窄間隙埋弧焊機(jī)信息化管理系統(tǒng)

張 磊，王博健，劉滿雨，白德濱，付 傲，張 晴

1.哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028

2.哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150028

0 前言

窄間隙埋弧焊是一種特殊的埋弧焊接技術(shù)，它可以在近乎平行的坡口內(nèi)，以一層兩道的焊接工藝完成大型厚壁鑄鍛件主縫焊接，是核電、石化等領(lǐng)域大型設(shè)備（如核電壓力容器、蒸發(fā)器、穩(wěn)壓器、加氫反應(yīng)器等）制造的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-4]。其所焊焊縫為壓力邊界焊縫，往往厚度較大（>100 mm）、焊接時間較長（>24 h），對產(chǎn)品的制造周期、制造質(zhì)量和運(yùn)行使用有重大影響。因此，針對窄間隙埋弧焊接的技術(shù)特點(diǎn)，研制一套信息化管理系統(tǒng)用于詳細(xì)記錄焊接過程的數(shù)據(jù)信息，監(jiān)測焊接工藝執(zhí)行，做到焊接過程可追溯就顯得尤為重要。

目前，國內(nèi)窄間隙埋弧焊機(jī)信息化管理系統(tǒng)研制還處于起步階段。商業(yè)化產(chǎn)品僅有通用的焊接參數(shù)記錄儀等，僅能夠記錄存儲焊接過程中的焊接電流、焊接電壓、焊接速度等基本參數(shù)，不能記錄窄間隙埋弧焊接過程的全部信息，如焊接位置、跟蹤參數(shù)、換邊位置、搭接量、層間溫度、焊絲擺動角度等。瑞典伊薩公司等已經(jīng)配套窄間隙埋弧焊機(jī)推出了焊接質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r記錄存儲焊接過程中的焊接工藝參數(shù)，并能對采集的焊接參數(shù)及控制參數(shù)進(jìn)行深度分析，預(yù)測焊接質(zhì)量等級，具有一定的智能化特點(diǎn)[5]。本文依托哈焊所HSS系列窄間隙埋弧焊機(jī)研制了一種窄間隙埋弧焊機(jī)的信息化管理系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)焊接數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)的全面記錄，做到所有數(shù)據(jù)有跡可循以及焊接消耗的統(tǒng)計(jì)，為焊接成本核算提供數(shù)據(jù)支撐。

1 硬件組成

信息化管理系統(tǒng)用于記錄設(shè)備運(yùn)行過程中的焊接工藝執(zhí)行信息、焊接設(shè)備運(yùn)行信息、能源材料消耗信息等。改變了以往只能通過人工不定時記錄監(jiān)視上述信息的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)了焊接過程信息的全記錄，并最終以EXCEL文件格式進(jìn)行存儲。

系統(tǒng)由觸摸屏、工控機(jī)、PLC控制系統(tǒng)、各類信息采集裝置、交換機(jī)等組成，可以和窄間隙埋弧焊設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。整體設(shè)備連接方式如圖1所示。各類信息（如送絲速度、焊劑消耗、層間溫度、電能消耗等）采集裝置，將采集到的數(shù)據(jù)信息傳遞給PLC控制系統(tǒng)，同時PLC通過交換機(jī)與窄間隙埋弧焊設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，對窄間隙埋弧焊設(shè)備的內(nèi)置信息（如設(shè)備運(yùn)行情況、部分焊接工藝信息）進(jìn)行采集。最終由PLC控制系統(tǒng)統(tǒng)一將數(shù)據(jù)信息通過交換機(jī)傳遞給工控機(jī)，并通過內(nèi)置于工控機(jī)的軟件系統(tǒng)對信息進(jìn)行存儲、分析并在觸摸屏上展示。同一局域網(wǎng)下的遠(yuǎn)端上位機(jī)也可以通過網(wǎng)線與交換機(jī)相連，通過內(nèi)置的軟件系統(tǒng)將操作指令傳遞至工控機(jī)及窄間隙設(shè)備。系統(tǒng)安裝位置如圖2所示，其中觸摸屏、工控機(jī)、PLC控制系統(tǒng)與窄間隙埋弧焊設(shè)備的控制系統(tǒng)集成在一起，紅色虛線圈內(nèi)的部件為信息化管理系統(tǒng)的硬件部分，各類信息采集裝置分置于各個采集點(diǎn)位。

