基于網絡的弧焊過程多目標監(jiān)測系統(tǒng)

高吉軍，閆志鴻，陳樹君

（北京工業(yè)大學機械工程及應用電子技術學院，北京100124）

基于網絡的弧焊過程多目標監(jiān)測系統(tǒng)

高吉軍，閆志鴻，陳樹君

（北京工業(yè)大學機械工程及應用電子技術學院，北京100124）

設計了一套針對弧焊過程的多目標監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由電流電壓傳感器、下位機采集與處理系統(tǒng)、交換機、PC組成，通過組網的方式實現(xiàn)了一對多的在線監(jiān)測。下位機采集與處理系統(tǒng)可以實時采集和處理不同焊接工位的焊接參數(shù)，并將結果上傳至PC端，PC端的可視化界面同時監(jiān)測多臺焊機的焊接參數(shù)分析結果，對于有可能存在焊接質量問題的數(shù)據(jù)進行保存并預警，以提示工人改善焊接參數(shù)或操作手法，保證焊接質量。

弧焊；嵌入式系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集；TCP/IP

0 前言

焊接是一種重要的加工工藝，焊接質量直接影響著產品質量。對于一些應用于特殊領域的產品如鍋爐等，工作過程中的高壓環(huán)境對焊接質量是一個極大的考驗，如果焊接質量存在缺陷，將會產生重大的安全隱患。

焊接過程中的電流電壓參數(shù)作為重要的焊接參數(shù)，能夠很好地反映當前的焊接過程質量，實時監(jiān)測電參數(shù)具有重要的意義，目前的相關研究多采用這種方法。

尚恒采用下位機+PC的方式對焊機進行監(jiān)控，數(shù)據(jù)傳輸方式采用ZigBee無線通信技術進行數(shù)據(jù)交互[1]。王艷清[2]針對單臺焊機進行監(jiān)測，通過下位機和PC實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測，通訊方式采用TCP/IP協(xié)議。俞建榮通過單片機設計了一套針對CO2弧焊電源的實時監(jiān)測系統(tǒng)[3]。許保磊采用數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，通過Visual Studio.NET 2003作為軟件的開發(fā)平臺，實現(xiàn)對單臺焊機的監(jiān)測與分析[4]。齊艷娜、賈占遠、張向奎等人都是通過數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW的方式進行數(shù)據(jù)的采集與分析，實現(xiàn)對單臺焊機的在線監(jiān)測[5-7]。

相較于采集卡進行數(shù)據(jù)采集的形式，本研究采用的嵌入式系統(tǒng)具有成本低、擴展性強等優(yōu)點；而無線通信技術具有抗干擾能力弱、數(shù)據(jù)傳輸速度慢等缺點。為了能夠更好地適應焊接過程的干擾性和復雜性，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_性，設計了一套基于TCP/ IP的局域網數(shù)據(jù)交互模式。當前的研究中大多針對單臺焊機進行實時監(jiān)測與分析，而對于多臺焊機同時監(jiān)測和分析的研究較少，本研究通過組網的方式實現(xiàn)了一臺PC對多臺焊機進行監(jiān)測與分析，同時針對目前碳鋼焊接常用的CO2氣體保護焊，開發(fā)了一套焊接穩(wěn)定性檢測算法。

1 弧焊過程多目標監(jiān)測系統(tǒng)的構建

1.1 總體組成

系統(tǒng)的總體組成如圖1所示，包括電流電壓傳感器、以STM32為核心的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)、交換機、工業(yè)PC、網絡通信模塊等幾部分。

圖1 弧焊過程多目標監(jiān)測系統(tǒng)框圖

1.2 嵌入式數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

設計了一套以STM32為核心的嵌入式系統(tǒng)，主要功能包括焊接參數(shù)的實時采集與分析、與PC端的數(shù)據(jù)交互、預警燈的控制。

數(shù)據(jù)采集部分采用AD7606作為采集芯片，可以實現(xiàn)8路電壓信號的同步采集，其輸入電壓為±10V，通過電流電壓傳感器將焊機電壓縮小12.8倍，通過電流傳感器將電流轉換為電壓信號，縮小100倍。采用這種方式能夠實現(xiàn)一套嵌入式系統(tǒng)對四臺焊機的實時監(jiān)測。

