焊接有效工時(shí)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田志勇，胡安成，馮英超，王海東，孫秋陽(yáng)

核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司 北京 102401

關(guān)鍵字：焊接；信息采集；可視化數(shù)據(jù)網(wǎng)頁(yè)

1 序言

目前，在工程項(xiàng)目焊接安裝建造過(guò)程中，還存在著需要工作人員進(jìn)行大量的紙質(zhì)書(shū)寫(xiě)記錄工時(shí)和工作內(nèi)容，有效工時(shí)統(tǒng)計(jì)困難，管理者無(wú)法全面、準(zhǔn)確、及時(shí)地觀察到施工廠區(qū)的真實(shí)情況，無(wú)法實(shí)時(shí)了解焊工信息和各焊工的工作地點(diǎn)。為此進(jìn)行對(duì)焊接有效工時(shí)分析系統(tǒng)的研發(fā)是很有必要的，它不僅節(jié)省了技術(shù)人員的寶貴時(shí)間，減少了管理層的工作量，還極大地提高了管理效率和管理自動(dòng)化水平，為及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地解決生產(chǎn)和管理方面的問(wèn)題以及績(jī)效考核提供了真實(shí)與可靠的依據(jù)。

由智能焊機(jī)采集終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器和可視化數(shù)據(jù)網(wǎng)頁(yè)平臺(tái)四部分組成的焊接有效工時(shí)分析系統(tǒng)，能夠真實(shí)檢測(cè)記錄設(shè)備異常、維修情況、工人工作時(shí)長(zhǎng)、熟練程度等，以方便、簡(jiǎn)潔、明了的可視化數(shù)據(jù)網(wǎng)頁(yè)界面供管理者查閱信息。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了圖表、安全和調(diào)度等相關(guān)方向的應(yīng)用，通過(guò)信號(hào)采集等方式以其直觀、準(zhǔn)確、及時(shí)的信息內(nèi)容，不僅能大大提高生產(chǎn)管理效率，節(jié)省人工，還實(shí)現(xiàn)了物與物之間的聯(lián)動(dòng)反應(yīng)。

2 設(shè)計(jì)原理

焊接有效工時(shí)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由智能焊機(jī)采集終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器和可視化數(shù)據(jù)網(wǎng)頁(yè)平臺(tái)四部分組成。該系統(tǒng)是一種基于焊工身份精準(zhǔn)識(shí)別技術(shù)和焊機(jī)狀態(tài)精確感知技術(shù)，完成焊接數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和人機(jī)信息有效關(guān)聯(lián)。作為設(shè)備通信節(jié)點(diǎn)，焊接有效工時(shí)分析系統(tǒng)與施工現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）無(wú)縫連接，安全融入“有效工時(shí)服務(wù)器”，從而實(shí)現(xiàn)焊接數(shù)據(jù)的整合、優(yōu)化、大數(shù)據(jù)分析、人工智能處理以及決策數(shù)據(jù)的可視化終端推送。焊接有效工時(shí)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 焊接有效工時(shí)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 智能焊機(jī)采集終端

智能焊機(jī)采集終端由采集器和智能卡片組成。焊機(jī)采集終端主要用于數(shù)據(jù)的采集、處理、接收和發(fā)送，是整個(gè)焊接有效工時(shí)分析系統(tǒng)的感知和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。采集器是實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)及向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備，它擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)采集、初步處理、加密和傳輸?shù)榷喾N功能。該設(shè)備整合專用傳感器和Lora通信模塊，專為焊機(jī)智能管控所量身定制，作為特殊智能標(biāo)簽鎖定各類焊機(jī)，無(wú)需人工參與即可實(shí)現(xiàn)焊機(jī)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)感應(yīng)、實(shí)時(shí)跟蹤和動(dòng)態(tài)分析。

