基于LabVIEW的焊接參數(shù)管理系統(tǒng)

韓二陽，韓 旭，呂其兵

（西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

基于LabVIEW的焊接參數(shù)管理系統(tǒng)

韓二陽，韓 旭，呂其兵

（西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

分析了當(dāng)前國內(nèi)焊接車間工藝及質(zhì)量管理與控制方面普遍存在的問題，基于LabVIEW平臺與Oracle數(shù)據(jù)庫設(shè)計了一套焊接車間焊接過程參數(shù)管理系統(tǒng)軟件。通過嵌入式采集板實現(xiàn)焊接參數(shù)的采集，并經(jīng)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將采集信息發(fā)送至上位機，由LabVIEW編制的上位機軟件完成數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)對焊接車間各個工位工藝參數(shù)的實時監(jiān)控、焊工與焊機管理、焊接過程參數(shù)管理等功能，具體包括：報表輸出、波形顯示、工藝超標報警、焊工與焊機管理以及焊接接頭數(shù)據(jù)存儲、查詢、分析等功能；結(jié)合LabVIEW的界面發(fā)布功能，通過企業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)監(jiān)控界面信息共享。該系統(tǒng)具有友好的人機交互界面，可方便地實現(xiàn)界面切換和各項操作，提高了焊接車間工藝管理的效率，實現(xiàn)了焊接產(chǎn)品的質(zhì)量追溯，促進了焊接生產(chǎn)管理的智能化與高效化。

LabVIEW；焊接車間；ZigBee；實時監(jiān)控；生產(chǎn)管理

0 前言

在國內(nèi)制造業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、產(chǎn)業(yè)升級的背景下，為全面提升中國制造業(yè)水平，國家制定了“中國制造2025”計劃。振興中國制造，焊接作為制造業(yè)的裁縫，其整體水平影響著智能制造。目前國內(nèi)焊接生產(chǎn)與國家智能制造的要求存在較大差距，焊接車間的工藝管理和質(zhì)量控制普遍存在下列問題：（1）傳統(tǒng)車間采用巡檢的方式監(jiān)督焊工的操作規(guī)范，無法做到實時監(jiān)控；（2）缺少完善的焊接參數(shù)存儲系統(tǒng)，無法實現(xiàn)質(zhì)量追溯；（3）傳統(tǒng)的焊接參數(shù)采集多采用車間布線的方式實現(xiàn)，成本高且靈活性差。因此，開展焊接車間焊接數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)研究，有利于焊接質(zhì)量管理和控制。

LabVIEW是虛擬儀器的典型代表，具有強大的測控功能。Oracle數(shù)據(jù)庫有良好的數(shù)據(jù)管理與分布式處理功能。ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、低成本的特點。本研究提出的焊接生產(chǎn)管理系統(tǒng)結(jié)合了三者的優(yōu)點，有效地實現(xiàn)了焊接車間生產(chǎn)過程的監(jiān)控與管理。

1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

基于LabVIEW設(shè)計的管理系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由參數(shù)采集部分、數(shù)據(jù)傳送部分、數(shù)據(jù)處理與共享三部分組成。

圖1 系統(tǒng)框架示意圖

參數(shù)采集部分設(shè)計為基于STM32的嵌入式采集板，通過外接傳感器及引線的方式提取焊機必要信息，經(jīng)過信號隔離、壓縮、變換，獲得相應(yīng)的焊接工藝參數(shù)并存入數(shù)據(jù)緩存區(qū)，這些數(shù)據(jù)一方面送往發(fā)送區(qū)，另一方面存入采集板上的U盤進行備份。數(shù)據(jù)傳送部分設(shè)計為ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)合以太網(wǎng)的方式，在車間內(nèi)數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送，在辦公區(qū)數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送并共享。為了增強抗干擾能力，ZigBee協(xié)議采用直序擴頻和頻率快變技術(shù)，結(jié)合完善的握手協(xié)議實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可靠傳輸[1]。數(shù)據(jù)處理與共享部分設(shè)計為基于LabVIEW平臺與Oracle數(shù)據(jù)庫的上位機測控軟件，其中LabVIEW程序負責(zé)接收并處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，結(jié)合LabVIEW的界面發(fā)布功能還可方便地共享監(jiān)控信息，Oracle數(shù)據(jù)庫主要負責(zé)數(shù)據(jù)的存儲與管理。

