盧振洋，王 師，陳樹君

（北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124）

航天數(shù)字化車間焊接設(shè)備集成實(shí)踐

盧振洋，王 師，陳樹君

（北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124）

從國內(nèi)某航天器制造企業(yè)的實(shí)際需求出發(fā)，引出層次化的數(shù)字化車間設(shè)備垂直集成模型和原則。設(shè)計(jì)了一套基于以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)（EtherCAT）、以太網(wǎng)以及工控一體機(jī)的焊接車間設(shè)備信息化集成方案。介紹該項(xiàng)目中焊接過程數(shù)據(jù)采集的原理及方法，以及基于.NET框架用C#語言開發(fā)的焊接數(shù)據(jù)采集管理軟件。該軟件與車間生產(chǎn)制造管理系統(tǒng)（MES）連接，順利實(shí)現(xiàn)焊接設(shè)備的信息化集成。實(shí)踐表明，該方案能實(shí)現(xiàn)設(shè)備過程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、遠(yuǎn)程管理，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于拓展。

數(shù)字化車間；焊接過程；EtherCAT；數(shù)據(jù)采集

0 前言

“德國工業(yè)4.0”“中國制造2025”的出爐，標(biāo)志著智能制造將引發(fā)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革。在《中國制造2025》和《國務(wù)院關(guān)于深化制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的指導(dǎo)意見》的指導(dǎo)下，航天科技集團(tuán)某廠積極推進(jìn)企業(yè)內(nèi)部“兩化融合”，打造數(shù)字化車間，加速航天器智能制造發(fā)展進(jìn)程[1]。

焊接制造在航天器生產(chǎn)過程中扮演著至關(guān)重要的角色：一方面，航天器生產(chǎn)過程中需要大量的焊接工藝流程，焊接工序繁多且復(fù)雜；另一方面，焊縫質(zhì)量關(guān)系著航天器乃至航天員的生死存亡，航天器制造要求焊件質(zhì)量“零缺陷”。因此，該廠在數(shù)字化車間的建設(shè)過程中，積極推進(jìn)焊接車間的信息化水平，加速焊接設(shè)備的信息化集成，實(shí)現(xiàn)工作流程的自動化、無紙化；并且針對航天焊接產(chǎn)品的特殊性，實(shí)現(xiàn)焊接制造過程信息的自動采集、在線記錄、歷史追溯等功能，為航天器智能制造采集前端數(shù)據(jù)，以供日后大數(shù)據(jù)分析，指導(dǎo)優(yōu)化生產(chǎn)管理、生產(chǎn)工藝等[2-3]。

1 數(shù)字化車間設(shè)備集成模型

秉承“兩化融合”的路線，該廠結(jié)合數(shù)字化車間建設(shè)的實(shí)際情況，參考航天制造企業(yè)數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)體系框架，構(gòu)建了車間設(shè)備集成標(biāo)準(zhǔn)化的垂直分層模型，如圖1所示[4]。

圖1 信息化集成層次模型

該模型將數(shù)字化車間從邏輯上自上而下分成：

（1）管理層。企業(yè)常見的ERP、CRM系統(tǒng)其功能是實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃分配的自動化、網(wǎng)絡(luò)化，優(yōu)化企業(yè)生產(chǎn)排產(chǎn)等。

（2）系統(tǒng)層。主要包括MES、SCADA系統(tǒng)，其功能是為企業(yè)提供制造數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、生產(chǎn)過程信息的采集、反饋、跟蹤生產(chǎn)進(jìn)度等[5]。

（3）網(wǎng)絡(luò)層。工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線為主，其功能包括為數(shù)字化車間的各層數(shù)據(jù)傳輸、交互提供統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)行著相應(yīng)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

（4）控制層。PLC、單片機(jī)、嵌入式PC等控制設(shè)備，其功能是為設(shè)備自動化的實(shí)現(xiàn)提供控制核心、為各層交互提供邏輯載體。

（5）執(zhí)行層。多為設(shè)備單體，包括自動化焊機(jī)、焊接機(jī)器人等執(zhí)行個(gè)體，是數(shù)字化車間的最底層受控體，亦是最直接的生產(chǎn)者。

本模型僅從邏輯上針對應(yīng)用對設(shè)備分層，每一層次并不一定對應(yīng)某一特定設(shè)備，存在某一物理載體貫穿多層的情況。比如，車間智能化的機(jī)器人往往既是控制層又是執(zhí)行層。

2 焊接車間設(shè)備信息化集成方案

2.1 總體方案

在垂直層集成模型的指導(dǎo)下，考慮到航天器生產(chǎn)的特殊性、焊接設(shè)備的離散分布性以及車間建設(shè)的實(shí)際情況，最終采用的信息化集成方案如圖2所示。

