海底管道鋪設自動焊接設備人機系統設計與實現

黎 娟 ，羅 雨 ，周燦豐 ，韓肖亮 ，楊成功 ，路 浩

（1.北京化工大學機電工程學院，北京100029；2.北京石油化工學院機械工程學院，北京102617）

0 前言

海底管道是海上油氣生產及運輸的重要組成部分[1]。焊接施工是海底管道鋪設過程中的重要環節，對鋪管質量和效率具有重要影響[2]。我國海底管道的焊接技術已由焊條電弧焊向下立焊工藝發展到現在的半自動焊及全自動焊工藝，并已達到國際先進技術水平[3]。海底管道自動焊接是管道不能轉動的環縫焊接，焊接中電弧運動的實際位置不斷變化，需要焊接參數能相應地發生改變和調整，以保證熔池在電弧力、熔池表面張力、熔池自重下達到平衡[4]。人機交互系統是焊接設備最直接的操作界面，是操作者向焊接設備輸入各種參數、發出指令和觀察現場的窗口[5]。不同的焊接方法和工藝，其工藝過程和焊接參數設置存在較大差異[6-7]。因此，靈活友好、可拓展性強的人機交互系統是深水立管鋪設自動焊接設備實用化的一個重要方面。

1 人機系統的設計

1.1 人機交互系統總體架構

人機交互系統采用C#語言編寫，由人機界面與軟件程序組成。軟件程序采用模塊化結構，包括通訊模塊、數據存儲模塊、監控報警模塊等。通訊模塊實現人機系統與焊接設備TwinCAT控制系統之間的通信；數據存儲模塊實現實時焊接和非實時焊接參數的讀取、記錄以及存儲；監控模塊監控焊接過程的實時變化。人機交互系統的總體結構如圖1所示。

圖1 人機交互系統的總體架構Fig.1 Overall architecture of human-machine system

1.2 人機界面的設計

基于用戶使用習慣，人機界面采用菜單式扁平化設計結構，界面簡潔明了，用戶易懂易學。人機界面分為三級：一級是主界面，可監控焊接過程參數（包括焊接速度、焊縫位置、擺心位置等參數）；二級是功能界面，可以分別查看和設置控制參數及分區參數；三級是數據處理界面，該界面與Access數據庫連通，可以實時查看焊接過程中的運行數據，并且以實時曲線的形式直觀呈現。人機界面架構如圖2所示。

圖2 人機界面架構Fig.2 Architecture of human-machine interactio

2 通訊模塊設計

海底管道鋪設自動焊接設備采用TwinCAT控制系統。在TwinCAT系統中，各個軟件模塊（如TwinCAT PLC、TwinCAT NC、Windows應用程序等）能夠獨立工作，各個軟件模塊之間的信息交換通過TwinCAT ADS 完成。ADS（Automation Device Specification）即自動化設備規范，它為設備之間的通訊提供路由。TwinCATPC和Beckhoff控制器中都包含TwinCAT信息路由器。因此各個ADS設備之間能夠交換數據和信息。基于ADS的TwinCAT系統構架如圖3所示。

圖3 基于ADS的TwinCAT系統構架Fig.3 TwinCAT system architecture based on ADS

每臺TwinCATADS設備都有各自的AdsAmsNetId和AdsPort，以相互區別。AdsAmsNetId是TCP/IP地址的擴展，存在于每臺TwinCAT PC或Beckhoff控制器中。每臺ADS設備（ADS Server）的AdsPort都各不相同，且固定不變。而ADS客戶端（ADS Client）應用程序的AdsPort則是可變的。ADS設備與其他設備之間可通過訪問變量的方式通信，TwinCAT ADS訪問變量有兩種方式：一種采用尋址方式，另一種采用變量名方式。本研究設計的人機系統是采用變量名方式實現與TwinCAT控制系統之間的數據交換。

人機系統采用基于.NET平臺的C#語言編寫，人機系統與TwinCAT控制系統的通信采用ADS通信方法，其.NET調用流程如圖4所示。

圖4 .NET調用流程Fig.4 .NET call flow

3 人機系統的實現

3.1 一級主界面的設計

管道安裝對接是管道不能轉動的環縫焊接，焊接中電弧運動的實際位置會不斷變化，焊車位置、焊縫位置也實時變化。因此，主界面主要顯示當前任務狀態和焊接過程中的實時數據，以監控整體的焊接過程。主界面如圖5所示。

