長輸管道自動焊數字化現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
——數據采集及無線傳輸技術

張 毅 張 鋒 苗群福 李華平 王東坡

1. 天津大學材料科學與工程學院 2. 中國石油天然氣管道科學研究院有限公司 3. 中國石油天然氣管道局第三工程分公司

0 引言

自動焊作為一種高效焊接技術已在國外廣泛應用，隨著國內自動焊技術的發(fā)展進步，自2015年以來，國產自動焊裝備從技術先進性、系統(tǒng)穩(wěn)定性、裝備可靠性等方面逐步提升，被管道施工用戶接受，逐漸進入國內管道建設的市場中。隨著焊縫跟蹤、運動控制、數字化通訊等關鍵技術的突破，國產自動焊裝備在國內長輸管道施工所占比例越來越大。

2017年中石油集團公司提出“全生命周期”管道建設的目標和要求，將管道施工技術推向新高度，從設計到采辦到施工到驗收提供全數字化的資料統(tǒng)計，建立統(tǒng)一平臺，將過程中的數據進行實時記錄、傳輸，通過平臺進行分析、處理和存儲，建立完整的數據管理系統(tǒng)。其中在管道施工環(huán)節(jié)，焊接過程的數字化技術對自動焊提出新要求。

為達到管道建設要求數據標準統(tǒng)一、感知交互多模態(tài)協(xié)同、各系統(tǒng)兼容數據互聯(lián)、運行狀態(tài)可知可控、趨勢預警可防有效的目標[1]，現(xiàn)場焊接施工的自動焊裝備必須具備實時數據采集和無線數據傳輸功能[2]。按照管道建設數字化技術要求，建立自動焊裝備的數字化系統(tǒng)，勢在必行。該系統(tǒng)通過對焊接過程參數的實時采集，遠程傳輸，可提供真實詳細的焊接數據，為長輸管道施工環(huán)節(jié)的數字化提供可行的技術條件。

1 智慧管道建設的由來

2014年5月21日中俄簽署了《中俄東線天然氣合作項目備忘錄》，該管道于2015年6月30日開工，由于高鋼級、大口徑、高效率、高質量的建設要求，使自動焊焊接技術得以大面積推廣[3-5]，中俄東線90%以上的管道建設采用自動焊技術。2017年7月，中國石油天然氣集團有限公司提出以中俄東線為智慧化管道建設的第一示范工程，設計管道“全生命周期”建設，由此掀開了智慧化管道建設的新篇章，成為熱點，結合實際應用，諸多文章已開展相關定義和論述[2-25]，其中智能工地作為中俄東線施工的標桿旗幟，打響了智慧化管道建設的第一槍[26-27]。

1.1 涵蓋范圍

管道建設施工是一項傳統(tǒng)工程，隨著信息技術、自動化技術的融合與應用，逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法。近些年大數據、云服務、物聯(lián)網、互聯(lián)網、工業(yè)4.0的提出，不斷促進該行業(yè)的智能化融合水平，消除孤島環(huán)節(jié)，建立統(tǒng)一平臺，整理、顯示、分析、處理數據。將管道設計、物資采購、現(xiàn)場施工、工程驗收整套流程數據化、可視化、可量化，開展“全生命周期”的數字化移交工作，將各階段業(yè)務數字化移交數據進行分類、整理、共享，將管道建設過程中的數據歸檔[28]。

1.2 焊接過程數字化提出的要求

現(xiàn)場施工關鍵環(huán)節(jié)之一是焊接，近幾年要求通過數字化手段將每道管口數據實時采集、上傳，用于焊接過程的監(jiān)控、查看、分析，作為管道建設竣工資料的數據存底，便于分析焊口出現(xiàn)的質量問題，為施工單位、監(jiān)理機構及業(yè)主單位調整、監(jiān)督、管控現(xiàn)場焊接過程提供技術支持。