圖2 焊接設(shè)備集成系統(tǒng)示意

該方案中，管理層基于該廠已有生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)；系統(tǒng)層為車間的制造管理系統(tǒng)（MES）；網(wǎng)絡(luò)層采用以太網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)（EtherCAT），設(shè)備間通信與分布式數(shù)據(jù)采集通過EtherCAT實(shí)現(xiàn)；控制層為工業(yè)PC；底端執(zhí)行層為焊接設(shè)備和焊接機(jī)器人本體。

2.2 垂直集成關(guān)鍵技術(shù)

該集成方案的關(guān)鍵技術(shù)之一是現(xiàn)場工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)與以太信息網(wǎng)絡(luò)的融合。垂直集成關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)基于運(yùn)行軟PLC的雙網(wǎng)卡的工業(yè)一體機(jī)及相應(yīng)應(yīng)用軟件系統(tǒng)，它們是實(shí)現(xiàn)信息化和自動化無縫對接的橋梁。

軟PLC集成層次示意如圖 3所示，實(shí)時(shí)以太網(wǎng)EtherCAT作為多軸焊接機(jī)器人運(yùn)動控制網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，也作為生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的采集網(wǎng)絡(luò)。自動化控制技術(shù)與信息技術(shù)先天的不兼容性導(dǎo)致了中間層的出現(xiàn)，采用軟PLC技術(shù)和面向?qū)ο箝_發(fā)（OOP）技術(shù)，將信息軟件系統(tǒng)和自動化軟件系統(tǒng)集成于同一物理載體——現(xiàn)場工作站，即工業(yè)PC?，F(xiàn)場工作站采用雙網(wǎng)卡方案，將實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT和信息以太網(wǎng)Ethernet對接在一起，成為二者數(shù)據(jù)交互的橋梁；工業(yè)PC既承擔(dān)了傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)中PLC的控制工作，又實(shí)現(xiàn)了PLC上位顯示交互功能。這一設(shè)計(jì)降低了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，也使得垂直集成更加緊湊直接。

圖3 軟PLC集成層次示意

3 焊接設(shè)備過程信息采集

3.1 前端傳感器單元

常見的焊接過程信息包括電弧電壓、焊接電流、保護(hù)氣流量、電弧高度等物理參量。采用特定的傳感器和調(diào)理電路可實(shí)現(xiàn)物理量的數(shù)字化采集。

3.1.1 電弧電壓采集

采用霍爾電壓傳感器獲取電弧電壓。它基于霍爾磁補(bǔ)償原理完成電弧電壓信號的采集，并有效隔離焊接電路和采集電路。

電壓信號采集原理如圖4所示。電弧正負(fù)極電壓使得原邊回路產(chǎn)生電流IN，IN繞一次線圈激發(fā)磁場；此時(shí)霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電勢放大后，經(jīng)繞在磁心上的補(bǔ)償線圈接地形成補(bǔ)償回路，產(chǎn)生補(bǔ)償電流IM，IM通過二次線圈激發(fā)的磁場補(bǔ)償一次側(cè)磁場。因此，補(bǔ)償電流總能反映一次電壓；再通過測量電阻RL的作用，測量點(diǎn)M的電壓總與一次電壓成線性關(guān)系。利用模數(shù)轉(zhuǎn)換（AD）模塊測量M點(diǎn)的電勢，即可實(shí)現(xiàn)焊接電弧電壓的采集。

圖4 電壓信號采集原理

3.1.2 焊接電流采集

焊接電流采集同樣基于霍爾磁補(bǔ)償原理，如圖5所示。焊接地線穿過磁心，激發(fā)的磁場由二次電流產(chǎn)生的磁場來補(bǔ)償，因此二次電流與焊接電流成線性相關(guān)。利用AD模塊測量M點(diǎn)的電勢，即可實(shí)現(xiàn)焊接電流的采集。

圖5 電流采集示意

3.1.3 保護(hù)氣流量和電弧高度采集

氣體流量的采集采用七星華創(chuàng)的質(zhì)量流量控制器（MFC），它能精密測量和控制氣體的質(zhì)量流量。電弧高度的采集是通過在焊炬上安裝激光傳感器、檢測的距離信息來計(jì)算出電弧高度。上述兩種傳感器均提供變送的電壓微信號給AD采集模塊。

3.1.4 統(tǒng)一接口的AD模塊

秉承“松耦合”的原則，所有的物理量信號都通過相應(yīng)的傳感器變送成電壓信號，再由標(biāo)準(zhǔn)化的AD模塊轉(zhuǎn)換接入數(shù)據(jù)采集從站單元。各AD模塊接口統(tǒng)一，可以互換，便于維修管理。AD模塊掛載在EtherCAT總線耦合器上，接入本地EtherCAT網(wǎng)絡(luò)。EtherCAT總線耦合器是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的EtherCAT從站設(shè)備。

