鋼結構橋梁制造焊接群控系統(tǒng)構建及應用

Abstract：Weldingisanimportantprocessinthemanufacturingofsteelgirdersforbridges，anditsqualityisdirectly relatedtotherliabityandservicelifeofsteelbridges.Itisnecessarytoestablishaweldinggroupcontrolsystemtostrengthen thecontrolofthe welding process.Throughremotemonitoringandrecordingofwelding processparametersof steelboxgirderin twoplaces，real-timeacquisition，display，overlimitalarm，networkcommunicationandotherfunctionsofweldingcurrentand voltageuringweldingprocessarerealized，andthedataarerecordedandtracedhistorically.Throughthedigitalmonitoringof weldingprocess，thepurposeofstandardizingweldingoperationprocessisachieved，theintegrityandtraceabilityofwelding processareensured，thedataaccumulationforweldingprocessanalysisisprovided，andthemanagementlevelof welding construction is improved.

Keywords：steelgirder；weldinggroupcontrolsystem；intellgentmanagement；remotemonitoring；real-timemonitoring; welding current; welding voltage

焊接是鋼結構橋梁制造中最重要的工序，質量穩(wěn)定、使用可靠的焊接構件是鋼結構橋梁達到設計性能的關鍵因素。影響焊接質量的因素較多，主要分為焊接作業(yè)人員技能水平、焊接設備自動化和智能化程度、焊接材料選擇、焊接工藝（電流、電壓、焊接速度和焊接位置等）參數(shù)選定及焊接作業(yè)環(huán)境五大因素[-2]。

祁婺高速鋼梁制造分別在武船重工雙柳廣區(qū)和陽邏廠區(qū)制作。雙柳廠區(qū)H型鋼生產線已全部實現(xiàn)了自動化、智能化焊接，而陽邏廠區(qū)鋼梁總成，由于大部分焊縫處于非平焊位置，實現(xiàn)機械化、智能化焊接非常困難，使用的絕大部分焊接設備為 CO₂ 半自動焊焊機，存在著機械化焊接和 CO₂ 半自動焊接并存情況。

對于機械化、智能化焊接，焊接工藝參數(shù)設定后設備處于穩(wěn)定狀態(tài)批量施工，易于控制;而對于 CO₂ 半自動焊接，焊接過程管理包含人員、設備、焊材、焊接參數(shù)和焊縫質量檢測等多個方面。為了提供具備高水平焊接質量的鋼梁，必須對焊接生產作業(yè)過程進行集中化、數(shù)字化管控，構建焊接全過程數(shù)字管理系統(tǒng)。焊接全過程數(shù)字管理系統(tǒng)可以加強對鋼結構焊接制造的全流程管理，管理人員和技術人員在線實時監(jiān)控焊接工藝參數(shù)變化和現(xiàn)場作業(yè)情況，對焊接數(shù)據(jù)進行存儲記錄并進行分析，做到實時反饋，數(shù)據(jù)直觀，保障焊接質量。

1系統(tǒng)架構

焊機群控系統(tǒng)是一種焊接全過程數(shù)字管理系統(tǒng)，應用于橋梁鋼結構焊接過程參數(shù)監(jiān)測和記錄，基于服務器/客戶端模式開發(fā)，通過客戶端對系統(tǒng)內所有焊接設備的工作狀況進行實時監(jiān)控和在線管理，達到保證焊接工藝規(guī)范性，提升焊接質量，提高焊接效率，降低生產成本的目的。目前，焊機群控系統(tǒng)已經在一些廠家批量焊接結構生產中成功運用，實現(xiàn)了焊接作業(yè)流程規(guī)范化和自動化[-]。

武船重工已經建成橋梁鋼結構智能制造信息管理平臺，焊接群控系統(tǒng)需要與智能制造信息管理平臺的PDM、MES、ERP、LES系統(tǒng)相集成，從而實現(xiàn)智能化的焊接作業(yè)全過程生產管理與質量管理。焊接群控系統(tǒng)由焊接過程質量追蹤與分析系統(tǒng)（平臺軟件）焊接參數(shù)監(jiān)控終端、焊接參數(shù)集線箱、焊接參數(shù)接入箱、焊接參數(shù)監(jiān)控前端、焊接參數(shù)采集裝置及相關輔件組成。其系統(tǒng)架構由上層網絡架構（圖1）和下層網絡拓撲（圖2、圖3）兩部分組成。

