基于焊接電源的焊接信息管控系統設計

陳家源，王學武，范曄平，徐德進

1.華東理工大學 能源化工過程智能制造教育部重點實驗室，上海 200237 2.上海廣為焊接設備有限公司，上海 200241 3.上海騰焊智能科技有限公司，上海 200241

0 前言

隨著德國提出的工業4.0戰略，屬于“工業4.0”的時代開始來臨。未來制造業逐漸向智能化的方向發展，設備互聯、人機互聯的趨勢越來越明顯[1]。為了滿足現代工業生產新的需求，焊接技術正在逐漸與互聯化、計算機控制化的工廠進行融合，正在朝著智能化、信息化的方向發展[2-3]。

焊接過程涉及許多流程，包含許多因素[4]。焊接技術涵蓋了多門學科，其中數學、物理等推動了焊接技術智能化、數字化的發展[5]。20世紀70年代，德國、美國[6]、日本[7]等將專家系統和數據庫等技術引入焊接領域，而國內的焊接專家系統起步較晚，20世紀80年代我國才開始建立焊接數據庫[8]。1988年哈爾濱工業大學、天津大學等多個院校共同開發了焊接專家系統，后續在各個高校、研究院、企業的不斷努力下，對各類焊接問題提出解決辦法，完善焊接專家系統。2004年重慶大學研究了焊接工藝智能數據庫系統，將專家系統工具引入到數據庫管理系統中[9]，2016年江蘇科技大學以知識挖掘為基礎，基于模糊知識推理和數值模擬等技術建立了焊接工藝推理設計機制[10]，2020年山東大學提出了一種包含精確的幾何、尺寸和焊接要求等信息的焊接任務數據模型[11]。如今焊接專家系統已趨于成熟，廣泛應用于各個行業[12]。

目前國內外相關企業和高校在不斷的進行焊接電源信息管控系統的研究，同時也取得了一定成果，焊接電源信息系統的功能和類型正在不斷完善。在智能制造的大背景下，我國的焊接信息系統也在不斷趨于成熟，應用于各個行業的焊接信息系統種類越來越多樣化，系統的功能模塊也越來越豐富，正在逐漸向國外前沿的焊接信息系統靠攏。但是仍存在一些不足，比如每個公司或者機構的研究成果比較獨立，研發的焊接信息系統大多只適用于公司內部的產品，缺少普適性，通信協議等也不盡相同，在行業內的整體發展層面上有一定限制。為了解決這一問題，更好地把控生產過程，在焊接過程中對焊接人員和各層級管理人員、焊接電源設備、物料和工藝等相關的數據進行計算、分析、統計和控制，本文基于軟硬件設計，研究設計了一套適用于多種焊接電源的焊接信息管控系統。該系統針對工業現場的模擬和數字化焊機的焊接信息進行采集、管理、控制和實時監測，通過把焊接技術、信息技術、通信控制和人員管理的理念相互結合在一起，以焊接技術信息化為目的，對焊機進行集群化管理控制，能夠對焊接數據進行采集、監測及追溯，同時可以對焊接人員進行集中管理，從而對焊接過程進行更精確地管控。

1 系統整體結構

系統整體架構如圖1所示，由數據采集通信設備、服務器、Web客戶端瀏覽器和移動手持終端組成。數據采集通信設備和上位機系統的設計為該系統的重點。數據采集通信設備與模擬焊機或數字焊機相連，使用對應的通信方式采集焊接參數，再通過采集設備與服務器的通信，將數據傳入服務器、存入數據庫、顯示到Web客戶端上，每個焊工在焊接作業開始前使用手持移動終端進行掃碼操作，用以記錄焊接前后的數據，數據同時會存入數據庫，做到焊接責任可追溯。

圖1 系統整體架構Fig.1 Overall system architecture

目前遠距離無線通信技術主要有Zigbee和Wi-Fi技術，為保證數據的傳輸更加穩定和安全，系統數據采集通信設備與上位機系統之間采用Wi-Fi通信技術。設計了兩個數據收發模塊，分別用來將接收到的焊接過程中產生的數據進行解析然后發送。由于模擬焊機和數字焊機的特性不同，與其相連的采集盒硬件模塊也不同，但是通信方式統一采用Wi-Fi通信。

