基于無線通信技術(shù)的焊接參數(shù)采集系統(tǒng)

馬曉平,遲俊吉,馬詩龍

(1.江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

隨著焊接技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，焊接工藝正朝著數(shù)字化、智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。在焊接過程中，各焊接工藝參數(shù)是否符合焊接作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是影響焊接質(zhì)量的重要因素[1]。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于焊接作業(yè)在生產(chǎn)中所占比重大，焊機(jī)數(shù)量多、分布范圍廣，作業(yè)人員水平差距大且屢有不按作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)書要求的工藝參數(shù)進(jìn)行焊機(jī)作業(yè)的情況，為保證焊接作業(yè)質(zhì)量，管理人員往往需要不斷巡視和記錄焊接過程中的焊接電流、電壓等參數(shù)并與作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)書所要求的參數(shù)進(jìn)行對比，這種方式需要消耗大量的人力物力，工作效率較低且有一定的滯后性[2]。因此，構(gòu)建生產(chǎn)車間焊機(jī)的工作參數(shù)實(shí)時采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對焊機(jī)作業(yè)狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時監(jiān)控和事后追蹤，對焊接作業(yè)質(zhì)量的提高以及工廠的現(xiàn)代化管理具有重要的意義。

雖然有學(xué)者對焊機(jī)工作參數(shù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)研究[2-5]，但仍存在一定的不足。在信號采集方面，現(xiàn)有的采集系統(tǒng)一般是通過直接引用焊機(jī)內(nèi)部焊接參數(shù)顯示面板或焊機(jī)遙控盒內(nèi)部的電壓、電流信號來實(shí)現(xiàn)的[2,5]，這種采集方式需對焊機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的拆機(jī)作業(yè)，操作不當(dāng)可能造成焊機(jī)相關(guān)部件損壞，影響焊機(jī)售后政策，同時隨著焊機(jī)內(nèi)部元器件老化，焊機(jī)內(nèi)部顯示面板的電壓、電流信號的準(zhǔn)確性會顯著降低。在數(shù)據(jù)傳輸方面，現(xiàn)有的傳統(tǒng)焊機(jī)工作狀態(tài)參數(shù)采集技術(shù)主要以有線通信方式實(shí)現(xiàn)，如串行總線、現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)等[4]，這種方式的采集系統(tǒng)靈活性較低，同時由于工廠焊機(jī)作業(yè)環(huán)境一般比較復(fù)雜，若采用有線傳輸則會帶來布線繁瑣、線路故障排查工作量巨大等問題。部分學(xué)者研究了無線通信技術(shù)在焊接參數(shù)采集方面的應(yīng)用，這些研究主要停留在Zigbee和藍(lán)牙等技術(shù)上，Zigbee和藍(lán)牙通信技術(shù)雖然有功耗低等優(yōu)點(diǎn)，但由于其傳輸距離短、傳輸速率低、傳輸數(shù)據(jù)量小等原因，在制造業(yè)相對復(fù)雜的焊接作業(yè)環(huán)境下實(shí)用性并不高。Wi-Fi技術(shù)以其傳輸速度快、覆蓋范圍廣以及接入成本低等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[6]。針對焊機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，本文結(jié)合焊機(jī)數(shù)據(jù)采集技術(shù)與Wi-Fi技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)焊機(jī)工作狀態(tài)參數(shù)的無線采集系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)為工廠焊接作業(yè)的高效管理和實(shí)時監(jiān)控提供技術(shù)支持的目的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于無線通信技術(shù)的焊接參數(shù)采集系統(tǒng)主要由焊機(jī)端監(jiān)控器、無線AP(Access Point)、交換機(jī)和服務(wù)器組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。信號采集裝置上配有Wi-Fi模塊，可實(shí)現(xiàn)與無線AP的連接，每臺焊機(jī)上均安裝該信號采集裝置，以實(shí)現(xiàn)焊機(jī)工作參數(shù)的采集；無線AP作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇椋杀ＷC信號采集裝置與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸；服務(wù)器上運(yùn)行的監(jiān)測系統(tǒng)可對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲、實(shí)時顯示和事后查詢等操作，從而實(shí)現(xiàn)對焊接參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測。

圖1 焊機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示例

2 系統(tǒng)各模塊硬件組成及功能

2.1 信號采集裝置

信號采集裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要功能是實(shí)現(xiàn)焊機(jī)工作參數(shù)的采集、臨時存儲和傳輸。該裝置主要包括STM32F103系列單片機(jī)、USR-WIFI232-B無線射頻模塊、信號隔離變換模塊、LCD顯示屏、存儲模塊和電源管理模塊等，其硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

