低溫風(fēng)洞不銹鋼洞體焊接關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測與分析系統(tǒng)

鄒大軍，胡洪學(xué)，黃攀宇

中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000

0 前言

焊接電流、焊接線能量等參數(shù)對焊縫的成形系數(shù)、剪切強度有著直接的影響［1-2］，對這些參數(shù)進行監(jiān)測與分析是控制焊接質(zhì)量、確保焊接質(zhì)量具備可追溯性的前提條件，也是電焊機研究領(lǐng)域的重點內(nèi)容之一。例如，盧永建［3］等研發(fā)了一套基于WiFi技術(shù)的焊接參數(shù)無線采集與傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)對于單臺或少量焊機的焊接參數(shù)可高頻采集，實現(xiàn)實時采集監(jiān)控功能；李政浩［4］等開發(fā)了一套通過移動網(wǎng)絡(luò)將鋼軌現(xiàn)場焊接參數(shù)實時上傳至云平臺的鋼軌現(xiàn)場焊接參數(shù)遠程采集系統(tǒng)，系統(tǒng)操作方便，時效性強，可以科學(xué)評估鋼軌現(xiàn)場焊接質(zhì)量和保障線路焊接施工安全性。

低溫風(fēng)洞需在110 K溫度下運行，其對材料、焊材［5］、焊縫及其熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性的要求高于國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，由此帶來了一系列焊接工藝的難點。例如，由于奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)小，當(dāng)熱輸入過大，焊縫和熱影響區(qū)高溫停留時間過長時，有可能導(dǎo)致大量碳化物析出，影響焊接接頭的低溫韌性和抗晶間腐蝕性能。因此，在低溫風(fēng)洞的建設(shè)過程中采用了新的焊接工藝［6］。同時，為確保焊接嚴(yán)格按照焊接工藝進行，有必要對焊接過程的關(guān)鍵參數(shù)進行在線實時監(jiān)控。從低溫風(fēng)洞建設(shè)和維護的實際需求出發(fā)，為控制不銹鋼風(fēng)洞洞體焊接質(zhì)量，文中基于傳感器、無線傳輸技術(shù)，搭建了一套焊接參數(shù)測量系統(tǒng)，并開發(fā)了一套基于Web編程技術(shù)的數(shù)據(jù)管理與分析軟件，對低溫風(fēng)洞焊接過程中的焊接電流、焊接線能量等關(guān)鍵參數(shù)進行測量與分析。

1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)總體方案如圖1所示，主要由硬件與軟件兩部分構(gòu)成，其中硬件主要包括感知層、控制層、設(shè)備層以及電源，軟件包括上位機操作界面程序和下位機采集程序。系統(tǒng)運行時，感知層獲得相關(guān)數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳入至控制層中存儲，控制層將獲得的數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射模塊傳輸至設(shè)備層中；在設(shè)備層中，通過軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、存儲以及分析等功能。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)總體方案Fig.1 Overall scheme of monitoring system

2 系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

（1）感知層設(shè)計。

系統(tǒng)的感知層主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集功能，主要包括溫濕度傳感器、電流傳感器以及電壓傳感器。傳感器的輸出信號需要經(jīng)過變送器進行標(biāo)定，以滿足后續(xù)控制層通信的需求，所得信號經(jīng)過AD模塊進入控制器。其具體構(gòu)成如圖2所示。

圖2 硬件感知層Fig.2 Hardware perception layer

（2）控制層設(shè)計。

控制層主控器件的選取決定整個監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、容錯性和抗干擾性。本系統(tǒng)選用集成度較好的PLC作為主控器件（型號：FX3U-32MT），它在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛且穩(wěn)定性好。PLC接收由感知層采集到的電流、電壓以及溫濕度數(shù)據(jù)，并存儲于相應(yīng)的設(shè)定地址，根據(jù)數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，這些數(shù)據(jù)將由與PLC連接的無線發(fā)射模塊按照設(shè)定的傳送速率傳送給上位機，根據(jù)系統(tǒng)需要，無線接收距離設(shè)定為最大500 m。硬件控制層具體構(gòu)成及設(shè)計路線如圖3所示。