圖1 總體設(shè)備連接示意Fig.1 Schematic diagram of overall device connection

圖2 系統(tǒng)安裝位置Fig.2 Diagram of system installation position

為了實(shí)現(xiàn)焊接過程可追溯，需要盡可能全面地記錄焊接過程信息。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息來源分為窄間隙埋弧焊設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、部分焊接工藝參數(shù)以及能源材料消耗信息三個部分。窄間隙埋弧焊設(shè)備運(yùn)行參數(shù)包括：設(shè)備啟焊位置、左道焊接、右道焊接、左側(cè)橫向跟蹤參數(shù)、右側(cè)橫向跟蹤參數(shù)、高度跟蹤參數(shù)、送絲速度、換邊搭接距離、焊接層數(shù)、焊接厚度；焊接工藝參數(shù)包括：焊接電壓、焊接電流、焊接線速度、熱輸入量、層間溫度，由窄間隙埋弧焊設(shè)備控制系統(tǒng)提供，用于焊接質(zhì)量管理；能源材料消耗信息包括：焊接時間、焊絲消耗量、焊劑消耗量、總耗電量等，由各類信息采集裝置提供。各信息來源框圖如圖3所示。

圖3 采集信息來源Fig.3 Sources of information collection

電能監(jiān)測裝置安裝在電焊機(jī)的側(cè)面，用于測量整個設(shè)備的用電量，包括電焊機(jī)、操作機(jī)、控制柜的用電量。其中負(fù)責(zé)采集電能消耗的裝置是安科瑞AMP800系列電能表，通過互感器測量電源干線電流，計(jì)算電能消耗，通過網(wǎng)線將電能消耗傳送給PLC控制系統(tǒng)。

焊劑消耗采用壓力傳感器測量，該傳感器位于焊劑桶下方，最大量程600 kg，可輸出0 ～10 V電壓供PLC控制系統(tǒng)實(shí)時采集。經(jīng)過實(shí)際測量該壓力傳感器測量較準(zhǔn)，誤差較小。

送絲速度測量方式是在送絲電機(jī)伺服器輸出端子中提取信號，通過外加電路板傳送給PLC控制系統(tǒng)，通過測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，結(jié)合減速器的減速比和送絲輪的直徑，即可計(jì)算出送絲輪的線速度，即焊絲的送絲速度。

采用非接觸式紅外測溫儀對焊接全過程的層間溫度進(jìn)行測量，可輸出4 ～20 mA電流供PLC控制系統(tǒng)采集實(shí)時溫度。

2 軟件系統(tǒng)

軟件采集系統(tǒng)使用C++高級語言編寫，具有頁面美觀、功能強(qiáng)大、實(shí)時性高、運(yùn)行速度快等特點(diǎn)[6-8]，并且可維護(hù)性、拓展性、移植性較強(qiáng)，具有自主知識產(chǎn)權(quán)。數(shù)據(jù)庫是存儲數(shù)據(jù)的重要軟件，通過C++高級語言與MySQL數(shù)據(jù)庫連接，可實(shí)現(xiàn)對從PLC中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，對歷史數(shù)進(jìn)行訪問、查詢，修改等操作[9-10]。