STM32F103C8T6單片機(jī)是信號采集裝置的核心模塊，是一款以ARM 32位的CortexTM-M3 CPU為核心的單片機(jī)，其內(nèi)部集成了64K RAM及20K SRAM，具備2個12位ADC模塊，工作電壓為 2.0～3.6 V。單片機(jī)內(nèi)部燒錄了數(shù)據(jù)采集客戶端程序，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集頻率的控制、前端模擬信號的AD轉(zhuǎn)換、寫入存儲模塊、控制Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn)與無線AP的連接以及與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ鳌?/p>

為防止因網(wǎng)絡(luò)連接故障等原因而造成的數(shù)據(jù)丟失，在信號采集裝置中加入數(shù)據(jù)存儲模塊。該模塊可記錄對應(yīng)焊機(jī)最近24 h的工作狀態(tài)參數(shù)，單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時寫入該存儲模塊，每次數(shù)據(jù)傳輸完成后，單片機(jī)程序會將存儲模塊中的數(shù)據(jù)清空，同時在該模塊空間寫滿之后，新采集的數(shù)據(jù)會自動覆蓋最早的數(shù)據(jù)以便后續(xù)記錄。

圖2 信號采集裝置硬件設(shè)計(jì)框圖

2.2 無線AP

無線AP的主要功能是保證信號采集裝置與上位機(jī)的通信，由于工廠車間的環(huán)境比較復(fù)雜，一些大型設(shè)備及鋼結(jié)構(gòu)廠房等對無線信號有極大的干擾作用，因此為了保證該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性，必須保證無線信號的穩(wěn)定性和強(qiáng)度的可靠性。本系統(tǒng)選用以色列進(jìn)口的波訊WBS-2400作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇?，該無線AP支持IEEE802.11b/g/n無線標(biāo)準(zhǔn)及TCP/UDP等通信協(xié)議。經(jīng)測試，在該無線AP半徑300 m范圍內(nèi)可有效保證數(shù)據(jù)的傳輸，其有效帶機(jī)數(shù)在150臺以上。

2.3 上位機(jī)

上位機(jī)硬件主要由高性能PC組成，上位機(jī)需安裝SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫，在其上運(yùn)行上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)，該監(jiān)測系統(tǒng)是基于C#語言開發(fā)的窗體程序。上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能是完成數(shù)據(jù)的接收、解析、存儲、實(shí)時顯示及事后查詢等工作，處理后的數(shù)據(jù)存儲于SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 信號采集裝置

信號采集裝置工作流程如圖3中信號采集端所示。采集模塊先將經(jīng)過分流器采集的模擬信號進(jìn)行隔離變換后，將所得模擬信號傳送給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換后將模擬量變?yōu)閿?shù)字量，然后寫入存儲模塊，信號采集裝置通過Wi-Fi模塊接入無線網(wǎng)絡(luò)等待上位機(jī)允許數(shù)據(jù)傳輸指令。

圖3 系統(tǒng)通信流程圖

為避免數(shù)據(jù)傳輸過程中客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)的無序性，焊機(jī)端信號采集裝置采用被動上傳的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在未收到上位機(jī)允許傳輸數(shù)據(jù)指令之前，該裝置將采集到的數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)存儲模塊中，當(dāng)收到允許數(shù)據(jù)傳輸指令時，采集模塊將從收到該指令之前所采集的數(shù)據(jù)全部發(fā)送給上位機(jī)，同時將采集模塊內(nèi)存中的數(shù)據(jù)清空，并開始下一次的數(shù)據(jù)傳輸。

在焊接作業(yè)過程中，起弧、收弧和焊槍抖動等原因會造成焊機(jī)工作電流、電壓的波動，由于對焊機(jī)的數(shù)據(jù)采集并非連續(xù)性，因此這些波動會對所采集的焊機(jī)工作電壓、電流參數(shù)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大的影響。本系統(tǒng)采用數(shù)字濾波的方法消除這些波動帶來的影響。在數(shù)據(jù)采集時，通過單片機(jī)控制采集模塊每100 ms采集一次焊機(jī)作業(yè)的電流和電壓數(shù)據(jù)，對1 s內(nèi)的10次樣本數(shù)據(jù)求均值(算術(shù)平均濾波)后作為一個有效工作狀態(tài)樣本存入存儲模塊中。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)工作流程如圖3中上位機(jī)端所示。為保證上位機(jī)所對應(yīng)的焊機(jī)有序地向其傳輸數(shù)據(jù)，上位機(jī)上存有該服務(wù)器所對應(yīng)的所有焊機(jī)的列表，在每一輪數(shù)據(jù)傳輸前上位機(jī)都會根據(jù)列表中的焊機(jī)順序遍歷一次焊機(jī)端信號采集裝置，通過遍歷獲得連接正常的信號采集裝置列表，上位機(jī)根據(jù)列表所列焊機(jī)的順序依次與焊機(jī)端信號采集裝置建立連接并完成每臺焊機(jī)的數(shù)據(jù)接收，當(dāng)一個焊機(jī)端信號采集裝置與服務(wù)器傳輸完畢后，服務(wù)器會斷開與其連接并向下一個信號采集裝置發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸指令，以完成數(shù)據(jù)的傳輸及存儲工作。信號采集裝置發(fā)送的每條數(shù)據(jù)中應(yīng)包含設(shè)備ID，焊機(jī)作業(yè)電壓、電流，數(shù)據(jù)采集時間，焊機(jī)作業(yè)狀態(tài)(焊接、待機(jī)、關(guān)機(jī))等信息。

