智能焊接在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

孫紅艷， 凌志浩

（華東理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海200237）

焊接技術(shù)是19世紀末期、20世紀初期發(fā)展起來的一種重要的金屬加工工藝。由于它具有一系列技術(shù)上和經(jīng)濟上的優(yōu)越性，目前已發(fā)展成為一門獨立的學(xué)科，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、原子能、化工、造船、電子技術(shù)、建筑、交通、電力、機械制造等工業(yè)部門[1]。然而，目前國內(nèi)焊接裝置及系統(tǒng)的自動化水平較低，焊接作業(yè)的生產(chǎn)管理、質(zhì)量監(jiān)督與監(jiān)測沒有實現(xiàn)數(shù)字化，工藝和質(zhì)檢人員難以實時監(jiān)控焊接作業(yè)過程，只能在焊接完成后檢驗焊接產(chǎn)品是否合格，故造成大量生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)分散、無法隨時跟蹤、分析，各類焊接參數(shù)可追溯性差[2]。為了提高焊接質(zhì)量，本文設(shè)計了一套遠程智能焊接在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了焊接過程的參數(shù)與焊接材料信息的數(shù)字化，通過建立的專用數(shù)據(jù)庫可以實現(xiàn)對焊接質(zhì)量的實時監(jiān)控。該系統(tǒng)既推進了焊接裝備和焊接工藝的智能化，又提高了其產(chǎn)品和服務(wù)的附加值，并大幅度減少了焊接質(zhì)量問題，使焊接行業(yè)朝著信息化、集成化發(fā)展，達到高效生產(chǎn)，智能制造。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文研究中的焊接過程是對轉(zhuǎn)動的圓形工件外圍進行均勻焊接。

焊接過程信息能夠反映焊接過程的穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量的好壞[3]。電弧焊接中的電參數(shù)（電弧電壓U和焊接電流I）包含了表征焊接過程質(zhì)量的信息[4]。此外，工件的轉(zhuǎn)動速度也會對焊接質(zhì)量造成一定的影響。因此，需要對焊接電壓、電流和工件轉(zhuǎn)速進行檢測。

智能焊接在線監(jiān)測系統(tǒng)主要包括以下部分：

（1）數(shù)據(jù)采集和處理設(shè)備。采用霍爾電流互感器、電壓隔離柵及轉(zhuǎn)速傳感器采集和處理信號，使電壓、電流和轉(zhuǎn)速等信號轉(zhuǎn)化為量程一定的模擬量。

（2）ZigBee無線通信模塊。由無線終端接收經(jīng)過處理后的焊接電壓、電流和工件轉(zhuǎn)速信號，并通過無線通信方式發(fā)送給無線網(wǎng)絡(luò)適配器。

（3）上位機服務(wù)軟件。上位機讀取無線網(wǎng)絡(luò)適配器，實時顯示現(xiàn)場焊接過程，實現(xiàn)在線監(jiān)測和報警功能，并形成報表和歷史數(shù)據(jù)庫。

整體系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體構(gòu)架Fig.1 System overall structure

2 硬件設(shè)計方案

系統(tǒng)硬件主要包含數(shù)據(jù)采集模塊和無線通信模塊。

2.1 數(shù)據(jù)采集

硬件設(shè)計主要包括無線電壓、電流采集設(shè)備和無線速度采集設(shè)備。其中，無線電壓、電流采集設(shè)備硬件框圖如圖2所示。

圖2 無線數(shù)據(jù)采集設(shè)備Fig.2 Wireless data collector

系統(tǒng)輸入標準的220V交流電，通過一個標準的導(dǎo)軌式電源轉(zhuǎn)成直流24V，為3個部分供電：① 為給隔離柵供電；② 通過DC-DC電源模塊轉(zhuǎn)成±15V，為電流互感器供電；③ ＋15V為無線適配器供電。

2.2 無線通信

經(jīng)過信號處理后，焊接電源電流、電壓及工件轉(zhuǎn)速皆轉(zhuǎn)化為0～10V的電壓信號。在焊接現(xiàn)場采用無線數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備Sipai模擬量適配器。其含有4路0～10V的模擬量輸入，能滿足本項目需求；模擬量適配器通過ZigBee協(xié)議將數(shù)據(jù)以無線通信方式發(fā)送給上位機處的Sipai的USB適配器。由USB適配器將接收到的數(shù)據(jù)傳送給上位機。