焊接電源、采集模塊、手持終端的連接方式為一對一對一，焊工需要作業時在采集模塊上刷IC卡以記錄對應焊工的ID信息，使用每位焊工唯一的ID信息來記錄對應的操作信息；采集模塊將采集到的信息通過數據收發模塊處理后，保存至數據庫，同時上傳至云端；管理人員可以使用現場終端監測整個焊接過程的參數，也可以對焊工進行各個維度的管理，如每個焊工的資質、權限等。

2 數據采集模塊

本文基于模擬和數字化焊接電源的信息采集，以及焊接人員管理這兩部分進行研究。

（1）焊接信息采集。由于模擬焊機沒有外部數字接口，只能采集到電流和電壓這兩個模擬量參數，所以送絲速度等數據需要進行估算得知。而數字化焊機有數字通信接口，如USB接口、網口、串口、CAN接口等，可以直接從焊機上讀取送絲速度、焊絲直徑和材質、氣體流量等參數，不需要通過采集模擬量來進行另外的計算。

（2）焊接人員的管理。通過給每位焊工分發IC卡和唯一的ID信息，可做到焊接任務的精準發布以及焊接記錄可追溯，真正做到人員管理的高度統一。

為滿足工業現場模擬焊機和數字焊機混用的場景，實現采集焊接數據并發送到云端系統，再對參數進行分析、處理和顯示等功能，設計了一種可以與模擬焊機和數字焊機分別適配的數據采集模塊，為了最大程度簡化采集設備的電路設計，設備采用一塊主板連接一塊焊接數據采集模塊的方式，其中主板是相同的，焊接數據采集模塊根據模擬焊機和數字焊機分別設計，總體框圖如圖2所示。

圖2 焊接電源與采集模塊的連接Fig.2 Connection block diagram of welding power supply and acquisition module

如圖2所示，采集模塊包括鍵盤輸入、USB信息轉換、屏幕顯示、NFC讀卡、網口轉接、信號轉換等功能，并且區分了模擬模塊與數字模塊。其中中央處理器選擇的是STM32F103系列的單片機，具有低成本、低功耗、高穩定性、高集成度等特性[13]。采集模塊如圖3所示，LCD屏顯示的信息包含了電壓、電流、采集模塊編號、焊工IC卡號等基礎信息，按鍵可用來配置或查看IP地址、通信方式等信息。提供了USB接口可為采集模塊供電或者植入相應的程序。WIFI模塊選擇MARVEL8801模塊芯片，用來與上位機軟件通信。設計的采集模塊如圖3所示。

圖3 采集模塊Fig.3 Physical drawing of acquisition module

3 系統上位機軟件

3.1 軟件整體架構

上位機系統軟件采用SSM框架，即Spring+Spring MVC+MyBatis的整合框架，將系統整體分為四部分：View層、Controller層、Service層和dao層[14]。系統采用java語言開發，全面實現B/S結構，軟件整體框架如圖4所示，分為四部分：表現層、業務層、持久層和數據庫。表現層通過Spring MVC實現，負責與用戶的信息交互，其視圖由HTML及JS等前端技術實現；業務層由Spring4實現，負責后臺業務邏輯的實現；持久層由MyBatis3實現，負責提供數據；數據庫選擇Oracle，負責保存數據。

圖4 軟件整體框架Fig.4 Overall software framework

3.2 軟件的功能模型分析

為了將相關信息系統化、有條理地進行展示，對系統的功能模型進行具體的分析和設計，即把采集設備、焊接電源、焊工、用戶和實時展示界面等相關信息進行菜單化的分類，一共分為生產設備管理、生產過程管理、系統配置管理、設備監控管理和大屏展示管理五大模塊，總體功能及各個模塊之間的小功能劃分如圖5所示。

圖5 系統功能模塊劃分Fig.5 System function module division

（1）生產設備管理用于規范化管理設備，可以對設備實施編組、編號，管理跟蹤設備的維護保養信息，包括采集模塊管理、焊機設備管理、維修記錄管理。

（2）生產過程管理用來集中生產過程中的管理工藝規范及對焊工的統一管理，包括焊工管理、焊縫管理、焊機設備管理、生產工藝管理。

（3）系統配置管理對系統的用戶及角色等進行統籌管理，對車間組織機構進行統一的管理，用戶可根據公司自身情況建立公司、生產車間、班組的管理網絡架構，該模塊包括用戶管理、角色管理、組織機構管理。