（1）采集器 采集器由鉗頭、STM32芯片、天線、刷卡模塊、無(wú)線模塊和電池殼組成。當(dāng)焊工把智能卡片貼到采集器的刷卡標(biāo)識(shí)區(qū)刷卡成功后，將終端的鉗口夾在焊機(jī)輸出電纜上，在焊工正常進(jìn)行焊接工作時(shí)，鉗頭中的霍爾傳感器將感應(yīng)到焊機(jī)電線中的電流信息，并傳遞到STM32芯片中進(jìn)行信息處理，通過(guò)Lora擴(kuò)頻無(wú)線模塊和天線發(fā)出，如圖2所示。電池殼裝有3節(jié)5號(hào)電池，為整個(gè)采集器的運(yùn)行供電。

圖2 智能焊機(jī)采集終端硬件結(jié)構(gòu)

（2）智能卡片 智能卡片為非接觸式IC卡，工作頻率為13.56MHz，尺寸為85.5mm×54mm×0.8mm，智能卡片的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)分為16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)有2塊16字節(jié)長(zhǎng)度。智能卡片分為焊工卡和房間卡兩種，其中焊工卡能識(shí)別和讀取焊工個(gè)人信息，并將后續(xù)的焊接信息歸入到此焊工工作內(nèi)容中；房間卡是識(shí)別焊工工作的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊工的地點(diǎn)定位。

3.2 傳輸網(wǎng)絡(luò)

焊接有效工時(shí)分析系統(tǒng)中的傳輸網(wǎng)絡(luò)由天線、中繼器和網(wǎng)關(guān)組成。傳輸網(wǎng)絡(luò)主要用于數(shù)據(jù)的處理、接收和發(fā)送，是整個(gè)焊接有效工時(shí)分析系統(tǒng)的信息傳輸機(jī)構(gòu)。傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)將智能焊機(jī)采集終端的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器中進(jìn)行信息處理。

（1）中繼器 中繼器是一個(gè)帶有天線的單片機(jī)系統(tǒng)，利用Lora的遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低功耗無(wú)線通信。因?yàn)楹藣u環(huán)境復(fù)雜，房間較多，墻皮較厚，導(dǎo)致兩個(gè)通信點(diǎn)之間無(wú)法完成通信，極大地限制了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的應(yīng)用，這就需要在兩點(diǎn)之間增加一個(gè)中繼設(shè)備完成無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸，同時(shí)中繼器中的RS485接口具有良好的抗噪聲干擾性、長(zhǎng)的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點(diǎn)，所以中繼器利用RS485通信將天線接收到的采集終端數(shù)據(jù)處理后，再傳到網(wǎng)關(guān)。

（2）網(wǎng)關(guān) 網(wǎng)關(guān)是一款全面支持各大運(yùn)營(yíng)商的通信網(wǎng)絡(luò)和WiFi的數(shù)據(jù)信息傳輸設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了串口與串口或服務(wù)器之間的雙向無(wú)線傳輸。網(wǎng)關(guān)是采集設(shè)備和服務(wù)器之間的通信樞紐、傳感網(wǎng)絡(luò)核心，具有支持物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議等多種通信協(xié)議、集成多種通信方式，使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，通過(guò)云平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口等實(shí)現(xiàn)與第三方應(yīng)用平臺(tái)對(duì)接的功能。傳輸網(wǎng)絡(luò)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 傳輸網(wǎng)絡(luò)硬件結(jié)構(gòu)

4 軟件設(shè)計(jì)

焊接有效工時(shí)分析系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為三部分：第一部分是對(duì)智能焊機(jī)采集終端和傳輸網(wǎng)絡(luò)中STM32單片機(jī)的程序編寫(xiě)，對(duì)采集器采集到的電流信息進(jìn)行處理得到焊工的各種工作信息，實(shí)現(xiàn)智能焊機(jī)采集終端和傳輸網(wǎng)絡(luò)之間的通信，完成數(shù)據(jù)的收發(fā)；第二部分是對(duì)服務(wù)器進(jìn)行搭建、開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)分析等，實(shí)現(xiàn)焊工信息的大數(shù)據(jù)分析與存儲(chǔ)等功能；第三部分是可視化數(shù)據(jù)網(wǎng)頁(yè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的可視化，供用戶和管理者訪問(wèn)查詢數(shù)據(jù)信息，可選擇生成焊工數(shù)據(jù)報(bào)表。

