新型焊接溫度場監(jiān)控系統(tǒng)研究

陶躍珍 ，郭翠霞 ，李志榮 ，云 虹 ，王 春 ，廖映華

(1.過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室，四川 自貢 643000；2.四川理工學院 機械工程學院，四川 自貢 643000；3.四川理工學院 外語學院，四川 自貢 643000)

0 前言

隨著焊接技術(shù)和無線通信技術(shù)的更新，焊接工藝正朝著自動化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。在焊接過程中，焊接溫度是一個重要的參數(shù)，如果溫度過高易產(chǎn)生熱變形，導致焊縫邊緣出現(xiàn)過多的熔化金屬，難以從焊縫排出；如果溫度過低會出現(xiàn)低溫焊接，焊縫邊緣只能局部熔化[1]，難以保證焊接質(zhì)量。故焊接溫度場的分布在一定程度上反映了復雜焊接過程的焊接質(zhì)量，并直接影響焊縫成形。因此獲得焊接過程的動態(tài)溫度場，對于制定、評定和優(yōu)化焊接工藝具有重要意義[2]。

傳統(tǒng)的焊接溫度檢測還存在兩個方面的問題，一是溫度信息由技術(shù)人員依靠經(jīng)驗進行判斷，具有很大的隨意性和不確定性，實時性差，檢測精度低；二是傳統(tǒng)的測溫系統(tǒng)多是有線通信，在焊接現(xiàn)場這種復雜的條件下，布線較困難。基于此，采用K型鎳鉻-鎳鋁熱電偶進行溫度檢測，結(jié)合ZigBee無線通信技術(shù)設(shè)計了一種新型的焊接溫度場監(jiān)控系統(tǒng)。

該系統(tǒng)相比以往的焊接溫度場監(jiān)測系統(tǒng)主要有兩個區(qū)別：一是輸出信號可作為反饋信號用于調(diào)整焊接電流，從而達到自動控制焊接溫度的目的，形成完整的焊接溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)；二是為焊接過程溫度場動態(tài)檢測提供了一種先進、穩(wěn)定、準確的方法。

1 ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee技術(shù)以IEEE80215.4為協(xié)議基礎(chǔ)，是新型短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，可在ISM2.4GHz頻段上免費工作，無需申請許可。傳輸距離為10～100 m。ZigBee由協(xié)調(diào)器ZC、路由器ZR和終端設(shè)備ZE三級構(gòu)成，其中協(xié)調(diào)器和路由器為全功能設(shè)備FFD，終端設(shè)備為精簡功能設(shè)備RFD[3-4]。并且有三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，分別是星型、簇-樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)型，如圖1所示。

圖1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

終端節(jié)點由溫度檢測模塊、電源模塊、控制模塊、無線通信模塊、LCD顯示模塊、FLASH存儲模塊、聲光報警模塊等組成。電源模塊負責整個系統(tǒng)的電源供給。溫度檢測模塊用于實時采集焊接溫度信息，并送入控制模塊。本系統(tǒng)主要采用CC2430芯片，它集成了A/D轉(zhuǎn)換電路、ZigBee無線射頻、128 kB的FLASH，內(nèi)部還含有 1個8位MCU（8051），實現(xiàn)了控制模塊、無線通信模塊和FLASH存儲模塊的相關(guān)功能。溫度信息可在LCD上實時顯示，當溫度高于或低于設(shè)定值時，聲光報警模塊啟動，硬件系統(tǒng)根據(jù)溫度反饋信號自動調(diào)整焊接電流以達到控制焊接溫度的目的。

溫度數(shù)據(jù)的傳輸分為兩個部分：一是將溫度信息通過無線通信模塊傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器中，優(yōu)點在于當需檢測多個焊接現(xiàn)場溫度信息時，可以形成簇-樹型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)；二是通過RS232將溫度信息傳輸?shù)接嬎銠C監(jiān)控中心，便于數(shù)據(jù)存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢和報表生成打印等[5]。協(xié)調(diào)器節(jié)點以STC89C52為控制核心，其主要功能是匯總數(shù)據(jù)和通過RS232向計算機監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 主控芯片的選擇

終端節(jié)點以Chipcon公司推出的CC2430射頻芯片為控制核心。CC2430最大的特點是高集成度和低功耗。該芯片滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHz IEEE80215.4協(xié)議要求，包含1個高效的8位8051控制器，具有32/64/128 kB的FLASH，可用于存儲溫度數(shù)據(jù)，在一定程度上避免了存儲器的擴展。同時，還自帶8路A/D轉(zhuǎn)換電路，四個定時器、看門狗、AES128協(xié)同處理器、32 kHz晶振休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路和21個可編程I/O引腳，可實現(xiàn)節(jié)點的微型化[3-4]。

2.2 溫度傳感器[6]

