郵輪薄板焊接群控系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計

王 立

（廈門船舶重工股份有限公司，福建廈門 361026）

0 引言

船舶焊接質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)是評價造船質(zhì)量的重要指標(biāo)，焊接生產(chǎn)率是影響造船產(chǎn)量與生產(chǎn)成本的主要因素之一。據(jù)統(tǒng)計，郵輪、郵輪型客滾船以及大型汽車滾裝船等船型，與中厚板的船型相比，薄板重量約占整船重量的65%以上。薄板比例高，焊接變形大，焊接工藝控制嚴(yán)格，焊接成本也增大，達(dá)到總建造成本的50%～65%，因而焊接工藝的監(jiān)控對于減小焊接變形和焊接工藝質(zhì)量十分重要。影響焊接變形的參數(shù)主要是焊接熱輸入量，而焊接規(guī)范參數(shù)，如焊接電流、電壓和焊接速度以及坡口形式等因素均對焊接熱輸入量產(chǎn)生影響。依靠傳統(tǒng)操作人員的經(jīng)驗與管理人員的監(jiān)督，管理困難，誤差大。在船舶建造2.0背景下，順應(yīng)智能化建造的潮流，根據(jù)薄板焊接工藝特點，建立焊接質(zhì)量的智能化監(jiān)控系統(tǒng)具有非常重要的意義。

融合計算機(jī)技術(shù)和自動控制技術(shù)于焊接工藝，是焊接智能化內(nèi)容。為控制焊接變形，薄板焊接采用氣體保護(hù)焊。對氣體保護(hù)焊機(jī)進(jìn)行智能化升級，并將各區(qū)域焊機(jī)集結(jié)為群組，引入通訊系統(tǒng)、服務(wù)器，基于MS SQL Server數(shù)據(jù)庫，建立焊接規(guī)范和焊接時間、環(huán)境溫度和濕度等參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和分析平臺。所建立的薄板焊接群控系統(tǒng)功能如圖1所示。不僅實現(xiàn)焊機(jī)狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，而且系統(tǒng)對采集到的工人工時、焊材數(shù)據(jù)和焊機(jī)狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控進(jìn)行分析，優(yōu)化焊接操作人員工作任務(wù)安排；生成派工單。對焊接耗材統(tǒng)一分配任務(wù)、統(tǒng)一管理。所建立的焊接群控系統(tǒng)對船企焊接的智能化焊接具有參考價值[1-3,6]。

圖1 薄板群控焊接系統(tǒng)

1 薄板焊接群控系統(tǒng)方案的設(shè)計

薄板焊接群控系統(tǒng)方案的設(shè)計主要考慮四項原則[3-4]：1）先進(jìn)性、實用性原則；2）標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化原則；3）可靠性和穩(wěn)定性原則；4）兼容性。如圖2所示。

系統(tǒng)采用分層設(shè)計，確保穩(wěn)定性及擴(kuò)展性。采用MS SQL2012為數(shù)據(jù)庫平臺，C#為開發(fā)工具，以WCF為框架，工作組客戶端同WCFService通信采用MSMQ，支持離線智能模式。

2 焊接群控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2.1 硬件系統(tǒng)

本項目在前端數(shù)據(jù)采集器中應(yīng)用單片機(jī)及傳感器技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，指令的下達(dá)等。前端的單片機(jī)編程中應(yīng)用分層設(shè)計、智能監(jiān)測技術(shù)、智能回傳技術(shù)，實現(xiàn)了對班組控制器的數(shù)據(jù)接收，支持高速的雙向數(shù)據(jù)通道，大并發(fā)的數(shù)據(jù)存儲及讀寫。確保了前端采集器的穩(wěn)定性和魯棒性[5]。

圖2 智能化焊機(jī)群控系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.2 智能化采集終端及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

如圖3所示，對智能化采集終端進(jìn)行適配改進(jìn)，以方便焊機(jī)狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集。

圖3 智能化采集終端的適配改進(jìn)實物圖

焊機(jī)進(jìn)行數(shù)字化改造前后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3 現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)

1）無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)焊機(jī)與焊槍之間數(shù)據(jù)的雙向傳輸。基于低頻的無線自組網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)單點故障的不影響整體，多終端的動態(tài)自組網(wǎng)。基于低頻網(wǎng)絡(luò)傳輸，可有效穿透船廠的復(fù)雜格局下的鋼板、墻體的屏蔽。實現(xiàn)穩(wěn)定、高速的數(shù)據(jù)建設(shè)；

圖4 智能化采集終端的適配改進(jìn)

2）針對現(xiàn)場焊接環(huán)境復(fù)雜，信號傳輸困難，系統(tǒng)采用電力載波傳輸方式將采集的數(shù)據(jù)由船艙內(nèi)部傳輸至倉外；

