張志鑫，張波，胡德計(jì)

（天津商業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，天津300134）

1 引言

焊接裝備是制造業(yè)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、石化、機(jī)械加工、家電制造等行業(yè)。在焊接生產(chǎn)中焊接過(guò)程的工藝參數(shù)控制直接影響到焊接質(zhì)量的好壞。在傳統(tǒng)應(yīng)用中，焊接質(zhì)量是通過(guò)穩(wěn)定焊接工藝參數(shù)和焊后檢驗(yàn)來(lái)保證的，由于焊接過(guò)程存在大量隨機(jī)影響因素，僅通過(guò)穩(wěn)定工藝參數(shù)無(wú)法完全避免焊接缺陷的產(chǎn)生，實(shí)時(shí)性差，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，有缺陷的接頭只能返修或報(bào)廢。特別對(duì)于大量使用電阻焊的場(chǎng)合，亟待解決點(diǎn)焊缺陷在線識(shí)別和質(zhì)量分類等問(wèn)題，以便減少目前采用的焊后探傷和破壞性抽檢，提高生產(chǎn)率、降低成本。

隨著測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步以及計(jì)算機(jī)處理能力的提高，焊接過(guò)程動(dòng)態(tài)信號(hào)特征采集與顯示受到了焊接行業(yè)的重視。采集焊接過(guò)程記錄信息并加以分析逐步成為焊接質(zhì)量控制的一種有力手段。這些記錄數(shù)據(jù)和焊接過(guò)程密切相關(guān)，比較重要的參數(shù)包括焊接電流、焊接時(shí)間、焊接壓力、動(dòng)態(tài)電阻、能量等。這些參數(shù)能夠反映焊接過(guò)程的完整性及合理性，同時(shí)也能反映影響焊接質(zhì)量的各種因素的變化情況，如母材與電極表面狀態(tài)、臨近焊點(diǎn)的分流、散熱情況、電極電壓波動(dòng)等。截至當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外新型控制器基本具備了焊接過(guò)程數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制能力，但控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與外界之間的信息交換，是一個(gè)“信息孤島”。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)制造業(yè)對(duì)其技術(shù)數(shù)據(jù)共享的要求與日俱增。在焊接方案設(shè)計(jì)與評(píng)定，工藝參數(shù)選擇等過(guò)程中，工程師們必定要查詢大量的焊接數(shù)據(jù)和焊接標(biāo)準(zhǔn)，雖然國(guó)內(nèi)在幾十年的生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)中積累了大量的焊接技術(shù)數(shù)據(jù)，但由于沒(méi)有統(tǒng)一的處理與分享機(jī)制，導(dǎo)致其形式各異，再加上區(qū)域限制，一定程度上阻礙了信息的傳播與共享。要滿足焊接控制器數(shù)字信息化要求，實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)，甚至是企業(yè)之間的信息集成與共享，形成綜合焊接數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，需要設(shè)計(jì)出一種能夠在工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行，性能可靠、造價(jià)合理的通信系統(tǒng)構(gòu)成工廠底層網(wǎng)絡(luò)。

目前，國(guó)內(nèi)外焊接工作者在焊接生產(chǎn)過(guò)程管理信息化方面做了大量研究，例如阻焊焊工技術(shù)檔案管理系統(tǒng)、電阻焊焊接工藝專家系統(tǒng)、電阻焊焊接工藝定制系統(tǒng)等，但這些研究還主要集中于獨(dú)立焊機(jī)或車(chē)間的生產(chǎn)管理與決策，離焊接裝備的網(wǎng)絡(luò)化還有一定距離，“信息孤島”仍然限制了焊接數(shù)據(jù)發(fā)揮價(jià)值。

能否依托互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)縱向貫通，橫向集成的思路，整合各個(gè)“信息孤島”，構(gòu)成電阻焊焊接數(shù)據(jù)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘、信息共享，輔助分析等目標(biāo)，為焊接工藝優(yōu)化、焊接質(zhì)量控制以及焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)制定提供大數(shù)據(jù)支撐；同時(shí)與企業(yè)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)無(wú)縫連接，最終實(shí)現(xiàn)海量焊接數(shù)據(jù)收集、分析、追溯和工藝的網(wǎng)絡(luò)化管理監(jiān)控；通過(guò)PC、移動(dòng)終端等設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果快速查看，提高焊接質(zhì)量控制和焊接制造過(guò)程的敏捷性等均成為市場(chǎng)的迫切需求。