如圖1所示，在陽邏和雙柳2個廠區(qū)組建各自的局域網服務器程序，并在內網中架設VPN服務器。2個廠區(qū)的上層網絡之間通過各自的信息網絡系統(tǒng)進行互連，并通過各自的VPN服務器實現(xiàn)數(shù)據(jù)互查。

圖2為陽邏廠區(qū)焊接群控下層網絡監(jiān)控終端拓撲結構。下層網絡設備主要包括焊接參數(shù)監(jiān)控終端、焊接參數(shù)集線箱、焊接參數(shù)接人箱、焊接參數(shù)監(jiān)控前端、焊接參數(shù)采集裝置及配套輔件組成。

焊接參數(shù)監(jiān)控終端一方面作為人機交互的橋梁，另一方面實現(xiàn)承上啟下的作用。其設備具備2個網絡接口，一個網絡接口通過車間網絡信息點與系統(tǒng)平臺進行數(shù)據(jù)交互；另一個網絡接口與下層網絡構成局域網，接收下層網絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并把上層網絡的任務等相關信息下發(fā)至下層設備。

焊接參數(shù)集線箱和接入箱作為監(jiān)控終端和監(jiān)控前端設備的網絡傳輸?shù)闹虚g設備，主要把監(jiān)控前端的數(shù)字信號通過網絡傳輸至焊接參數(shù)監(jiān)控終端

焊接參數(shù)監(jiān)控前端主要是把焊接參數(shù)采集裝置采集的模擬量轉換為數(shù)字量，并把數(shù)據(jù)通過網絡線纜上傳至接入箱。

焊接參數(shù)采集裝置主要是采集焊機的電壓電流數(shù)據(jù)，并將其轉換為標準的電壓信號，通過信號傳輸線纜傳輸至監(jiān)控前端，

圖3為雙柳廠區(qū)焊接群控下層網絡監(jiān)控終端拓撲結構。下層網絡設備主要包括焊接參數(shù)監(jiān)控終端、焊接參數(shù)監(jiān)控前端、焊接參數(shù)采集裝置及配套輔件組成。焊接參數(shù)監(jiān)控終端作用與陽邏相同，接口不同（直接與焊接參數(shù)監(jiān)控前端通過以太網相連接）；由于雙柳廠區(qū)使用的是機械化和智能化焊接設備，為專機配屬，無需焊接參數(shù)集線箱和焊接參數(shù)接入箱；焊接參數(shù)監(jiān)控前端和采集裝置，作用與前述相同。

2 軟件與硬件

焊接群控系統(tǒng)包含軟件和硬件2部分。

2.1軟件

焊接過程質量追蹤與分析系統(tǒng)，由系統(tǒng)基礎配置模塊、設備管理模塊、焊接過程遠程監(jiān)控模塊、焊工管理模塊、焊接管理模塊、統(tǒng)計報表、系統(tǒng)日志等模塊組成。依托的基礎設備包括服務器、客戶端電腦、打印機、UPS電源、交換機、傳輸光纖、傳輸線纜、網絡設備和信息接口等。

系統(tǒng)基礎配置模塊對系統(tǒng)參數(shù)（系統(tǒng)基本信息、刷卡設備和證書到期時間）和系統(tǒng)用戶權限進行管理，對系統(tǒng)字典（如鋼種類型、焊工類型等）數(shù)據(jù)進行管理

設備管理模塊，包括焊接工作區(qū)域、焊機設備、前端設備、終端設備及專機設備的使用信息管理

焊接過程遠程監(jiān)控模塊，當前在線設備及登錄焊工進行遠程實時監(jiān)控，以遠程監(jiān)控軟件形式對當前在線焊工焊接作業(yè)時的焊接過程參數(shù)進行顯示。

