陳家源,王學(xué)武,范曄平,徐德進(jìn)
1.華東理工大學(xué) 能源化工過(guò)程智能制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200237 2.上海廣為焊接設(shè)備有限公司,上海 200241 3.上海騰焊智能科技有限公司,上海 200241
隨著德國(guó)提出的工業(yè)4.0戰(zhàn)略,屬于“工業(yè)4.0”的時(shí)代開(kāi)始來(lái)臨。未來(lái)制造業(yè)逐漸向智能化的方向發(fā)展,設(shè)備互聯(lián)、人機(jī)互聯(lián)的趨勢(shì)越來(lái)越明顯[1]。為了滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)新的需求,焊接技術(shù)正在逐漸與互聯(lián)化、計(jì)算機(jī)控制化的工廠進(jìn)行融合,正在朝著智能化、信息化的方向發(fā)展[2-3]。
焊接過(guò)程涉及許多流程,包含許多因素[4]。焊接技術(shù)涵蓋了多門學(xué)科,其中數(shù)學(xué)、物理等推動(dòng)了焊接技術(shù)智能化、數(shù)字化的發(fā)展[5]。20世紀(jì)70年代,德國(guó)、美國(guó)[6]、日本[7]等將專家系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)引入焊接領(lǐng)域,而國(guó)內(nèi)的焊接專家系統(tǒng)起步較晚,20世紀(jì)80年代我國(guó)才開(kāi)始建立焊接數(shù)據(jù)庫(kù)[8]。1988年哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)等多個(gè)院校共同開(kāi)發(fā)了焊接專家系統(tǒng),后續(xù)在各個(gè)高校、研究院、企業(yè)的不斷努力下,對(duì)各類焊接問(wèn)題提出解決辦法,完善焊接專家系統(tǒng)。2004年重慶大學(xué)研究了焊接工藝智能數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng),將專家系統(tǒng)工具引入到數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中[9],2016年江蘇科技大學(xué)以知識(shí)挖掘?yàn)榛A(chǔ),基于模糊知識(shí)推理和數(shù)值模擬等技術(shù)建立了焊接工藝推理設(shè)計(jì)機(jī)制[10],2020年山東大學(xué)提出了一種包含精確的幾何、尺寸和焊接要求等信息的焊接任務(wù)數(shù)據(jù)模型[11]。如今焊接專家系統(tǒng)已趨于成熟,廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)[12]。
目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)企業(yè)和高校在不斷的進(jìn)行焊接電源信息管控系統(tǒng)的研究,同時(shí)也取得了一定成果,焊接電源信息系統(tǒng)的功能和類型正在不斷完善。在智能制造的大背景下,我國(guó)的焊接信息系統(tǒng)也在不斷趨于成熟,應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)的焊接信息系統(tǒng)種類越來(lái)越多樣化,系統(tǒng)的功能模塊也越來(lái)越豐富,正在逐漸向國(guó)外前沿的焊接信息系統(tǒng)靠攏。但是仍存在一些不足,比如每個(gè)公司或者機(jī)構(gòu)的研究成果比較獨(dú)立,研發(fā)的焊接信息系統(tǒng)大多只適用于公司內(nèi)部的產(chǎn)品,缺少普適性,通信協(xié)議等也不盡相同,在行業(yè)內(nèi)的整體發(fā)展層面上有一定限制。為了解決這一問(wèn)題,更好地把控生產(chǎn)過(guò)程,在焊接過(guò)程中對(duì)焊接人員和各層級(jí)管理人員、焊接電源設(shè)備、物料和工藝等相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析、統(tǒng)計(jì)和控制,本文基于軟硬件設(shè)計(jì),研究設(shè)計(jì)了一套適用于多種焊接電源的焊接信息管控系統(tǒng)。該系統(tǒng)針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的模擬和數(shù)字化焊機(jī)的焊接信息進(jìn)行采集、管理、控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),通過(guò)把焊接技術(shù)、信息技術(shù)、通信控制和人員管理的理念相互結(jié)合在一起,以焊接技術(shù)信息化為目的,對(duì)焊機(jī)進(jìn)行集群化管理控制,能夠?qū)附訑?shù)據(jù)進(jìn)行采集、監(jiān)測(cè)及追溯,同時(shí)可以對(duì)焊接人員進(jìn)行集中管理,從而對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行更精確地管控。
