ZigBee無線數(shù)傳技術在焊接參數(shù)采集與分析中的應用與研究現(xiàn)狀

吳小俊，黃朝慧

（重慶工業(yè)職業(yè)技術學院車輛工程學院，重慶401120）

0 前言

傳統(tǒng)的焊接參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的信號傳遞主要采用有線通訊如串行總線、現(xiàn)場總線和以太網等方案進行設計[1-3]。焊接現(xiàn)場環(huán)境復雜度的差異化較大造成布線困難、擴展性低及成本較高，給有線通信方案帶來較大的局限性，近年來無線數(shù)據(jù)傳輸技術快速發(fā)展，在不同的領域獲得了成功應用，如WiFi、Wireless USB、Bluetooth、RFID、ZigBee 等，大多是在2.4 GHz頻段下工作，簡單對比如表1所示。其中ZigBee無線網絡由于時效性強、覆蓋區(qū)域廣、擴展性好和成本低等優(yōu)點，在焊接設備生產監(jiān)測領域具有廣闊的應用前景。

表1 ZigBee、藍牙及IEEE 802.11b標準對比[4]Table 1 Comparison of ZigBee，Bluetooth and IEEE 802.11b standards[4]

1 Zigbee無線網絡的特點

ZigBee技術是在IEEE802 15.4無線標準的基礎上開發(fā)的無線傳感器網絡規(guī)范，具有協(xié)議簡單、功耗和成本低、穩(wěn)定性高及組網方便等特點[5]。ZigBee網絡硬件布局包括協(xié)調器、路由器和終端設備3大部分，終端設備是一個簡單的ZigBee協(xié)議節(jié)點，只與協(xié)調器、路由器通信，實現(xiàn)最基本的數(shù)據(jù)采集等服務[6-8]。在組網形式上，Zigbee網絡有星形、網狀和混合3種網絡拓撲結構。典型的Zigbee組網方式如圖1所示。其中，因星型網絡具有容量大、供電容易、傳輸距離遠、成本低、延時短等特點，多應用于焊接現(xiàn)場數(shù)據(jù)的傳輸。

圖1 ZigBee組網方式Fig1 ZigBee networking mode

2 ZigBee技術在焊接過程參數(shù)采集中的應用

2.1 在電阻焊中的應用

對電阻焊機的線監(jiān)測引入基于ZigBee技術的無線傳感網絡，可有效降低焊機網絡的事故率，提高產品質量，特別對于大中型制造企業(yè)，同時作業(yè)的幾十甚至數(shù)百臺電阻焊機均能得到有效監(jiān)控，使焊機協(xié)調工作。因此，針對電阻焊高電流、短時間焊接的特性，對焊接參數(shù)的監(jiān)控顯得尤為重要。

張輝等人設計的電阻焊機網絡監(jiān)控系統(tǒng)將電阻焊機作為終端節(jié)點，電阻焊機和主機組成協(xié)調器節(jié)點，采用星形拓撲結構組成ZigBee網絡，終端節(jié)點的主芯片采用ATMEGA16單片機，RF設備采用TI公司的CC2430芯片，協(xié)調器節(jié)點控制芯片采用TMS320F2812，并外接GPRS模塊。在焊機組群中選一臺作為路由器及協(xié)調器，其余為終端設備，終端設備負責將采集到的焊接次數(shù)、焊接時間、焊接電流和焊接預設值等參數(shù)通過ZigBee模塊發(fā)送給負責網絡的組建及配置的路由器，通過模糊算法來協(xié)調各個焊接終端并通過GPRS發(fā)送給上位機顯示[9]。而張文清等人設計的基于ZigBee無線網絡的懸點焊機監(jiān)測系統(tǒng)以MSP430F149微控制器和CC2530芯片為核心元件，采用羅氏線圈變送器及外圍電路實現(xiàn)焊接電流和點焊次數(shù)的檢測，開發(fā)了基于組態(tài)王平臺的上位機監(jiān)測系統(tǒng)軟件，通過設計上位機與匯聚節(jié)點間的通信協(xié)議，當焊機安裝高度為2.5m時，其可靠通信距離達到60 m，能有準確即時的實時監(jiān)測焊接過程參數(shù)[10]。

2.2 在弧焊中的應用

將短距離無線通信ZigBee技術應用于二保焊、焊條電弧焊等弧焊過程，使焊接參數(shù)傳輸與控制更加方便，顯著提高焊接生產效率和焊接質量，以滿足現(xiàn)代焊接技術的需要。程忠誠設計的CO2氣保焊機利用基于ZigBee的CC2530模塊為基礎硬件電路和軟件程序，該系統(tǒng)有兩塊CC2530模塊，一塊向遠程端采集和顯示焊接參數(shù)信號，另一塊在焊機內實時傳送焊接參數(shù)并將接收到的給定焊接參數(shù)信號通過串口傳送給主單片機LM4F232實現(xiàn)輸出控制，以實現(xiàn)焊條電弧焊和氣體保護焊不同的外特性功能切換，相比于傳統(tǒng)CO2氣保焊機，具有設備成本低、焊機輸出波形準確控制、兼顧焊條電弧焊等優(yōu)點[11]。