焊工管理模塊，主要對焊工卡制作（焊工卡錄入）資質信息及考試證書進行審核與管理；包括新增、刪除、編輯、瀏覽、批量提交審核、導入焊工信息、導入證書信息、導入資質信息和審核焊工資質等功能；對已提交的焊工信息進行審核和管理

焊接管理模塊，對系統(tǒng)所需字典類別（如鋼種類型、焊工類型等）及其選項信息，以及對焊接產品結構進行分類管理；對焊接符號進行管理；對焊接工藝標準進行管理；對焊縫信息進行管理；對焊縫歷史、焊接數(shù)據(jù)進行管理。

統(tǒng)計報表模塊，對焊接任務、焊接質量與焊工信息等各類信息進行統(tǒng)計并形成報表。

系統(tǒng)日志模塊，過程日志，記錄過程中用戶生成報表、導出數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)類型、操作時間和IP等的詳細記錄；焊工日志，記錄焊工刷卡上機、下機及所有操作終端設備上的任務記錄、焊工信息、IP等詳細信息；終端日志，記錄焊接參數(shù)監(jiān)控終端異常關機日志、終端啟動、關閉日志和終端電流電壓超限異常日志。

2.2 硬件

2.2.1 焊接參數(shù)監(jiān)控終端

焊接參數(shù)監(jiān)控終端WPR-V-TE24和WPR-V-TE12，分別適用于陽邏廠區(qū)的離散型焊機和雙柳廠區(qū)的專用焊機。

陽邏廠區(qū)：WPR-V-TE24焊接參數(shù)監(jiān)控終端采用以太網通信方式，通過集線箱和接入箱與所連接的若干臺焊接參數(shù)監(jiān)控前端進行信息交換，接收焊接參數(shù)監(jiān)控前端所采集的焊接電壓和焊接電流數(shù)據(jù)并實時顯示，同時將數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)網絡服務器

焊工在終端刷卡后即可獲取焊工詳細信息及任務情況，并可在任務詳細頁面對任務進行領取、開始、停止、完成及取消等一系列操作，當焊工開始任務后，終端將采集到的數(shù)據(jù)實時上傳服務器，作為焊接過程的重要依據(jù)。

2.2.2 焊接參數(shù)集線箱

WPR-IV-HUB焊接參數(shù)集線箱作為焊接參數(shù)監(jiān)控終端與焊接參數(shù)接入箱的橋梁，主要把連接到焊接參數(shù)接入箱的監(jiān)控前端網絡信號，通過匯聚交換機傳輸至焊接參數(shù)監(jiān)控終端。

2.2.3焊接參數(shù)接入箱

WPR-V-NA焊接參數(shù)接人箱主要與焊接參數(shù)監(jiān)控前端相連接，把監(jiān)控前端采集的數(shù)字信號通過接入交換機匯聚至焊接參數(shù)集線箱，然后上傳至焊接參數(shù)監(jiān)控終端。

2.2.4焊接參數(shù)監(jiān)控前端

WPR-V-FR焊接參數(shù)監(jiān)控前端具備單臺焊機電 壓電流的采集與轉換，顯示焊接電壓電流采集的參數(shù) 值并上傳至焊接參數(shù)監(jiān)控終端，能夠接收并顯示所執(zhí) 行的焊接任務信息和焊接工藝參數(shù)。

2.2.5 焊接參數(shù)采集裝置

WPR-V-SA焊接參數(shù)采集裝置內部集成了采集焊接電流和焊接電壓的電流傳感器和電壓傳感器，將所連接焊機的焊接電流和焊接電壓隔離轉換為相應的電壓信號。

3 系統(tǒng)功能

3.1 生產管理

考試合格的焊工的人員信息錄入焊接群控系統(tǒng)，通過焊工卡進行身份識別，焊工在任意一臺焊機上刷卡后，焊機工作數(shù)據(jù)自動與本人連接，實現(xiàn)焊工工作數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