3）有線網(wǎng)絡(luò)，利用已建設(shè)好的有線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)服務(wù)器、辦公電腦、班組控制器之間的數(shù)據(jù)連接。實現(xiàn)數(shù)據(jù)在終端設(shè)備、班組服務(wù)器和中心服務(wù)器的傳輸。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖5中，設(shè)備同班組服務(wù)器之間采用無線數(shù)據(jù)傳輸，采用低頻段無線數(shù)據(jù)傳輸，傳輸性能穩(wěn)定，部署方便；班組服務(wù)器同車間、中心服務(wù)器采用以太網(wǎng)傳輸，利用現(xiàn)有企業(yè)內(nèi)部的以太網(wǎng)絡(luò)（或改造后）進(jìn)行傳輸，節(jié)省企業(yè)成本。

2.4 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心部署在機(jī)房中，確保運行環(huán)境中有合適的溫濕度及穩(wěn)定的電源供應(yīng)。應(yīng)用服務(wù)器采用2U機(jī)架式服務(wù)器，4核CPU，32G內(nèi)存，1TB熱插拔SATA 3.5英寸硬盤（7 200轉(zhuǎn)）；存儲服務(wù)器采用U雙至強企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)存儲，支持熱插拔、智能陣列，存儲空間 24TB，可以擴(kuò)展；前端數(shù)據(jù)采集器采用2U機(jī)架式服務(wù)器，2核CPU，16G內(nèi)存，1TB熱插拔SATA 3.5英寸硬盤（7 200轉(zhuǎn)）。

3 任務(wù)分配管理模式

傳統(tǒng)的任務(wù)是管理人員口頭進(jìn)行布置，打印在紙質(zhì)上分配，由于現(xiàn)場處于開放式空間，任務(wù)單容易丟失或者被污染，不方便查看。借助系統(tǒng)的管理抓手，要求車間、班組管理人員，需要提前在系統(tǒng)內(nèi)錄入人員的任務(wù)分配信息。新管理模式及流程如圖6所示。

圖6 新管理模式及流程圖

任務(wù)的管理查看界面及設(shè)備工作時的狀態(tài)監(jiān)控界面分別如圖7和圖8所示。

圖7 任務(wù)管理查看界面示意圖

圖8 設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)控界面圖

4 業(yè)務(wù)管理軟件設(shè)計

軟件采用 C/S架構(gòu)，可在 Window XP、Win 7/8/10下安裝使用。軟件主界面設(shè)計如圖9所示。

圖9 設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)控界面圖

圖10 現(xiàn)場應(yīng)用和查詢終端

軟件操作流程為：任務(wù)管理→下發(fā)車間→下發(fā)設(shè)備→焊機(jī)設(shè)備開始工作，并在軟件中點“開始監(jiān)聽”→通過無線自動上傳數(shù)據(jù)→數(shù)據(jù)查詢。軟件設(shè)計包括三大功能模塊，可滿足焊接數(shù)據(jù)分析需求。

5 群控焊接系統(tǒng)應(yīng)用

通過群控焊接系統(tǒng)對焊接參數(shù)如焊接電流、電壓、焊接速度和干伸長量各個參數(shù)的實時監(jiān)控，可以對工人和焊機(jī)的作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行把握和調(diào)整，降低人為因素對焊接質(zhì)量的影響，降低對工人操作技術(shù)的要求，穩(wěn)定焊接質(zhì)量。此外，當(dāng)生產(chǎn)過程中相關(guān)參數(shù)出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)將給予預(yù)警，保證及時排除異常。通過系統(tǒng)實施實現(xiàn)如下功能：

1）焊機(jī)群控系統(tǒng)可實現(xiàn)通過焊機(jī)參數(shù)的預(yù)設(shè)來控制實際電流、電壓按照WPS的要求實施，從而確保焊縫的機(jī)械性能；同時監(jiān)控焊接時的溫度和濕度等工作環(huán)境，作為焊縫質(zhì)量保證的追溯記錄；

2）通過系統(tǒng)篩選，獲取焊接開機(jī)時長和有效時長，從而可以統(tǒng)計出某時段的工作情況；

3）通過燃弧時間來計算焊材的實際消耗量，即可得出實際焊材消耗量，從而實現(xiàn)焊材的管控，見圖11和圖12。

圖11 焊接控制參數(shù)

圖12 設(shè)備運行監(jiān)控

6 結(jié)論

焊接群控系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)表明，薄板焊接變形得到有效抑制。整體焊接工作效率提高20%以上，焊接質(zhì)量提高10%以上，減少焊接損失8%，從而達(dá)到降低成本、提高質(zhì)量、縮短周期的目的。