模數(shù)轉換時序如圖2所示。STM32發(fā)送PWM脈沖，為AD7606提供轉換開始指令，AD7606識別脈沖上升沿判斷模數(shù)轉換開始時刻，當AD7606開始進行模數(shù)轉換之后，拉高BUSY引腳來禁止STM32讀取數(shù)據(jù)，當轉換完成之后BUSY引腳復位，這時STM32通過給AD7606的RD引腳發(fā)送數(shù)據(jù)讀取指令，使AD7606將轉換完成的數(shù)據(jù)輸出到16位的引腳上，STM32讀取16位引腳的數(shù)值并將數(shù)據(jù)保存在數(shù)組內，通過AD7606與STM32的協(xié)調工作，實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉換。

圖2 模數(shù)轉換時序

數(shù)據(jù)分析部分通過STM32完成。本研究的多目標監(jiān)測系統(tǒng)需要多臺嵌入式系統(tǒng)與PC進行數(shù)據(jù)交互，為提高數(shù)據(jù)交互速度，采集到的電參數(shù)均在嵌入式系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)分析工作，減小了與PC交互的數(shù)據(jù)量，提高了系統(tǒng)的響應速度。

數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布糠植捎肳5500芯片。W5500是一款嵌入式以太網控制器，可以為嵌入式系統(tǒng)提供更加簡易的以太網鏈接方案，支持TCP、UDP等協(xié)議，提供了SPI（外設串行借口）通信接口。STM32將采集到的數(shù)據(jù)通過分析處理后經SPI傳輸至W5500，W5500將接收到的數(shù)據(jù)打包處理后通過TCP通信協(xié)議傳輸至PC，同時也可以將PC發(fā)出的設置指令傳輸?shù)絊TM32。

預警功能可以預警提示錯誤的焊接參數(shù)。當前工業(yè)化生產中，依然大量的采用人力進行焊接，由于焊工焊接水平的差異，同時還存在焊工為提高焊接速度、私自調大焊接電流電壓的情況，都會為焊接質量帶來安全隱患。STM32將焊接參數(shù)與PC設置的標準參數(shù)進行比較分析，如果焊接參數(shù)存在錯誤，STM32將會控制預警燈閃爍，提示工人修改焊接參數(shù)。

1.3 上位機可視化界面

PC可視化界面是基于Visual Studio 2008編寫完成的，其主要功能包括數(shù)據(jù)傳輸、嵌入式系統(tǒng)的參數(shù)設置、實時顯示以及實時保存。

數(shù)據(jù)傳輸部分采用基于TCP/IP的網絡通信協(xié)議，相較于UDP協(xié)議，TCP/IP通信協(xié)議具有數(shù)據(jù)校驗功能，一旦數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)錯誤，將對錯誤數(shù)據(jù)進行重新傳輸，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_性。焊接現(xiàn)場存在很大的干擾，采用TCP/IP通信協(xié)議能夠很好的應對焊接過程中復雜的干擾環(huán)境，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。

設置部分可以設置嵌入式系統(tǒng)的工作參數(shù)，設置采樣頻率、電壓閾值、電流閾值等信息，PC的設置參數(shù)通過網絡通訊的方式發(fā)送到嵌入式系統(tǒng)。焊接過程中，多臺焊機同時工作的情況普遍存在，不同的焊接方式其焊接參數(shù)也不盡相同，設置部分可以針對單臺焊機的焊接方式分別設定，實現(xiàn)了一對多的設置功能。