3 軟件設(shè)計

為實現(xiàn)良好的數(shù)據(jù)實時監(jiān)控界面和數(shù)據(jù)存儲和讀取，本文采用一款國產(chǎn)組態(tài)軟件——組態(tài)王。該軟件可以方便地實現(xiàn)畫面的動態(tài)顯示，生成數(shù)據(jù)報表。為讀取下位機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，采用VC＋＋編程實現(xiàn)用于過程控制的對象連接與嵌入（Object Linking and Embedding（OLE）for Process Control，OPC）服務(wù)器的功能，對數(shù)據(jù)進行讀取和處理，使組態(tài)王可以讀取OPC服務(wù)器中的數(shù)據(jù)。軟件系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)圖Fig.3 Software system

3.1 OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器設(shè)計

根據(jù)項目需要，OPC服務(wù)器包括串口通信模塊、通信管理模塊與OPC標準接口模塊。

3.1.1 串口通信模塊 主要用于數(shù)據(jù)傳輸。USB網(wǎng)絡(luò)適配器與計算機連接，相當(dāng)于一個虛擬串口設(shè)備。該模塊主要完成讀取串口數(shù)據(jù)的功能。在進行串口數(shù)據(jù)傳輸時，需要制定通信協(xié)議。幀格式設(shè)置為無奇偶檢驗位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，波特率為9 600bit／s[5]。

為使系統(tǒng)具有更好的響應(yīng)性和高效性，本設(shè)計中開啟數(shù)據(jù)接收線程進行串口通信，使串口通信與OPC、組態(tài)王之間的通信可以同時進行，減少了系統(tǒng)的等待時間[6]。一般通信控件提供2種處理串口通信的方法[7]：查詢法和事件驅(qū)使法。系統(tǒng)中，采用事件驅(qū)使法現(xiàn)。當(dāng)串口接收到任何數(shù)據(jù)時，將觸發(fā)EV＿RXCHAR事件。接收數(shù)據(jù)線程主要程序如下：

數(shù)據(jù)接收流程圖如圖4所示[8]。

圖4 數(shù)據(jù)接收流程圖Fig.4 Data receiving flow chart

3.1.2 通信管理模塊 OPC服務(wù)器需要通過OPC接口與客戶端應(yīng)用程序進行交互，也需要對智能儀表進行數(shù)據(jù)存取操作。通信管理模塊解決數(shù)據(jù)讀寫和存儲問題，使客戶端可以方便地調(diào)用數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)幀經(jīng)USB適配器傳來后，需要進行分析、轉(zhuǎn)換等操作，從而得到所需要的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)按照規(guī)定的幀格式傳輸，每幀都包含電流、電壓、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)信息，以16進制形式表示。上位機接收到數(shù)據(jù)后，分離出其中的數(shù)據(jù)位，創(chuàng)建標簽并更新，使組態(tài)王軟件可以實時獲取焊接現(xiàn)場的數(shù)據(jù)。

3.1.3 OPC標準接口模塊 OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器的設(shè)計與實現(xiàn)比較復(fù)雜，而在軟件開發(fā)過程中存在著共性。為了縮短開發(fā)周期并提高系統(tǒng)的可靠性，可以使用商用OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器開發(fā)工具來開發(fā)[9]。OPC服務(wù)器開發(fā)工具將技術(shù)細節(jié)隱藏起來，使開發(fā)OPC服務(wù)器任務(wù)的核心轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)采集和優(yōu)化處理上，快速開發(fā)工具通常為用戶提供動態(tài)鏈接庫（Dynamic Link Library，DLL），而DLL中包含了應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API）函數(shù)集合，通過調(diào)用API函數(shù)就可以完成開發(fā)?？焖匍_發(fā)工具雖然缺少靈活性，但通?？蓾M足多數(shù)用戶的需求，而且為工業(yè)控制軟件的設(shè)計與集成提供了便利。隨著OPC本身不斷改進，擁有較強的生命力，在國內(nèi)外應(yīng)用越來越廣泛[10]。

本文采用 Win-tech提供的OpcServer開發(fā)包——WtopcSvr開發(fā)包。WtopcSvr開發(fā)包并不是一個OPC服務(wù)器，用戶必須對它進行包裝，使得在WtopcSvr開發(fā)包基礎(chǔ)上建立的應(yīng)用程序成為一個OPC服務(wù)器。如果按功能劃分，OPC服務(wù)器開發(fā)工具的編程接口有OPC服務(wù)器瀏覽地址空間的屬性管理，實時讀寫管理，還有啟動、注冊、停止等功能管理，OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器開發(fā)工具的設(shè)計工作需要完成上述基本功能[11]。