同樣，藥芯焊絲CO2焊在我國船舶焊接中大量應用，其焊接過程的穩(wěn)定性評價與監(jiān)控具有重要意義。朱俊杰搭建的藥芯焊絲CO2焊遠程監(jiān)測系統(tǒng)，采用對φ1.4mm藥芯焊絲進行焊接，通過提取評價其焊接過程穩(wěn)定性的量化指標，如短路過渡頻率、熄弧頻率和瞬時短路頻率，采用霍爾電流和電壓傳感器及模數(shù)信號轉換元件送入單片機Atmega8進行信號處理，ZigBee無線通信模塊再將這些特征信號傳輸至現(xiàn)場服務器，供局域網設備隨時查詢，因為Zigbee網絡容量大且擴展性好，非常適合群組化焊機的焊接過程穩(wěn)定性實時監(jiān)測[12-13]。

鍋爐焊接急需現(xiàn)場質量監(jiān)控的網絡化，包括電壓、電流、預熱溫度和層間溫度等參數(shù)直接影響焊縫質量。凌志浩等人將ZigBee技術應用于鍋爐焊接的質量監(jiān)控，焊接參數(shù)的收集和轉發(fā)工作由ZigBee模塊完成，上位機進行復雜的數(shù)據(jù)處理等功能，在兩者之間用ModBus這一工業(yè)協(xié)議作為接口，現(xiàn)場采集焊接電壓、電流、層間溫度等4路模擬信號和RS-232數(shù)字信號，成功搭建ZigBee網絡[14]。

此外，鐘劍文[15]對焊接過程中多路不共地信號，采用電流傳感器、電壓傳感器、流量傳感器、旋轉式編碼器來獲取焊接電流、電壓、氣體流量和送絲速度信號，設計基于ZigBee的ZS05通訊模塊和信號隔離采集電路來實現(xiàn)參數(shù)采集與無線網絡，如圖2所示，通過LabVIEW虛擬儀器與Access數(shù)據(jù)庫完成焊接過程參數(shù)的保存，該系統(tǒng)的抗干擾能力良好。謝文靜等人[16]開發(fā)了基于虛擬儀器的焊接參數(shù)遠程監(jiān)測系統(tǒng)，選用MySQL數(shù)據(jù)庫平臺和DataSocket數(shù)據(jù)交換編程接口實現(xiàn)遠程監(jiān)測，通過相關數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建和整合來遠程訪問企業(yè)局域網。

圖2 基于ZigBee的焊接設備管理網絡Fig.2 Welding equipment management network based on ZigBee

3 ZigBee技術在焊接環(huán)境監(jiān)測中的應用

隨著工業(yè)生產規(guī)模的日益增大，氣體原料和廢氣排放不斷增多，尤其是在化工、石油、汽車制造等領域，空氣環(huán)境監(jiān)測已經成為企業(yè)關注的問題[17]，對焊接現(xiàn)場環(huán)境提出更高的要求，焊接車間排放使空氣中CO和碳氫化合物等有害物質增加[18]，基于ZigBee的焊接車間環(huán)境監(jiān)測有效解決了有線監(jiān)測的布線和維護困難等問題，實現(xiàn)了對焊接車間溫度、濕度及多種有毒氣體的實時和遠程監(jiān)控，還能夠應用于采礦、電力和油田等工業(yè)環(huán)境的監(jiān)測。

此外，基于ZigBee的焊接車間環(huán)境監(jiān)測還可通過Internet連接到遠程監(jiān)控中心[19]，基于ZigBee技術的CC2430采集模塊系統(tǒng)完成網絡的自動建立，從各類環(huán)境傳感器采集和傳輸焊接車間環(huán)境數(shù)據(jù)，如溫濕度采集選用SHT11、一氧化碳（CO）、硫化氫（H2S）、氧氣（O2）和甲烷（CH4）等氣體濃度采集選用電化學型氣體傳感器，二氧化硫（SO2、甲醛（CH2O）、苯（C6H6）和 氨（NH3）等氣體濃度采集選用電位電解式氣體傳感器，使用網絡控制器芯片CS8900A實現(xiàn)與以太網連接，建立監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，最終實現(xiàn)對采集的環(huán)境數(shù)據(jù)的查詢和管理。

高祥等人設計的無線網絡的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，能動態(tài)感知焊接車間的煙塵、O3、CO、CO2、氧化物等各類有害氣體，并將多個感知節(jié)點的數(shù)據(jù)整合后，通過GPRS通信網絡遠距離傳輸?shù)焦芾砉?jié)點，并根據(jù)監(jiān)測結果進行控制通風設施[20]。感知節(jié)點以CC2530為基礎，將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，其功能結構如圖3所示，匯聚節(jié)點將感知節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)整合處理后，通過GPRS通信模塊實現(xiàn)跨平臺的遠距離無線傳輸。王春等人設計的基于ZigBee的焊接環(huán)境有毒氣體監(jiān)測系統(tǒng)采用Accsee2003數(shù)據(jù)庫在本地進行管理和匯集，能夠實時顯示和查詢數(shù)據(jù)及打印數(shù)據(jù)[21]。