系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示,由數(shù)據(jù)采集通信設(shè)備、服務(wù)器、Web客戶端瀏覽器和移動(dòng)手持終端組成。數(shù)據(jù)采集通信設(shè)備和上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為該系統(tǒng)的重點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集通信設(shè)備與模擬焊機(jī)或數(shù)字焊機(jī)相連,使用對(duì)應(yīng)的通信方式采集焊接參數(shù),再通過(guò)采集設(shè)備與服務(wù)器的通信,將數(shù)據(jù)傳入服務(wù)器、存入數(shù)據(jù)庫(kù)、顯示到Web客戶端上,每個(gè)焊工在焊接作業(yè)開(kāi)始前使用手持移動(dòng)終端進(jìn)行掃碼操作,用以記錄焊接前后的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)同時(shí)會(huì)存入數(shù)據(jù)庫(kù),做到焊接責(zé)任可追溯。
圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.1 Overall system architecture
目前遠(yuǎn)距離無(wú)線通信技術(shù)主要有Zigbee和Wi-Fi技術(shù),為保證數(shù)據(jù)的傳輸更加穩(wěn)定和安全,系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集通信設(shè)備與上位機(jī)系統(tǒng)之間采用Wi-Fi通信技術(shù)。設(shè)計(jì)了兩個(gè)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊,分別用來(lái)將接收到的焊接過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析然后發(fā)送。由于模擬焊機(jī)和數(shù)字焊機(jī)的特性不同,與其相連的采集盒硬件模塊也不同,但是通信方式統(tǒng)一采用Wi-Fi通信。
焊接電源、采集模塊、手持終端的連接方式為一對(duì)一對(duì)一,焊工需要作業(yè)時(shí)在采集模塊上刷IC卡以記錄對(duì)應(yīng)焊工的ID信息,使用每位焊工唯一的ID信息來(lái)記錄對(duì)應(yīng)的操作信息;采集模塊將采集到的信息通過(guò)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊處理后,保存至數(shù)據(jù)庫(kù),同時(shí)上傳至云端;管理人員可以使用現(xiàn)場(chǎng)終端監(jiān)測(cè)整個(gè)焊接過(guò)程的參數(shù),也可以對(duì)焊工進(jìn)行各個(gè)維度的管理,如每個(gè)焊工的資質(zhì)、權(quán)限等。
本文基于模擬和數(shù)字化焊接電源的信息采集,以及焊接人員管理這兩部分進(jìn)行研究。
(1)焊接信息采集。由于模擬焊機(jī)沒(méi)有外部數(shù)字接口,只能采集到電流和電壓這兩個(gè)模擬量參數(shù),所以送絲速度等數(shù)據(jù)需要進(jìn)行估算得知。而數(shù)字化焊機(jī)有數(shù)字通信接口,如USB接口、網(wǎng)口、串口、CAN接口等,可以直接從焊機(jī)上讀取送絲速度、焊絲直徑和材質(zhì)、氣體流量等參數(shù),不需要通過(guò)采集模擬量來(lái)進(jìn)行另外的計(jì)算。
(2)焊接人員的管理。通過(guò)給每位焊工分發(fā)IC卡和唯一的ID信息,可做到焊接任務(wù)的精準(zhǔn)發(fā)布以及焊接記錄可追溯,真正做到人員管理的高度統(tǒng)一。
為滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)模擬焊機(jī)和數(shù)字焊機(jī)混用的場(chǎng)景,實(shí)現(xiàn)采集焊接數(shù)據(jù)并發(fā)送到云端系統(tǒng),再對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析、處理和顯示等功能,設(shè)計(jì)了一種可以與模擬焊機(jī)和數(shù)字焊機(jī)分別適配的數(shù)據(jù)采集模塊,為了最大程度簡(jiǎn)化采集設(shè)備的電路設(shè)計(jì),設(shè)備采用一塊主板連接一塊焊接數(shù)據(jù)采集模塊的方式,其中主板是相同的,焊接數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)模擬焊機(jī)和數(shù)字焊機(jī)分別設(shè)計(jì),總體框圖如圖2所示。
圖2 焊接電源與采集模塊的連接Fig.2 Connection block diagram of welding power supply and acquisition module
如圖2所示,采集模塊包括鍵盤輸入、USB信息轉(zhuǎn)換、屏幕顯示、NFC讀卡、網(wǎng)口轉(zhuǎn)接、信號(hào)轉(zhuǎn)換等功能,并且區(qū)分了模擬模塊與數(shù)字模塊。其中中央處理器選擇的是STM32F103系列的單片機(jī),具有低成本、低功耗、高穩(wěn)定性、高集成度等特性[13]。采集模塊如圖3所示,LCD屏顯示的信息包含了電壓、電流、采集模塊編號(hào)、焊工IC卡號(hào)等基礎(chǔ)信息,按鍵可用來(lái)配置或查看IP地址、通信方式等信息。提供了USB接口可為采集模塊供電或者植入相應(yīng)的程序。WIFI模塊選擇MARVEL8801模塊芯片,用來(lái)與上位機(jī)軟件通信。設(shè)計(jì)的采集模塊如圖3所示。
圖3 采集模塊Fig.3 Physical drawing of acquisition module
上位機(jī)系統(tǒng)軟件采用SSM框架,即Spring+Spring MVC+MyBatis的整合框架,將系統(tǒng)整體分為四部分:View層、Controller層、Service層和dao層[14]。系統(tǒng)采用java語(yǔ)言開(kāi)發(fā),全面實(shí)現(xiàn)B/S結(jié)構(gòu),軟件整體框架如圖4所示,分為四部分:表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)層、持久層和數(shù)據(jù)庫(kù)。表現(xiàn)層通過(guò)Spring MVC實(shí)現(xiàn),負(fù)責(zé)與用戶的信息交互,其視圖由HTML及JS等前端技術(shù)實(shí)現(xiàn);業(yè)務(wù)層由Spring4實(shí)現(xiàn),負(fù)責(zé)后臺(tái)業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn);持久層由MyBatis3實(shí)現(xiàn),負(fù)責(zé)提供數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)庫(kù)選擇Oracle,負(fù)責(zé)保存數(shù)據(jù)。
圖4 軟件整體框架Fig.4 Overall software framework
為了將相關(guān)信息系統(tǒng)化、有條理地進(jìn)行展示,對(duì)系統(tǒng)的功能模型進(jìn)行具體的分析和設(shè)計(jì),即把采集設(shè)備、焊接電源、焊工、用戶和實(shí)時(shí)展示界面等相關(guān)信息進(jìn)行菜單化的分類,一共分為生產(chǎn)設(shè)備管理、生產(chǎn)過(guò)程管理、系統(tǒng)配置管理、設(shè)備監(jiān)控管理和大屏展示管理五大模塊,總體功能及各個(gè)模塊之間的小功能劃分如圖5所示。
圖5 系統(tǒng)功能模塊劃分Fig.5 System function module division
(1)生產(chǎn)設(shè)備管理用于規(guī)范化管理設(shè)備,可以對(duì)設(shè)備實(shí)施編組、編號(hào),管理跟蹤設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)信息,包括采集模塊管理、焊機(jī)設(shè)備管理、維修記錄管理。
(2)生產(chǎn)過(guò)程管理用來(lái)集中生產(chǎn)過(guò)程中的管理工藝規(guī)范及對(duì)焊工的統(tǒng)一管理,包括焊工管理、焊縫管理、焊機(jī)設(shè)備管理、生產(chǎn)工藝管理。