3.2 分布式的EtherCAT從站單元

EtherCAT是德國Beckhoff公司開發(fā)主導(dǎo)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，通過改變以太網(wǎng)幀內(nèi)部使用協(xié)議，使其具備優(yōu)越的性能。包括：數(shù)據(jù)有效率高、傳輸速度快、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潇`活、搭建成本低、與以太網(wǎng)無縫兼容等[6]。

開放的EtherCAT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示，Ether CAT網(wǎng)絡(luò)中至少存在一個(gè)主站，通常是帶標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)卡（NIC）的工業(yè)控制器。主從站間通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)線連接，節(jié)點(diǎn)數(shù)目和拓?fù)湫问嚼碚撋喜皇芟拗?。工業(yè)PC作為主站單元，連接焊接車間的信號采集、電機(jī)驅(qū)動器、機(jī)器人通訊單元等從站設(shè)備，取代了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方案中PCI卡，結(jié)構(gòu)靈活，成本更低[7]。

圖6 開放的EtherCAT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.3 現(xiàn)場工作站

現(xiàn)場工作站是連接信息網(wǎng)和自動化設(shè)備的橋梁，這得益于德國Beckhoff公司基于PC的軟PLC技術(shù)的使用，它實(shí)現(xiàn)了“一機(jī)兩用、無縫對接”的軟集方案。

工控機(jī)軟集成邏輯圖如圖7所示。自動化軟件TwinCAT在Windows系統(tǒng)中安裝了一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核，同時(shí)模擬出PLC，完成工業(yè)實(shí)時(shí)控制工作，即軟PLC技術(shù)。通過安裝EtherCAT實(shí)時(shí)網(wǎng)卡驅(qū)動，讓工控機(jī)的網(wǎng)絡(luò)適配器（NIC）成為支持EtherCAT協(xié)議的接口模塊。于是，工控機(jī)的網(wǎng)卡便可作為EtherCAT總線的邏輯主站，通過普通網(wǎng)線連接從站設(shè)備，實(shí)現(xiàn)EtherCAT組網(wǎng)。工控機(jī)利用直接存儲器訪問（Direct Memory Access，DMA）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)卡硬件直接處理EtherCAT數(shù)據(jù)幀，無需CPU干預(yù)，保障運(yùn)動控制或數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性。

首先，通過TwinCAT軟件完成各從站單元的組態(tài)，并在其上編寫PLC程序，實(shí)現(xiàn)AD模塊原始數(shù)據(jù)的讀取和預(yù)處理；然后開發(fā)Windows平臺的上位數(shù)據(jù)管理軟件，通過自動化設(shè)備規(guī)范（The Automation Device Specification，ADS）協(xié)議來讀取PLC數(shù)據(jù)。同時(shí)，該軟件可對獲取的數(shù)據(jù)流進(jìn)一步處理，包括波形實(shí)時(shí)顯示、規(guī)范預(yù)警、數(shù)據(jù)本地存儲、離線數(shù)據(jù)分析，并利用另一個(gè)網(wǎng)卡（NIC_2），基于TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)上傳、任務(wù)下發(fā)和文件云存儲。

圖7 工控機(jī)軟集成邏輯

4 焊接數(shù)據(jù)采集管理軟件

參考數(shù)字化集成模型，系統(tǒng)層與控制層的數(shù)據(jù)對接通過數(shù)據(jù)庫作為接口，實(shí)現(xiàn)“松耦合”，保證系統(tǒng)的單元穩(wěn)定性。本系統(tǒng)軟件采用客戶機(jī)和服務(wù)器（Client/Server，C/S）結(jié)構(gòu)，服務(wù)器上運(yùn)行數(shù)據(jù)庫和綜合管理后臺程序，現(xiàn)場工作站上運(yùn)行焊接數(shù)據(jù)管理客戶端軟件。本項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用中，為保證焊接數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)與該車間已有MES系統(tǒng)的良好對接，數(shù)據(jù)庫選用Oracle 11gR2，運(yùn)行在Windows Server 2008系統(tǒng)上。

4.1 焊接數(shù)據(jù)管理客戶端

基于微軟科技的.NET Framwork 4.0平臺，使用C#和C++語言開發(fā)的焊接數(shù)據(jù)采集管理客戶端軟件。軟件功能設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集軟件功能設(shè)計(jì)

軟件包括：身份認(rèn)證模塊、用戶管理模塊、任務(wù)管理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)追溯模塊、數(shù)據(jù)分析模塊。數(shù)據(jù)顯示模塊和數(shù)據(jù)分析模塊是重點(diǎn)，數(shù)據(jù)顯示模塊是實(shí)時(shí)顯示各從站傳感器所獲取的物理量信號，以波形形式展現(xiàn)給用戶，同時(shí)會有一些告警信息，即實(shí)時(shí)監(jiān)控焊接數(shù)據(jù)，又將重要數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器，供遠(yuǎn)程用戶監(jiān)控現(xiàn)場。數(shù)據(jù)分析模塊是針對采集的歷史焊接數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻域分析、統(tǒng)計(jì)學(xué)分析、特征分析等，方便焊接實(shí)驗(yàn)并對焊接質(zhì)量評定提供一定的信息。

