基于上位機控制的電焊機遙控操作系統(tǒng)的設計

何 進,楊 揚

(中國石油大學勝利學院 機械與控制工程學院,山東 東營 257061)

基于上位機控制的電焊機遙控操作系統(tǒng)的設計

何 進,楊 揚

(中國石油大學勝利學院 機械與控制工程學院,山東 東營 257061)

針對目前采油廠普遍使用的直流電焊機在焊接過程中,需要根據(jù)金屬質地的不同改變焊接電流大小,同時受空間限制,特殊工況下手工操作不便等問題,對基于上位機控制的電焊機遙控調整焊接電流外加裝置進行了研究,提出了一種基于低功耗微處理器MSP430F149控制的無線射頻遙控調流裝置,該裝置由電焊機控制端(下位機)和手持遙控端(上位機)兩部分組成.手持遙控調流裝置由微處理器MSP430F149,無線通信模塊(nRF905),按鍵電路,顯示模塊,穩(wěn)壓電源及外圍電路組成；電焊機控制裝置由微處理器MSP430F149,直流電焊機,環(huán)境參數(shù)傳感器,無線通信模塊,穩(wěn)壓電源,有線無線轉換開關及電流調節(jié)模塊組成;實現(xiàn)了直流電焊機工作參數(shù)的遠程調控,能夠節(jié)約焊接施工的時間和人力成本,擴展焊機的使用場合。

直流電焊機；焊接電流；遙控

0 引言

目前油田采油廠電焊機焊接過程中，為了滿足電焊機焊接工藝的需要，根據(jù)金屬質地要求，須隨時改變焊接電流的大小。材料的厚度、焊接位置的變化，會要求經常調節(jié)焊接電流，特別是對于大型金屬結構件的制作、工地現(xiàn)場安裝焊接等，通常焊接工人因為焊接現(xiàn)場和電焊機場地不同，需要頻繁往返兩地，費時費力，同時精度難以保證，并且在特殊施工現(xiàn)場如高架管線、地下管道等是不可實現(xiàn)的，導致工作效率降低。因此，在這種情況下希望在焊接工位即可調節(jié)電流，即對焊接電流進行遙控[1]。

現(xiàn)如今國內外市場電焊機調整電流方式主要有有線遙控方式和無線遙控方式，其中有線遙控雖然具有可靠性高、抗干擾性強等優(yōu)點，但是操作實時性差、控制距離短和施工時無法調節(jié)。無線遙控分為無線電遙控和紅外遙控兩種，雖然紅外遙控擺脫了電纜的限制，但是其傳輸距離有限、并且容易受到障礙物和角度的影響，收發(fā)信號不夠精確[2]。文獻[1]張紅磊等采用射頻無線遙控技術，設計的遠程控制焊機的無線遙控裝置，可以擺脫有線控制與紅外遙控的不足。文獻[2]張貴鋒等人研發(fā)一種由單片機控制的紅外無線式遙控系統(tǒng)，可實現(xiàn)交、直流電焊機的遙控，特點為成本低、鍵盤功能豐富、可靠性高的優(yōu)點。文獻[3]黃勇等人設計了焊機專用多功能焊機遙控器。

本系統(tǒng)針對油田普遍采用的直流電焊機，研究人員對現(xiàn)有直流電焊機基礎上進行改進，安裝無線遙控裝置，研制一套可靠性高、具有實用價值的電焊機無線遙控系統(tǒng)具有現(xiàn)實意義。搭建上遙控端和焊機端雙向通信網絡，由焊機裝置采集當前工作參數(shù)，傳至上位機顯示，由電焊工根據(jù)實際工況通過上位機控制下位機，進行焊機工作模式的切換和焊接電流的精細調整，并實時的在上位機中顯示。上、下位機通信方式采用nRF905模塊實現(xiàn)，其中下位機采集電焊機當前工作參數(shù)，由上位機顯示和遙控。