用戶需要輸入用戶名和密碼方可進(jìn)入系統(tǒng)主頁，如圖4所示。主頁的中心區(qū)域分別顯示了電壓曲線、電流曲線、設(shè)備參數(shù)、開機(jī)至今的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、報警信息等核心內(nèi)容。主頁的左側(cè)分別排列了“系統(tǒng)主頁”“參數(shù)輸入”“設(shè)備監(jiān)測”“焊接監(jiān)測”“參數(shù)曲線”“統(tǒng)計(jì)分析”“報警信息”“其他操作”8個子頁面入口，用戶可進(jìn)入每個子頁面詳細(xì)查看對應(yīng)信息。

圖4 系統(tǒng)主頁Fig.4 System home page

圖5為“參數(shù)輸入”界面，用戶可進(jìn)行參數(shù)輸入，包括：工件號、記錄頻率、焊絲直徑、焊接材質(zhì)、焊絲牌號、焊劑牌號、電壓范圍、電流范圍、焊接速度。如果采集的實(shí)時電壓、電流、焊接速度不符合輸入的范圍，則在數(shù)據(jù)導(dǎo)出文件的對應(yīng)位置顯示“參數(shù)超限”。

圖5 參數(shù)輸入Fig.5 Parameters input

圖6為“設(shè)備監(jiān)測”界面，顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、焊道位置、高度跟蹤設(shè)定、高度跟蹤測量、橫向跟蹤設(shè)定、橫向跟蹤測量、焊接層數(shù)、焊接厚度、焊接方式、工件壁厚、記錄角度、焊劑剩余量等信息。

圖6 設(shè)備監(jiān)測Fig.6 Monitoring of equipment

圖7為“焊接監(jiān)測”界面，顯示焊接電壓、焊接電流、送絲速度、焊接線速度、熱輸入量、熔敷速度、焊劑消耗率以及層間溫度等信息。

圖7 焊接監(jiān)測Fig.7 Monitoring of welding

圖8為“參數(shù)曲線”界面，包含實(shí)時曲線和歷史曲線兩部分內(nèi)容，繪制了焊接電壓、焊接電流、焊接速度、熱輸入量4種工藝參數(shù)的實(shí)時曲線，并分別顯示對應(yīng)工藝參數(shù)的實(shí)時值和設(shè)定值，方便管理人員監(jiān)控對比。點(diǎn)擊“結(jié)束”按鈕進(jìn)入歷史曲線查詢界面，歷史曲線可分工件號和輸入時間段兩種查詢方式，分別顯示整個工件的數(shù)據(jù)和輸入時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)，曲線區(qū)域可顯示大量數(shù)據(jù)并不會對系統(tǒng)造成卡頓，管理者可用鼠標(biāo)滾輪拖拽對曲線進(jìn)行放大、縮小和移動，方便查看。

圖8 參數(shù)曲線Fig.8 Parameter curve

圖9為“統(tǒng)計(jì)分析”界面，顯示對焊接過程中消耗數(shù)據(jù)進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)，分別是焊接時間、電能消耗、焊絲消耗量、焊劑消耗量4項(xiàng)數(shù)據(jù)，該功能可按時間段和工件號兩種方式查詢。按時間段查詢分為“開機(jī)至今”“當(dāng)日”“一個月”“三個月”4 種查詢方式，選擇要查詢的時間段再點(diǎn)擊“查詢”按鈕，頁面顯示對應(yīng)時間段焊接消耗的總和。按工件號查詢時，在工件號輸入框中輸入要查詢的工件號再點(diǎn)擊“查詢”按鈕，頁面顯示對應(yīng)工件的各項(xiàng)焊接消耗總和。提供多種查詢方式使管理人員便于查詢和比較數(shù)據(jù)，更準(zhǔn)確地掌握焊接消耗，估算每一件焊接產(chǎn)品的焊材消耗成本和人工成本，可大大降低工廠企業(yè)的運(yùn)營成本并減少浪費(fèi)，達(dá)到精益化管理的目的。