圖4 上位機(jī)程序工作界面

上位機(jī)程序工作界面如圖4所示，用戶可在該界面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、數(shù)據(jù)表名和端口號的設(shè)定，同時還可直觀地查詢當(dāng)前連接的客戶端、當(dāng)前ID編號的焊機(jī)對應(yīng)的焊機(jī)工作狀態(tài)參數(shù)及所收到的消息條數(shù)等信息。

3.3 通信協(xié)議及實(shí)現(xiàn)方式

該焊機(jī)工作狀態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)信號采集裝置與上位機(jī)之間的通信過程是一個典型的基于TCP協(xié)議的Socket通信過程[7]，信號采集端程序燒錄于信號采集裝置單片機(jī)芯片內(nèi)，上位機(jī)運(yùn)行服務(wù)器端程序，TCP協(xié)議的采用可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑥能浖用姹苊鈦G包現(xiàn)象的發(fā)生?；赥CP協(xié)議的Socket通信過程如圖5所示。

圖5 基于TCP協(xié)議的Socket通信過程

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 系統(tǒng)準(zhǔn)確性測試

為驗(yàn)證該系統(tǒng)準(zhǔn)確性，以O(shè)TC CPVE400焊機(jī)為測試對象，使用該系統(tǒng)對其在室溫條件下的焊接參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。測試結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，在試驗(yàn)條件下該系統(tǒng)所測焊機(jī)的電壓和電流的最大相對誤差為0.63%和0.46%，結(jié)果表明該焊機(jī)工作狀態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)能夠有效保證數(shù)據(jù)檢測的準(zhǔn)確性。

表1 OTC CPVE400焊機(jī)測試結(jié)果

4.2 系統(tǒng)丟包率測試

通過軟件模擬不同數(shù)量的客戶端程序經(jīng)由WBS-2400與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對該測試系統(tǒng)的丟包率進(jìn)行測試，通信協(xié)議為TCP協(xié)議，模擬客戶端與服務(wù)器之間距離為250～300 m，測試結(jié)果表明該測試系統(tǒng)可以保證當(dāng)WBS-2400為媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，該系統(tǒng)丟包率為0(丟包率按式(1)計(jì)算)，表明該系統(tǒng)能夠很好地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴?/p>

(1)

5 結(jié) 論

針對當(dāng)前焊接作業(yè)缺乏有效監(jiān)管手段的現(xiàn)狀，結(jié)合Wi-Fi通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于無線通信技術(shù)的焊機(jī)焊接參數(shù)采集系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的有效性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：

(1)在使用該測試系統(tǒng)監(jiān)測和記錄焊機(jī)工作參數(shù)時，電流和電壓的最大相對誤差分別為0.63%和0.46%，能夠保證所采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

(2)丟包測試結(jié)果表明該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸和存儲時不存在丟包現(xiàn)象，可完整地記錄焊機(jī)焊接作業(yè)過程中的工作參數(shù)。

(3)該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對焊機(jī)焊接參數(shù)的有效采集及事后查詢，同時避免傳統(tǒng)采集方法的布線問題等弊端，能有效幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)對焊接作業(yè)的高效管理。

(4)該系統(tǒng)目前只能采集焊機(jī)焊接作業(yè)參數(shù)，后續(xù)應(yīng)加入焊接參數(shù)與焊工信息的綁定功能以進(jìn)一步支持企業(yè)對焊工的規(guī)范化管理。

(5)該系統(tǒng)后續(xù)可加入焊機(jī)工作狀態(tài)的監(jiān)控，如工作、待機(jī)、關(guān)機(jī)等，通過一定時間段的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析后，可對企業(yè)焊機(jī)資源的優(yōu)化配置提供技術(shù)支持。