on-site rail welding; in addition， through experts. The analysis of the field welding data can effectively monitor the impedance of the rail welder， the follow-up of the welder， the rationality of the field welding construction process， the working state of the generator set and the failure rate of each equipment.

【Key words】Rail flash-butt welding;Remote centralized monitoring management;Application research

1. 前言

近年來，隨著國內(nèi)外高速重載鐵路及城市軌道交通的快速發(fā)展，鐵路鋼軌無縫焊接的需求量越來越大，閃光焊方法由于其優(yōu)異穩(wěn)定的焊接接頭質(zhì)量，在高鐵、地鐵等鐵路線路鋪設(shè)上廣泛使用。公司長期從事無縫線路譜架工作，在鋼軌焊接領(lǐng)域處于國內(nèi)同行業(yè)領(lǐng)先地位，公司現(xiàn)有的多臺移動式現(xiàn)場閃光焊機設(shè)備分布在國內(nèi)各個地域焊接施工，由于焊接設(shè)備數(shù)量多，分布范圍廣，常有以下問題出現(xiàn)：

（1）管理不便，管控效果嚴(yán)重依賴現(xiàn)場人員的能力水平：焊接設(shè)備數(shù)量大分布廣，且隨著工程地點變換焊機位置時刻變化，現(xiàn)有管理模式對于技術(shù)管理人員的依賴程度較大。

（2）焊機臺套數(shù)多，焊接接頭數(shù)量大，焊接接頭質(zhì)量難以確保：目前公司有豐富焊軌質(zhì)量分析經(jīng)驗的技術(shù)專家人數(shù)有限，難以滿足當(dāng)前多臺不同位置焊機的焊接質(zhì)量進行同時監(jiān)控，焊接接頭質(zhì)量只能依靠現(xiàn)場質(zhì)檢人員以及現(xiàn)場技術(shù)人員經(jīng)驗判定，可能出現(xiàn)錯判或者漏判的情況。

（3）難以準(zhǔn)確有效的做到焊接參數(shù)及焊接接頭數(shù)據(jù)的追溯和記錄。目前焊接參數(shù)往往采取定時檢查，在生產(chǎn)出現(xiàn)問題之后，難以獲得每個焊接接頭數(shù)據(jù)相對應(yīng)的焊接參數(shù)，不利于生產(chǎn)的改進。

（4）現(xiàn)場施工班組人員專業(yè)水平存在差異，設(shè)備的運行狀態(tài)難以準(zhǔn)確監(jiān)控，焊接質(zhì)量和設(shè)備安全存在隱患?；谏鲜鲈?，結(jié)合公司的管理模式，同其它單位合作開發(fā)了一套分布式閃光焊機遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)，并開展現(xiàn)場應(yīng)用研究，不斷完善監(jiān)控系統(tǒng)功能。

2.遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)

2.1?為方便對現(xiàn)場施工的多臺焊機進行遠程監(jiān)控和集中管理，在單臺鋼軌焊機在線質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將多臺作業(yè)鋼軌焊機的焊接接頭數(shù)據(jù)回傳中心服務(wù)器[1][2]，通過以下幾個方面實現(xiàn)焊接質(zhì)量和焊接設(shè)備狀態(tài)的遠程監(jiān)控：

（1）傳回集中監(jiān)控室的所有焊接接頭的焊接過程參數(shù)包括焊接電流、焊接電壓、焊機動端位移曲線、焊接過程各階段的壓力，專家可主動通過調(diào)用并利用軟件功能統(tǒng)計分析主要質(zhì)量參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，詳細掌握和分析現(xiàn)場焊軌質(zhì)量和設(shè)備狀態(tài);

（2）軟件可以根據(jù)過程數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析焊接接頭質(zhì)量，并將分析結(jié)果按級別發(fā)送至機長、公司質(zhì)量監(jiān)控人員、分管焊軌副經(jīng)理及設(shè)備公司經(jīng)理，各層級對質(zhì)量處理進行監(jiān)督，形成閉環(huán)，直至處理完畢;

（3）根據(jù)焊接過程數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析焊機的狀態(tài)：通過焊接回路阻抗變化分析焊接回路的保養(yǎng)、通過焊機短路和斷路持續(xù)時間分析焊機的動態(tài)響應(yīng)性能、通過焊機機頭動夾端位移曲線分析焊機夾緊狀態(tài)等等，從而形成焊機狀態(tài)診斷結(jié)果，分層級發(fā)送至焊機操作人員、公司設(shè)備管理人員、分管焊軌副經(jīng)理、總工程師及設(shè)備公司經(jīng)理，從而為各層級工作提供指導(dǎo)。