由于焊接現(xiàn)場溫度變化幅度較大(0～1500℃)且變化速度快，因此溫度傳感器采用K型鎳鉻-鎳鋁熱電偶，其主要分度如表1所示。

表1 K型鎳鉻-鎳鋁熱電偶分度表

由表1可知熱電偶只能將溫度信號轉(zhuǎn)換為毫伏級的電信號，但毫伏級的電路不足以驅(qū)動CC2430芯片引腳，因此必須要先經(jīng)過信號調(diào)理電路將信號轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流信號，再串接一個250Ω的精密電阻，將電流信號轉(zhuǎn)化為1～5 V的電壓信號。由于CC2430自帶A/D，因此可以直接將數(shù)據(jù)輸入芯片中進行處理。其放大電路如圖3所示。

2.3 冷端溫度補償電路[2-7]

焊接溫度測量中，由于參考端溫度在室溫中，而分度表數(shù)據(jù)的參考端溫度為0℃，因此必須采取修正或補償措施以提高檢測精度，冷端溫度補償電路如圖4所示。

由中間溫度定律可知

式中 tn為參考端溫度；t0=0℃；t為測量端溫度。選取20℃為電橋平衡溫度，此時a、c兩端電位相等，電橋輸出為零。當溫度變化時，由于冷端溫度變化，熱電偶輸出電動勢也會產(chǎn)生變化ΔE，從而打破了a、c兩端電位平衡，自動產(chǎn)生大小相等、方向相反的補償電勢ΔE補，從而實現(xiàn)了溫度自動補償。

2.4 報警電路

研究表明，過高或過低的焊接溫度都將影響焊接質(zhì)量。因此，在焊接過程中應(yīng)將溫度控制在一定范圍內(nèi)，當溫度持續(xù)超過此范圍則進行報警。當焊接溫度在設(shè)定范圍內(nèi)變化時，報警系統(tǒng)并不報警，只是利用負反饋反向調(diào)整焊接電流，使焊接溫度趨于穩(wěn)定；當檢測到焊接溫度持續(xù)超過報警預設(shè)溫度時，報警系統(tǒng)發(fā)出報警，若持續(xù)超過設(shè)定時間且報警未解除，則報警系統(tǒng)將直接切斷系統(tǒng)電源以保證焊接質(zhì)量。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件程序主要分為計算機監(jiān)控中心程序、終端節(jié)點程序和協(xié)調(diào)器程序。

終端節(jié)點程序主要有初始化子程序、無線網(wǎng)絡(luò)建立子程序、溫度檢測子程序、LCD顯示子程序、鍵盤掃描子程序和報警子程序等構(gòu)成，其作用是建立無線網(wǎng)絡(luò)、采集溫度數(shù)據(jù)和向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)。首先對系統(tǒng)進行初始化，再查找網(wǎng)絡(luò)并發(fā)送申請加入的信號。當有鍵按下時產(chǎn)生中斷信號，開始測量目標溫度，然后判斷是否報警，同時在LCD上顯示溫度信息，并通過無線模塊發(fā)送到協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器的作用是負責各個終端節(jié)點的數(shù)據(jù)匯總和處理，并通過RS232向計算機監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)。

計算機監(jiān)控中心由力控組態(tài)軟件進行人機界面設(shè)置，能較容易地實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)集成。計算機監(jiān)控中心程序有三個功能：一是實現(xiàn)對焊接溫度的遠程監(jiān)控；二是建立數(shù)據(jù)庫，便于歷史數(shù)據(jù)查詢和報表生成打印的功能；三是向協(xié)調(diào)器發(fā)送控制命令。軟件程序總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。終端節(jié)點流程如圖6所示。

4 結(jié)論

基于ZigBee的焊接溫度場監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，改變了傳統(tǒng)的焊接溫度測溫模式，不需要在復雜的焊接工作現(xiàn)場布線，提高了測溫的實時性和準確性，為有效測量和控制焊接溫度提供了較為可靠的數(shù)據(jù)支持，對于制定、評定和優(yōu)化焊接工藝具有重要意義。

圖6 終端節(jié)點流程

[1]武 一，韓力英，楊瑞霞，等.基于單片機的焊接溫度測量儀的設(shè)計[J].焊接技術(shù)，2008，37(3)：33.

[2]唐建宇，劉金合，羅曉娜.焊接溫度場實時檢測系統(tǒng)的研究[J].熱加工工藝，2008，37(2)：96-98.

[3]方 剛，任小洪，賀映光，等.基于ZigBee技術(shù)的煤礦監(jiān)測系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010，47(12)：41-43，46.

[4]王益祥，牛江平.遠程無線抄表系統(tǒng)的研究[J].自動化儀表，2011，32(3)：5.

[5]祝志威，蔡樂才.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大棚溫度采集存儲系統(tǒng)[J].四川理工學院學報(自然科學版)，2011，24(8)：477-479.

[6]卜文德，劉金合，唐建宇.焊接溫度場的工控機同步采樣系統(tǒng)[J].焊接技術(shù)，2009，38(2)：43-46.

[7]王江超，周方明，周 濤.基于AT89C52單片機的焊接溫度場測量儀[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008(1)：80-82.