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基于5G通信的焊接設(shè)備遠程控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2022-02-18 09:00黃安立吳海峰
電焊機 2022年1期
關(guān)鍵詞:焊縫電流終端

董 娜,陳 弈,黃安立,吳海峰,金 寶,楊 霄

1.東方電氣集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,四川 成都 611731

2.東方電氣集團東方汽輪機股份有限公司,四川 德陽 618000

3.東方電氣集團東方電機股份有限公司,四川 德陽 618000

0 前言

焊接是裝備制造業(yè)中一項重要的生產(chǎn)工藝,焊接質(zhì)量的好壞很大程度上影響著產(chǎn)品的制造成本、使用性能、服役壽命及運行安全性。目前企業(yè)焊接質(zhì)量管理主要依靠人工實現(xiàn),無法對焊接過程進行全面有效的監(jiān)控、記錄及追溯[1-3]。面對焊接過程的監(jiān)管難度不斷加大的難題,隨著物聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字化焊接監(jiān)測系統(tǒng)可以很大地改進現(xiàn)有的焊接質(zhì)量管理,為操作者提供諸多便利。

目前,焊接參數(shù)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的信號傳遞主要采用有線方式,如串口總線、現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)等。有線方式布線復(fù)雜、不易移動、易受現(xiàn)場電磁干擾,對于復(fù)雜的焊接車間現(xiàn)場以及野外施工具有很大的局限性。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,部分無線通信方式在焊接采集中得到了應(yīng)用。李賓基于藍牙4.0技術(shù)設(shè)計了針對GMAW過程的焊接監(jiān)控軟件[4];張文清采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了對汽車焊裝生產(chǎn)中懸掛式電焊機的無線監(jiān)測[5];盧永建[6]采用STM32和WiFi技術(shù)實現(xiàn)了3組焊接參數(shù)的高速采集。但這些系統(tǒng)在安全性、傳輸速度、實時性等方面難以滿足越來越高的監(jiān)控要求。

5G技術(shù)的出現(xiàn)將賦能焊接設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。一方面,基于5G的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可支持海量數(shù)據(jù)的實時上傳,使得多臺焊接設(shè)備同時遠程高采樣率監(jiān)控成為可能,為焊接質(zhì)量分析提供海量的數(shù)據(jù)支撐;另一方面,5G廣覆蓋、大連接、低成本、低能耗的特性有利于遠程生產(chǎn)設(shè)備全生命周期工作狀態(tài)的實時監(jiān)測,使得焊接設(shè)備的維護工作突破工廠邊界,實現(xiàn)跨工廠、跨地域遠程故障診斷和維修[7]。無線傳輸技術(shù)性能對比如表1所示。

表1 無線傳輸技術(shù)性能對比Table 1 Wireless transmission technology performance comparison

本文設(shè)計了一種基于5G通信的焊接設(shè)備遠程監(jiān)控系統(tǒng),可對生產(chǎn)現(xiàn)場焊接設(shè)備焊接數(shù)據(jù)和信息等進行實時遠程采集、存儲、分析和可視化,精確反映現(xiàn)場焊接狀況,并對焊接過程進行全程追溯,優(yōu)化焊接參數(shù),分析焊接質(zhì)量,預(yù)警焊接缺陷,同時,系統(tǒng)提供標準的數(shù)據(jù)庫接口,可與企業(yè)的SAP、ERP、PLM、CAPP等系統(tǒng)實現(xiàn)無縫結(jié)合。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于智能焊接工廠的設(shè)計思路,將系統(tǒng)分為四個層次,分別為:采集層、傳輸層、存儲層和應(yīng)用層。系統(tǒng)體系構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系架構(gòu)Fig.1 System architecture

采集層:主要由采集終端、監(jiān)控終端和現(xiàn)場服務(wù)器組成,可實現(xiàn)現(xiàn)場焊接數(shù)據(jù)的高效采集,并可根據(jù)實際需求進行設(shè)備的組合,實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控、管理、存儲等可選功能。

