轉向架構架智能焊接群控系統構建

李亞南 田仁勇 吳向陽 張志毅 劉沅偉

摘要：轉向架構架是高速列車的重要部件，構架的焊接質量是決定轉向架質量的關鍵因素，迫切需要通過信息化系統加強其焊接生產作業過程管控。介紹了基于物聯網、大數據、云計算技術構建的轉向架構架焊接生產過程管控平臺——智能焊接群控系統，對焊機狀態進行實時監控，實現焊接工藝參數在線控制、焊接過程數字化管理以及數據統計分析等，提高了焊接生產管理能力，為管理者對生產過程進行優化、資源調配、焊工考核提供重要的數據支持。

關鍵詞：焊接管控;群控系統;轉向架構架焊接;數字化管理

中圖分類號：TG408 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）05-0001-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.05.01

0 ? ?前言

列車高速化是我國鐵路客運發展的戰略方向。轉向架是高速列車的關鍵部件之一，而轉向架構架是轉向架的重要承載部件，是轉向架其他零部件的安裝基礎。轉向架不僅承受機車上所有設備的質量，還要傳遞牽引力和承受走行過程中的各種沖擊載荷。目前國內生產的客車、地鐵、高鐵用的轉向架構架大部分都是焊接結構[1]，因此，轉向架構架的焊接質量是決定轉向架質量的關鍵因素，直接影響列車運行的穩定性、安全性和舒適性。目前，焊接生產過程中自動焊接和手工焊接并存。手工焊接的質量主要依賴焊工的操作技能和執行工藝紀律的自覺性和責任心，焊接過程中涉及的焊接人員資質、焊接設備、焊接耗材、焊接工藝和焊縫質量評估采用人工管理方式已不能滿足要求。為加強焊接工藝規范執行的監控，做到有據可查，保障焊接質量，迫切需要開發焊接生產作業過程數字化管控系統，管理人員可通過網絡實時監測焊接過程的工藝參數和作業情況并進行過程管控，對記錄的數據進行分析。

焊機制造行業全球知名的公司都根據自己的焊機產品研制有配套的焊機管理系統[2-3]。國內的焊機管理系統開發雖然起步較晚，近年來隨著物聯網技術的發展也有了長足進步[4-6]。通常焊機配套的焊接管理系統已實現了焊機聯網、數據監測和儲存功能。唐山松下產業機器有限公司的信息化焊接管理系統iWeld采用以太網、無線WiFi進行數據傳輸，將焊接電流、焊接電壓、送絲速度、氣體流量等信息通過TCP/IP協議傳送至上位機，通過電腦監控軟件實現對每臺焊機工作狀態的實時監測。iWeld5基于J2EE技術架構開發，交付軟件全部在服務端，客戶只需打開瀏覽器就可以登錄使用，包含系統配置管理、設備管理、生產管理、工藝管理、生產數據分析和焊接數據分析等功能模塊[7-8]。

由于轉向架構架焊接生產使用了多個廠家的焊機，如果直接采用生產廠家提供的焊機管理系統，則用戶需使用多套系統，形成新的數據孤島，并且已有焊機系統未實現對焊接的人、機、料、法、測、環的全方位管理。因此，需要基于物聯網、大數據、云計算技術，建立公司層級的轉向架構架智能焊接群控系統，實現智能化的焊接工藝自動采集、焊接過程數據遠程實時傳輸，焊接作業全過程的生產管理與質量管理。

1 系統總體架構

建立智能焊接群控系統的目標：與焊接設計和生產管理相結合，集成PLM、MES、QMS系統，根據產品要求從焊接人員、設備、耗材、工藝、質量檢測、生產環境等不同維度對焊機設備和焊接過程進行統一管理，實時采集焊接電流、焊接電壓、送絲速度、氣體流量數據，記錄超聲波探傷（UT）和磁粉探傷（MT）檢測數據，并對焊接過程中的數據（如焊接參數、人員信息、有效焊接時間、耗材、設備狀態等信息）進行統計分析，為焊接工藝優化、焊接人員資源優化和焊接資源消耗提供數據支撐，以達到提升焊接質量和提高焊接效率的目的。在項目進行過程中，建立了一套適用于不同種類焊機信息采集數據傳輸的企業標準，實現不同種類焊機的群控管理，新購焊機快速接入群控管理系統。