圖10為“報警信息”界面，顯示窄間隙埋弧焊設(shè)備和焊接工藝參數(shù)的報警信息，分為實(shí)時報警和歷史報警兩部分內(nèi)容。界面顯示了設(shè)備開機(jī)至今的報警記錄，管理人員可對報警信息進(jìn)行及時處理，以免出現(xiàn)更大的問題。點(diǎn)擊“結(jié)束”按鈕可進(jìn)入歷史報警信息界面，輸入開始時間和結(jié)束時間來查詢這一時間段內(nèi)的報警信息，可進(jìn)一步了解設(shè)備整體的運(yùn)行情況，點(diǎn)擊“幫助”按鈕可查詢對應(yīng)故障提示的描述及解決措施，方便人員進(jìn)行檢修。

圖10 報警信息Fig.10 Warning message

“其他操作”界面包含參數(shù)下達(dá)和文件導(dǎo)出兩個功能。參數(shù)下達(dá)功能可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端上位機(jī)對焊接工藝參數(shù)的設(shè)定。文件導(dǎo)出功能可將記錄存儲的信息以EXCEL文件格式進(jìn)行導(dǎo)出，導(dǎo)出后的文件可通過U盤或者網(wǎng)絡(luò)傳至指定電腦。如圖11所示，導(dǎo)出的數(shù)據(jù)包括工件號、記錄時間、電流、位置角度等詳細(xì)信息。如果發(fā)現(xiàn)焊接質(zhì)量問題可根據(jù)工件號、時間、位置角度查看記錄的信息，為工廠提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的同時也實(shí)現(xiàn)了焊接參數(shù)的追溯，對發(fā)生問題的排查，提高產(chǎn)品質(zhì)量起到了關(guān)鍵作用。

圖11 數(shù)據(jù)EXCEL表格導(dǎo)出Fig.11 Export data in EXCELform

3 試驗(yàn)測試與結(jié)果

系統(tǒng)在某工廠進(jìn)行了實(shí)測，在工件焊接過程中對其焊接電流、焊接電壓、焊接速度、焊接位置以及相應(yīng)的設(shè)備信息進(jìn)行記錄，對焊接電能消耗、焊絲消耗、焊劑消耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。工件焊接結(jié)束之后在系統(tǒng)中按工件號導(dǎo)出所記錄的EXCEL表格，表格記錄的信息與實(shí)測結(jié)果吻合良好，誤差小于1%，系統(tǒng)運(yùn)行效果良好。在工件出現(xiàn)焊接質(zhì)量問題時，通過實(shí)時記錄的設(shè)備和工藝信息完整還原了整個焊接過程，以數(shù)據(jù)為依據(jù)準(zhǔn)確判斷出了質(zhì)量問題的原因，滿足了設(shè)計(jì)和使用要求。在實(shí)驗(yàn)過程中，車間管理人員提出希望能在遠(yuǎn)端辦公室的電腦實(shí)現(xiàn)信息化管理系統(tǒng)的功能和遠(yuǎn)程參數(shù)下達(dá)，以便管理人員在自己的電腦上就能了解焊接情況、查看焊接數(shù)據(jù)和下達(dá)參數(shù)。為此，利用遠(yuǎn)端的辦公室電腦、現(xiàn)場工控機(jī)、PLC建立了局域網(wǎng)，利用PLC同時與遠(yuǎn)端的辦公室電腦和現(xiàn)場工控機(jī)兩臺電腦同時通訊，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享，滿足了客戶的需求。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一套用于全面記錄窄間隙埋弧焊接過程的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全面記錄窄間隙埋弧焊接過程信息，包括焊接工藝參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、能源材料消耗信息等，有效地還原整個焊接過程，如果出現(xiàn)質(zhì)量問題可迅速找出原因，也使工廠管理者能準(zhǔn)確掌握焊接材料消耗情況。此外，該系統(tǒng)采用C++語言自行編寫、MySQL數(shù)據(jù)庫完成搭建，是具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，并具有操作指令的遠(yuǎn)程下達(dá)功能，可通過遠(yuǎn)程上位機(jī)將焊接工藝參數(shù)直接下達(dá)至窄間隙埋弧焊設(shè)備。