智能焊接装备物联网平台的研究与设计

张志鑫，张波，胡德计

（天津商业大学信息工程学院，天津300134）

1 引言

焊接装备是制造业的重要组成部分，广泛应用于航空航天、汽车、石化、机械加工、家电制造等行业。在焊接生产中焊接过程的工艺参数控制直接影响到焊接质量的好坏。在传统应用中，焊接质量是通过稳定焊接工艺参数和焊后检验来保证的，由于焊接过程存在大量随机影响因素，仅通过稳定工艺参数无法完全避免焊接缺陷的产生，实时性差，不能及时发现焊接缺陷，有缺陷的接头只能返修或报废。特别对于大量使用电阻焊的场合，亟待解决点焊缺陷在线识别和质量分类等问题，以便减少目前采用的焊后探伤和破坏性抽检，提高生产率、降低成本。

随着测量技术的进步以及计算机处理能力的提高，焊接过程动态信号特征采集与显示受到了焊接行业的重视。采集焊接过程记录信息并加以分析逐步成为焊接质量控制的一种有力手段。这些记录数据和焊接过程密切相关，比较重要的参数包括焊接电流、焊接时间、焊接压力、动态电阻、能量等。这些参数能够反映焊接过程的完整性及合理性，同时也能反映影响焊接质量的各种因素的变化情况，如母材与电极表面状态、临近焊点的分流、散热情况、电极电压波动等。截至当前，国内外新型控制器基本具备了焊接过程数据采集和设备控制能力，但控制系统难以实现系统与外界之间的信息交换，是一个“信息孤岛”。

2 国内外研究现状及发展趋势

近年来制造业对其技术数据共享的要求与日俱增。在焊接方案设计与评定，工艺参数选择等过程中，工程师们必定要查询大量的焊接数据和焊接标准，虽然国内在几十年的生产实践活动中积累了大量的焊接技术数据，但由于没有统一的处理与分享机制，导致其形式各异，再加上区域限制，一定程度上阻碍了信息的传播与共享。要满足焊接控制器数字信息化要求，实现整个企业，甚至是企业之间的信息集成与共享，形成综合焊接数据网络，需要设计出一种能够在工业环境中运行，性能可靠、造价合理的通信系统构成工厂底层网络。

目前，国内外焊接工作者在焊接生产过程管理信息化方面做了大量研究，例如阻焊焊工技术档案管理系统、电阻焊焊接工艺专家系统、电阻焊焊接工艺定制系统等，但这些研究还主要集中于独立焊机或车间的生产管理与决策，离焊接装备的网络化还有一定距离，“信息孤岛”仍然限制了焊接数据发挥价值。

能否依托互联网、物联网技术，通过纵向贯通，横向集成的思路，整合各个“信息孤岛”，构成电阻焊焊接数据综合数据库，实现数据挖掘、信息共享，辅助分析等目标，为焊接工艺优化、焊接质量控制以及焊接工艺标准制定提供大数据支撑；同时与企业现有的网络信息系统无缝连接，最终实现海量焊接数据收集、分析、追溯和工艺的网络化管理监控；通过PC、移动终端等设备对数据及分析结果快速查看，提高焊接质量控制和焊接制造过程的敏捷性等均成为市场的迫切需求。

3 平台总体设计

智能焊接装备物联网平台的建设目标是运用物联网、互联网技术，将焊机等生产设施接入网络，构建基于云数据管理的网络化物理设备系统，进而使生产设备能够将工作信息、记录等通过网络信息平台产生延伸价值。加快生产制造实时数据信息的感知、传送和分析，促进生产资源的优化配置。同时，利用互联网的广域性和PC及移动终端性能的提升，维护人员在异地就能实时了解千里之外焊接控制器现场情况，有助于合理制定检修计划，大幅节约运维资金。