4.1 STM32單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

在智能焊機(jī)采集終端和傳輸網(wǎng)絡(luò)中使用的是單片機(jī)STM32L053C8T6，此單片機(jī)是基于高性能的ARM Cortex-M0+內(nèi)核的超低功耗32位MCU，非常適合電池供電或供電來(lái)自能量收集的應(yīng)用，能夠滿足焊接低功耗的需求。Keil5是STM32單片機(jī)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，也就是用來(lái)編寫(xiě)和上傳程序的軟件，使用C語(yǔ)言進(jìn)行程序的編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。智能焊接采集終端和傳輸網(wǎng)絡(luò)流程分別如圖4、圖5所示。

圖4 智能焊機(jī)采集終端流程

圖5 傳輸網(wǎng)絡(luò)流程

4.2 服務(wù)器平臺(tái)

云服務(wù)器（ECS）是一種簡(jiǎn)捷快速且彈性處理能力強(qiáng)的計(jì)算服務(wù)，具有運(yùn)行更為穩(wěn)定，速度更快，快速響應(yīng)，自動(dòng)切換的特點(diǎn)。本系統(tǒng)選擇的服務(wù)器是阿里云服務(wù)ECS，通過(guò)服務(wù)器的方式對(duì)采集到的焊機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程計(jì)算，存儲(chǔ)資源，大數(shù)據(jù)處理分析，也可將可視化數(shù)據(jù)網(wǎng)頁(yè)平臺(tái)應(yīng)用界面在云服務(wù)器上配置，起到獨(dú)立服務(wù)器的作用，同時(shí)云服務(wù)器還可以用來(lái)存儲(chǔ)焊接數(shù)據(jù)。因?yàn)樵品?wù)器一般都會(huì)多重備份，因此數(shù)據(jù)的安全性也更有保障。服務(wù)器后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)采用MYSQL數(shù)據(jù)庫(kù)，可通過(guò)軟件對(duì)原始的焊接數(shù)據(jù)信息進(jìn)行調(diào)取查看。

4.3 可視化數(shù)據(jù)網(wǎng)頁(yè)平臺(tái)

網(wǎng)頁(yè)平臺(tái)界面是在WEB端面向用戶的界面，焊接信息的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)各層傳輸和一系列計(jì)算分析后，最終結(jié)果顯示在可視化數(shù)據(jù)網(wǎng)頁(yè)平臺(tái)界面（見(jiàn)圖6），管理員或普通用戶也可以訪問(wèn)網(wǎng)頁(yè)查看施工情況。基于數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的軟件開(kāi)發(fā)，包括圖形化界面設(shè)計(jì)、工藝數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)化、基于權(quán)限分級(jí)管理設(shè)計(jì)多種場(chǎng)景模式、基于顯示終端類型設(shè)計(jì)多種風(fēng)格界面，以及實(shí)現(xiàn)決策信息推送服務(wù)等。在瀏覽器中輸入網(wǎng)址，進(jìn)入登錄界面，界面共分為兩部分：一是數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)操作界面，用于顯示焊工相關(guān)信息，焊接工時(shí)計(jì)算等；二是后臺(tái)管理，可進(jìn)行權(quán)限管理、焊工人員信息管理、修改密碼等功能運(yùn)行。

圖6 可視化數(shù)據(jù)網(wǎng)頁(yè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

大數(shù)據(jù)看板上顯示的監(jiān)控信息包括：工人總數(shù)、設(shè)備總數(shù)、總工時(shí)排名、熟練度排名、在線總?cè)藬?shù)/總時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)、工人總工時(shí)及設(shè)備日志等信息。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套適用于各種焊機(jī)設(shè)備的焊接有效工時(shí)分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)能有效統(tǒng)計(jì)焊工的工時(shí)，了解焊工的工作地點(diǎn)以及查看焊機(jī)的狀態(tài)，便于管理者全面、及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握施工現(xiàn)場(chǎng)的焊接情況。通過(guò)大數(shù)據(jù)分析優(yōu)化焊工數(shù)量、工作時(shí)長(zhǎng)、焊機(jī)配置，監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)焊接數(shù)據(jù)，提高焊接質(zhì)量。