焊接過程中焊機群控系統(tǒng)可以實現(xiàn)焊接電流、電壓、送絲速度、保護氣體流量、焊接時間的實時采集、傳輸和終端顯示等功能，管理人員不在現(xiàn)場也能夠及時通過終端了解每一臺焊機在線情況、工作狀態(tài)、工藝參數(shù)等信息（圖4為PC終端顯示首頁（局部），圖5為移動終端顯示板塊），減少了管理人員的工作量。當出現(xiàn)參數(shù)超過設定限值時，系統(tǒng)會自動報警，從而使技術人員能夠及時發(fā)現(xiàn)并解決焊接過程中的各種問題。

焊機群控系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能可以反映出每臺焊機的有效作業(yè)時間、焊材消耗等內容，便于優(yōu)化焊工工作任務安排，焊工工作量考核和焊材管理。

3.2焊接質量管理

焊機群控系統(tǒng)可以集中控制焊接工藝參數(shù)，只允許焊工在給定的范圍內施焊，降低人為因素對焊接質量的影響。對于有預熱要求的焊接工藝，焊機群控系統(tǒng)的傳感器可以實時測量環(huán)境因素，幫助技術人員及時制定焊接工藝。

焊接過程歷史數(shù)據(jù)存儲在服務器并與焊縫質量檢測數(shù)據(jù)連接，通過記錄的數(shù)據(jù)，管理人員和技術人員可以對焊接質量進行追蹤，根據(jù)出現(xiàn)問題的時間，調出對應的歷史焊接電流、電壓參數(shù)曲線和技術要求限值，有助于分析焊接缺陷產生原因，控制焊接質量問題發(fā)生。

焊機群控系統(tǒng)將影響焊接質量的不同情況參數(shù)綜合形成直觀的數(shù)字圖表，對探索新工藝提供數(shù)據(jù)依據(jù)和支持。

3.3 成本管理

統(tǒng)計分析焊接時間及焊材、氣體、能源的使用情況，得出構件焊接工效、焊材的消耗率等成本指標，指導生產中計劃安排及焊材使用，有助于控制和節(jié)省成本。

4應用效果

目前，焊接群控系統(tǒng)已覆蓋6個車間的11條鋼梁制造生產線，包括6條板單元生產線、1條板立體單元生產線、2條工字鋼單元生產線、2條節(jié)段總成生產線，共計智能化改造160臺焊機。在祁婺高速鋼梁制造過程中，使用焊接群控系統(tǒng)對焊接全過程進行控制，得到了較好的效果。

4.1 焊接管理

對鋼梁制造中的焊接過程進行監(jiān)控管制，焊接設備點檢，操作人員上機刷卡，派工錄入，焊接參數(shù)設置，焊接過程監(jiān)控，均實時采集數(shù)據(jù)上傳，生產管理信息清晰易查，取得了良好的效果。

4.2 焊接質量

超聲波探傷（UT）焊縫一次合格率由 97% 提升到98.8% 。

4.3 輔助決策

分析工序生產效率、設備利用率，直觀展示生產堵點和管理“瓶頸”，為優(yōu)化工序定額、資源配置、耗材使用提供參考，為快速精準的管理決策提供依據(jù)。工字鋼生產工效由8根/班提升至10根/班。

5結論

武船重工通過將焊接群控系統(tǒng)運用到橋梁鋼梁制造中，實現(xiàn)了焊接人員資質控制、焊接設備在線管理、焊接工藝參數(shù)動態(tài)檢測、焊接數(shù)據(jù)存儲及統(tǒng)計，達到焊接質量控制半自動化。

焊機群控系統(tǒng)通過對焊接過程全過程監(jiān)控，保證焊接工藝的統(tǒng)一性、規(guī)范性，焊工質量意識明顯增強，顯著提高了焊接質量，降低生產成本，提升企業(yè)管理效率。

焊接群控系統(tǒng)焊接數(shù)據(jù)統(tǒng)計和追溯為優(yōu)化焊接工藝、資源和能耗提供數(shù)據(jù)支撐，為進一步提高焊接效率，實現(xiàn)精益化、科學化管理奠定了基礎。

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