鍋爐筒節(jié)匹配算法系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)

余 蕓

(上海工業(yè)自動化儀表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

目前使用的筒節(jié)匹配算法，主要是在要匹配的筒節(jié)端面上選取幾個常用的點，工人手工測量該點所處端面的直徑；測量完成后，依據(jù)經(jīng)驗，對相近的筒節(jié)進行焊接。顯然，這種方法還是比較“粗放的”，主要依靠工人的經(jīng)驗完成，所選取的測量點與測出的直徑值有一定的誤差。

隨著近年制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system,MES)在工廠應用的普及，鍋爐筒節(jié)匹配需要往智能化方向發(fā)展，并提供便捷的查詢方法。本文根據(jù)鍋爐筒節(jié)多測點的特點，利用激光測距儀、平板計算機，設(shè)計了一套能精確進行筒節(jié)匹配的系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)筒節(jié)匹配算法的特點，本系統(tǒng)主要包括激光測距儀、平板計算機、MES服務器及客戶端等部分。激光測距儀主要用于測量筒節(jié)端面直徑，并通過藍牙向平板計算機傳遞數(shù)據(jù)。平板計算機用于接收激光測距儀的數(shù)據(jù)，并通過WiFi傳遞給MES服務器。MES端服務器接收完數(shù)據(jù)，通過一系列匹配算法，把筒節(jié)匹配順序通過網(wǎng)頁形式展示給用戶。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 平板計算機軟件設(shè)計

平板計算機程序流程如圖2所示。

圖2 平板計算機程序流程圖

2003年，Android系統(tǒng)開始研發(fā)。2007年，Android 1.0上線。2018年，Android P測試版發(fā)布。經(jīng)歷短短15年發(fā)展，目前Android系統(tǒng)在智能手機市場的占有率高達90%以上[1-3]。為此，本系統(tǒng)采用Android studio作為開發(fā)工具，開發(fā)一款作為中間站作用的應用程序(application,APP)。Android studio作為谷歌官方推薦的開發(fā)工具，與eclipse開發(fā)平臺相比，具有更高的開發(fā)效率[4]。

系統(tǒng)采用JAVA作為開發(fā)語言，以數(shù)據(jù)自動錄入為核心[5]，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理等功能。系統(tǒng)主要包括五個模塊:用戶登錄模塊、藍牙通信模塊、數(shù)據(jù)保存模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊。這些模塊協(xié)同工作，完成APP數(shù)據(jù)采集和傳輸任務。系統(tǒng)工作流程如下。首先，平板計算機和激光測距儀的藍牙功能同時開啟并能互相找到對方；然后，平板計算機接收激光測距儀發(fā)來的測距數(shù)據(jù)，保存在一個數(shù)組中；當一個筒節(jié)的兩個端面的直徑都測量完畢后，再將這組數(shù)據(jù)通過WiFi發(fā)送給MES服務器。MES服務器接收到數(shù)據(jù)后發(fā)送一個數(shù)據(jù)給平板計算機表示數(shù)據(jù)已經(jīng)接收到，可以準備發(fā)送下一組數(shù)據(jù)。如果平板計算機超過一定的時間未收到反饋值，則重新發(fā)送數(shù)據(jù)給MES服務器。

3 鍋爐激光對中軟件設(shè)計

鍋爐激光對中軟件設(shè)計是整個系統(tǒng)設(shè)計的核心，由通信程序、匹配算法程序、界面顯示程序等部分組成。系統(tǒng)首先接收平板計算機傳來的數(shù)據(jù)，并把它保存在數(shù)據(jù)庫中。然后，根據(jù)工號和筒節(jié)編號，從數(shù)據(jù)庫中取出相應筒節(jié)兩個端面的直徑數(shù)據(jù)，進行匹配計算。