1 系統(tǒng)硬件設計與原理

1.1 硬件結構設計

系統(tǒng)整體結構如圖1所示，由電焊機控制端(下位機)和手持遙控端(上位機)兩部分組成。

圖1 硬件框架結構圖

上位機(手持遙控調流裝置)構成框圖如圖2，由MSP430F149單片機、無線收發(fā)模塊(nRF905)、按鍵電路、顯示模塊、穩(wěn)壓電源及外圍電路組成，四鍵獨立鍵盤包括A、B、C、D四個按鍵，分別表示開關機、電流增加、電流減小和確認鍵。電流調節(jié)范圍分五個擋位，可實現(xiàn)20～250 A電流可調。

圖2 手持遙控調流裝置構成框圖

其中MSP430F149單片機接收來自按鍵操作的命令，當有按鍵按下時，進入按鍵中斷服務程序退出低功耗模式并對數(shù)據(jù)進行分析與處理，當確認鍵按下后，NRF905無線模塊配置為發(fā)送模式并將數(shù)據(jù)發(fā)送至下位機。如果沒有鍵按下，則進入低功耗模式，系統(tǒng)進入省電模式[4]。NRF905是工作在433 MHz、868 MHz和915 MHz頻段的GFSK調制模式的無線數(shù)傳芯片，最高發(fā)射功率可達+10 dBm，接收靈敏度為-100 dBm，支持512個通訊頻率。使用ShockBurstTM傳輸模式，數(shù)據(jù)在空中的傳輸速率為50 kbps。使用SPI接口與MCU完成數(shù)據(jù)通訊與通訊控制等功能。NRF905還具有掉電模式，在掉電模式中，nRF905被禁止，電流消耗最小，典型值低于2.5 μA。當進入這種模式時，nRF905是不活動的狀態(tài)。這時候平均電流消耗最小，電池使用壽命最長。在掉電模式中，配置字的內容保持不變。這種低功耗模式正適用手持設備。手持遙控器顯示部分采用中景園電子的0.96寸OLED顯示模塊顯示屏，其同時具備自發(fā)光，不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構造及制程較簡單等優(yōu)點且屏幕較小耗電量不大，其接口方式采用4線的串行SPI接口方式，在SPI接口中需保證BS0、BS1、BS2全為0。

考慮到手持設備的節(jié)能問題，在對主控程序的編寫過程中，該裝置在不影響實際操作速率的情況下采用了MSP430F149內部的低功耗模式并且使用了大量的中斷，使手持遙控端主控程序較為簡短。其流程如圖3所示。

圖3 手持遙控端程序流程圖

手持遙控端軟件設計包括：手持遙控端主控程序、初始化程序、按鍵中斷服務程序、OLED顯示屏驅動程序、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收中斷程序，其設計核心是手持遙控端主控程序。具體操作流程為：手持遙控端上電后系統(tǒng)分別對單片機工作頻率、單片機I/O狀態(tài)、NRF905無線射頻模塊等進行初始化，而后手持遙控端通過NRF905無線射頻模塊自動循環(huán)發(fā)送請求查詢信息(查詢信息標志位)向電焊機端請求電焊機的當前數(shù)據(jù)[4]，這些數(shù)據(jù)包括：當前的推力電流、環(huán)境的溫度、環(huán)境濕度、環(huán)境的粉塵含量等，當有信息返回時判斷數(shù)據(jù)是否正確，如果正確則通過顯示屏顯示，否則從新請求發(fā)送重復上述步驟，當能顯示當前信息后進入低功耗模式；手持遙控端一直處于接收狀態(tài)，隨時準備接收來自電焊機端的數(shù)據(jù)(電焊機的當前狀態(tài))并將其顯示；當根據(jù)實際焊接需要改變焊接推力電流時，可通過手持遙控端鍵盤進行相應修改，如上述按鍵是利用的中斷觸發(fā)的可隨時喚醒CPU，按鍵除開/關機、電流增加、電流減小和確認鍵外還人性化的設定了5個檔位的常用焊接推力電流按鈕，設定的這5個常用按鈕可以根據(jù)個人的經驗通過按鈕進行調整設定。焊接人員可在五個檔位的基礎上進行相應的微調得到最合理的焊接推力電流，然后通過確認鍵觸發(fā)NRF905模塊將修改結果發(fā)送給電焊機端，使電焊機端對焊接推力電流進行相應的修改，最后遙控端讀取電焊機端反饋回來的電焊機當前狀態(tài)(實際值)并顯示。直觀的對比實際值與設定值是否有誤差，如有誤差可繼續(xù)修改。