轉向架構架智能焊接群控系統的總體架構如圖 1 所示，采用物聯網廣泛使用的分層結構，自下而上分為設備層、通訊層和應用層。

設備層實現現場設備與通訊層的數據交互，主要包括：（1）監測焊接電源的運行狀態，采集焊接過程中的關鍵工藝參數，如焊接電流、焊接電壓、送絲速度、氣體流量、環境溫度、濕度等;（2）接收群控系統的控制信號，如焊接工藝預設;（3）采集焊接視頻信息;（4）刷卡確認工人信息;（5）掃碼或輸入進行報工等。

通訊層支持多種網絡通信接口，通過無線/有線的通信方式將數據上傳至網絡交換設備，再通過路由器將數據上傳至云服務器。云服務器提供數據庫的備份和整合等功能。

應用層主要完成數據的處理、存儲和分析，包含計劃管理、執行管理、工藝管理、設備管理、質量管理、大數據展現、基礎數據管理。

用戶可通過接入企業內網中的任意PC機、移動終端，在瀏覽器中輸入數據服務器的 IP 地址來訪問焊接群控系統服務器，從而實現對焊接作業現場的遠程監控、焊接全過程的生產管理和質量管理。智能焊接群控系統的網絡拓撲結構如圖2所示。

2 軟硬件實現

智能焊接群控系統包含硬件和軟件兩部分。

2.1 焊接采集硬件

焊接采集硬件可實現對不同品牌、型號的焊接設備的快速連接和數據采集等。公司使用松下、福尼斯、燕旭翔龍、上海通用等多種品牌焊機。焊接網關硬件具備的功能如圖3所示。

焊機設備類型主要分為手工焊機和焊接機器人兩大類，其中手工焊機又分為數字焊機和非數字焊機兩種類型。對于手工數字焊機，其主控板上具備I/O通訊接口，可使用數據采集板卡直接通過通信接口進行連接通訊;對于手工非數字焊機，加裝聯網通訊裝置增加以太網通訊接口，通過加裝霍爾傳感器、轉速傳感器和氣體流量傳感器采集輸出電流、輸出電壓以及送絲速度、氣體流量等數據，使用編碼器及采集板卡將所采集的數據進行數模轉換后通過標準以太網進行通訊。

鑒于過程管理和人機互操作的需要，針對每個焊機臺位加裝讀卡器、觸控屏等裝置。

焊機與服務器之間的數據傳輸可以使用有線傳輸或無線傳輸，考慮到車間作業環境影響焊機通訊，使用有線的方式進行數據傳輸。具體而言，基于通信TCP/IP協議，在焊機網口與交換機連接網線進行通訊，廠房中的網絡連接到群控服務器，從而將焊接關鍵參數（焊接電壓、焊接電流、送絲速度、氣體流量等）、現場環境參數（環境溫度、濕度等）、耗材消耗數據以及綁定的工件、操作者信息傳送至服務器。

在焊接機器人工作區域安裝攝像頭，接入視頻流數據到系統平臺。通過路由器和攝像機的端口映射，在系統監控頁面插件中，綁定設備對應的IP、端口號、用戶名、密碼獲取攝像視頻數據，實現機械手在焊接過程中的實時監控。

2.2 焊接管理軟件

焊接管理軟件可實現焊接運營管理（MES），包括計劃管理、執行管理、工藝管理、人員管理、設備管理、質量管理、大數據展現、基礎數據管理幾部分。

焊接群控系統軟件覆蓋焊接計劃、任務分派、執行報工、質檢、過程監控、數據分析、風險預警、焊接工藝優化、焊機設備管理和維護等，實現人、機、料、法、測的全流程監控，主要功能如圖 4 所示，針對焊接操作的復雜性，提供3D焊縫的精細展示和焊接操作順序的指引與導航。管理人員可以通過電腦實時觀測每臺焊機的工作狀況，設定焊接電壓、電流及氣流量的上下限值，系統在超限時報警;同時能對焊接質量進行評估與追蹤;可根據相關數據報表做管理決策。