在OPC開發(fā)工具包中，WtopcSvr.dll動態(tài)鏈接庫封裝了OPC數(shù)據(jù)訪問規(guī)范所定義的COM和實現(xiàn)內(nèi)容。使用WtopcSvr進行OPC服務(wù)器開發(fā)，其過程如下[12]：① 生成CLSID，通過注冊函數(shù)將服務(wù)器的CLSID等信息填寫到注冊表中；② 注冊服務(wù)器；③ 創(chuàng)建過程標簽；④ 創(chuàng)建動態(tài)標簽；⑤ 注冊回調(diào)函數(shù)調(diào)用；⑥ 更新數(shù)據(jù)標簽；⑦ 注銷服務(wù)器。

3.2 上位機軟件設(shè)計

為了提高焊接質(zhì)量，加強焊工資質(zhì)管理，本文提出了以下軟件需求：① 實現(xiàn)每臺焊機實時電流、電壓、工件轉(zhuǎn)速測量和顯示；② 完成電流、電壓、轉(zhuǎn)速實時曲線和歷史曲線的繪制；③ 實現(xiàn)電流、電壓、轉(zhuǎn)速值報警指示；④ 實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫記錄和查詢；⑤ 根據(jù)要求生成報表。

軟件功能主要包括以下部分：

（1）實時監(jiān)控系統(tǒng)。實時顯示出任何一臺焊機的電流、電壓、工件轉(zhuǎn)速，并實時繪制曲線。

組態(tài)王作為OPC的客戶端，提供標準的OPC接口，實現(xiàn)與OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器的通信，采集底層數(shù)據(jù)[13]。首先運行已經(jīng)建立好的OPC服務(wù)器，再啟動組態(tài)王，打開組態(tài)王工程管理，創(chuàng)建工程項目，在設(shè)備選項中選擇OPC服務(wù)器項，添加正在運行的OPC服務(wù)器，并進行相關(guān)設(shè)置。然后定義變量，在數(shù)據(jù)庫／數(shù)據(jù)詞典中根據(jù)需要新建變量，設(shè)置變量名、類型、連接設(shè)備（選擇正在運行的OPC服務(wù)器）和寄存器（創(chuàng)建的OPC標簽）。從而實現(xiàn)了組態(tài)王和OPC的數(shù)據(jù)交換。

（2）焊接參數(shù)設(shè)置及報警系統(tǒng)。主要根據(jù)工藝規(guī)定的要求，當(dāng)選擇好工藝卡號后，自動設(shè)置報警的上、下限；并能輸入焊工的工號和資質(zhì)，記錄焊工的信息。如果某一臺焊機的焊接電壓、電流或轉(zhuǎn)度超過工藝規(guī)定的要求，則實時報警，并查詢歷史報警記錄。

（3）歷史數(shù)據(jù)庫查詢。能夠查詢以往任何一天的焊接電流、電壓、工件、焊接線能量、焊工等信息，并繪制出電流、電壓歷史曲線圖。

組態(tài)王提供SQL訪問功能。為了實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)可追溯性，采用Access數(shù)據(jù)庫作為存儲數(shù)據(jù)。在access里創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫history.mdb，在其中建立列表，并添加時間、電流、電壓、轉(zhuǎn)速等字段。相應(yīng)地，在組態(tài)王工程瀏覽器左側(cè)的工程目錄顯示區(qū)內(nèi)選擇SQL訪問管理器，創(chuàng)建表格模板和記錄體，使名稱、字段等與建立的Access對應(yīng)。向數(shù)據(jù)庫中添加記錄、刪除記錄，均可以通過SQL語言來實現(xiàn)[14]。

（4）分析和報表系統(tǒng)。生成日報表、月報表、季度報表、年報表等。

4 結(jié) 語

該遠程無線智能焊接在線監(jiān)測系統(tǒng)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)獲得實時生產(chǎn)制造信息，解決焊接質(zhì)量實時跟蹤控制和可追溯問題，并已經(jīng)成功應(yīng)用于焊接工藝中。采用OPC技術(shù)，使系統(tǒng)的再開發(fā)性增強。向下可與現(xiàn)場總線系統(tǒng)、以太網(wǎng)、DCS／PLC等通信；向上可以添加更多應(yīng)用程序[15]。在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可以逐步擴展成一個信息化管理平臺，實現(xiàn)高效生產(chǎn)、智能制造的數(shù)字化焊接車間。

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