王兆臣，湯澎湃

摘要：淺析一例基于5G通信的焊接質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控多個(gè)地點(diǎn)的多種焊接設(shè)備的工作狀態(tài)和位置信息，獲取焊接電流、焊接電壓、送絲速度、氣體流量等多種信息，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控焊接過(guò)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、焊后追溯分析、生產(chǎn)質(zhì)量管控、生產(chǎn)資源管理等作業(yè)。

關(guān)鍵詞：5G+;焊接遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控;焊接質(zhì)量監(jiān)控;焊接資源管理

中圖分類(lèi)號(hào)：TG409? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）10-0148-03

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.10.25

0? ? 前言

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)被認(rèn)為是人類(lèi)的第三次技術(shù)浪潮，它通過(guò)機(jī)器、設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，結(jié)合軟件與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)來(lái)激發(fā)生產(chǎn)力，創(chuàng)造新價(jià)值。5G+是新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，5G與工業(yè)融合之后，逐步成為支撐工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)設(shè)施。我國(guó)高度重視5G+與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合發(fā)展，各省市也紛紛制定政策，推進(jìn)5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用落地。

文中以某汽輪機(jī)廠生產(chǎn)車(chē)間為例，淺析一例基于5G通信的焊接質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)——焊接物聯(lián)云平臺(tái)。焊接物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的基本特征是[1]：面向焊接制造業(yè)的數(shù)字化[2]、網(wǎng)絡(luò)化、智能化需求，提供海量焊接場(chǎng)景數(shù)據(jù)的采集、匯聚和分析，支撐焊接制造全產(chǎn)業(yè)鏈的資源連接、彈性供給和高效配置。通過(guò)該系統(tǒng)可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控多個(gè)地點(diǎn)的多種焊接設(shè)備的工作狀態(tài)和位置信息，獲取焊接電流、焊接電壓、送絲速度、氣體流量等信息，實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控、焊后追溯分析、質(zhì)量監(jiān)控、資源管理等作業(yè)。

1 背景陳述

某汽輪機(jī)工廠手動(dòng)焊接時(shí)，焊工需要設(shè)置焊接電流和焊接電壓，有時(shí)為了趕工期或省事，會(huì)用超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求的電流和電壓，此時(shí)的焊接強(qiáng)度會(huì)降低，且不符合標(biāo)準(zhǔn)。而目前大多數(shù)工廠采用巡檢方式對(duì)作業(yè)電流、電壓進(jìn)行人工抽查，效率較低，也不能準(zhǔn)確的反映實(shí)際情況。因此該汽輪機(jī)廠引進(jìn)一套數(shù)字化焊接智能管理云平臺(tái)，該系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程監(jiān)控焊機(jī)工作電流、電壓等參數(shù)，將焊接參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺(tái)上，對(duì)不規(guī)范的操作進(jìn)行報(bào)警，實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與記錄。

車(chē)間焊接設(shè)備總體布局如圖1所示。首先將車(chē)間焊接設(shè)備聯(lián)網(wǎng)升級(jí)，使全部的數(shù)字焊機(jī)部署在智能焊接云平臺(tái)系統(tǒng)上，并對(duì)接工廠ERP和MES系統(tǒng)，這樣各職能主管就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和管理，實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備開(kāi)機(jī)率、資源消耗（焊絲、氣體、電能）等情況，實(shí)時(shí)對(duì)比焊接參數(shù)與焊接工藝，掌控車(chē)間的焊接生產(chǎn)狀況。

第二步，通過(guò)智能焊接云平臺(tái)系統(tǒng)的運(yùn)行，工廠積累了大量有效的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可在智能焊接云平臺(tái)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)多種統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告，為企業(yè)的生產(chǎn)決策提供支持，構(gòu)建一套完整的生產(chǎn)管理指揮和資源管理系統(tǒng)，從而逐步成為5G智能化工廠。

2 數(shù)字化焊接管理云平臺(tái)