傳輸層:通過5G通訊網(wǎng)和常用的工業(yè)通訊協(xié)議建立數(shù)據(jù)傳輸鏈路。

存儲層:通過建立網(wǎng)絡(luò)服務(wù),監(jiān)聽并收集數(shù)據(jù),采用終端緩存+云端數(shù)據(jù)庫+企業(yè)數(shù)據(jù)庫的多層結(jié)構(gòu)進行數(shù)據(jù)存儲,保障了數(shù)據(jù)的安全性,避免網(wǎng)絡(luò)不暢對系統(tǒng)造成的影響,為系統(tǒng)應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)接口。

應(yīng)用層:通過基于Web和桌面技術(shù)的表現(xiàn)形成,建立跨平臺、直觀表現(xiàn)的終端查詢方式,包含設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)和設(shè)備位置信息的展現(xiàn)、分析和管理。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖2所示,采用公網(wǎng)+企業(yè)局域網(wǎng)的結(jié)構(gòu),并用防火墻實現(xiàn)隔離。在公網(wǎng)的采集中分別針對集群場景和單臺場景采用了不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。對于單臺設(shè)備,采用采集終端+監(jiān)控終端(含5G模組)的方式發(fā)送到云端MQTT服務(wù)器;對于集群場景,為節(jié)約成本,通過現(xiàn)場服務(wù)器將每個工位的數(shù)據(jù)匯聚后通過5G CPE發(fā)送。本地的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)服務(wù)器通過向MQTT服務(wù)器訂閱將焊機數(shù)據(jù)收取至本地服務(wù)器數(shù)據(jù)庫,本地服務(wù)器和展現(xiàn)終端以基于TCP/IP技術(shù)的Web技術(shù)為主,進行焊接設(shè)備的5G+數(shù)據(jù)采集、呈現(xiàn)和報警。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲Fig.2 System network topology

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)監(jiān)控終端硬件組成如圖3所示。

圖3 采集終端Fig.3 Collection terminal

監(jiān)控終端的硬件電路主要包含四部分:基于ARM系列芯片的處理器、5G模塊、采集模塊和電源模塊。采集模塊采用分體式設(shè)計,分為集采傳感器和監(jiān)控終端。其中集采傳感器將多種傳感器進行集成,包括電流傳感器、電壓傳感器、氣體流量傳感器、送絲傳感器等。

處理器:采用基于ARM系列的處理器,擁有較強的數(shù)據(jù)處理能力,運行系統(tǒng)為Linux,具有較高的可靠性。

5G模塊:采用華為MH5000,為5G工業(yè)級多模組標準通用模塊,基于巴龍5000打造,支持NSA/SA雙組網(wǎng)模式,采用Open CPU架構(gòu)。模塊可通過插入SIM卡建立通訊。

采集模塊:可通過接入傳感器或通過數(shù)據(jù)端子進行數(shù)據(jù)讀取,包括高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器,可支持多種傳感器的連接,包括電流、電壓傳感器等,并支持擴展。

電源模塊:采用可充電工業(yè)級電池獨立供電系統(tǒng),也可以通過外接電源接口使用直流電源為終端供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計方案

軟件平臺架構(gòu)采用SOA的多層架構(gòu)設(shè)計,從上至下依次為展現(xiàn)層、業(yè)務(wù)功能層、基礎(chǔ)服務(wù)中間件層和系統(tǒng)軟件層,如圖4所示,各層均采用成熟的框架和技術(shù)來實現(xiàn)相應(yīng)功能。

圖4 軟件開發(fā)架構(gòu)Fig.4 Software development framework

在應(yīng)用層,充分考慮到企業(yè)焊接生產(chǎn)管理和監(jiān)控的需求,開發(fā)了成套的軟件包,包括看板展示軟件、現(xiàn)場監(jiān)控軟件、Web管理軟件和移動監(jiān)控軟件,如圖5所示??窗逭故拒浖崿F(xiàn)圖形化構(gòu)件的管理,以本地的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)服務(wù)器的數(shù)據(jù)為驅(qū)動,采用二維圖表和地圖等形式展示數(shù)據(jù)信息;現(xiàn)場監(jiān)控軟件實現(xiàn)在無網(wǎng)絡(luò)情況下的單臺設(shè)備采集和分析,軟件直接在監(jiān)控終端上運行,可對焊接數(shù)據(jù)進行簡單的可視化和儲存分析。Web管理軟件采用定制化設(shè)計,基于采集的焊接設(shè)備數(shù)據(jù)和企業(yè)焊接管理體系實現(xiàn)企業(yè)焊接資源智能化管理,包括焊接生產(chǎn)管理、焊材管理、焊工管理、焊接設(shè)備管理、焊接工藝文件管理等,并通過計算機“模擬學(xué)習(xí)”大量焊接資源數(shù)據(jù)、焊接經(jīng)驗等,實現(xiàn)焊接資源智能管理;移動監(jiān)控軟件適配手機、平板等移動終端,方便管理者隨時隨地對焊接設(shè)備進行監(jiān)控管理。各模塊可根據(jù)企業(yè)實際需求進行選配,該套軟件與企業(yè)各管理系統(tǒng)融合,形成了完整的焊接設(shè)備監(jiān)管生態(tài)。