3 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

智能焊接裝備物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的建設(shè)目標(biāo)是運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將焊機(jī)等生產(chǎn)設(shè)施接入網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建基于云數(shù)據(jù)管理的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)，進(jìn)而使生產(chǎn)設(shè)備能夠?qū)⒐ぷ餍畔ⅰ⒂涗浀韧ㄟ^(guò)網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)產(chǎn)生延伸價(jià)值。加快生產(chǎn)制造實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息的感知、傳送和分析，促進(jìn)生產(chǎn)資源的優(yōu)化配置。同時(shí)，利用互聯(lián)網(wǎng)的廣域性和PC及移動(dòng)終端性能的提升，維護(hù)人員在異地就能實(shí)時(shí)了解千里之外焊接控制器現(xiàn)場(chǎng)情況，有助于合理制定檢修計(jì)劃，大幅節(jié)約運(yùn)維資金。

智能焊接裝備物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三層：焊接站點(diǎn)控制接入層、應(yīng)用服務(wù)提供層和數(shù)據(jù)服務(wù)層。

①焊接站點(diǎn)控制接入層。焊接站點(diǎn)控制接入層由智能焊接裝備智能聯(lián)網(wǎng)控制器、焊接控制系統(tǒng)和焊接機(jī)器人組成。智能焊接裝備智能聯(lián)網(wǎng)控制器是焊接站點(diǎn)控制接入層的核心，負(fù)責(zé)焊接站點(diǎn)工作數(shù)據(jù)的采集、傳輸?shù)皆贫撕驮贫诉h(yuǎn)程控制指令的執(zhí)行?？刂破魍ㄟ^(guò)內(nèi)置的可擴(kuò)展的工控協(xié)議庫(kù)和焊接控制系統(tǒng)通訊，可以實(shí)現(xiàn)不同類型焊接裝備控制系統(tǒng)的接入。同時(shí)聯(lián)網(wǎng)控制器提供多種物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議如TCP/IP、WIFI和4G/3G等將數(shù)據(jù)傳入云端數(shù)據(jù)服務(wù)器，并可接受來(lái)自云端的控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接工作站的雙向控制。②應(yīng)用服務(wù)層。應(yīng)用服務(wù)層是基于云端的焊接裝備管理控制系統(tǒng)，將提供基于平臺(tái)網(wǎng)站的瀏覽器管理、基于PC的桌面應(yīng)用程序、基于移動(dòng)WebAPP的管理控制方式，實(shí)現(xiàn)多種形式的焊接裝備數(shù)據(jù)表現(xiàn)和管理控制。③數(shù)據(jù)服務(wù)層。數(shù)據(jù)服務(wù)層包括智能焊接裝備數(shù)據(jù)池和基于數(shù)據(jù)資源的應(yīng)用服務(wù)兩部分。其中焊接裝備數(shù)據(jù)池的數(shù)據(jù)模型由焊接裝備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)和決策數(shù)據(jù)構(gòu)成；應(yīng)用服務(wù)包括大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、決策支持和數(shù)據(jù)增值服務(wù)等。

4 平臺(tái)研發(fā)技術(shù)

平臺(tái)研發(fā)主要包括智能聯(lián)網(wǎng)控制器和焊接裝備物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)兩大部分，涉及到了硬件系統(tǒng)、嵌入式軟件、云端應(yīng)用軟件等多個(gè)系統(tǒng)，其中：

4.1 智能聯(lián)網(wǎng)控制器

智能聯(lián)網(wǎng)控制器是整個(gè)智能焊接裝備物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的前端采集模塊，主要負(fù)責(zé)與焊接設(shè)備控制系統(tǒng)通訊，采集焊接設(shè)備工作狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)，并通過(guò)有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到物聯(lián)平臺(tái)，同時(shí)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)接收各類控制指令，通過(guò)設(shè)備控制系統(tǒng)控制焊接設(shè)備的運(yùn)行。聯(lián)網(wǎng)控制器由STM32 F407單片機(jī)核心系統(tǒng)，電源模塊，外圍控制模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，通訊模塊構(gòu)成。其硬件基本構(gòu)成如圖1所示：