1.3 焊接過程數字化存在的問題

1）數據采集標準問題[29]：管道建設過程中尚未明確統(tǒng)一的采集標準，項目管理者根據自身管理經驗及需求，制訂不同采集標準，對設計方、施工方、監(jiān)理方提出針對性的開發(fā)、使用、監(jiān)管要求。

2）數據使用問題：近幾年自動焊裝備已大量推廣應用，但自動焊技術提升主要在“如何代替人工”方面，對于智慧化管道建設的數字化采集、無線傳輸技術屬于初步開發(fā)階段，目前已實現(xiàn)數據的采集、保存、傳輸鏈路功能，但如何有效、有用地整合數據、分析數據成為智能化技術發(fā)展的深層風向標。

2 國內外長輸管道焊接過程數據采集和無線傳輸技術現(xiàn)狀

2.1 國內技術現(xiàn)狀

2017年至今，國內的自動焊裝備已推廣應用焊接過程的數據采集和無線傳輸技術[30-36]。按照建立的數據字典（表1），自動焊裝備可實現(xiàn)焊接過程中關鍵參數的實時采集。

表1 數據字典表

2.1.1 采集系統(tǒng)組成

1）硬件方面。主要采用2種方式進行數據采集工作：①結合自動焊裝備控制系統(tǒng)加裝對應傳感器（包括：電壓傳感器、電流傳感器、角度傳感器、位置傳感器），直接獲取采集參數；②通過控制系統(tǒng)內部的閉環(huán)反饋計算、換算間接獲取采集參數。

2）軟件方面。將采集到的焊接參數，按照規(guī)定格式進行分類和整理；通過數據傳輸協(xié)議，建立數據包處理數據，為數據發(fā)送做好準備工作。

2.1.2 無線傳輸及本地存儲系統(tǒng)組成

現(xiàn)場自動焊裝備通過局部區(qū)域組網，每臺自動焊裝備安裝數據采集和無線傳輸設備，采用通用協(xié)議將采集數據無線傳輸至現(xiàn)場主站接收系統(tǒng)。主站接收系統(tǒng)通過4G網卡將數據無線傳輸回基地中。

當現(xiàn)場無法建立網絡時，先將數據預存儲于本機系統(tǒng)中，在有網絡的地域導出數據，進行遠程上傳。該方式是一種數據備份措施，本地存儲主要包括以下3種方式：

1）通過控制系統(tǒng)內部Flash、鐵電存儲器、RAM等存儲空間完成采集參數的本地存儲工作，采用專用軟件導出、打開、讀取數據，沒有標注和格式，只包含完整數據；

2）通過控制系統(tǒng)內部建立數據庫，按照規(guī)定格式存儲，可通過SD卡、U盤等外部存儲設備導出，數據多以.Xlsx、.Csv等通用格式讀取；

3）通過Internet網頁登錄系統(tǒng)，進行歷史數據的查看、導出，導出的數據多以.Xlsx格式讀取。

目前國內自動焊裝備制造廠家均已開發(fā)數據采集、無線傳輸系統(tǒng)，并由中油龍慧科技有限公司（以下簡稱龍慧公司）開發(fā)的管道工程建設管理系統(tǒng)（Pipeline Engineering Construction Management System，PCM系統(tǒng)）完成對數據整理、分類、顯示、分析等工作，如CPP900自動焊數據和無線傳輸系統(tǒng)（圖1）所示。

圖1 CPP900自動焊數據采集和無線傳輸系統(tǒng)圖

2.2 國外技術現(xiàn)狀

20世紀70～80年代，國外已大面積推廣應用自動焊裝備，以其焊接效率和質量的明顯優(yōu)勢迅速推廣，較為知名的國外自動焊裝備廠商包括：美國CRC-Evans公司和法國Serimax公司。