圖3 硬件控制層Fig.3 Hardware control layer

（3）設(shè)備層設(shè)計。

硬件的設(shè)備層主要由上位機及與其相連的無線接收模塊構(gòu)成，如圖4所示。無線接收模塊負(fù)責(zé)接收由控制層發(fā)送來的數(shù)據(jù)；通過相應(yīng)的軟件，上位機主要完成的內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)顯示及分析、焊接信息錄入以及數(shù)據(jù)后處理等。

圖4 硬件設(shè)備層Fig.4 Hardware device layer

整個系統(tǒng)中的電壓源均由外部220 V供電，內(nèi)部采用電源模塊（±5 V，±12 V，±24 V）將其變換為所需電壓。此外，感知層與控制層均置于設(shè)備箱之內(nèi)以減少環(huán)境對系統(tǒng)的影響。

2.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括上位機與下位機程序。其中，下位機程序主要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集和向上位機傳輸數(shù)據(jù)的功能，其程序設(shè)計流程如圖5所示。該程序主要對管腳、傳輸數(shù)據(jù)類型、傳輸速率以及采集頻率進行了定義，并制定了數(shù)據(jù)發(fā)送的規(guī)則。

圖5 下位機程序流程Fig.5 Program flow chart of lower computer

上位機主要根據(jù)系統(tǒng)要求，實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的輸入、顯示以及統(tǒng)計等，其設(shè)計流程如圖6所示。

圖6 上位機程序流程Fig.6 Program flow chart of upper computer

上位機程序基于Web技術(shù)開發(fā)完成，使用十分方便，可以根據(jù)不同的設(shè)備自動進行內(nèi)容同步，管理十分簡單，移植性強，同時網(wǎng)頁可以自動偵測設(shè)備屏幕的大小，對網(wǎng)站的內(nèi)容和布局進行靈活調(diào)整，使網(wǎng)站在任何設(shè)備上都有良好的顯示效果。由圖6可知，在系統(tǒng)運行之前，需首先輸入用戶信息、焊接信息等以建立一個工程。在系統(tǒng)運行后，根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)接收協(xié)議，程序首先會通過一定的容錯功能對接收到的下位機數(shù)據(jù)進行篩選，然后一方面將數(shù)據(jù)用于顯示，一方面對數(shù)據(jù)進行存儲、分析和統(tǒng)計。

由于周邊環(huán)境的影響，系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)中會出現(xiàn)一些明顯不合理的數(shù)據(jù)，比如電流高達1 000A，溫度降至-30℃，這一現(xiàn)象經(jīng)后期數(shù)據(jù)的分析、處理與顯示造成了很大的困難。為解決這一問題，在上位機程序中進行了容錯設(shè)計，根據(jù)焊接工藝以及現(xiàn)場實際的溫濕度情況，設(shè)定了數(shù)據(jù)的篩選規(guī)則（例如電流＞500 A為不合理數(shù)據(jù)），將這些明顯存在問題的數(shù)據(jù)進行了初步的篩選。

由于焊接不是一個長時間持續(xù)的過程，若系統(tǒng)一直進行數(shù)據(jù)采集將產(chǎn)生大量的無用數(shù)據(jù)，導(dǎo)致后期數(shù)據(jù)分析工作量大增，嚴(yán)重影響系統(tǒng)運行的效率與穩(wěn)定性；與正常焊接時相比，起弧時電流較大，這將對后期電流的合理性評估造成影響；此外，數(shù)據(jù)采樣頻率也是系統(tǒng)的一個重要指標(biāo)，頻率太高，所采樣的數(shù)據(jù)量將增加，會對后期的數(shù)據(jù)處理造成困難，頻率太低，無法確保采集數(shù)據(jù)的完整性，影響對焊接關(guān)鍵參數(shù)的評估。為此，在上位機程序中設(shè)定了數(shù)據(jù)存儲與顯示規(guī)則，要求采集電流大于30 A且穩(wěn)定運行1 s后程序才開始存儲與顯示數(shù)據(jù)，同時，根據(jù)實際需求，將采樣頻率設(shè)置為1次/0.5 s，實現(xiàn)了對無用數(shù)據(jù)的篩選，確保了數(shù)據(jù)量的合理性，很好地提升了數(shù)據(jù)的處理效率。

對于采集到的焊接關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)焊接工藝規(guī)則，系統(tǒng)制定了評估準(zhǔn)則，并以此為依據(jù)評估這些焊接關(guān)鍵參數(shù)，對于超出合理范圍的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將自動進行識別與報警并留下記錄，為后續(xù)焊接方法的改進以及焊接質(zhì)量問題的追溯提供了可靠的依據(jù)。

