基于云智能焊接管控的大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（上海騰焊智能科技有限公司，上海201109）

0 前言

焊接制造過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的非平衡的冶金過(guò)程，焊接接頭的質(zhì)量與焊接特征工藝參數(shù)息息相關(guān)，此外與焊接設(shè)備、焊接工裝和焊接操作人員等各方面都有很大關(guān)系。目前焊接制造過(guò)程（如造船、核電、鋼結(jié)構(gòu)等行業(yè)）尚未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)，仍為半自動(dòng)焊，需焊工手工操作。一方面，施工作業(yè)人員的焊接水平存在差異，同時(shí)在施工作業(yè)時(shí)操作人員的情緒等也會(huì)影響焊接質(zhì)量的穩(wěn)定。即使在汽車(chē)制造行業(yè)，雖然采用機(jī)器人自動(dòng)焊接，但是焊接制造過(guò)程尚未實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格、真實(shí)的監(jiān)控。為保障焊接產(chǎn)品的使用與運(yùn)行，做到有據(jù)可查，焊接生產(chǎn)企業(yè)及焊接設(shè)備供應(yīng)商等迫切需要對(duì)焊接過(guò)程工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、記錄和查詢(xún)等，開(kāi)發(fā)焊接生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化管控系統(tǒng)成為當(dāng)前該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)的迅猛發(fā)展使得數(shù)據(jù)充斥整個(gè)世界。物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，解決了物與物、人與物、人與人的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器的交互。數(shù)據(jù)已經(jīng)成為一種新的自然資源，亟待人們對(duì)其加以合理、高效、充分的利用。焊接過(guò)程中蘊(yùn)含著海量數(shù)據(jù)，包括：（1）工藝參數(shù)信息，包括：焊接電流、焊接電壓、送絲速度、保護(hù)氣種類(lèi)和流量等；（2）焊縫信息，包括焊縫長(zhǎng)度、編號(hào)、接頭形式、焊接位置、母材的材料與板厚、填充金屬材料的牌號(hào)與直徑、廠家等；（3）耗材信息，包括保護(hù)氣體的廠家、填充金屬材料的廠家、領(lǐng)用時(shí)間、領(lǐng)用數(shù)量、頻次等；（4）人員信息，包括工人的工號(hào)、班組、培訓(xùn)情況等。這些數(shù)據(jù)蘊(yùn)含著巨大價(jià)值，亟需探索其利用、開(kāi)發(fā)和管理方法。

為解決上述問(wèn)題，科研工作者開(kāi)展了相關(guān)研究，整理和分析焊接生產(chǎn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于Labview平臺(tái)的群組化焊接過(guò)程參數(shù)在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)[1]、基于Zigbee[2]、CAN 總線(xiàn)[3]、串口[4]等技術(shù)的焊接電源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。近幾年，國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究人員運(yùn)用海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)挖掘處理技術(shù)[5-7]開(kāi)發(fā)出了焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和專(zhuān)家系統(tǒng)[8]，但針對(duì)焊接制造中種類(lèi)繁多、數(shù)量龐大的多樣數(shù)據(jù)，如何有效地利用和分析巨大的原始數(shù)據(jù)，使之轉(zhuǎn)變成可利用的知識(shí)和價(jià)值，創(chuàng)建開(kāi)放、共享、智能的焊接制造大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)仍較為少見(jiàn)。同時(shí)焊接企業(yè)車(chē)間全面信息化和數(shù)字化，將焊接設(shè)備、人員、物料、工藝、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)等有機(jī)地結(jié)合在一起，采用統(tǒng)一規(guī)劃和集中管理的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了焊機(jī)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化管控的數(shù)據(jù)組織和管理，并集成PDM、MES系統(tǒng)，向工業(yè)4.0邁進(jìn)，對(duì)提升制造業(yè)實(shí)力、綜合競(jìng)爭(zhēng)力及企業(yè)的管理能力具有深遠(yuǎn)意義。

在此介紹一種基于云技術(shù)的智能焊接管控大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)焊接設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、焊接參數(shù)在線(xiàn)控制、焊接數(shù)據(jù)海量存儲(chǔ)以及焊接數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于云技術(shù)的智能焊接管控大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用物聯(lián)網(wǎng)廣泛使用的分層結(jié)構(gòu)，自下而上分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