1）CRC-Evans公司主要在陸地管道建設中使用，推出一款具有自診斷功能、實時數據記錄、無線傳輸和衛(wèi)星定位功能的輕型P-625型雙焊炬自動焊系統(tǒng)。該自動焊系統(tǒng)依托GPS技術，可實時監(jiān)測群組內各臺自動焊動態(tài)參數變化、系統(tǒng)運行狀態(tài)，上傳質量分析性能數據。此外，通過藍牙無線傳輸技術上傳、下載焊接參數，為用戶修改焊接參數提供便利。但由于國內自動焊技術的發(fā)展推廣，從技術層面上已和國際水平相當，P-625國內引進較少。對于之前引進的P600自動焊裝備沒有此項功能，通過國內代理機構設計外部采集和傳輸系統(tǒng)進行數據存取工作。

2）Serimax公司主要在海洋管道建設中使用，推出的Saturnax系列，具有數據監(jiān)控和記錄功能，在海洋上施工很少能夠建立無線網絡，因此Saturnax系列屬于一種本地數據存儲。

目前國外設備在國內管道建設使用過程中，其數據的采集、無線傳輸可通過現(xiàn)場局域網絡傳輸至主站接收系統(tǒng)，上傳于龍慧公司的PCM系統(tǒng)中。

3 焊接電源的數據采集和無線傳輸技術現(xiàn)狀

1）奧太焊接電源的奧太智能化焊機群控管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)焊機狀態(tài)實時監(jiān)控、焊接參數在線控制、焊接數據海量存儲以及焊接數據統(tǒng)計、分析。系統(tǒng)可選擇Wifi、4G、有線網絡完成連接，采用瀏覽器/服務器（簡稱B/S）架構，可實現(xiàn)數據遠程共享與現(xiàn)有MES、ERP等系統(tǒng)的對接。也可通過APP軟件實時與群控管理系統(tǒng)進行交互。

2）福尼斯焊接電源的Fronius-WELDCUBE焊接系統(tǒng)，組網管理，可實現(xiàn)來自生產線的焊接數據記錄和分析，記錄焊接過程如：持續(xù)時間、電流、電壓、線速、功率、焊接操作、故障、事件過濾、時間過濾等，可導出PDF/CSV文檔；極限違規(guī)時將所涉焊縫用紅色標注，即時反饋優(yōu)化流程，監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，識別故障。開發(fā)的WeldConnect一款APP程序，根據輸入數據信息（如：焊接工藝、母材、焊縫形狀和保護氣體），自動計算TIG和MIG/MAG理想焊接參數，并通過無線傳輸方式發(fā)送至焊接系統(tǒng)和相關人員。

3）肯倍焊接電源的ArcInfo，用于記錄、展示和分析焊接數據的網頁服務，將原始焊接參數數據通過直觀的視覺效果進行展示。DataCatch硬件用于收集焊機數據，并將其傳輸到筆記本電腦，通過SMART READER 2D將每臺焊接電源數據傳送至云端WeldEye管理系統(tǒng)，可提供100%的焊接過程可追溯性、實時質量控制、焊接偏差報警，可收集多型號焊接電源的焊接數據，也可通過APP軟件WeldEye Mobile實時與WeldEye管理系統(tǒng)進行交互。

4）伊薩焊接電源的WELDCLOUD焊接云系統(tǒng)，用于焊接數據的分析平臺，可有效跟蹤每一個焊縫的關鍵參數，記錄完整的焊接過程，實時追蹤焊接質量，對整個焊接機組進行數據分析和管理，具有雙向通訊接收、發(fā)送焊接參數、自動報警、多機聯(lián)控、歷史追溯等功能。也可通過APP軟件實時與WELDCLOUD云系統(tǒng)進行交互。

5）林肯焊接電源的焊接智能管理系統(tǒng)以及Checkpoint?軟件，通過Wi-Fi、藍牙、服務器、云端服務器具備查看和分析焊接數據，跟蹤設備使用情況、存儲焊接數據、配置故障限值、數據追溯等功能，可使用在多種焊接電源機型上。