（4）設備實時監控模塊實時統計焊機的工作狀態和焊接參數，能夠統計開機/待機/關機/故障的焊機設備，并且可實時輸出焊機的工作電壓及電流。

（5）大屏展示管理模塊用來管理數據可視化界面，使焊接重要參數更加清晰直觀的展示給用戶。

進入系統后，主頁面為數據可視化界面，包含需要展示的重要信息，如焊工狀態及工作時間、焊材消耗量、設備使用率等，此頁面也可以進行全屏展示，如圖6所示。

圖6 數據可視化主頁面Fig.6 Data visualization main page

同時展開左側子模塊也可查看各類信息，如在生產數據統計模塊下可查看各個車間班組的設備信息、焊接時間等，如圖7所示。

圖7 生產數據統計模塊Fig.7 Production data statistics module

在實時監控模塊中，使用曲線圖可直觀地查看焊機的實時工作狀態以及工作中的實時電壓、電流等數據，如圖8所示。

圖8 實時焊接曲線圖界面Fig.8 Real time welding curve interface

3.3 數據庫功能

（1）實時采集數據管理。對于模擬焊機和數字焊機，在開機狀態下，通過采集設備采集到的電流、電壓等參數，會不斷向數據庫傳送數據進行數據的插入，通過語句判斷數據類型并按照時間序列寫入不同的表，為后續分析、查詢等提供數據支撐。

（2）系統手動錄入。對于焊工信息、焊機信息、焊材信息、組織機構信息、焊機工藝規范信息、賬戶角色分配、用戶權限分配、手持終端IP地址等基礎信息，需要手動錄入系統，可以進行查詢和增加、刪除、修改等操作。

（3）手持終端數據管理。對工票二維碼和工藝二維碼信息進行管理，在焊工點擊“開始任務”后，判斷數據類型存入不同的表中，再通過MQTT協議將數據取出來，把任務參數通過采集設備下發給焊機；點擊“結束任務”之后，修改數據任務表中的時間和狀態，最后存入系統的實時表。數據庫各表劃分如圖9所示。

圖9 數據庫各表劃分Fig.9 Division of database tables

4 系統移動手持終端

手持終端即遠程監控設備，每個焊工在進行焊接作業前都需要使用手持移動終端掃描焊接數據相關的二維碼，對焊工在焊接過程中產生的焊接數據進行分析統計，以及任務下發。基于安全性，每個手持終端有唯一的IP地址，這些IP地址需要手動錄入數據庫，手持終端與采集盒、焊機一一對應，界面如圖10所示。

圖10 手持終端界面Fig.10 Interface diagram of handheld terminal

手持終端使用平板電腦在Chrome瀏覽器中運行寫好的程序，即可通過公司內部局域網打開相應的頁面。通過打開攝像頭，掃描對應的二維碼獲取工票和工藝信息，得到數據后顯示在對應的表格中，如圖11所示。只有當獲取到工票和工藝信息后，才可以點擊“開始任務”，當焊工點擊“開始任務”時，就開始記錄焊接時間，若獲取到掃描出來的信息，則把頁面中所有的數據（包括工票、工藝信息）存入數據庫，并且通過相應的語句判斷數據類型然后存入不同的表中；接著把數據發送到數據收發模塊二，通過數據收發模塊二將數據下發到采集設備，采集設備將數據下發到焊機，同時數據收發模塊二將數據傳入數據庫的實時表，用來統計什么時候開始任務。當焊接完成時，焊工點擊“結束任務”，首先更新數據庫任務表中的狀態和時間，把狀態從開始改為完成，并且記錄任務完成時間；然后通過mqtt將數據發送給數據收發模塊二，數據收發模塊二把任務數組清空，等待下一次任務的到來，最后把數據存入實時表，至此完成一次焊接任務。

圖11 掃描二維碼后獲取的焊接信息Fig.11 Welding information obtained after scanning QR code

5 結論

本文實現了一種功能相對完善的焊接信息管控系統，系統把多個焊接工人和焊接電源有條理化地納入信息化管理的同時，對焊接產生的參數進行各個維度的統計分析，并進行數據報表的拉取。系統實現了對于模擬焊機和數字焊機的統一管理，通過數據采集模塊，使所有焊接電源都納入統一管控，對于模擬焊機也能進行最大程度的管理和數據的采集。系統同時具備了完善的報表輸出等功能，結合數據可視化界面的實現，系統可以根據用戶需求向大屏幕動態輸出多種展示內容，即實現輸出針對班組、人員、焊機等的信息報表，讓焊接數據更能一目了然。經過系統測試和實際應用，表明了系統的實用性。未來在數據庫優化以及手持終端功能拓展方面仍有許多工作要做。