對于5個常用檔位的修改過程如下：

1)按5個按鈕中的任一個按鍵，修改當前電流參數(shù)為對應檔位值，此時OLED顯示屏會顯示出修改值和電焊機當前實際值。

2)每次的設定都是在原來的設定值的基礎上通過對電流增加及電流減少按鈕的操作進行相應修改。

2.2 下位機裝置設計

下位機裝置由MSP430F149單片機、直流電焊機、傳感器模塊、無線收發(fā)模塊、穩(wěn)壓電源、有線無線轉換開關及電流調節(jié)模塊組成。由圖4所示。

圖4 下位機裝置結構圖

數(shù)字電位器選擇X9C104數(shù)字電位器，X9C104的阻值范圍40R～100K，共分為100階。數(shù)字電位器的控制部分的存儲器是一種斷電非易失性存儲器，電路再次上電時，數(shù)字電位器中仍保存著原有控制數(shù)據(jù)，其中間抽頭到兩端點之間的電阻值仍是上一次的調整結果[5]。其控制原理如下：

電位器CS端在器件工作期間保持為低電平。INC為脈沖信號，U/D端為電位器阻值或電壓的調節(jié)端。在CS端與INC端正常工作的狀態(tài)下，當U/D端為高電平的時候，電位器的阻值或電壓逐漸變大，當U/D端處于低電平時，則相反。當CS端和INC端同時為高時將當前的寄存器數(shù)據(jù)鎖存入存儲器,達到重新上電后數(shù)字電位器阻值不變的目的[6]。

通過編程改變數(shù)字電位器的抽頭位置進而對電焊機的推力電流進行調節(jié)，使電焊機達到操作人員對推力電流的要求。利用數(shù)字電位器控制電焊機的檔位選擇，圖5中電焊機可實現(xiàn)手動和遙控兩種方式切換。當開關撥到手動檔位時，可用有線控制；當開關撥到無線檔位時，可用遙控器無線控制電焊機。采用這種有線與無線相結合的方法，可相互取長補短，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，以適應各種不同工況的需求。當開關撥到手動檔位時，可用有線控制；當開關撥到無線檔位時，可用遙控器無線控制電焊機。采用這種有線與無線相結合的方法，可相互取長補短，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，以適應各種不同工況的需求。

圖5 電焊機手動遙控內部電路圖

該裝置采用的傳感器包括：PM2.5粉塵傳感器和溫濕度傳感器。用于檢測電焊機所處工作環(huán)境，如檢測出現(xiàn)場條件超出了電焊機工作安全范圍時及時切斷電焊機電源。

PM2.5粉塵傳感器采用GP2Y1014AU0F灰塵傳感器，此傳感器內部成對腳分布的紅外發(fā)光管和光電晶體管，利用光敏原理來工作。用于檢測特別細微的顆粒，其電流消耗小(最大20 mA)，輸出電壓正比于粉塵濃度，敏感性為0.5 V/0.1 mg/m3。MSP430單片機帶動粉塵傳感器工作一次的時間大概為1.5 s，工作期間不間斷提供輸入脈沖，大概到1 s左右，此時傳感器的工作已經穩(wěn)定，因此可以開始采樣了，連續(xù)采樣4次，然后將數(shù)據(jù)取平均值，這就是一次工作的整個流程。這樣的設計思路既可以保證傳感器的讀值穩(wěn)定性，又可以做到低功耗。

溫濕度傳感器采用AM2320，AM2320數(shù)字溫濕度傳感器一款含有己校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合型傳感器，具有響應速度快、抗干擾性強和性價比高等優(yōu)點，這確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。AM2320 通信方式采用標準I2C兩種通信方式可直接掛在I2C通信總線上，無需額外布線，使用簡單，其采用直接輸出經溫度補償后的濕度、溫度及校驗CRC等數(shù)字信息，用戶無需對數(shù)字輸出進行二次計算，也無需要對濕度進行溫度補償，便可得到準確的溫濕度信息[7]。