圖1 —智能聯(lián)網(wǎng)控制器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

各模塊主要部分的功能如下：主控機(jī)核心單片機(jī)，主要負(fù)責(zé)接收焊接設(shè)備異常工作的報(bào)警信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理，控制網(wǎng)絡(luò)通信模塊向平臺(tái)發(fā)送信息。單片機(jī)和通信模塊之間通過(guò)RS485進(jìn)行雙向通信。通信模塊負(fù)責(zé)向平臺(tái)發(fā)送工作狀態(tài)數(shù)據(jù)和發(fā)送報(bào)警信息，并接收平臺(tái)對(duì)單片機(jī)的控制信息；數(shù)據(jù)采集模塊：主要由模擬電路、電流變送器、電壓變送器以及霍爾電壓傳感器、電流傳感器等構(gòu)成，完成焊接電壓、電流等參數(shù)的檢測(cè)，并將獲得的數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)控制系統(tǒng)；外圍控制模塊即繼電保護(hù)模塊，當(dāng)單片機(jī)發(fā)出決策指令后，該模塊的繼電器和斷路器等完成弱電控制強(qiáng)電的工作。

4.2 焊接裝備物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

焊接裝備物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)分為三個(gè)層次來(lái)實(shí)現(xiàn)：控制接入層、應(yīng)用服務(wù)提供層和數(shù)據(jù)服務(wù)層。其中控制接入層負(fù)責(zé)智能聯(lián)網(wǎng)控制器的通訊協(xié)議解析和數(shù)據(jù)傳輸；應(yīng)用服務(wù)提供層提供數(shù)據(jù)處理邏輯、數(shù)據(jù)表現(xiàn)和數(shù)據(jù)應(yīng)用；接入層通過(guò)應(yīng)用服務(wù)提供層和數(shù)據(jù)服務(wù)層通訊，是焊接設(shè)備工作數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)的處理層；數(shù)據(jù)服務(wù)層是實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和報(bào)警數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理的工作，為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持服務(wù)。應(yīng)用服務(wù)器采用基于Pascal語(yǔ)言的Delphi7開(kāi)發(fā)工具來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要實(shí)現(xiàn)焊接裝備管理、焊接規(guī)范管理、焊接裝備狀態(tài)監(jiān)控、焊接數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、歷史數(shù)據(jù)曲線重現(xiàn)、焊機(jī)故障實(shí)時(shí)提醒等功能。后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)采用MYSQL數(shù)據(jù)庫(kù)，主要存儲(chǔ)記錄焊接設(shè)備、焊接記錄、焊接時(shí)間、焊接電流、焊接電壓、報(bào)警閾值等信息。

整個(gè)采用B/S訪問(wèn)結(jié)構(gòu)，訪問(wèn)前端采用HTML5技術(shù)研發(fā)實(shí)現(xiàn)，HTML5具有良好的跨平臺(tái)、自適應(yīng)的良好特性，保證用戶可以同時(shí)使用PC瀏覽器、安卓手機(jī)和蘋(píng)果手機(jī)等多種終端訪問(wèn)焊接裝備物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)智能聯(lián)網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)離散分布焊接工作站的互聯(lián)互通，并可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、多機(jī)協(xié)同，自主生產(chǎn)、單點(diǎn)焊接規(guī)范智能匹配、生產(chǎn)質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)等主動(dòng)生產(chǎn)行為。同時(shí)，逐步形成包含焊接生產(chǎn)過(guò)程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)池，未來(lái)可借助數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等技術(shù)對(duì)焊接大數(shù)據(jù)進(jìn)行決策分析，為焊接生產(chǎn)過(guò)程提供決策支持和數(shù)據(jù)服務(wù)。通過(guò)引入互聯(lián)網(wǎng)元素，促進(jìn)傳統(tǒng)焊接企業(yè)向互聯(lián)網(wǎng)+焊接轉(zhuǎn)型。