實時顯示部分可以實時顯示當前的焊接參數(shù)，方便操作人員了解當前每臺焊機的工作模式，發(fā)現(xiàn)異常及時處理，保證焊接質量。

1.4 網絡通訊與組網方式

網絡通訊和組網如圖3所示。

圖3 網路通訊與組網框圖

監(jiān)測系統(tǒng)能夠實現(xiàn)一對多的實時在線監(jiān)測，每套嵌入式系統(tǒng)可以同步采集8路信號，而焊接過程中的電信號包括電流、電壓兩種信息，一套嵌入式系統(tǒng)可以實現(xiàn)對四臺焊機的實時監(jiān)測。多套嵌入式系統(tǒng)通過組網的方式形成一個局域網，在這個局域網內同時存在多套嵌入式系統(tǒng)，不同的嵌入式系統(tǒng)通過交換機與PC進行連接，通過這種方式，實現(xiàn)了一臺PC對多臺焊機的實時監(jiān)測。

PC與嵌入式系統(tǒng)通過TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)交互，PC為客戶端，嵌入式系統(tǒng)為服務器，客戶端和服務器分別新建套接字并綁定本地IP地址，這時服務器進入監(jiān)聽模式，客戶端發(fā)送連接請求，當服務器接收到連接請求后完成服務器與客戶端的連接，客戶端與服務器可以進行數(shù)據(jù)的相互傳輸?？蛻舳伺c服務器端的IP地址需要保持一致才能實現(xiàn)連接，多臺服務器的IP地址均一致，為了區(qū)分不同的服務器，本設計通過改變服務器的套接字來實現(xiàn)客戶端對服務器端的識別。

數(shù)據(jù)傳輸過程中會出現(xiàn)多臺服務器與客戶端數(shù)據(jù)交互的情況，為了防止服務器之間數(shù)據(jù)的干擾，通過客戶端發(fā)送校驗碼的形式來發(fā)送數(shù)據(jù)請求。不同的服務器數(shù)據(jù)發(fā)送校驗碼不同，服務器通過接收上位機發(fā)送的校驗碼并與自身的校驗碼進行比對，比對一致后方可通過局域網向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，客戶端通過依次發(fā)送不同服務器的校驗碼來實現(xiàn)服務器數(shù)據(jù)的識別，通過這種方式規(guī)避了多臺服務器數(shù)據(jù)傳輸所引起的數(shù)據(jù)錯亂現(xiàn)象。

2 CO2氣體保護焊焊接參數(shù)

針對CO2氣體保護焊短路過渡開發(fā)了一套焊接參數(shù)實時在線分析算法，主要對短路過渡焊接的穩(wěn)定性進行評價，分析內容包括平均電流、平均電壓、短路時間、燃弧時間、短路周期、燃弧能量、短路峰值電流。

實驗在低碳鋼Q235上進行，保護氣體為CO2，氣體流量10 L/min，采用鋼焊絲JM-56，焊絲直徑0.8 mm，行走速度0.6 m/min。

短路過渡分析算法在嵌入式系統(tǒng)上運行，然后將計算結果經過網路上傳至PC，以減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，當多臺嵌入式系統(tǒng)同時工作，避免數(shù)據(jù)堵塞。

為保證嵌入式系統(tǒng)的正常運行，防止嵌入式系統(tǒng)在數(shù)據(jù)分析過程中占用過多的資源，本研究通過對10～100組數(shù)據(jù)的一次均值與方差運算的占用時間進行了模擬分析。

模擬過程中，數(shù)據(jù)在進行分析之前，通過上拉單片機PC0引腳開始計時，當運行結束之后對PC0引腳進行復位，通過計算高電平的時間獲取一次均值與方差的運算時間，具體實驗數(shù)據(jù)如表1所示。實驗發(fā)現(xiàn)，每100組數(shù)據(jù)進行方差和均值運算所需的時間僅為16.8 μs，而本研究在對焊接進行分析時，方差和均值以10為周期進行了平滑移動統(tǒng)計，不會占用嵌入式系統(tǒng)太多的資源。

表1 方差與均值時間數(shù)據(jù)