6）米勒焊接電源的Insight焊接智能?，整體焊接數據解決方案，通過Insight焊接監(jiān)測系統(tǒng)可提供電弧數據監(jiān)測、指導、控制、報警、糾正。內置Wi-Fi和有線以太網連接，數據生成后會自動發(fā)送到云端進行處理、組織和安全存儲。

7）松下焊接電源的智能焊接云服務平臺iWeldCloud，依托G系列物聯(lián)網和焊接機器人，通過4G網絡將焊接數據實時從設備傳輸到云端進行數據存儲、分析和統(tǒng)計，設備用戶可通過PC瀏覽器或APP進行監(jiān)控和管理。

綜上所述國內外知名的焊接電源廠家在數據可視化、可量化、可控化進行研發(fā)攻關，融合大數據、云服務、物聯(lián)網、互聯(lián)網技術，逐漸引入智能化算法、數據庫，對比分析焊接過程的參數、方法、質量并形成反饋和指導。

4 對比分析

4.1 自動焊系統(tǒng)數據采集及無線傳輸特點分析

4.1.1 采集對象

采集管道環(huán)焊縫焊接過程中的相關參數，包括焊接參數和運動參數，其中焊接參數包括焊接電流和焊接電壓，運動參數包括焊接角度、焊接層數、焊接速度、送絲速度、擺動寬度、擺動時間和邊緣停留時間。按照0～6點位置的焊接過程，將焊接區(qū)域分段成12個區(qū)域，在不同的區(qū)域中采集上述參數，且全位置焊接屬于多層、多道焊接方法，在每一層均會采集12個區(qū)域的相關參數，采集區(qū)域劃分及多層、多道焊接示意如圖2所示，采集對象相對固定。

圖2 數據采集區(qū)域劃分及多層多道焊接示意圖

4.1.2 焊接工藝

對于長輸管道自動焊焊接，主體管道大部分采用窄間隙復合“V”形坡口（圖3），內焊機根焊+雙焊炬熱焊填充蓋面，屬于實芯氣保下向焊焊接工藝。2017年后大部分管道均采用X80管道鋼作為主體施工材料，根焊焊材選用?0.9 mm實芯焊絲，一般為70S型。熱焊填充蓋面焊材選用?1.0 mm實芯焊絲，一般為80S型，焊接工藝相對固定。

圖3 窄間隙坡口示意圖

4.1.3 焊接過程中的監(jiān)測手段

由于長輸管道焊接屬于野外特殊施工作業(yè)，環(huán)境相對惡劣，對焊接作業(yè)的空間、布局、自動焊系統(tǒng)尺寸等均有要求。因此，對于自動焊裝備本身所具有的監(jiān)測手段如熔池監(jiān)測、熔深監(jiān)測、坡口尺寸監(jiān)測等，具有局限性。在長輸管道自動焊數據采集中，重點任務是采集數據字典中的相關參數，并不對焊接的外界條件、過程狀態(tài)進行采集工作。

4.1.4 數據傳輸

由于自動焊裝備主要采集為數據格式，幾乎沒有圖像、音頻等復雜格式，因此，數據傳輸過程中的字節(jié)占有量較小，按照?1 219 mm、壁厚18.4 mm計算，單層焊接厚度為2.5～3.0 mm，共焊接8層，相關采集參數如表2所示。

表2 采集數據的相關信息表

計算單個自動焊系統(tǒng)的數據采集量，按照二進制計算，16 bit，所代表的最大數值為216=65 536，可包含上述9種采集參數的最大值。因此每一個參數選取16 bit即2個字節(jié)，作為數據存儲量。按照500 ms/次的發(fā)送頻率，焊接速度按300 mm/min計算，從0點位置運動至6點位置焊接單層發(fā)送的總數據量為0.1 Mb。整道焊口按照焊接8層計算，1 km按照83根鋼管計算，一個標段按照100 km計算，一個焊接機組一般配備12臺自動焊系統(tǒng)，傳輸總數據量為160.8 Gb屬于小容量數據系統(tǒng)。