計算完成后，在界面上顯示出匹配結(jié)果，并列出匹配角度。

3.1 MES端匹配計算算法

MES端匹配計算算法是軟件設(shè)計的關(guān)鍵部分。筒節(jié)橫截面的測量點設(shè)置如圖3所示。

圖3 筒節(jié)橫截面的測量點設(shè)置圖

兩個筒節(jié)的匹配流程如圖4所示。

圖4 兩個筒節(jié)的匹配流程圖

具體的算法如下。以焊接縱縫線為0點，依次取7個點，分別測量直徑。假設(shè)t0是0點位置測得的直徑、t1是1點位置測得的直徑，以此類推，t7是7點位置測得的直徑，則t0,t1,…,t7是第一個筒節(jié)所測得的所有直徑值。

類似地，w0是 0點位置測得的直徑、w1是 1點位置測得的直徑，以此類推，w7是7點位置測得的直徑，則w0,w1,…,w7是第二個筒節(jié)所測得的所有直徑值。

由于0和0′是一直線，測得的直徑長度是一樣的，即t0=t0′，t1=t1′,…,t7=t7′;w0=w0′,w1=w1′,…,w7=w7′。

系統(tǒng)首先從第一個筒節(jié)的匹配面0點位置和第二個筒節(jié)的匹配面0位置處匹配，計算數(shù)值代表兩個筒節(jié)的8個內(nèi)徑差值之和。

s0=(t0-w0)+ (t1-w1)+ (t2-w2)+…+

(t7-w7)

如果任意兩個位置的直徑差大于5 mm，例如t0-w0>5 mm，則表示這次匹配不成功,直接退出開始下一個位置的匹配。

下一個位置從第一個筒節(jié)匹配面的縱縫線0點位置與第二個筒節(jié)匹配面的1點位置處開始匹配，計算數(shù)值代表兩個筒節(jié)的8個內(nèi)徑差值之和:

s1=(t0-w1)+ (t1-w2)+ (t2-w3)+…+

(t6-w7)+(t7-w0)

類似地，如果任意兩個位置的直徑差大于5 mm，表示匹配不成功。

按此規(guī)律匹配計算8次，最后一次計算值為第一個筒節(jié)匹配面的縱縫線0點位置與第二個筒節(jié)匹配面的7點位置開始匹配:

s7=(t0-w7)+ (t1-w0)+ (t2-w1)+…+

(t6-w5)+(t7-w6)

取s0,s1,…,s7的有效值進行排序，得出的最小值對應的匹配位置就是兩個筒節(jié)合適的匹配角度。為了防止應力集中，兩個筒節(jié)焊接縱縫線是不能焊接在一起的，要有一定的角度偏移。所以當?shù)贸龅呐判蚪Y(jié)果s0、s1或s2為最小值時，焊接位置為第一個筒節(jié)的0點位置和第二個筒節(jié)的0′位置、1′位置或2′位置。

3.2 多個筒節(jié)的排序算法

一個鍋爐至少要用3～4個筒節(jié)進行焊接。在選好要焊接在一起的筒節(jié)后，要對這些筒節(jié)按匹配算法循環(huán)進行匹配計算。對計算得到的最小值再次進行排序，得到筒節(jié)之間的匹配順序以及匹配角度。n個筒節(jié)要進行2×n×(n-1)次循環(huán)匹配。多個筒節(jié)的匹配流程如圖5所示。

圖5 多個筒節(jié)的匹配流程圖

3.3 鍋爐激光對中軟件實現(xiàn)

比起本地服務，Web Service服務具有平臺無關(guān)性、跨越防火墻以及編程語言無關(guān)性等優(yōu)勢[5]。所以系統(tǒng)使用Tomcat服務器端進行MES的Web服務。采用JSON作為網(wǎng)絡傳輸協(xié)議[6-9],SQL Server作為數(shù)據(jù)庫存儲測量到的筒節(jié)直徑數(shù)據(jù)。MES端在進行與Android平臺的通信傳輸中，使用JSON進行數(shù)據(jù)封裝，創(chuàng)建Java Bean對象，把數(shù)據(jù)填充到對象中，轉(zhuǎn)為字符串進行傳輸。考慮到系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可維護性，本系統(tǒng)采用分層架構(gòu)開發(fā)，可以降低層與層之間的耦合度，減少數(shù)據(jù)互相干擾。本系統(tǒng)架構(gòu)分為數(shù)據(jù)層和應用層。