在上述系統(tǒng)架構(gòu)中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)無線傳送部分的穩(wěn)定性與可靠性十分關(guān)鍵，直接影響著系統(tǒng)的整體性能。因此，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的選擇以及抗干擾措施的選用尤為重要。下面針對這兩個方面做簡要說明。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率約為250 kb/s，傳輸距離在100 m以上[1]，通過一定的天線技術(shù)可進一步提高其傳輸距離與穿墻能力。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)主要分為星型結(jié)構(gòu)、樹狀結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)三種[2]。這三種結(jié)構(gòu)的拓撲示意見圖2。

圖2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

星型結(jié)構(gòu)中，采集終端只能與中心協(xié)調(diào)器單獨通信且通訊距離有限，這嚴重影響了數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍；樹狀結(jié)構(gòu)中，每一個節(jié)點只能與自己的父節(jié)點和子節(jié)點進行通信，一旦某個路由節(jié)點失效，該節(jié)點的所有子節(jié)點將無法與上級通信，因此該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有限；網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，每個網(wǎng)絡(luò)路由之間可以相互傳遞信息，通過特定的配置，也可實現(xiàn)采集終端間的信息傳遞，使得網(wǎng)絡(luò)通信效率更高、靈活性更大，即便有個別線路發(fā)生故障，信息也能通過其他可行路徑進行傳遞。考慮到焊接車間較強的電磁干擾，該系統(tǒng)中ZigBee網(wǎng)絡(luò)選擇使用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

此外，為了提高ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩總€采集終端在發(fā)送數(shù)據(jù)時做了細微的時序處理，避免瞬時數(shù)據(jù)量過大引起網(wǎng)絡(luò)擁堵，減少了中心協(xié)調(diào)器接收信息時的數(shù)據(jù)碰撞。為了盡可能降低工廠已有的無線信號對ZigBee網(wǎng)絡(luò)的干擾，該系統(tǒng)優(yōu)先采用2.425 GHz、2.450 GHz、2.475 GHz、2.480 GHz四個工作頻率，以避開WIFI頻段的影響，進一步保證無線采集網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定與可靠。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)流設(shè)計

數(shù)據(jù)流是LabVIEW平臺的核心要素，也是該系統(tǒng)的設(shè)計主線。焊機的工藝參數(shù)信息經(jīng)過嵌入式采集板的變換和隔離后送入STM32芯片，再經(jīng)過運算處理后按特定順序組成數(shù)組，加上幀頭識別碼后封裝為數(shù)據(jù)包，如圖3所示。數(shù)據(jù)包一方面不斷地存儲在采集盒自帶的U盤中，另一方面經(jīng)無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控辦公室接收點，被接收的數(shù)據(jù)先經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換成為標準的TCP/IP數(shù)據(jù)，然后被上位機接收。上位機接收到TCP/IP格式數(shù)據(jù)包后，先尋找到數(shù)據(jù)幀頭識別碼，然后將數(shù)據(jù)包逐一解碼，最后通過運算處理還原出焊接參數(shù)，進而將工藝參數(shù)實時顯示并存入Oracle數(shù)據(jù)庫。在以上數(shù)據(jù)流中，數(shù)據(jù)包的幀頭對于數(shù)據(jù)傳送的可靠性至關(guān)重要，它不僅是數(shù)據(jù)包解碼的參考點，也可以攜帶數(shù)據(jù)包的長度信息，當(dāng)某個數(shù)據(jù)包因網(wǎng)絡(luò)原因出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，可通過判斷數(shù)據(jù)包長度異常刪除該數(shù)據(jù)包，在一定程度上保證了工藝參數(shù)的準確性。

圖3 數(shù)據(jù)包格式示意

在LabVIEW軟件運行過程中，數(shù)據(jù)流的傳輸速度很大程度上影響著軟件的性能，尤其對于功能較為繁瑣的程序，數(shù)據(jù)流的傳輸效率更是不可忽視。在該系統(tǒng)中，主要針對以下三個方面進行軟件優(yōu)化。

（1）考慮到LabVIEW程序在調(diào)用I/O時會產(chǎn)生較大的系統(tǒng)開銷，為了盡可能減少I/O調(diào)用，無線網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控辦公室后統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為TCP/IP數(shù)據(jù)，然后通過以太網(wǎng)口送到上位機，避免調(diào)用其他通訊口，降低了系統(tǒng)開銷。