現(xiàn)階段，由于長輸管道焊接材料（鋼材、焊材）、坡口形式、焊接區(qū)域（全位置焊接）相對固定，數據采集的重點主要是在焊接過程中針對不同焊接層數、不同焊接區(qū)域的實時采集過程。焊接后采用AUT/RT的檢測手段，將檢測結果與不同焊層、不同焊接區(qū)域的相關參數進行對比，驗證不同區(qū)域焊接參數與運動參數的匹配性，人為分析結果，并通過實際操作系統(tǒng)調整、優(yōu)化工藝參數，保證焊接質量。自動焊數據采集和無線傳輸屬于小容量、小集群、實時性強的參數匹配性驗證無反饋開環(huán)采集傳輸系統(tǒng)。

4.2 焊接電源數據采集及無線傳輸特點分析

4.2.1 采集對象

焊接種類繁多，針對不同的焊接母材如碳鋼、不銹鋼、鋁合金、鈦合金或復合材料以及配套的多種焊材等。焊接電源開發(fā)設計滿足多種材料的焊接技術需求，采集系統(tǒng)的采集對象須涵蓋所涉及的所有相關參數，除了焊接過程中相關的焊接參數、運動參數外，還需獲取母材信息、焊材信息、焊縫輪廓、保護氣體等，采集對象根據不同工藝要求相對寬泛。

4.2.2 焊接工藝

焊接電源對應的應用市場廣泛，焊接工藝繁多，如MIG/MAG焊、TIG焊、埋弧焊、激光焊、電阻焊等，對應的焊縫類型多樣，對接焊縫、角焊縫、船形焊縫，屬于全位置焊接。具有焊接數據庫，可根據母材信息、焊材信息、焊縫輪廓，焊接角度等相關參數的輸入，也可采用掃面焊件二維碼獲取相關信息，調用推薦焊接工藝，或根據自行焊接工藝特點擴充數據庫焊接工藝方式，焊接工藝寬泛且包含焊接工藝庫。

4.2.3 焊接過程中的監(jiān)測手段

由于焊接電源一般配套使用，在車間、船廠、工廠等環(huán)境較為良好的場景，針對固定場地的焊接作業(yè)，可采用多種監(jiān)測手段進行焊接外觀檢測、激光輪廓掃描、熔池監(jiān)測等輔助工具，與焊接過程的焊接參數、運動參數進行更進一步的對比分析。因此對于焊接電源的使用場景，可多維度地分析焊接過程，優(yōu)化焊接工藝。

4.2.4 數據傳輸

數據傳輸與自動焊系統(tǒng)數據傳輸方法一致，采集為數據格式，幾乎沒有圖像、音頻等復雜格式，數據采集量略大，傳輸協(xié)議各家自定義。但焊接電源具有遠程有線或無線的數據庫更新、工藝優(yōu)化的反饋功能，可將新的、優(yōu)化后的工藝，通過平臺系統(tǒng)反饋傳回至焊接電源系統(tǒng)，自動更新工藝。并可通過系統(tǒng)的級聯(lián)、群控采用廣播方式發(fā)送給所有同款電源。

現(xiàn)階段，焊接電源對應的焊接材料（鋼材、焊材）、坡口形式、焊接位置（全位置焊接）相對寬泛，數據采集除了焊接參數、運動參數的實時采集，還會針對特殊的焊接工藝增加采集對象。并通過多種相關參數的信息輸入，調取內部的焊接數據庫，完成焊接任務。焊接過程中可采用多種監(jiān)測手段，多維度地分析、優(yōu)化焊接工藝，通過群控、級聯(lián)的方式反饋發(fā)送至焊接電源進行自動更新。焊接電源的數據采集和無線傳輸同屬于小容量、中集群、實時性強的多維度帶反饋的閉環(huán)采集傳輸系統(tǒng)。