感知層的主要作用是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)交互，其核心為嵌入式智能節(jié)點(diǎn)，具有以下功能：（1）接收來(lái)自遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)的控制信號(hào)，如焊接工藝預(yù)設(shè)、焊接設(shè)備使用權(quán)限設(shè)置等；（2）具有傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接電源運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，采集焊接過(guò)程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)，如焊接電流、焊接電壓、送絲速度、氣體流量、環(huán)境溫度、濕度等；（3）具有反饋系統(tǒng)，如按鍵或二維碼掃描功能，用于記錄焊縫信息、刷卡系統(tǒng)確認(rèn)工人信息等；（4）具有顯示與存儲(chǔ)功能，存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)，滿(mǎn)足設(shè)備運(yùn)行若干小時(shí)數(shù)據(jù)連續(xù)記錄容量，所設(shè)計(jì)的智能節(jié)點(diǎn)如圖2所示。

圖2 智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)層提供了多種網(wǎng)絡(luò)通信接口，通過(guò)無(wú)線(xiàn)/有線(xiàn)的通信方式將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，再通過(guò)路由器將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器。手持移動(dòng)終端也可以直接與智能節(jié)點(diǎn)通信，滿(mǎn)足在屏蔽空間等特殊環(huán)境下的數(shù)據(jù)收集。云服務(wù)器提供數(shù)據(jù)庫(kù)的備份、整合等功能。典型的網(wǎng)絡(luò)層解決方案如圖3所示。

應(yīng)用層主要完成數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲(chǔ)，接入企業(yè)內(nèi)網(wǎng)中的任意終端用戶(hù)PC機(jī)，具有不同權(quán)限級(jí)別的用戶(hù)（如班組長(zhǎng)、工藝管理人員、廠長(zhǎng)經(jīng)理等）均可通過(guò)在瀏覽器中輸入數(shù)據(jù)服務(wù)器的IP地址來(lái)訪問(wèn)焊接管控系統(tǒng)服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 智能化焊接管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

工業(yè)4.0時(shí)代下的焊接管控系統(tǒng)能夠?qū)⒑附釉O(shè)計(jì)、焊接工藝規(guī)劃、焊接設(shè)備、焊接作業(yè)人員，以及焊縫、焊材、耗材等均納入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物、料、法的全流程監(jiān)控。焊接管控系統(tǒng)主要包括工藝管理、信息監(jiān)控、產(chǎn)品管理、人員信息、車(chē)間管理、質(zhì)量管理及系統(tǒng)設(shè)置等功能模塊。主要實(shí)現(xiàn)的功能如下：

圖3 網(wǎng)絡(luò)層實(shí)施方案

（1）焊機(jī)的規(guī)范化管理，可以對(duì)焊機(jī)實(shí)施編組、編號(hào)控制。

（2）車(chē)間組織結(jié)構(gòu)的建立，用戶(hù)可以根據(jù)自身情況建立車(chē)間、班組的管理網(wǎng)絡(luò)。

（3）派工系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)焊接任務(wù)、焊機(jī)和焊工的閉環(huán)控制和管理。

（4）工藝規(guī)范的遠(yuǎn)程控制，可以對(duì)數(shù)字化焊機(jī)（開(kāi)放接口協(xié)議）實(shí)施規(guī)范控制。

（5）焊接信息查詢(xún)，可以查詢(xún)?nèi)魏螘r(shí)段的焊接記錄。

焊接企業(yè)的一般流程為：設(shè)計(jì)部門(mén)完成焊縫設(shè)計(jì)，下發(fā)給生產(chǎn)部門(mén)安排生產(chǎn)，作業(yè)區(qū)實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)，然后由質(zhì)檢部門(mén)進(jìn)行檢測(cè)。每個(gè)部門(mén)具有不同的數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)要素既存在相互之間的關(guān)聯(lián)性，但數(shù)據(jù)格式和內(nèi)容的定義又存在一定的差異性，即數(shù)據(jù)要素或?qū)嶓w紛繁復(fù)雜，種類(lèi)繁多。要構(gòu)建合理的數(shù)據(jù)庫(kù)，必須找出異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成方法，并以此來(lái)構(gòu)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足應(yīng)用程序或用戶(hù)的業(yè)務(wù)需求。異構(gòu)關(guān)系數(shù)據(jù)集成是以關(guān)系代數(shù)為理論基礎(chǔ)，以消除存在于關(guān)系中的沖突為目的的關(guān)系運(yùn)算。在關(guān)系模型中，數(shù)據(jù)對(duì)象及其之間的關(guān)系是通過(guò)單一的結(jié)構(gòu)類(lèi)型來(lái)描述的，關(guān)系運(yùn)算的前提條件是必須具有相同的域。對(duì)于異構(gòu)數(shù)據(jù)，相互之間的域不同，無(wú)法滿(mǎn)足關(guān)系運(yùn)算，要以關(guān)系代數(shù)為理論基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合必須將異構(gòu)關(guān)系經(jīng)過(guò)變換得到同構(gòu)的關(guān)系，然后按照關(guān)系代數(shù)的運(yùn)算規(guī)則進(jìn)行運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成[5]。