（2）在前面板上頻繁更新控件是最占用系統(tǒng)時間的操作之一[3]。在該系統(tǒng)中，監(jiān)控程序需要顯示實時工藝曲線，而LabVIEW的圖表控件在收到數(shù)據(jù)后，無論數(shù)據(jù)是否有變化都會重新繪制曲線，為了盡可能減少圖表控件，在軟件設(shè)計時每個圖表同時顯示兩條參數(shù)曲線。此外，在不影響監(jiān)控效果的前提下，關(guān)閉圖表自動調(diào)整標尺和刻度的功能，大大提高了數(shù)據(jù)顯示的速率。

（3）在數(shù)據(jù)流運算過程中，為提高運算速度，盡可能地減少循環(huán)中不必要的計算，確實需要大量計算的環(huán)節(jié)，采用并行For循環(huán)的結(jié)構(gòu)來提高程序執(zhí)行速度。另外，將經(jīng)常調(diào)用的子VI嵌入到程序內(nèi)部，從本質(zhì)上減少了調(diào)用子VI的時間。

2.2 數(shù)據(jù)處理設(shè)計

數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到辦公區(qū)后，被ZigBee網(wǎng)絡(luò)中心協(xié)調(diào)器接收并進一步轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)且送到上位機所在網(wǎng)絡(luò)，通過指定IP地址發(fā)送給上位機，通過指定端口號進入LabVIEW程序。TCP/ IP數(shù)據(jù)被程序讀取后先轉(zhuǎn)換為數(shù)組類數(shù)據(jù)，然后通過查詢幀頭識別碼和數(shù)據(jù)包長度將連續(xù)數(shù)組拆分為獨立數(shù)據(jù)包，再根據(jù)每個參數(shù)的長度值將數(shù)據(jù)包拆分為獨立的二進制數(shù)據(jù)段，每個數(shù)據(jù)段對應(yīng)一個焊接參數(shù)或工位信息，二進制數(shù)據(jù)段需要經(jīng)過設(shè)定的解碼公式才能還原為焊機的原始數(shù)據(jù)，見式（1）

式中X1為焊機某參數(shù)；U0為參考電壓；A8為AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的高8位；A4為AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的低4位；Ut為抬升電壓；P為傳感器信號轉(zhuǎn)化比。

程序通過檢測數(shù)據(jù)包中焊機編號判斷哪些焊機處于開機狀態(tài)，并點亮上位機主界面上對應(yīng)的圖標。當(dāng)檢測某工位有連續(xù)的電流數(shù)值時，判定該工位焊機正處于焊接狀態(tài)，并統(tǒng)計相應(yīng)的焊接參數(shù)和耗材用量。如果發(fā)現(xiàn)焊接電壓與焊接電流為零，而氣體流速值持續(xù)非零時判定該工位存在漏氣現(xiàn)象。當(dāng)某工位焊接參數(shù)連續(xù)超出設(shè)定閾值時，判定該工位違規(guī)操作，上位機主界面對應(yīng)工位圖標將變紅。管理員可以通過查詢并統(tǒng)計歷史數(shù)據(jù)實現(xiàn)各類報表輸出。

2.3 部分功能軟件設(shè)計

該系統(tǒng)是基于LabVIEW平臺與Oracle數(shù)據(jù)庫開發(fā)的，可運行于Windows XP、Windows 7操作系統(tǒng)[4]，主要分為實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、信息管理三部分。可對在網(wǎng)焊機的焊接電壓、焊接電流、氣體流速、送絲速度等參數(shù)進行監(jiān)控與報警，可對歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與報表輸出，可對焊機與焊工進行編號管理。此外，不同等級的用戶能夠登錄工藝管理窗口，實現(xiàn)對各工位工藝報警上限與下限的查詢或設(shè)置。

實時監(jiān)控軟件主頁面如圖4所示，可直觀地觀察所有焊機的工作狀態(tài)，焊機圖標為暗綠色時表示焊機處于關(guān)機狀態(tài)，圖標為亮綠色時表示焊機在正常工作，圖標為紅色時表示焊機的工藝參數(shù)超標。管理人員可點擊任意焊機圖標查看其工藝曲線及焊工與焊機信息，也可通過系統(tǒng)運行狀態(tài)統(tǒng)計車間內(nèi)焊機的總體運行情況，如圖5所示。

圖4 實時監(jiān)控頁面

圖5 實時曲線及系統(tǒng)狀態(tài)