2.1 短路周期的實時分析

分析采集到的電壓信號，可以得到電壓信號的上升沿和下降沿。首先在PC端的可視化界面上設置上升沿或者下降沿的撲捉電壓值，嵌入式系統(tǒng)根據(jù)設定電壓對采集到的電壓信號進行比較分析，相鄰的兩個電壓數(shù)據(jù)中，如果前一個電壓數(shù)值小于設定電壓，而后一個電壓數(shù)值大于設定電壓，那么這個位置便是所需要的上升沿時刻；同理如果前一個電壓數(shù)值大于設定電壓，而后一個電壓數(shù)值小于設定電壓，這個位置就是所需要的下降沿時刻。焊接過程中的噪聲會對采集算法產生干擾，為此對每次監(jiān)測到電壓燃弧峰值時刻做一標志位，只有在滿足的標志位同時滿足以上算法時才能獲取上升沿或者下降沿。通過這種方式保證了一個周期中只獲取一個上升沿和一個下降沿。

時間參數(shù)流程如圖4所示。在捕捉到第一個下降沿之后，嵌入式系統(tǒng)的定時器開始計時，此時記為t1；當捕捉到相鄰的上升沿后對此時刻進行標記，記為t2，t2與t1的時間間隔為短路時間；當捕捉到下個上升沿之后記為t3，t3與t2之間的時間間隔為燃弧時間，t3與t1的時間間隔為燃弧周期。

圖4 時間參數(shù)流程

嵌入式系統(tǒng)對100組燃弧周期中的時間參數(shù)作均值和方差處理，將處理后的數(shù)據(jù)通過局域網傳輸至PC的可視化界面進行實時顯示與保存。時間參數(shù)的均值可以反映當前的焊接狀態(tài)，而每個焊接參數(shù)的方差可以反映當前焊接的穩(wěn)定程度。

2.2 燃弧能量的實時分析

燃弧能量大小決定了短路時熔滴的大小，進而影響熔滴過渡過程，也會影響整個焊接過程的穩(wěn)定性。本研究對每個短路周期內的燃弧能量進行了計算，并進行統(tǒng)計分析。

燃弧時間能量分析流程如圖5所示，瞬時能量是指燃弧過程中每個時間點的能量輸入，其計算公式為

式中u和i為某一相同時刻電壓和電流的瞬時值；Δt為數(shù)據(jù)采集的時間間隔。從而可以計算出某一時刻的能量輸入瞬時值。通過對燃弧時間內的能量輸入的瞬時值作積分處理能夠獲得這個燃弧周期內燃弧能量的輸入值。

圖5 燃弧時間能量分析流程

在捕捉到電壓上升沿后，焊接進入燃弧階段，這時開始分析燃弧能量的輸入，當檢測到下降沿后結束。和時間參數(shù)的分析相同，100個周期做一次燃弧均值和燃弧方差的處理，同樣通過局域網傳輸至PC的可視化界面進行實時顯示與保存。

2.3 短路電流的實時分析

短路過程中，熔滴開始接觸熔池，此時弧壓迅速減小，而電流迅速增大，當短路過程結束后，弧壓迅速升高，電流也迅速減小。在短路過程中，通過數(shù)據(jù)分析可以得到峰值電流大小以及電流的變化率，對相鄰的電流數(shù)值求差值，并除以采樣時間便可得到電流的變化率。

短路過程中峰值電流的計算流程如圖6所示，當檢測到下降沿后，嵌入式系統(tǒng)首先比較相鄰的兩組電流，如果I（i）>I（i+1），則令I（i+1）=I（i），之后依次比較分析，當檢測到上升沿后比較結束，這時最后一個I（i）便是峰值電流。