圖5 軟件功能Fig.5 Software function

考慮到海量的焊接監(jiān)控數(shù)據(jù)量,數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用群集、磁盤陳列存儲;并為Web管理軟件單獨配置Web應(yīng)用服務(wù)器,實現(xiàn)負載均衡,保障系統(tǒng)的高可靠性。軟件的部分界面如圖6~圖10所示。

圖6 電子看板Fig.6 Electronic signage

圖7 現(xiàn)場監(jiān)控軟件Fig.7 On-site monitoring software

圖8 Web管理軟件—統(tǒng)計分析Fig.8 Web management software—statistical analysis

圖9 Web管理軟件—設(shè)備管理Fig.9 Web management software:device management

圖10 移動監(jiān)控軟件Fig.10 Mobile monitoring software

3.2 質(zhì)量分析

工藝采集終端獲取的電流電壓是每個瞬間的實際值,數(shù)據(jù)量大,波動劇烈,因此須量化分析焊接質(zhì)量。故在現(xiàn)場監(jiān)控軟件中開發(fā)了質(zhì)量分析模塊,一方面可實現(xiàn)實時監(jiān)測的參數(shù)異常的自動報警,另一方面幫助人工事后分析焊接質(zhì)量,實現(xiàn)焊接質(zhì)量的智能評估。焊接質(zhì)量分析可劃分為兩個范疇:一是對某條焊縫的動態(tài)焊接過程進行詳細的分析,找出中途發(fā)生問題的具體時間點;二是對多條焊縫分別進行總體打分和橫向?qū)Ρ?,找出其差異、評價其優(yōu)劣。

(1)焊接過程的質(zhì)量分析。

為了監(jiān)測和分析焊接質(zhì)量,需要將瞬時值進行處理后才與工藝規(guī)范所指的平均值進行對比,一般采用滑動平均算法,滑動窗口范圍可取0.5 s。

而對于脈沖焊,工藝規(guī)范中除了指定平均電流和平均電壓外,通常還指定了電流的脈沖頻率、峰值、基值、占空比等詳細參數(shù)。因此,為了與工藝規(guī)范對比,需要先從脈沖波形中提取出這些參數(shù),具體可采用快速傅里葉變換(FFT),實時對一小段滑動窗口進行分析,結(jié)果作為當前時刻的詳細工藝參數(shù)。具體步驟如下:

①對滑動窗口內(nèi)所有N個采樣點數(shù)據(jù)進行一次FFT,獲得N個頻率點結(jié)果。

②脈沖電流波形經(jīng)過FFT后分解成了直流分量和交流分量,其中直流分量作為平均焊接電流,其值等于第一個頻率點結(jié)果的模除以采樣點數(shù)N。

③找出前N/2個頻率點結(jié)果中除第一個點外模最大的點,假如是第M個點,則脈沖頻率等于采樣率×(M-1)/N。

④基于求出的脈沖頻率,對距當前時刻最近的一個脈沖周期內(nèi)的數(shù)據(jù)進行分析比較,求出峰值電流(最大值)、基值電流(最小值)、占空比、峰值持續(xù)時間、基值持續(xù)時間等詳細工藝參數(shù)的值。

⑤如果滑動窗口過大,則FFT結(jié)果不能真實反映脈沖電流當前的變化,存在一定的滯后性;如果窗口過小,則FFT結(jié)果會有較大的誤差和震蕩。因此,求出了當前時刻的所有詳細工藝參數(shù)后,應(yīng)基于求出的脈沖頻率,重新調(diào)整新的滑動窗口范圍(建議取10個脈沖周期),作為下一個時刻的數(shù)據(jù)分析區(qū)域。