4.3 對比分析總結

1）采集對象：自動焊系統(tǒng)數據采集對象相對單一，而焊接電源相對寬泛。

2）焊接工藝：自動焊系統(tǒng)焊接工藝單一，未生成專用的焊接數據庫。焊接電源焊接工藝多樣化，具有專用的焊接數據庫。

3）焊接過程中的監(jiān)測手段：由于應用場景的優(yōu)劣，焊接電源更容易增加多種監(jiān)測配套設備，多維度的分析焊接過程，優(yōu)化焊接工藝，但未將監(jiān)測系統(tǒng)數據與焊接電源、自動焊系統(tǒng)的數據采集、無線傳輸融合集成。

4）數據傳輸：自動焊系統(tǒng)屬于開環(huán)系統(tǒng)，焊接電源屬于閉環(huán)系統(tǒng)。

4.4 自動焊控制系統(tǒng)組成

自動焊控制系統(tǒng)主要組成部分包括：手持盒、控制系統(tǒng)、焊接電源、焊接小車、軌道和保護氣瓶（圖4），其中控制系統(tǒng)和焊接電源是數據采集、無線傳輸的載體。

圖4 自動焊系統(tǒng)組成圖

5 發(fā)展趨勢

5.1 數據采集從單一到多樣化

隨著自動焊技術的推廣應用，多種形式的施工場景將采用多種自動焊焊接工藝，對應數據采集、傳輸系統(tǒng)，結合焊接電源系統(tǒng)的多樣性，擴展長輸管道焊接工藝種類的多樣化數據采集，隨著數據的不斷積累，將逐步建立起適用于長輸管道自動焊裝備的多種焊接工藝數據庫，通過輸入管徑、壁厚、材質等信息，可自動調用成熟焊接工藝參數。

5.2 數據采集分析方法的多維化

隨著激光技術、熔池監(jiān)測技術逐漸成熟，以及5G技術的推廣應用，數據傳輸容量和速度將進一步提升，在采集監(jiān)測分析焊接參數、運動參數數據的基礎上，增加對坡口輪廓、焊接過程的動態(tài)監(jiān)測等多維度、全方位相關數據的采集、傳輸，并結合檢測結果分析焊接質量，更加具體化和數據化。

5.3 數據信息的規(guī)范化、標準化

隨著數字化管道建設的大面積推廣使用，大數據積累、多維化的數據分析將逐漸成熟。關鍵、重要的焊接因子將趨于明晰，根據工程需求、業(yè)主監(jiān)理要求，進行采集傳輸工作的自主定義數據采集、傳輸將逐漸規(guī)范化和標準化。

5.4 數據采集、傳輸實時閉環(huán)反饋系統(tǒng)

長輸管道數據采集、傳輸閉環(huán)反饋系統(tǒng)將現(xiàn)場與基地閉環(huán)連接，通過對焊接過程的分析，優(yōu)化當前焊接工藝，并通過遠程推送，將優(yōu)化后的工藝自動廣播于現(xiàn)場施工機組，程序自動更新升級。當多維度分析手段的準確性、數據傳輸容量、速率大幅提升，將實現(xiàn)焊接過程中的實時數據采集、傳輸、監(jiān)測與動態(tài)調整的閉環(huán)實時系統(tǒng)，真正達到智能化焊接的初級階段。

6 結束語

大數據、人工智能時代已經到來，管道焊接也將從“經驗化”過渡為“數字化”，管道自動焊技術已實現(xiàn)國產化，近3年自動焊數據采集、無線傳輸在國家重點建設項目中的應用，證明“數字化”已成為管道建設的標準要求。隨著數字化進程的不斷推進，對于數據的后期處理、分析，建立影響質量的預測算法，用于指導焊接過程將會成為智能化的關鍵步驟。