焊接管控大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的功能如圖4所示。

圖4 焊接管控大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的功能

每臺(tái)焊機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)以采樣頻率為1 s計(jì)算，200臺(tái)焊機(jī)每天將產(chǎn)生5 760 000條記錄，一個(gè)月將產(chǎn)生近2億條記錄。因此在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要考慮到實(shí)際企業(yè)中存在焊接實(shí)時(shí)監(jiān)控及生產(chǎn)過(guò)程回溯對(duì)數(shù)據(jù)查詢(xún)的需要，其實(shí)時(shí)性要求很高，且查詢(xún)復(fù)雜，涉及海量數(shù)據(jù)等問(wèn)題，從數(shù)據(jù)庫(kù)物理存儲(chǔ)位置或存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，以及為查詢(xún)推薦合適的存取路徑入手優(yōu)化，從索引、物化視圖和分區(qū)存儲(chǔ)來(lái)優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而改進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)的性能。在分析企業(yè)實(shí)際管理需求的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)庫(kù)共設(shè)計(jì)了38張基表，用來(lái)保存生產(chǎn)過(guò)程涉及的焊工數(shù)據(jù)、焊縫數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)、質(zhì)量評(píng)估數(shù)據(jù)、焊接設(shè)備數(shù)據(jù)以及焊機(jī)狀態(tài)監(jiān)控采集過(guò)程的焊接工藝參數(shù)和有效作業(yè)時(shí)間數(shù)據(jù)、焊接過(guò)程數(shù)據(jù)等。

3 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)應(yīng)用分析

所設(shè)計(jì)的云智能焊接管控系統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)，除服務(wù)器外，其他訪問(wèn)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)都不需要安裝任何軟件，在局域網(wǎng)環(huán)境下，在瀏覽器地址欄中輸入對(duì)應(yīng)服務(wù)器的IP地址，然后輸入用戶(hù)名及密碼后即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問(wèn)本系統(tǒng)。采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)（可與Sql server、Oracle通過(guò) web services接口對(duì)接）。

通過(guò)該數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)及物理優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了包括焊接設(shè)計(jì)、焊接工藝規(guī)劃、焊接設(shè)備、焊接作業(yè)人員，以及焊縫、焊材、耗材等焊接數(shù)字化生產(chǎn)管控系統(tǒng)，提高了焊接生產(chǎn)管理能力；建立焊接生產(chǎn)全過(guò)程數(shù)據(jù)流，包括焊接作業(yè)任務(wù)規(guī)劃分級(jí)分配、多類(lèi)型焊接設(shè)備集中管控、作業(yè)人員、輔材耗材數(shù)據(jù)同步、焊接過(guò)程中的工藝參數(shù)自動(dòng)預(yù)設(shè)與實(shí)時(shí)監(jiān)控，焊接電流電壓及狀態(tài)實(shí)時(shí)控制，焊縫質(zhì)量的實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測(cè)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)；構(gòu)建焊接生產(chǎn)全過(guò)程實(shí)時(shí)及異步數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)每條焊縫從“派工→生產(chǎn)→評(píng)估→檢測(cè)”的全過(guò)程數(shù)據(jù)鏈，形成焊接質(zhì)量控制的完整閉環(huán)系統(tǒng)。

圖5 云智能焊接管控系統(tǒng)

4 結(jié)論

所設(shè)計(jì)的云智能焊接管控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)化及海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，構(gòu)建了符合焊接企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)際的統(tǒng)一綜合數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的綜合系統(tǒng)化管理和焊接過(guò)程中焊縫質(zhì)量的客觀評(píng)估，能夠有效滿(mǎn)足船舶制造、冶金機(jī)械等制造類(lèi)企業(yè)實(shí)際焊接生產(chǎn)全過(guò)程管控的需求，可進(jìn)行多焊機(jī)、多任務(wù)以及焊接質(zhì)量的查詢(xún)和管理。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性良好，為集群化焊接設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程的網(wǎng)絡(luò)化管控提供了有效手段。