2.2上述監(jiān)控處理可以通過兩種方式：一是通過互聯(lián)網(wǎng)授權(quán)登錄賬號查詢處理、二是通過手機上獨立運行的專用APP客戶端授權(quán)登錄賬號查詢處理。分布式鋼軌閃光焊機遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖1。

2.2.1?遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)硬件。

遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)有兩部分組成：總部集中監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)場采集、分析與傳輸系統(tǒng)?？偛考斜O(jiān)控系統(tǒng)包含了顯示部分、中心服務(wù)器和接收，現(xiàn)場設(shè)備在原鋼軌閃光焊機基礎(chǔ)上新增參數(shù)采集、分析及發(fā)送裝置，遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控室如圖2所示：顯示由六個屏幕組合而成，根據(jù)功能需要可以獨立顯示，也可組合顯示（集中監(jiān)控室效果圖及實際圖見圖2）。

2.2.2?遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)軟件。

2.2.2.1?監(jiān)控系統(tǒng)的軟件部分主要由以下三個部分組成：現(xiàn)場端數(shù)據(jù)采集及傳輸程序、服務(wù)器端數(shù)據(jù)收集及解析程序及客戶端人機交互界面程序，其中客戶端人機交互界面程序包含兩個部分：網(wǎng)頁人機交互程序及手機APP人機交互程序。

2.2.2.2?現(xiàn)場端數(shù)據(jù)采集及傳輸程序安裝在每臺焊機上，功能包括：控制PLC以及采集焊接數(shù)據(jù)、自動上傳焊機記錄文件、采集焊機實時數(shù)據(jù)，現(xiàn)場端數(shù)據(jù)采集及傳輸程序界面如圖3所示。服務(wù)器端數(shù)據(jù)收集及解析程序安裝在監(jiān)控中心服務(wù)器上，功能包括：與現(xiàn)場焊機通訊、通過SQL數(shù)據(jù)庫保存焊接數(shù)據(jù)、支持存儲下載轉(zhuǎn)發(fā)等文件管理、管理焊機，服務(wù)器端數(shù)據(jù)收集及解析程序如圖4所示。客戶端人機交互界面包括兩個方面：（1）網(wǎng)頁版界面采用java語言編寫;（2）同時參照網(wǎng)頁版人機界面，開發(fā)了手機專用APP程序;操作者根據(jù)不同權(quán)限登錄網(wǎng)頁后可進行相應(yīng)的操作，實現(xiàn)多臺閃光焊機的遠程集中監(jiān)控管理（現(xiàn)場端數(shù)據(jù)采集及傳輸程序界面見圖3、服務(wù)器端數(shù)據(jù)收集及解析程序界面見圖4）。

3. 遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用

3.1?鋼軌閃光焊接及參數(shù)。

以UN5-150ZB系列鋼軌閃光焊機為例，焊接階段可分為：閃光加熱階段、頂鍛階段、保壓推瘤階段及保壓階段。閃光階段被焊件接觸端面接觸部分快速熔化形成液橋爆破，加熱接頭，頂鍛階段焊縫處液態(tài)金屬薄層及過熱金屬被擠出，熱影響區(qū)發(fā)生塑性變形以提高焊接接頭的綜合力學(xué)性能，保壓推瘤階段通過推瘤刀去除頂鍛階段被擠出的液態(tài)金屬和過熱金屬。閃光階段又可細分為：預(yù)閃、高壓閃光、低壓閃光以及加速閃光共四個階段[3]。全部過程中影響焊接接頭質(zhì)量的主要參數(shù)有焊接電壓、焊接電流、頂鍛油缸壓力及位移，本系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)全部覆蓋此四個主要參數(shù)。

3.2?焊接質(zhì)量的遠程診斷與控制。

3.2.1?通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)采集到的焊接全過程主要參數(shù)，依據(jù)已經(jīng)預(yù)設(shè)的相關(guān)判斷標(biāo)準(zhǔn)，對每一個焊接接頭質(zhì)量進行自檢、判斷，對判斷焊接接頭質(zhì)量出現(xiàn)異常的情況進行分級警示與報警，警示與報警分幾類：（1）設(shè)備正常、工藝參數(shù)設(shè)置正常，焊接接頭過程參數(shù)的統(tǒng)計值超過某一范圍情況進行警示，部分判斷標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)如表1所示;（2）對于焊接過程中隨機出現(xiàn)的嚴(yán)重影響焊接接頭質(zhì)量的因素進行警示：嚴(yán)控焊接過程加速燒化階段的短路電流、短路時間及斷路時間，單個超過一定值或幾個因素綜合值超過一定值，進行警示;頂鍛量大、頂鍛速度大而頂鍛力不夠出現(xiàn)打滑導(dǎo)致實際頂鍛量不夠;（3）由于設(shè)備狀態(tài)而引起的質(zhì)量問題警示：回路阻抗過大、焊接過程液壓波動、焊接過程位移變化異常、電流電壓變化異常、頂鍛電流與頂鍛位移曲線的配合變化異常、焊接過程高壓階段短路與開路持續(xù)時間異常等，這些由設(shè)備狀態(tài)與故障引起的異常會嚴(yán)重影響焊接接頭質(zhì)量，將各類異常情況對應(yīng)于設(shè)備狀態(tài)變化或故障并提示。