2.1 “ 單元級(jí) ”焊接自動(dòng)化及信息網(wǎng)控

對(duì)車(chē)間焊機(jī)加裝電壓傳感器[3]、電流傳感器、數(shù)據(jù)采集器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，收集每臺(tái)焊機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)匯聚后通過(guò)5G CPE發(fā)送至云端的MQTT服務(wù)器，本地的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)服務(wù)器向MQTT服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，將焊機(jī)數(shù)據(jù)收取至本地服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)“ 智能焊接平臺(tái) ”處理，實(shí)現(xiàn)整個(gè)車(chē)間手動(dòng)焊機(jī)的5G+數(shù)據(jù)采集、顯示和報(bào)警，并能準(zhǔn)確定位車(chē)間里每臺(tái)焊機(jī)、每位焊工。在“ 智能焊接平臺(tái) ”系統(tǒng)里可以實(shí)時(shí)顯示焊接電流、電壓、送絲速度、氣體流量等關(guān)鍵工藝數(shù)據(jù)，確保車(chē)間生產(chǎn)工藝有效準(zhǔn)確地執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管控。

2.2 “ 車(chē)間級(jí) ”焊接數(shù)字化

以“ 單元級(jí) ”焊接信息網(wǎng)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建設(shè) “ 車(chē)間級(jí) ”焊接數(shù)字化車(chē)間，實(shí)現(xiàn)工藝編制、下達(dá)、排產(chǎn)、派工、施焊及質(zhì)量檢驗(yàn)全程“ 數(shù)字化 ”流轉(zhuǎn)。此項(xiàng)舉措在2020疫情期間發(fā)揮重要作用，車(chē)間主管可遠(yuǎn)程監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程，全程無(wú)接觸操作執(zhí)行。

生產(chǎn)主管將焊接工藝參數(shù)通過(guò)云平臺(tái)線上強(qiáng)制下發(fā)，焊工在施焊時(shí)無(wú)法隨意調(diào)節(jié)焊機(jī)的電流、電壓等參數(shù)，從而確保了焊接工藝規(guī)程要求在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的準(zhǔn)確執(zhí)行。

生產(chǎn)主管亦可隨時(shí)線上查看車(chē)間的焊絲用量、氣體用量、電能消耗等數(shù)據(jù)，各種報(bào)表可自動(dòng)生成，非常簡(jiǎn)便，從而對(duì)整個(gè)車(chē)間（工廠）的采購(gòu)與庫(kù)存進(jìn)行科學(xué)合理的預(yù)測(cè)。

2.3 焊接資源管理系統(tǒng)

焊接資源管理系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)各焊接大數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)分析，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)，從而減少了繁雜的人工勞動(dòng)，提高技術(shù)參數(shù)的準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)管理流程化、簡(jiǎn)潔化、準(zhǔn)確化，流程如圖2所示。

（1）實(shí)現(xiàn)焊接工藝評(píng)定。

焊接工藝評(píng)定信息以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)，通過(guò)資源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化搜索，如查看電子版文件、標(biāo)準(zhǔn)格式化輸出。工藝評(píng)定主頁(yè)面可顯示評(píng)定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并且該系統(tǒng)可以將“ 工藝信息 ”“ 工藝參數(shù) ”“ 試驗(yàn)結(jié)果 ”分別進(jìn)行編輯。

（2）有效進(jìn)行項(xiàng)目管理。

在資源管理系統(tǒng)中有完善的項(xiàng)目樹(shù)結(jié)構(gòu)，在項(xiàng)目樹(shù)下可創(chuàng)建組件、焊縫，組件下可增加焊縫或繼續(xù)創(chuàng)建組件，項(xiàng)目組件信息可以從基本項(xiàng)目中采用“ 復(fù)制 ”“ 粘貼 ”輕松獲取，亦可從其他項(xiàng)目中引入組件下的所有焊縫信息，操作便捷，準(zhǔn)確迅速，大大節(jié)省工作時(shí)間，提高了效率。項(xiàng)目管理流程如圖3所示。

（3）焊接工藝規(guī)程快速匹配。

在資源管理系統(tǒng)中焊接工藝規(guī)程可實(shí)現(xiàn)多種條件組合查詢(xún)，完成快速搜索定位，并且工藝評(píng)定的工藝信息、工藝參數(shù)可分別進(jìn)行編輯，實(shí)現(xiàn)快速匹配。匹配時(shí)既可以多條件匹配，也可以無(wú)條件匹配，匹配條件越多，匹配結(jié)果越精準(zhǔn)。匹配條件包括：母材厚度或直徑、焊接方法、焊縫形式、機(jī)械化程度、焊材等，同時(shí)也可對(duì)焊縫匹配WPS。