圖3 感知節(jié)點功能設計Fig.3 Function of sensor node design

陶躍珍等人利用ZigBee無線技術實現(xiàn)的焊接溫度場測量方法，可以有效避免焊接溫度場的隨意性較大和布線困難的問題，其測量終端溫度傳感器采用K型鎳鉻-鎳鋁熱電偶，以CC2430為基礎的ZigBee射頻模塊將溫度信息無線傳輸?shù)絽f(xié)調器，再通過協(xié)調器的RS232串口與監(jiān)控上位機連接，軟件平臺采用力控組態(tài)軟件實現(xiàn)人機交互、報警、存儲、顯示等功能，并利用反饋信號來調整焊接電流，形成完整的焊接溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)[22]。

4 ZigBee技術結合其他通信協(xié)議在焊接過程分析中的應用

在ZigBee無線鏈路的基礎上繼續(xù)使用GPRS移動數(shù)據(jù)業(yè)務、CAN總線協(xié)議、Ethernet以太網絡等其他通信協(xié)議的方案，對采集到的數(shù)據(jù)進一步遠距離、分布式傳發(fā)，彌補ZigBee無線網絡短距離傳輸?shù)娜秉c，將焊接參數(shù)送入廣域網，實現(xiàn)分布共享和大面積監(jiān)控目的。

狄巨星等人[23]針對多焊機同時作業(yè)時布線復雜、成本高的問題設計的無線傳感器網絡節(jié)點集成了CC2431芯片、無線通信模塊、采集傳感器模塊、節(jié)點電源模塊，利用基于ARM11內核的S3C6410微處理器嵌入式網關，連接GPRS模塊和串口，實現(xiàn)TCP/IP與ZigBee的數(shù)據(jù)傳遞，將無線網絡和有線網絡有效融合，進一步提高焊接生產的可擴展性。

除了GPRS移動數(shù)據(jù)網絡，ZigBee和以太網的融合使焊接參數(shù)無線傳遞更快捷。結合ZigBee和以太網各自的特點，李從宏等人[24]設計了基于Zigbee和以太網技術的多點焊接參數(shù)檢測系統(tǒng)，對焊接電流電壓、送絲速度和焊接時間等參數(shù)進行測量，系統(tǒng)框架如圖4所示，無線傳感網絡基于CC2530模塊，路由節(jié)點負責數(shù)據(jù)的采集和通信，協(xié)調器和以太網模塊組成的數(shù)據(jù)網關負責無線傳感網的網絡管理以及路由器之間的通信，實現(xiàn)了焊接數(shù)據(jù)網絡的遠程快速傳輸。

田永強等人[25]擴展了基于ZigBee技術的數(shù)字化焊機系統(tǒng)的CAN接口，其無線通信模塊采用CC2530為基礎，將數(shù)字化焊機的控制遙控器與上位機的通信升級為無線方式，通訊傳輸數(shù)據(jù)時在CAN接口與ZigBee接口之間設計數(shù)據(jù)收發(fā)緩存隊列來解決CAN通信速率和ZigBee通信速率較大的傳輸速度差異。該方式將焊機、遙控器和上位機之間利用ZigBee無線連接，大大方便了焊接移動性作業(yè)。王春等人[26]針對多臺焊機同時工作時信號容易干擾，提出了基于ZigBee和CAN總線的多焊機群控設計。該設計由終端節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點和監(jiān)控中心組成，終端節(jié)點以CC2430芯片為核心，通過霍爾電流、電壓傳感器采集焊接電流電壓信號，將放大、濾波后的數(shù)據(jù)經過ZigBee無線網絡傳輸給協(xié)調器，協(xié)調器節(jié)點以STC89C52單片機為核心，包括高速光電耦合器6N137等部分，匯聚信息后再通過CAN總線傳輸給監(jiān)控中心，完成實時顯示、報警、查詢等功能，增強各節(jié)點之間通信的可靠性和穩(wěn)定性。

圖4 系統(tǒng)框架Fig4 System framework

5 結論

ZigBee無線傳感器網絡技術因具有功耗、成本低，可靠性高及組網容易等特點，在船舶、鍋爐等行業(yè)的焊接生產車間實時參數(shù)采集與分析中得到有效研究和應用，廣泛應用于電阻焊、弧焊等常見焊接方法中，能夠有效、準確地對焊接參數(shù)進行實時監(jiān)測，對焊接車間環(huán)境的溫濕度、有毒氣體等實現(xiàn)了實時遠程監(jiān)控，滿足了企業(yè)對綠色生產環(huán)境的需求，并為滿足不同數(shù)據(jù)通信技術對環(huán)境的適應性，將ZigBee與其他通信技術結合，擴大其應用范圍和深度，利用各自優(yōu)勢達到預期的監(jiān)測效果，在實際焊接車間的監(jiān)控和管理中能更好地滿足要求，具有廣闊的應用前景。

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