3.2.2?需要特別說明的是，不同生產(chǎn)廠家或是同一生產(chǎn)廠家的不同焊機，閃光焊過程參數(shù)的具體判斷標(biāo)準(zhǔn)是存在一定區(qū)別的，因此，我們在判斷標(biāo)準(zhǔn)中要根據(jù)通過落錘的工藝參數(shù)焊接過程參數(shù)進行統(tǒng)計分析，提煉相關(guān)參數(shù)，進行判斷標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置參數(shù)的再次提煉，以保證警示的有效性和準(zhǔn)確性;另外，根據(jù)各種異常情況對質(zhì)量的影響大小和判別處理難度，我們將異常情況根據(jù)我們公司的具體情況分類提示、分類處理，對于特別難以判斷的異常情況由專家調(diào)取實時焊接過程曲線進行綜合判斷，從而確保設(shè)備狀態(tài)和焊接接頭的質(zhì)量（焊接質(zhì)量部分統(tǒng)計參數(shù)判斷標(biāo)準(zhǔn)示例見表1）。

3.2.3?在實際焊接過程中，如果采集到的焊接工藝參數(shù)超出焊接工藝判斷標(biāo)準(zhǔn)中的合理值區(qū)間，那么系統(tǒng)將對該接頭的質(zhì)量結(jié)果進行警示與報警，并顯示在該焊機的匯總信息中，并提示相關(guān)人員進行處理：（1）現(xiàn)場：探傷人員加強探傷工作，嚴(yán)重時立即鋸切焊頭重焊;分析產(chǎn)生原因并進行處理;判斷不了原因時申請會診;（2）公司質(zhì)量控制人員：監(jiān)督現(xiàn)場處理;咨詢現(xiàn)場情況，并幫助現(xiàn)場處理;處理不了時同分管領(lǐng)導(dǎo)匯報，尋求專家支持;（3）公司分管領(lǐng)導(dǎo)監(jiān)督焊軌質(zhì)量和焊軌裝備狀態(tài)，直至問題解決;提出設(shè)備維護、工藝調(diào)試和維修處理申請，供公司辦公會決策。

3.3?焊接裝備故障的遠程診斷。

（1）當(dāng)焊機發(fā)生焊接故障時或由于焊接接頭質(zhì)量是由焊接裝備的狀態(tài)或故障引起時，會自動向相關(guān)人員發(fā)送短信進行提示，直至故障被處理，如下圖5所示（遠程診斷功能選擇界面見圖5）。

（2）若現(xiàn)場人員不能分析解決故障，本系統(tǒng)系統(tǒng)具有遠程故障診斷功能：焊機可以在出現(xiàn)故障時請求公司總部設(shè)備保養(yǎng)維護專家遠程診斷援助，當(dāng)公司總部人員也無法診斷解決設(shè)備故障時，可請求廠家的設(shè)備專家遠程診斷。在遠程診斷狀態(tài)下，診斷人員可以通過診斷客戶端進行遠程連接，獲取PLC的實時參數(shù)狀態(tài)，并遠程更改PLC的數(shù)值試運行等方式，分析故障原因：如連接電纜故障、能量控制板故障、位移檢測裝置故障、頂鍛液壓系統(tǒng)故障、施工工藝等，從而可以判斷解決大部分故障，實現(xiàn)遠程故障診斷與設(shè)備修復(fù)。

3.4?其他功能應(yīng)用。

3.4.1?焊接接頭數(shù)據(jù)曲線及報表查詢功能。

可查詢單個焊接接頭的焊接曲線情況，如圖6和圖7所示，可以查看整個焊接過程和穩(wěn)定階段的曲線。同時，可根據(jù)不同條件查詢一定時間段內(nèi)不同焊機的焊接接頭數(shù)據(jù)情況，如圖8所示，利于對焊接過程的分析，提高改進焊接質(zhì)量（焊接全過程曲線見圖6、穩(wěn)定過程曲線見圖7、報表查詢見圖8）。

3.4.2?管理人員權(quán)限設(shè)置。

根據(jù)公司的管理模式及需要，系統(tǒng)中設(shè)置了焊機操作員、公司設(shè)備管理人員、分管焊軌副經(jīng)理、總工程師及設(shè)備公司經(jīng)理等不同的人員的操作權(quán)限，如圖9所示，保證了系統(tǒng)運行的安全可控性（總工權(quán)限見圖9）。