當(dāng)一個工程完成后，系統(tǒng)將自動生成整個焊接過程關(guān)鍵參數(shù)的圖表，從中可對整個焊接過程進行評估，實現(xiàn)了對整個焊接過程關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)控。

特別是焊縫的焊接線能量對焊縫的低溫沖擊功有著直接的影響［7］。為此，通過所獲得的數(shù)據(jù)（電流、電壓），結(jié)合現(xiàn)場焊接速度（由現(xiàn)場統(tǒng)計后直接輸入），在上位機程序中實現(xiàn)了對焊接線能量的計算與評估，確保了焊接線能量始終處于合理范圍內(nèi)，進而實現(xiàn)了對焊縫低溫沖擊功的監(jiān)控。

3 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果

3.1 初步調(diào)試

項目系統(tǒng)調(diào)試分兩步進行，第一步初步調(diào)試在實驗室進行，分別對軟硬件進行了調(diào)試與測量。

硬件調(diào)試主要包括電流傳感器、電壓傳感器以及溫濕度傳感器穩(wěn)定性測試等內(nèi)容。以電壓傳感器調(diào)試為例，測試時先將直流電壓輸出器轉(zhuǎn)換成能夠被PLC識別的0～10 V模擬量量程范圍，測試輸入電壓分別為15 V和20 V。經(jīng)過調(diào)試后，系統(tǒng)輸出結(jié)果分別約為3 V和4 V，輸出信號穩(wěn)定，但存在5倍的逆變系數(shù)，在后期處理時，需要乘以這個逆變系數(shù)。

同時，在實驗室對軟件各個采集界面進行了逐項調(diào)試。調(diào)試完成后的數(shù)據(jù)實時顯示界面（電流、電壓和溫濕度）如圖7所示。系統(tǒng)軟件可穩(wěn)定實時地顯示所接收到的數(shù)據(jù)。此外，在實驗室還完成了數(shù)據(jù)庫設(shè)計、通訊設(shè)計以及界面優(yōu)化等軟件調(diào)試內(nèi)容。

圖7 數(shù)據(jù)實時顯示界面Fig.7 Interface of real-time data display

3.2 現(xiàn)場調(diào)試

現(xiàn)場調(diào)試前，首先進行了電流傳感器、電壓傳感器的布置等工作?，F(xiàn)場調(diào)試主要是對系統(tǒng)要求的功能進行一一驗證。首先測試系統(tǒng)的精度以及穩(wěn)定性，測試內(nèi)容及結(jié)果如表1所示。

表1 現(xiàn)場測試內(nèi)容及結(jié)果Table 1 Contents and results of field test

由表1可知，系統(tǒng)焊接電流、焊接電壓、焊接環(huán)境濕度以及焊接環(huán)境溫度的偏差分別為2.2%、1.4%、2.7%以及1.3%，可實現(xiàn)對焊接參數(shù)的有效監(jiān)測。此外，現(xiàn)場調(diào)試結(jié)果表明系統(tǒng)可穩(wěn)定運行72 h以上，具有良好的可靠性與穩(wěn)定性。

以某焊縫為對象，系統(tǒng)實測輸出結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，系統(tǒng)可實現(xiàn)對焊接電流、焊接電壓等焊接關(guān)鍵參數(shù)進行顯示、監(jiān)測與記錄；同時，根據(jù)輸入的參數(shù)，系統(tǒng)還能對焊接有效時間、焊接線能量、焊接效率等參數(shù)進行分析。

圖8 系統(tǒng)輸出結(jié)果Fig.8 System output

4 結(jié)論

文中研制了一套焊接關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測與分析系統(tǒng)，基于無線傳輸、傳感器等技術(shù)開展了系統(tǒng)的硬件設(shè)計，基于Web技術(shù)實現(xiàn)了系統(tǒng)軟件的設(shè)計，同時在實驗室完成了系統(tǒng)的初步調(diào)試工作?，F(xiàn)場測試表明，在規(guī)定的距離內(nèi)，所得焊接參數(shù)精度可控制在2.7%以內(nèi)，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。該采集系統(tǒng)的設(shè)計為低溫風(fēng)洞不銹鋼焊接參數(shù)的監(jiān)控與分析提供了一種有效的方法。