4.2 車間工人工作流程

由于焊接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和企業(yè)內(nèi)部的MES系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)庫，車間工人刷工卡開機(jī)的過程中，客戶端即可獲取當(dāng)前用戶的身份信息和任務(wù)信息，如圖9所示。工人在執(zhí)行焊接操作的過程中，焊接過程參數(shù)信息與工人身份信息、任務(wù)信息自動匹配，重要信息后臺寫入數(shù)據(jù)庫，原始數(shù)據(jù)通過文件傳輸協(xié)議（FTP）遠(yuǎn)程存儲在企業(yè)云盤。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無干預(yù)下的焊接過程數(shù)據(jù)自動化采集，對工人正常生產(chǎn)幾乎無影響。

圖9 車間工人操作流程

5 應(yīng)用情況

該廠在焊接設(shè)備集成的應(yīng)用中，采用Dell高性能工作站、Oracle數(shù)據(jù)庫、工業(yè)一體機(jī)、Beckhoff的從站模塊、多種傳感器搭建了完整的焊接設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)集成至車間MES系統(tǒng)。

圖10左圖為該廠焊接車間現(xiàn)場，右圖為客戶端軟件的主界面。該套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了8臺焊接設(shè)備的同時(shí)監(jiān)控，每臺設(shè)備6通道、每通道10 kHz的焊接電信號采集速率；在此等工況下，每臺設(shè)備在數(shù)據(jù)庫信息的刷新速率為2 Hz；另外，可對同交換機(jī)下視頻服務(wù)器的現(xiàn)場視頻同步顯示。該系統(tǒng)在現(xiàn)場運(yùn)行中狀態(tài)良好。

圖10 車間現(xiàn)場工作站和客戶端主界面

6 結(jié)論

針對焊接設(shè)備的數(shù)字化集成實(shí)踐，保證了航天器生產(chǎn)對過程信息“可記錄、可追溯”的特殊要求；利用軟集成的方式使得系統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)簡單緊湊；首次將EtherCAT總線應(yīng)用于焊接過程數(shù)據(jù)的采集，拓寬了EtherCAT總線的應(yīng)用領(lǐng)域。該系統(tǒng)兼容性良好，能與信息系統(tǒng)及其他工業(yè)總線無縫對接；通用性強(qiáng)，可用于對其他工業(yè)自動化設(shè)備的信息化集成。實(shí)際應(yīng)用證明該方案可行可靠。本系統(tǒng)旨在完成焊接設(shè)備的信息化集成，為數(shù)字化車間的建設(shè)提供前端數(shù)據(jù)積累，為日后大數(shù)據(jù)和智能制造奠定基礎(chǔ)。

[1]丁鵬飛，周世杰，王賀，等.面向航天制造企業(yè)的數(shù)字化工廠建設(shè)方案探討[J].航空制造技術(shù)，2014（14）：51-55.

[2] 米凱，易倍羽.關(guān)于航天數(shù)字化制造質(zhì)量保證的探討[J].質(zhì)量與可靠性，2016（5）：26-29.

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[7]李木國，王磊，王靜，等.基于EtherCAT的工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程，2010（3）：237-239.

A practice of welding equipment intergation in spacecraft-manufacturing digital workshop

LU Zhenyang，WANG Shi，CHEN Shujun
（College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

Starting from the actual demand of a domestic spacecraft manufacturer，introduce a hierarchical model that for integration of equipments vertically in digital workshop.A solution based on Ethernet for control automation technology(EtherCAT)and Ethernet as well as industrial PC for welding equipment integration is designed.Then，introduce the method of welding process data acquisition in this project，as well as a welding data management software developted by C#with.NET framwork.The software is connected with the workshop manufacturing management system(MES)，and the information integration of welding equipment is realized smoothly.The practice shows that the scheme can realize the real-time collection and remote management of equipment process data,and the system structure is simple and easy to expand.

digital workshop；welding process；EtherCAT；data acquisition

TG408

A

1001－2303（2017）05－0032-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.05.07

2017-03-24

盧振洋（1957—），男，教授，博士，主要從事高效化焊接過程質(zhì)量控制的研究工作。E-mail：sjchen@bjut. edu.cn。

本文參考文獻(xiàn)引用格式：盧振洋，王師，陳樹君.航天數(shù)字化車間焊接設(shè)備集成實(shí)踐[J].電焊機(jī)，2017，47（05）：32-37.