(3)系統(tǒng)配置管理對(duì)系統(tǒng)的用戶及角色等進(jìn)行統(tǒng)籌管理,對(duì)車間組織機(jī)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一的管理,用戶可根據(jù)公司自身情況建立公司、生產(chǎn)車間、班組的管理網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),該模塊包括用戶管理、角色管理、組織機(jī)構(gòu)管理。
(4)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)焊機(jī)的工作狀態(tài)和焊接參數(shù),能夠統(tǒng)計(jì)開(kāi)機(jī)/待機(jī)/關(guān)機(jī)/故障的焊機(jī)設(shè)備,并且可實(shí)時(shí)輸出焊機(jī)的工作電壓及電流。
(5)大屏展示管理模塊用來(lái)管理數(shù)據(jù)可視化界面,使焊接重要參數(shù)更加清晰直觀的展示給用戶。
進(jìn)入系統(tǒng)后,主頁(yè)面為數(shù)據(jù)可視化界面,包含需要展示的重要信息,如焊工狀態(tài)及工作時(shí)間、焊材消耗量、設(shè)備使用率等,此頁(yè)面也可以進(jìn)行全屏展示,如圖6所示。
圖6 數(shù)據(jù)可視化主頁(yè)面Fig.6 Data visualization main page
同時(shí)展開(kāi)左側(cè)子模塊也可查看各類信息,如在生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊下可查看各個(gè)車間班組的設(shè)備信息、焊接時(shí)間等,如圖7所示。
圖7 生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊Fig.7 Production data statistics module
在實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊中,使用曲線圖可直觀地查看焊機(jī)的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)以及工作中的實(shí)時(shí)電壓、電流等數(shù)據(jù),如圖8所示。
圖8 實(shí)時(shí)焊接曲線圖界面Fig.8 Real time welding curve interface
(1)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)管理。對(duì)于模擬焊機(jī)和數(shù)字焊機(jī),在開(kāi)機(jī)狀態(tài)下,通過(guò)采集設(shè)備采集到的電流、電壓等參數(shù),會(huì)不斷向數(shù)據(jù)庫(kù)傳送數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的插入,通過(guò)語(yǔ)句判斷數(shù)據(jù)類型并按照時(shí)間序列寫(xiě)入不同的表,為后續(xù)分析、查詢等提供數(shù)據(jù)支撐。
(2)系統(tǒng)手動(dòng)錄入。對(duì)于焊工信息、焊機(jī)信息、焊材信息、組織機(jī)構(gòu)信息、焊機(jī)工藝規(guī)范信息、賬戶角色分配、用戶權(quán)限分配、手持終端IP地址等基礎(chǔ)信息,需要手動(dòng)錄入系統(tǒng),可以進(jìn)行查詢和增加、刪除、修改等操作。
(3)手持終端數(shù)據(jù)管理。對(duì)工票二維碼和工藝二維碼信息進(jìn)行管理,在焊工點(diǎn)擊“開(kāi)始任務(wù)”后,判斷數(shù)據(jù)類型存入不同的表中,再通過(guò)MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)取出來(lái),把任務(wù)參數(shù)通過(guò)采集設(shè)備下發(fā)給焊機(jī);點(diǎn)擊“結(jié)束任務(wù)”之后,修改數(shù)據(jù)任務(wù)表中的時(shí)間和狀態(tài),最后存入系統(tǒng)的實(shí)時(shí)表。數(shù)據(jù)庫(kù)各表劃分如圖9所示。
圖9 數(shù)據(jù)庫(kù)各表劃分Fig.9 Division of database tables
手持終端即遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備,每個(gè)焊工在進(jìn)行焊接作業(yè)前都需要使用手持移動(dòng)終端掃描焊接數(shù)據(jù)相關(guān)的二維碼,對(duì)焊工在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的焊接數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì),以及任務(wù)下發(fā)?;诎踩?,每個(gè)手持終端有唯一的IP地址,這些IP地址需要手動(dòng)錄入數(shù)據(jù)庫(kù),手持終端與采集盒、焊機(jī)一一對(duì)應(yīng),界面如圖10所示。