3.4.3?焊機注冊及焊機狀態(tài)監(jiān)控

系統(tǒng)中新的焊機需要進行注冊，授權(quán)人員按圖10所示進行設(shè)置，包括：電話卡號、焊機識別碼、IP地址等，均需與監(jiān)控中心的設(shè)置保持一致。焊機運行狀態(tài)情況如圖11所示，可查看焊機當(dāng)前的狀態(tài)，啟動時長，地理位置等信息，便于集中監(jiān)控和管理（新焊機注冊見圖10、焊機運行狀態(tài)見圖11）。

3.5?手機專用APP軟件介紹

結(jié)合上述網(wǎng)頁版界面的功能，充分考慮當(dāng)前技術(shù)管理人員操作的便利性，開發(fā)研制了一套安卓手機專用APP程序，在手機上下載安裝APP應(yīng)用程序后，可實現(xiàn)：“焊機狀態(tài)”、“故障信息”、“故障統(tǒng)計”、“遠程文件”、“報表統(tǒng)計”、“個人信息”等六個板塊的監(jiān)控功能。遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)手機APP界面如下圖12所示：

3.5.1?分布式鋼軌閃光焊機遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了集團公司對現(xiàn)場施工的多臺焊機的遠程監(jiān)控和集中管理，并充分發(fā)揮了公司和外聘專家的經(jīng)驗和優(yōu)勢，實現(xiàn)了鋼軌接頭質(zhì)量的有效控制和現(xiàn)場各焊機的設(shè)備運行狀態(tài)有效監(jiān)控，節(jié)約了公司人力成本，提高了焊接質(zhì)量，有效提高了公司對現(xiàn)場鋼軌閃光焊接工程管理水平，為公司帶來了實質(zhì)性的管理效益提升[4]，主要體現(xiàn)在以下幾點：

（1）數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和實時性好。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度高，誤差小，有利于數(shù)據(jù)回溯分析。系統(tǒng)延遲由網(wǎng)絡(luò)狀況決定，如在4G信號較差的環(huán)境，一旦移動到有信號后，系統(tǒng)延遲不超過2s，系統(tǒng)整體的實時性很好。數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和實時性保證了本系統(tǒng)的可靠性。

（2）具有遠程診斷和報警功能。本系統(tǒng)具備遠程診斷功能，出現(xiàn)焊接狀況異常時會向服務(wù)器發(fā)送報警信號，將故障名稱，焊機編號和故障時間通過短信的形式將報警信息發(fā)送至相關(guān)人員，間隔一段時間發(fā)送一次短信，直到故障被處理。故障信息被保存在服務(wù)器中，可通過網(wǎng)頁端的“故障詳情”進行查詢。遠程診斷功能保證了焊接質(zhì)量，有利于操作人員及時調(diào)整參數(shù)。

（3）具有數(shù)據(jù)回溯功能?？梢噪S時調(diào)取任意焊機任意時間段的焊接參數(shù)，有利于焊后分析，焊接數(shù)據(jù)作為閃光焊工藝重要的一環(huán)，有極大的參考價值。通過對焊接數(shù)據(jù)進行分析，可以得出最佳焊接參數(shù)。

（4）系統(tǒng)操作權(quán)限細分。本系統(tǒng)設(shè)置有焊機操作員、公司設(shè)備管理人員、分管焊軌副經(jīng)理、總工程師及設(shè)備公司經(jīng)理等操作權(quán)限，有效地進行了權(quán)限劃分，避免誤操作出現(xiàn)，提高了管理效率。

3.5.2?本系統(tǒng)上線后，已安裝至本公司的多臺焊機，使用情況良好，技術(shù)管理人員可在公司的監(jiān)控室內(nèi)監(jiān)控所有焊機的焊接情況，減少了人員成本，大大提高了生產(chǎn)效率。

4. 結(jié)束語

分布式鋼軌閃光焊遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)在鋼軌現(xiàn)場閃光焊工程中的應(yīng)用，保障了現(xiàn)場鋼軌焊接接頭質(zhì)量，大大縮短了現(xiàn)場故障處理的時間和成本，提高了現(xiàn)場閃光焊接工程管理水平，為管理人員提供了一個高效的集中監(jiān)管手段，也為焊接接頭質(zhì)量的可追溯性、焊接設(shè)備研究和工藝研究的大數(shù)據(jù)分析以及焊接設(shè)備管理與選型等提供了數(shù)據(jù)支撐隨，為公司的智能制造戰(zhàn)略打下了堅實基礎(chǔ)。

參考文獻

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