智能焊接装备物联网平台系统结构分为三层：焊接站点控制接入层、应用服务提供层和数据服务层。

①焊接站点控制接入层。焊接站点控制接入层由智能焊接装备智能联网控制器、焊接控制系统和焊接机器人组成。智能焊接装备智能联网控制器是焊接站点控制接入层的核心，负责焊接站点工作数据的采集、传输到云端和云端远程控制指令的执行。控制器通过内置的可扩展的工控协议库和焊接控制系统通讯，可以实现不同类型焊接装备控制系统的接入。同时联网控制器提供多种物联网通讯协议如TCP/IP、WIFI和4G/3G等将数据传入云端数据服务器，并可接受来自云端的控制指令，实现对焊接工作站的双向控制。②应用服务层。应用服务层是基于云端的焊接装备管理控制系统，将提供基于平台网站的浏览器管理、基于PC的桌面应用程序、基于移动WebAPP的管理控制方式，实现多种形式的焊接装备数据表现和管理控制。③数据服务层。数据服务层包括智能焊接装备数据池和基于数据资源的应用服务两部分。其中焊接装备数据池的数据模型由焊接装备的基础数据、状态数据、生产数据和决策数据构成；应用服务包括大数据分析、数据挖掘、决策支持和数据增值服务等。

4 平台研发技术

平台研发主要包括智能联网控制器和焊接装备物联网平台两大部分，涉及到了硬件系统、嵌入式软件、云端应用软件等多个系统，其中：

4.1 智能联网控制器

智能联网控制器是整个智能焊接装备物联网平台的前端采集模块，主要负责与焊接设备控制系统通讯，采集焊接设备工作状态信息和数据，并通过有线或无线网络发送到物联平台，同时通过物联网平台接收各类控制指令，通过设备控制系统控制焊接设备的运行。联网控制器由STM32 F407单片机核心系统，电源模块，外围控制模块，数据采集模块，通讯模块构成。其硬件基本构成如图1所示：

图1 —智能联网控制器硬件系统结构图

各模块主要部分的功能如下：主控机核心单片机，主要负责接收焊接设备异常工作的报警信号，进行数据分析、处理，控制网络通信模块向平台发送信息。单片机和通信模块之间通过RS485进行双向通信。通信模块负责向平台发送工作状态数据和发送报警信息，并接收平台对单片机的控制信息；数据采集模块：主要由模拟电路、电流变送器、电压变送器以及霍尔电压传感器、电流传感器等构成，完成焊接电压、电流等参数的检测，并将获得的数据传输给单片机控制系统；外围控制模块即继电保护模块，当单片机发出决策指令后，该模块的继电器和断路器等完成弱电控制强电的工作。

4.2 焊接装备物联网平台

焊接装备物联网平台分为三个层次来实现：控制接入层、应用服务提供层和数据服务层。其中控制接入层负责智能联网控制器的通讯协议解析和数据传输；应用服务提供层提供数据处理逻辑、数据表现和数据应用；接入层通过应用服务提供层和数据服务层通讯，是焊接设备工作数据和控制数据的处理层；数据服务层是实现监控和报警数据的存储、管理的工作，为整个系统提供数据支持服务。应用服务器采用基于Pascal语言的Delphi7开发工具来实现，主要实现焊接装备管理、焊接规范管理、焊接装备状态监控、焊接数据统计分析、历史数据曲线重现、焊机故障实时提醒等功能。后台数据库采用MYSQL数据库，主要存储记录焊接设备、焊接记录、焊接时间、焊接电流、焊接电压、报警阈值等信息。

整个采用B/S访问结构，访问前端采用HTML5技术研发实现，HTML5具有良好的跨平台、自适应的良好特性，保证用户可以同时使用PC浏览器、安卓手机和苹果手机等多种终端访问焊接装备物联网平台。

5 结语

本研究通过智能联网控制器实现离散分布焊接工作站的互联互通，并可进行远程控制、多机协同，自主生产、单点焊接规范智能匹配、生产质量的实时监控和调节等主动生产行为。同时，逐步形成包含焊接生产过程基础数据、状态数据和生产数据的数据池，未来可借助数据挖掘、人工智能等技术对焊接大数据进行决策分析，为焊接生产过程提供决策支持和数据服务。通过引入互联网元素，促进传统焊接企业向互联网+焊接转型。