電焊機接收端的軟件主要由包括：電焊機接收端主控程序、焊機電流控制模塊、執(zhí)行模塊、傳感器模塊和無線收發(fā)模塊。其核心是電焊機接收端主控程序。電焊機接收端每隔10 s讀取電焊機的當前狀態(tài)，并且向手持遙控端發(fā)送當前狀態(tài)，當電焊機接收端接收到手持遙控端的控制信息時需通過數(shù)字電位器對電焊機的設定電流以及推力電流進行改變，使其達到工作需要的狀態(tài)，并且還要通過傳感器對外界環(huán)境進行感知等等。當然這也使得電焊機接收端軟件程序的設計相較于手持遙控端的更加的復雜。

對于電焊機接收端的設計流程如下：

1)將電焊機手動擋位撥至無線射頻控制端即對電焊機接收端上電后先對MSP430F149內部寄存器 、NRF905內部寄存器、各類傳感器(溫濕度傳感器、灰塵傳感器)等進行初始化并通過傳感器經AD轉換和電位器獲得當前電焊機所處的環(huán)境的溫濕度、環(huán)境灰塵含量及推力電流狀態(tài)；

2)使NRF905模塊處于循環(huán)接收狀態(tài)，當模塊接收到手持遙控端發(fā)送的狀態(tài)查詢請求(含狀態(tài)查詢標準位)時將當前狀態(tài)發(fā)送給手持遙控端，而后等待手持遙控器端返回確認信息，當手持遙控器端返回的數(shù)據(jù)為正確標志位時系統(tǒng)進入低功耗模式，否則系統(tǒng)將繼續(xù)讀取當前的環(huán)境狀態(tài)及推力電流值并將當前狀態(tài)發(fā)送給手持遙控端繼續(xù)執(zhí)行上述過程。

3)進入低功耗模式后定時器開始定時，使系統(tǒng)每隔10 s的時間對電焊機當前的狀態(tài)(當前的電流值、外界環(huán)境溫濕度、粉塵含量等)進行讀取并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給手持遙控端；

4)當收到手持遙控端的數(shù)據(jù)控制命令時電焊機接收端將數(shù)據(jù)暫存并且通過控制數(shù)字電位器(電位器阻值范圍40 R～100 K，共分為100階)而控制電焊機改變電流大小，并讀取改變完后的狀態(tài)(與暫存下的數(shù)據(jù)進行對比，如不同則繼續(xù)控制直到相同為止)發(fā)送給手持遙控端；

5)當傳感器感測到電焊機當前所處的環(huán)境超出了電焊機的安全工作范圍時會報警并且會做出相應的應急措施如：當溫濕度傳感器感測到溫度過高或者濕度過大時會報警，并且會切斷電焊機的供電電源。

圖6 電焊機端程序設計流程圖

3 實驗結果與分析

3.1 系統(tǒng)安裝

接收電路整體制作在一個PCB板上，安裝在焊機內部；有線無線控制切換開關等通過線路連接在焊機外殼上。PM2.5粉塵傳感器和AM2320溫濕度傳感器安裝在焊機側面靠上部位，另外為了提高接收能力，需要把NRF905的天線安裝在背面靠上部位，注意將天線與焊機外殼絕緣，防止干擾。

3.2 實驗結果

1)本系統(tǒng)經現(xiàn)場環(huán)境測試，可以滿足焊機焊接電流調整的要求，其遙控距離在開闊地可達100米，有障礙物時可達70米。

2)完成一次電流調整操作約1秒鐘，快速、準確，工作參數(shù)實時顯示，焊接電流調節(jié)步進為1 A。

3)可以在焊接工作進行中隨時遙控調節(jié)焊接電流的參數(shù)。

4)通過對遙控器與電焊機的開機測試二者的開啟順序無特殊要求。

5)在多臺電焊機同時工作的強電磁環(huán)境下，對整個系統(tǒng)進行測試，所有控制功能均正常工作。

3.3 分析

根據(jù)實驗結果可得出：

1)本系統(tǒng)整套裝置成本低、電路改造簡單方便，控制效果達到使用要求，在不同的工作環(huán)境下均可穩(wěn)定的工作。

2)睡眠模式下遙控器端及電焊機控制端的控制電流僅在2 μs左右，這極大的降低了手持遙控器端的功耗，延長了電池的使用壽命。

3)本系統(tǒng)是一對一的單點通信控制，優(yōu)點在于一對一控制簡單、迅速，缺點是無法一對多控制多臺電焊機。后期改進可分配地址使不同地址對應不同電焊機，按地址控制。