不同焊接方法和工藝宜使用不同的數(shù)據(jù)處理算法,如表2所示。這些算法不僅用于實時監(jiān)測報警,還可用于焊后質(zhì)量分析,例如對歷史數(shù)據(jù)進行逐點處理可繪制出詳細工藝參數(shù)的變化曲線,其中的具體數(shù)據(jù)既可以與工藝規(guī)范比較標記出潛在隱患的具體位置,又可以作為下述整條焊縫質(zhì)量評估的某項數(shù)據(jù)源。

表2 不同焊接工藝下的數(shù)據(jù)處理算法Tabble 2 Data processing algorithm under different welding processes

(2)整條焊縫的質(zhì)量評估。

質(zhì)量分析單元可給出某條焊縫焊接全過程每個工藝參數(shù)的總體平均值,用于判斷與工藝規(guī)范的符合程度;還可給出工藝參數(shù)的標準差,表示焊接過程的穩(wěn)定程度。此外還可繪制任意工藝參數(shù)的概率密度分布曲線,幫助分析焊接質(zhì)量。

電流概率密度分布示意如圖11所示,三條曲線分別表示大、中、小焊接電流下的一條焊縫的統(tǒng)計特性,曲線上的每個點表示整個焊接過程采集到的所有數(shù)據(jù)點中焊接電流等于該值的比例??梢姡怕拭芏确植紙D對冗繁的焊接工藝數(shù)據(jù)進行了大幅提煉,既可以直觀顯示工藝參數(shù)的總體大小,又可以體現(xiàn)工藝參數(shù)的波動程度,還可以找出峰值和基值(對于脈沖焊),甚至可以推測熔滴過渡的形式,是分析對比焊接工藝、評價整條焊縫質(zhì)量的有力工具。

圖11 焊接電流的概率密度分布示意Fig.11 Schematic diagram of probability density distribution of weld‐ing current

4 試驗驗證

4.1 系統(tǒng)準確性測試

以福尼斯MagicWave 3000氬弧焊機作為標準儀器進行電流精度測試。為提高測試過程中實際電流的穩(wěn)定性,采用不填絲表面重熔焊試驗,使實際焊接電流與設(shè)定電流能達到完全一致。由于測試用焊接電流遠小于霍爾傳感器的額定電流,為避免精度下降,將焊機電纜盤繞4圈進行多股測量(實際電纜外徑約為16 mm)。焊接前,在焊機電源上設(shè)置焊接電流為50 A,焊接過程中每5 s手動增加10 A,直至150 A后熄弧。記錄的焊接電流變化曲線如圖12所示,電流值相對誤差如表3所示。

表3 電流值相對誤差Table 3 Relative error of current value

圖12 電流精度的驗證Fig.12 Verification of current accuracy

電壓精度的測量采用穩(wěn)壓電源+萬用表方式。在穩(wěn)壓電源上手動設(shè)置初始輸出電壓為0 V,測試過程中每2 s手動增加1 V,直至25 V后關(guān)閉輸出。記錄的實際電壓變化曲線如圖13所示。電壓值相對誤差如表4所示。

圖13 焊接電壓變化曲線Fig.13 Verification of voltage accuracy

表4 電壓值相對誤差Table 4 Relative error of voltage value

4.2 采樣率測試

對采樣率的要求主要是為了使樣機能真實反映焊接電流電壓的波動情況,特別是脈沖焊的周期性特征。因此,使用信號發(fā)生器模仿焊機電源有規(guī)律地輸出變化的電壓波形來進行驗證。測試時,用兩個工藝參數(shù)采集模塊采集同一個電壓,并連接到同一個監(jiān)測終端進行同步顯示,順帶驗證樣機進行多機監(jiān)測時的性能。

首先運行監(jiān)測軟件,同時開啟對兩個工藝參數(shù)采集模塊的監(jiān)測。手動操作信號發(fā)生器輸出不同形式、頻率和幅值的電壓,在控件中以紅色實線顯示電流波形(無電流輸入),藍色實線顯示電壓波形,以黑點顯示實際采樣率,如圖14所示。由圖14可知,來自兩個模塊的數(shù)據(jù)幅值一致、頻率一致、變化同步,相互獲得驗證,且實際采樣率均在950 Hz左右。由此可見,一個監(jiān)測終端能同時高速采集至少兩個模塊的工藝數(shù)據(jù),不僅采樣率滿足要求,而且多機監(jiān)測時性能依然穩(wěn)定。