數(shù)據(jù)統(tǒng)計部分可實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢、歷史曲線顯示，如圖6所示。可以統(tǒng)計每個工位的平均工藝參數(shù)、焊絲消耗量、氣體消耗量、工作時長等數(shù)據(jù)，也可統(tǒng)計每個焊工的工作時長及工藝超標次數(shù)。另外，對于因網(wǎng)絡(luò)問題丟失實時數(shù)據(jù)的工位，上位機可讀取參數(shù)采集盒上數(shù)據(jù)備份U盤內(nèi)數(shù)據(jù)還原丟失的數(shù)據(jù)。

圖6 上位機數(shù)據(jù)統(tǒng)計界面

信息管理部分能夠管理數(shù)據(jù)庫中焊機和焊工信息，靈活地增減受監(jiān)控的焊機和焊工，如圖7所示。此外，通過用戶登錄窗口，授權(quán)用戶還可以查詢或修改每個工位工藝參數(shù)的報警閾值。

圖7 上位機信息管理界面

LabVIEW平臺自帶Web服務(wù)器，不僅可以向所在網(wǎng)絡(luò)發(fā)布數(shù)據(jù)文檔或統(tǒng)計報表，也可以在網(wǎng)絡(luò)中共享程序運行界面[5]，生產(chǎn)管理人員在各自辦公室看到服務(wù)器上監(jiān)控程序運行情況，提高了生產(chǎn)管理效率，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分享。在焊接車間實用過程中，這套管理軟件出色地實現(xiàn)了預(yù)定功能。

3 結(jié)論

針對國內(nèi)焊接車間普遍存在的問題設(shè)計了一套焊接參數(shù)管理系統(tǒng)，旨在提高焊接生產(chǎn)管理效率，加快焊接生產(chǎn)的信息化步伐。該系統(tǒng)在真實的焊接生產(chǎn)環(huán)境中進行了大量測試，結(jié)果表明：經(jīng)過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、通訊頻段選擇、收發(fā)時序處理及通訊過程數(shù)據(jù)流設(shè)計，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)非常適合于建立焊接車間管理網(wǎng)絡(luò)；基于LabVIEW和Oracle所設(shè)計的焊接車間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)具有操作靈活、反應(yīng)迅速的特點，較好地實現(xiàn)了實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、信息共享等功能，能滿足焊接車間生產(chǎn)管理的日常需求。

[1]嚴棟，韓二陽.焊接生產(chǎn)監(jiān)控中的通信技術(shù)[J].電焊機，2015，45（4）：17-20.

[2]周怡颋，凌志浩.ZigBee無線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討[J].自動化儀表，2005（6）：5-9.

[3]LabVIEW 2011技術(shù)支持幫助手冊[EB/OL].Http://zone. ni.com/reference.

[4]黃豪彩，楊燦軍.基于LabVIEW的深海氣密采水器測控系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報，2011，12（1）：40-45.

[5]李繼容，何湘除.用LabVIEW Web服務(wù)器發(fā)布網(wǎng)頁的兩種方法[J].儀表技術(shù)，2003（5）：13-15.

A system of welding parameters management based on LabVIEW

HAN Eryang，HAN Xu，LV Qibing
（Southwest Jiaotong University，Material Science and Engineering Institute，Chengdu 610031，China）

This article points out the disadvantages of common welding workshop about process and quality management，and designs a system of welding parameters management based on LabVIEW and Oracle.Firstly，acquires parameters by an embedded circuit board，and then sends the data to monitor room by the ZigBee wireless network.Finally，the upper computer program written by LabVIEW receives and processes the network data.After that，the system realizes real-time monitoring with parameters，managing welders and machines，managing the welding process parameters and some other functions including report output，displaying waveforms，processing alarm，welded joints data storage and statistics and so on.In addition to this，the system can share monitoring interfaces through the enterprise Ethernet by the function of LabVIEW.This system has a friendly man-machine interface and improves data processing functions.To a certain extent，it can promote the welding production management of intelligent and efficient.

LabVIEW；the welding workshop；ZigBee；real-time monitoring；the process management

TG408

A

1001－2303（2016）12－0026-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.06

獻

韓二陽，韓旭，呂其兵.基于LabVIEW的焊接參數(shù)管理系統(tǒng)[J].電焊機，2016，46（12）：26-29.

2016-03-31

韓二陽（1988—），男，河南平頂山人，在讀碩士，主要從事焊接設(shè)備及其自動化的研究工作。