4)本系統(tǒng)設計有危險保護措施，當工作環(huán)境不適宜電焊機工作或會使得電焊機出現(xiàn)短路、斷路時，控制系統(tǒng)會應急性

斷電。如：當環(huán)境濕度、 粉塵含量達到設定值時會觸發(fā)電焊機斷電處理。

5)本裝置加裝在電焊機內部，只做了簡單的電路改造，不影響焊機原有功能，原有操作方式仍可正常使用。

4 結論

本裝置采用控制端與焊機本體可分離的無線與有線相結合的方式，可相互補長取短，方便有效地解決了遠距離的控制問題，以適應各種工況的需求。該單片機系統(tǒng)在I/O接口設計中，大量采用了輸入/輸出和中斷方式，可簡化程序的復雜度和外圍電路的設計、節(jié)約資源并提高了系統(tǒng)的可靠性；遙控器的面板上的按鍵多采用中斷模式這使得電焊機操作人員對當前電焊機的推力電流的修改具有實時性，焊機操作人員可根據(jù)自己的工作經驗設置五個常用檔位減輕人員的工作復雜度，并且通過加減鍵，可任意調節(jié)電流大小，細化規(guī)范調節(jié)。按照電磁兼容的標準對電路板進行了嚴格的設計，經測試其電磁兼容性較好，對強電強磁有較好的抗干擾性，且自身并不會對外產生太強的干擾。

[1] 張紅磊，栗 源，余 康,等. 無線射頻遙控型逆變焊機的分析與實現(xiàn)[J]. 可編程控制器與工廠自動化，2015(7):26-28.

[2] 張貴鋒，肖克民. 單片機控制的紅外無線式焊機遙控系統(tǒng)的研制[J]. 電焊機，1999(7):10-14.

[3] 黃 勇. 多功能焊機遙控器的設計[J]. 焊接技術，2002，31(5):43-44.

[4] 陳新舉，岳小兵，馬 濤. 基于一體化焊鉗與分體式焊鉗的評價淺析[J]. 機械研究與應用，2016，29(6):178-179.

[5] 張忠科，于 洋，王希靖. 基于PLC控制的回抽式無匙孔攪拌摩擦點焊系統(tǒng)[J]. 電焊機，2017，47(5):38-42.

[6] 陳樹君，林 萬，余 旭，等. 變極性等離子弧焊的嵌入式控制系統(tǒng)設計[J]. 電焊機，2017，47(5)：43-47.

[7] 陳新舉，岳小兵，馬 濤. 基于一體化焊鉗與分體式焊鉗的評價淺析[J]. 機械研究與應用，2016，29(6):178-179.

Design of Remote Control Operating System for Electric Welding Machine Controlled by Host Computer

He Jin,Yang Yang

(Mechanical and Control Engineering ShengLi College China University of Petroleum, Dongying 257061,China)

In view of the problems that the current widely used DC welding machines by oil production plant may face in the welding process, such as according to the different texture of the metal, changing the size of the welding current, space constraints, manual operation inconvenience under special conditions and other issues, after the research based on the host computer control welding machine remote control. This paper presents a radio frequency remote control device based on low power microprocessor MSP430F149, which consists of the control terminal (Client computer) and the remote control terminal (Host computer) of the welding machine. Hand held remote control device consists of the microprocessor MSP430F149, wireless communication module (nRF905), keyboard circuit, display module, power supply and external circuit components. Welding machine control consists of the microprocessor MSP430F149, DC welding machine, Parameter sensor, wireless communication module, power supply, cable wireless switch and current regulation module. To achieve the remote control of the DC welding machine operating parameters can save the welding time and labor costs, the use of extended welding machine occasions.

DC welding machine; welding current; remote control

2017-09-18；

2017-10-12。

何 進(1970-)，男，四川蓬溪人，碩士，講師，主要從事電子科學與技術、自動化方向研究。

1671-4598(2017)12-0099-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.12.026

TP273.5

A