①數(shù)據(jù)層:即系統(tǒng)后端，采用SQL Server存儲數(shù)據(jù)。

②應用層:即系統(tǒng)前端，采用HTML實現(xiàn)靜態(tài)頁面的設(shè)計與布局；采用JavaScript 創(chuàng)建動態(tài)頁面效果并與后端進行數(shù)據(jù)交互。

本系統(tǒng)主要實現(xiàn)筒節(jié)信息顯示、匹配順序顯示和特定筒節(jié)匹配顯示三大功能模塊。

①筒節(jié)信息顯示:輸入工號信息后，根據(jù)工號查詢數(shù)據(jù)庫，得到該工號下的筒節(jié)編號以及每個筒節(jié)的兩個端面所測得的直徑數(shù)據(jù)。

②匹配順序顯示:選擇要匹配的筒節(jié)編號后(大于2根)，系統(tǒng)顯示筒節(jié)的匹配順序、匹配面以及匹配的角度。

③特定筒節(jié)的匹配顯示:界面提供選擇筒節(jié)編號和匹配面的選項，用于查詢特定兩個筒節(jié)是否合適匹配以及匹配的角度。

該系統(tǒng)用到的數(shù)據(jù)庫表是筒節(jié)信息表，包含字段是工件編號、筒節(jié)編號、A0～A7(筒節(jié)A端面測得的8個直徑值)、B0～B7(筒節(jié)B端面測得的直徑值)。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試在鍋爐焊接車間進行。首先打開平板計算機，出現(xiàn)登錄界面；輸入正確的用戶名和密碼后，進入主界面。打開激光測距儀，同時開啟激光測距儀和平板計算機的藍牙功能，平板計算機會出現(xiàn)藍牙配對界面。

當激光測距儀和平板計算機藍牙配對成功后，平板計算機的控制軟件首先等待用戶輸入工號和筒節(jié)編號。輸入完成后，激光測距儀把測得的筒節(jié)的直徑值傳遞給平板計算機的控制軟件。平板計算機控制軟件接收到數(shù)據(jù)，并在界面顯示。當所有數(shù)據(jù)接收完成后，點擊發(fā)送按鈕，把數(shù)據(jù)發(fā)送給MES服務器，然后清空界面。

MES端接收到平板計算機傳來的數(shù)據(jù)，保存到數(shù)據(jù)庫中。首先，選擇工號，點擊查詢按鈕，界面會顯示

出該工號下所有的筒節(jié)編號以及每個筒節(jié)兩個端面所測得的所有直徑值。選擇要進行匹配的筒節(jié)編號，點擊匹配排序按鈕后，界面的匹配排序表格欄里會顯示適合進行匹配的筒節(jié)編號以及匹配的面，并列出每個角度的匹配計算得出的值。當用戶想要了解特定兩個筒節(jié)的匹配情況，可以在筒節(jié)選擇下拉框選擇要匹配的筒節(jié)，并點擊匹配按鈕，界面顯示兩個筒節(jié)每個角度按匹配算法計算出的值。

5 結(jié)論

系統(tǒng)采用激光測距儀測量筒節(jié)的直徑，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工測量方法，減少了測量誤差；在Android系統(tǒng)上開發(fā)了平板計算機控制軟件，接收激光測距儀的數(shù)據(jù)并發(fā)送到MES服務器。服務器端采用Sping框架，開發(fā)了基于Java語言的激光對中軟件，接收平板計算機傳來的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，用排序、尋求最小值等算法進行匹配計算，并把結(jié)果顯示在頁面上。該系統(tǒng)已經(jīng)在鍋爐筒節(jié)車間進行現(xiàn)場測試，運行穩(wěn)定，基本功能滿足設(shè)計要求，可降低匹配誤差，為進行筒節(jié)焊接的用戶提供參考，減少工作量。