計劃管理：支持獲取MES訂單，安排訂單生產計劃，查看訂單執行進度。

執行管理：支持任務分派，日常點檢、開工、報工，探傷檢測記錄和報告，實現焊接任務、焊機和焊工的閉環控制和管理。

工藝管理：設置工藝流程，定義每個車型所包含的所有工藝種類，保證后期作業單據正常流轉。支持獲取PLM工藝文件，可以按工序、工藝類型選擇查看。

人員管理：對焊工資質進行管理，開工刷卡時進行身份認證、比對資質，工人KPI分析。

設備管理：建立和管理焊機設備臺賬，實時展示設備狀態和采集數據（見圖5），記錄和查詢設備點檢記錄、設備故障信息記錄，查看設備利用率。

質量管理：質量缺陷分類管理，定義質量模板管理，記錄質量專檢信息，對質量問題進行追蹤管理。

大數據展現：焊接數據分析，探傷數據分析，工序耗時分析，耗材統計，缺陷數量對比分析，設備OEE分析，以及車間大屏展示主要的統計數據。

基礎數據管理：支持車間組織結構和產線、工位、臺位的建立，增加和維護班組、用戶信息，對用戶權限進行控制，對系統進行配置。

3 焊機接入標準

隨著企業的業務升級，為適應擴大生產規模的業務需求，會不斷批量引入新的焊機。為了實現不同品牌、型號的焊接設備的快速接入，有必要建立一套適用于不同種類焊機信息采集數據傳輸至同一數字化焊機管理系統的企業級標準，以實現不同種類焊機的群控管理。

（1）采集數據的標準。

根據現有業務情況及可能出現的業務拓展情況，整理并確定新接入焊機需傳輸的數據。采集數據分為：公司信息——焊機生產廠信息;設備信息——焊機設備編號、焊機名稱及出廠編號、設備狀態;開關機時間——開機時間、關機時間;焊機參數——焊接電流、焊接電壓、送絲速度、氣體流量等;報警信息——報警代碼及說明;材料信息——絲徑、氣體消耗量、送絲量;累計信息——焊接次數、全部焊接時間等。

（2）傳輸方式的標準。

鑒于平臺已實現多種品牌焊機數據的采集，為保證現平臺的穩定性，采用中間表方式進行數據傳輸。創建焊機基本信息數據庫表、焊機采集數據實時數據表以及其他信息數據庫表。新接入的焊機可將采集到的焊接信息按照傳輸規范存儲至對應數據表中。

4 系統應用效果

目前智能焊接群控系統已應用于3條產線，覆蓋橫梁、側梁、構架所有工序，車間實現千兆級網絡覆蓋，80臺手工焊機完成智能化改造，能實時采集焊接過程中的數據并傳輸到軟件平臺，記錄和分析焊機的工作狀態及過程參數;操作工PDA設備點檢、開工、報工，及時反映生產進程，反饋生產過程信息，取得了較好的效果。主要的應用效果體現在以下幾個方面：

（1）作業流程可視化。

從PLM獲取橫梁、側梁、構架生產工藝路線和工藝文件，指導和控制生產工藝。執行過程中，根據作業流程派工，分配焊接、探傷、劃線、退火、質檢等任務。

（2）焊接管理規范化。

在生產過程中對橫梁、側梁、構架各工序的執行過程進行監控管制，綁定PDA掃碼控制、作業臺位監控、作業權限校驗、作業順序控制及作業質量等級等流程定制監管。

操作工可通過PDA查詢工序作業內容，在開工前使用PDA掃碼開工，系統對操作工的資質進行檢查。任務完成后使用PDA掃碼完工，系統自動記錄操作工的工作時間。

（3）工序質量分析。

由于焊縫質量缺陷的隱蔽性和焊接工件的不可損壞性，必須通過無損檢測的方式對焊縫進行檢查。通過分析超聲波探傷（UT）和磁粉探傷（MT）工序的檢測結果，計算一次探傷合格率，獲得UT、MT探傷缺陷數量分析結果。

焊接工藝的特點使構架產生復雜的殘余應力和變形，對轉向架的斷裂特性、疲勞強度和形狀尺寸精度和穩定性等產生不利影響。通過劃線對影響構架制造焊接質量的關鍵工序進行跟蹤測試，得到焊接變形的相關數據。統計劃線尺寸，通過大數據對比，掌握構架各部件變形情況，優化相關工藝內容。

（4）數據統計分析。

對焊接車間生產和設備運行數據進行分析，為管理層提供直觀的運營指標和管理瓶頸展示，支撐快速、精準的管理決策。

通過同工序耗時對比分析、不同工序平均耗時對比分析，為優化工序額定作業時間以及工位、人員數量配置提供參考。

通過統計轉向架生產過程中的耗材消耗情況，直觀地展示每個構架的耗材使用情況，可有效指導生產現場對于耗材的使用，避免不必要的浪費。

通過監控設備的實時電流和電壓進行焊機穩定性分析，反映各類焊接過程中的電弧穩定程度，提高焊接的質量。

根據歷史數據獲取各個工序的焊接電流、電壓的平均超差率，并對比各個焊工作業工序的焊接數據超差率，得出焊工焊接質量偏離率，實現焊工工作水平分析。

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