圖14 高速采集效果測試Fig.14 High-speed acquisition effect test

4.3 通信測試

通過軟件模擬不同數(shù)量的客戶端程序經(jīng)由5G CPE與上位機進行數(shù)據(jù)傳輸,對該測試系統(tǒng)的丟包率進行測試,通信協(xié)議為TCP/IP,模擬客戶端與服務(wù)器之間距離為250~300 m。結(jié)果表明,該測試系統(tǒng)可以保證以5G CPE為媒介進行數(shù)據(jù)傳輸時,丟包率為0,表明該系統(tǒng)能夠很好地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴?/p>

4.4 質(zhì)量分析測試

某自動焊車間環(huán)境下的測試工作現(xiàn)場如圖15所示。

圖15 某自動焊現(xiàn)場檢測試驗照片F(xiàn)ig.15 An automatic welding site inspection test photo

測試使用福尼斯TPS5000熔化極氣體保護焊機,但所有焊縫均采用脈沖焊工藝。運行監(jiān)測軟件,輸入必要的焊縫信息后,實時顯示并自動記錄測試過程中每一道焊縫的焊接情況。實際記錄了4個位置共28道焊縫的工藝數(shù)據(jù)(見圖16)。從平均電流和平均電壓來看,不同位置的同一道焊縫的焊接參數(shù)較一致,只有第2個位置的其中一道電流異常偏低。

圖16 某自動焊歷史信息Fig.16 An automatic welding history information

焊后進行橫截面宏觀金相檢驗,發(fā)現(xiàn)某個位置的前兩道焊縫有嚴重的未熔合缺陷(見圖17)。從監(jiān)測軟件中讀取其歷史數(shù)據(jù)并繪制出曲線圖,如圖18所示??梢悦黠@看出,在起弧后很長一段時間內(nèi),實際電流電壓都始終在無規(guī)律地劇烈波動,直到7 s后才突然達到穩(wěn)定狀態(tài),產(chǎn)生正常的脈沖電流電壓,此時滑動平均電壓曲線也變得非常平穩(wěn)。從工藝人員處得知,這正是特殊材料焊接時特有的工藝難題,經(jīng)常出現(xiàn)起弧后長時間不能穩(wěn)定、飛濺非常嚴重的現(xiàn)象,導(dǎo)致焊縫成形差,既不能與上一道良好熔合,形成的溝槽又不易被下一道熔合,從而在焊縫內(nèi)部留下質(zhì)量隱患。

圖17 焊接缺陷照片F(xiàn)ig.17 Welding defect photos

圖18 問題焊縫的工藝歷史數(shù)據(jù)分析Fig.18 Process history data analysis of problem welds

由此可見,使用監(jiān)測軟件提供的質(zhì)量分析工具對工藝數(shù)據(jù)進行分析,有助于快速排查隱患、確定缺陷位置、全面評估焊接質(zhì)量。

5 結(jié)論

(1)構(gòu)建了基于5G通信的焊接設(shè)備遠程監(jiān)控系統(tǒng),并進行了工程實際應(yīng)用,該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠,采樣率高。

(2)5G及信息化技術(shù)與焊接監(jiān)控設(shè)備的融合,有利于提升焊接過程在線監(jiān)控的數(shù)據(jù)傳送效率,進而提升過程監(jiān)控實時性,降低焊接成本。

(3)焊接數(shù)字化車間技術(shù)將實物、系統(tǒng)、環(huán)境、管理人員和一線工人進行集中化管理,對各類機器人焊接工作站或生產(chǎn)線的生產(chǎn)、設(shè)備、工藝等數(shù)據(jù)進行采集,實時集中化收集、傳遞、存儲信息,通過高級智能化分析,對焊接工藝流程進行全流程監(jiān)控。有利于推動重型裝備企業(yè)焊接制造向自動化、數(shù)字化、智能化,加速焊接技術(shù)的高質(zhì)量發(fā)展。

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