圖10 手持終端界面Fig.10 Interface diagram of handheld terminal
手持終端使用平板電腦在Chrome瀏覽器中運(yùn)行寫(xiě)好的程序,即可通過(guò)公司內(nèi)部局域網(wǎng)打開(kāi)相應(yīng)的頁(yè)面。通過(guò)打開(kāi)攝像頭,掃描對(duì)應(yīng)的二維碼獲取工票和工藝信息,得到數(shù)據(jù)后顯示在對(duì)應(yīng)的表格中,如圖11所示。只有當(dāng)獲取到工票和工藝信息后,才可以點(diǎn)擊“開(kāi)始任務(wù)”,當(dāng)焊工點(diǎn)擊“開(kāi)始任務(wù)”時(shí),就開(kāi)始記錄焊接時(shí)間,若獲取到掃描出來(lái)的信息,則把頁(yè)面中所有的數(shù)據(jù)(包括工票、工藝信息)存入數(shù)據(jù)庫(kù),并且通過(guò)相應(yīng)的語(yǔ)句判斷數(shù)據(jù)類型然后存入不同的表中;接著把數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)收發(fā)模塊二,通過(guò)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊二將數(shù)據(jù)下發(fā)到采集設(shè)備,采集設(shè)備將數(shù)據(jù)下發(fā)到焊機(jī),同時(shí)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊二將數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)表,用來(lái)統(tǒng)計(jì)什么時(shí)候開(kāi)始任務(wù)。當(dāng)焊接完成時(shí),焊工點(diǎn)擊“結(jié)束任務(wù)”,首先更新數(shù)據(jù)庫(kù)任務(wù)表中的狀態(tài)和時(shí)間,把狀態(tài)從開(kāi)始改為完成,并且記錄任務(wù)完成時(shí)間;然后通過(guò)mqtt將數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)收發(fā)模塊二,數(shù)據(jù)收發(fā)模塊二把任務(wù)數(shù)組清空,等待下一次任務(wù)的到來(lái),最后把數(shù)據(jù)存入實(shí)時(shí)表,至此完成一次焊接任務(wù)。
圖11 掃描二維碼后獲取的焊接信息Fig.11 Welding information obtained after scanning QR code
本文實(shí)現(xiàn)了一種功能相對(duì)完善的焊接信息管控系統(tǒng),系統(tǒng)把多個(gè)焊接工人和焊接電源有條理化地納入信息化管理的同時(shí),對(duì)焊接產(chǎn)生的參數(shù)進(jìn)行各個(gè)維度的統(tǒng)計(jì)分析,并進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)表的拉取。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)于模擬焊機(jī)和數(shù)字焊機(jī)的統(tǒng)一管理,通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊,使所有焊接電源都納入統(tǒng)一管控,對(duì)于模擬焊機(jī)也能進(jìn)行最大程度的管理和數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)同時(shí)具備了完善的報(bào)表輸出等功能,結(jié)合數(shù)據(jù)可視化界面的實(shí)現(xiàn),系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需求向大屏幕動(dòng)態(tài)輸出多種展示內(nèi)容,即實(shí)現(xiàn)輸出針對(duì)班組、人員、焊機(jī)等的信息報(bào)表,讓焊接數(shù)據(jù)更能一目了然。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用,表明了系統(tǒng)的實(shí)用性。未來(lái)在數(shù)據(jù)庫(kù)優(yōu)化以及手持終端功能拓展方面仍有許多工作要做。