（4）智能管理焊工證書(shū)。

焊工證書(shū)實(shí)現(xiàn)智能高效的電子化管理，主管可快速查閱焊工證書(shū)信息，系統(tǒng)可建立數(shù)字焊工檔案，證書(shū)過(guò)期能提前預(yù)警。

焊工證書(shū)信息可被其他模塊調(diào)閱，主管可將焊工資質(zhì)與工藝規(guī)程、工藝評(píng)定等進(jìn)行關(guān)聯(lián)、匹配，從而進(jìn)一步精細(xì)化管控。

系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)焊工鋼印號(hào)管理，為實(shí)現(xiàn)質(zhì)量生產(chǎn)智能化做儲(chǔ)備。

2.4 獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

（1）物聯(lián)網(wǎng)終端方面可采集海量數(shù)據(jù)，采樣頻率達(dá)1 000 Hz，輸入接口多，支持三大數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議（UDP，TCP，MQTT），接口協(xié)議眾多且全部開(kāi)放，兼容性強(qiáng)。

（2）軟件方面。純BS架構(gòu)，支持公有云和私有云部署，滿(mǎn)足絕大多數(shù)客戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)保護(hù)的需求，定期更新迭代，更好適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)訂單的改變，兼顧離散型制造（多批次/小批量），同時(shí)預(yù)留Web Service接口，方便與客戶(hù)原有的ERP/MES/SAP等平臺(tái)對(duì)接，解決數(shù)據(jù)孤島的痛點(diǎn)。同時(shí)也可以根據(jù)客戶(hù)的需求，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

（3）MODI智能物聯(lián)網(wǎng)采集終端系列產(chǎn)品是上海模呈自主設(shè)計(jì)研發(fā)的具有高性能、低能耗、通用的數(shù)據(jù)采集模塊，內(nèi)置工控板增加網(wǎng)絡(luò)隔離、CAN總線隔離、485隔離，集成多個(gè)數(shù)字I/O接口。

①通用的數(shù)據(jù)接口：COAP物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議、Modbus、OPC工控協(xié)議、TCP和UDP。

②智能核心算法：數(shù)據(jù)采集能力適應(yīng)高頻、高精度的生產(chǎn)場(chǎng)景，多種焊接生產(chǎn)數(shù)據(jù)判別、分析算法。

③多種傳感器擴(kuò)展：電流、電壓、溫度、氣流、送絲速度等同時(shí)接入、同步處理。

3 結(jié)論

平臺(tái)[4]的建設(shè)目標(biāo)是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將焊機(jī)等生產(chǎn)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建基于云數(shù)據(jù)管理的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)，從而使生產(chǎn)設(shè)備能夠?qū)⒐ぷ餍畔?、記錄等通過(guò)網(wǎng)絡(luò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)產(chǎn)生延伸價(jià)值。

MODI智能焊接資源管理系統(tǒng)通過(guò)信息化手段實(shí)現(xiàn)了焊接過(guò)程的知識(shí)積累和有效管理，大量減少繁雜的人工操作，保證知識(shí)的傳遞和復(fù)用，提高工藝和技術(shù)參數(shù)的準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)管理流程化、過(guò)程簡(jiǎn)單化，通過(guò)定義標(biāo)準(zhǔn)以及規(guī)則實(shí)現(xiàn)焊接工藝及焊工的自動(dòng)匹配。

（1）實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、利用率和資源消耗（焊絲、氣體、電能）。

（2）通過(guò)實(shí)時(shí)的焊接參數(shù)與焊接工藝對(duì)比，利用聲光設(shè)備進(jìn)行超規(guī)范報(bào)警，為質(zhì)量檢驗(yàn)提供依據(jù)。

（3）通過(guò)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的運(yùn)行積累，按照不同管理維度生成統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告，為企業(yè)管理決策提供數(shù)據(jù)支撐。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步以及現(xiàn)代生產(chǎn)對(duì)高質(zhì)量、高效率生產(chǎn)的迫切要求[5]，數(shù)字化焊接生產(chǎn)車(chē)間必然是未來(lái)焊接工廠的主要發(fā)展方向。而焊接物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)作為數(shù)字化焊接生產(chǎn)車(chē)間的重要組成部分也將在未來(lái)發(fā)揮更大的作用。

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