同樣，每100個周期分別對峰值電流和電流變化率做均值以及方差處理，在PC可視化界面進行實時顯示與保存。

圖6 峰值電流分析流程

3 試驗結果

針對弧焊過程，開發(fā)了一套在嵌入式系統(tǒng)中分析CO2氣體保護焊穩(wěn)定性的算法。為了驗證該算法的可靠性，將分析結果在PC上進行模擬試驗，模擬實驗方差和均值以10為周期進行平滑移動統(tǒng)計，即每產生一次短路，統(tǒng)計其前10個周期。

在PC上采用嵌入式算法對CO2氣保焊進行模擬的電流電壓波形如圖7所示，上半部分為電流波形，下半部分為電壓波形。直接觀察這些波形，無法得到希望獲取的信息，如燃弧能量等，嵌入式系統(tǒng)通過對電流電壓信號進行分析，分析后的數(shù)據(jù)繪圖如圖8～圖10所示。

圖7 電流電壓波形圖像

圖8 時間參數(shù)

圖9 燃弧能量

圖10 峰值電流

由圖可知，焊接過程中的電參數(shù)、能量參數(shù)以及電流參數(shù)之間存在很強的相關性，通過對均值和標準差的研究，可以直觀地反映當前焊接的穩(wěn)定性。通過在PC上對嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析算法進行模擬，驗證了嵌入式系統(tǒng)算法的可行性。

4 結論

（1）設計了一套針對弧焊過程的多目標監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由電流電壓傳感器、下位機采集與處理系統(tǒng)、交換機和PC組成，通過網路通訊的方式實現(xiàn)了一對多的在線監(jiān)測。

（2）通過嵌入式采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)焊接參數(shù)的實時采集、分析與上傳，實驗結果表明了系統(tǒng)的實時性和可靠性。

（3）針對CO2氣體保護焊，開發(fā)了過程穩(wěn)定性處理算法，實現(xiàn)對短路時間、燃弧時間、短路周期、燃弧能量及短路峰值電流的實時統(tǒng)計分析，為CO2氣體保護焊過程穩(wěn)定性分析與監(jiān)控提供了條件。

[1]尚恒.基于無線通信技術的弧焊設備與過程在線監(jiān)測研究[D].上海：上海交通大學，2009.

[2]王艷清，宋永倫.基于無線通信技術的弧焊設備與過程在線監(jiān)測研究[D].北京：北京工業(yè)大學，2009.

[3]俞建榮.基于特征參數(shù)的CO2弧焊電源的實時監(jiān)測與評價[J].電工技術學報，2001，16（5）：73-76.

[4]許保磊.弧焊過程監(jiān)測及分析系統(tǒng)[D].吉林：吉林大學，2009.

[5]齊艷娜.電弧焊接過程質量監(jiān)測系統(tǒng)[D].黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學，2009.

[6]賈占遠.電弧焊工藝參數(shù)監(jiān)測及分析系統(tǒng)研究[D].吉林：吉林大學，2006.

[7]張向奎.弧焊過程的網絡化監(jiān)測與管理系統(tǒng)亞牛[D].江蘇：南京航空航天大學，2006.

Multi-objective monitoring system based on network for arc welding process

GAO Jijun，YAN Zhihong，CHEN Shujun
（Department of Mechanical Engineering&Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

Designed a set of multi-objective monitoring system for the arc welding process.The system consists of current and voltage sensor，control system，switch and PC.This paper achieved multi-objective on-line monitoring by local area network.The control system acquired the welding parameters of different welding stations in real-time，and transferred the parameters to the PC.And then the visual interface of the PC displayed the analysis results.When welding parameter error，the monitoring system would alarm through the alarm lamp in welding position.The monitoring system could greatly improve the quality of welding.

arc welding；embedded system；data collection；TCP/IP

TG434.5

A

1001－2303（2016）12－0053-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.12

獻

高吉軍，閆志鴻，陳樹君.基于網絡的弧焊過程多目標監(jiān)測系統(tǒng)[J].電焊機，2016，46（12）：53-58.

2016-03-31

高吉軍（1990—），男，山東沂南人，在讀碩士，主要從事嵌入式系統(tǒng)、機電控制以及機械視覺的研究。