3.2 二級功能界面的設計

二級功能界面主要包括設置焊接控制參數和區位控制參數。管道焊接屬于多層多道焊接，完成整個焊縫的焊接需要經過打底、填充、蓋面多道工序。多層多道規劃后，根據焊接工藝要求確定起弧和停弧位置，每層焊道的停弧位置與起弧位置有一定的搭接。但是為了防止應力集中影響焊接質量，上一層焊道搭接區不能與下一層焊道搭接區域重合[8]。設置二級功能界面的參數，根據不同的焊接道次設定不同的焊接參數。此界面可以設置擺動單元、焊接電源、焊接小車的參數。擺動單元中的擺動速率、擺動寬度、邊際駐留時間等參數根據不同焊接道次分別進行調整。

圖5 一級主界面Fig.5 Main interface

管道焊接普遍采用的區段劃分方式為：將整個圓周焊道劃分為2個半圓周，每個半圓周劃分為12大段。對分區的13個特征位置進行焊接參數設置，系統可以插值計算出不同位置相匹配的焊接參數。

3.3 三級數據處理界面

深水立管鋪設自動焊接設備在焊接過程中焊接工藝參數多、焊接過程數據量大，采用Access數據庫可有效管理焊接數據，為檢查焊縫缺陷、摸索及優化焊接工藝參數建立基礎數據支撐。建立深水立管焊接數據庫，首先需要人機系統與Access數據庫進行通信，然后根據用戶需要在Access數據庫中創建記錄立管焊接工藝參數的表格模板，不同參數功能的表格有不同模板。通過ADO.NET數據訪問接口，實現焊接數據與Access數據庫之間的數據傳輸。建立變量記錄體與表格模板的對應關系，記錄與存儲實現實時焊接參數。建立的Access焊接工藝參數數據庫如圖6所示。

通過調用DataSet函數可實現焊接過程實時數據的調用，還能將這些數據在時間軸上展開完成實時數據的顯示，形成可動態觀測的曲線，為后續研究焊接質量控制、分析焊接電弧信號變化規律提供較為有效的技術手段。在焊接過程中，焊接電流和電壓是兩個非常重要的參數，通過實時曲線的動態觀測，可以更直觀地看出焊接電流與電壓的穩定性。

圖6 焊接工藝參數數據庫表格Fig.6 Welding process parameters database tables

4 結論

（1）設計的人機系統采用C#語言編寫，人機系統與TwinCAT控制系統之間采用ADS通訊方法進行數據交換，并采用Access數據庫進行數據存儲，具有實時性高、數據處理能力強的優點。經試驗表明，在實際焊接過程中可實現以0.1 s/次速度保存數據。相比于現有的用組態王編寫的人機系統每1 s/次的速度保存數據，人機系統的數據處理能力更強，可以更好地適應目前階段海底管道鋪設自動焊接設備的數據處理要求。

（2）該人機系統根據海底管道鋪設自動焊接工藝特點進行設計，實現了實時數據監控、焊接參數設置、數據庫存儲及實時曲線等多種功能，具有功能齊全、操作方便、人機友好的特點，符合海底管道鋪設自動焊接的要求。人機系統程序采用模塊化結構，可拓展性好，為后續實現整個焊接系統的集成化提供了可能。

[1]楊偉.深水海底管道J型鋪設工藝及設備研究[J].石油礦場機械，2013，42（1）：14-20.

[2]王東健，商獻嶺，劉東海.海底管道焊接技術現狀及對策分析[J].山東工業技術，2015（4）：22.

[3]李春潤，鄭樹森.海底管道焊接技術現狀及對策[J].金屬加工，2009（4）：14-20.

[4]羅雨.海底管道鋪設焊接機器人系統研究[D].北京：北京化工大學，2012.

[5]鄒勇，蔣力培，薛龍，等.管道全位置焊接機器人人機交互系統[J].電焊機，2009，39（4）：56-58.

[6]周雪珍，朱志明，符策健，等.多功能數字化弧焊逆變電源人機交互系統[J].電焊機，2007，37（1）：6-10.

[7]李力，胡繩蓀，姬軒.數字化焊接電源人機交互系統的設計與實現[J].三峽大學學報，2007，36（4）：52-54.

[8]李概.基于視覺傳感管道焊接機器人跟蹤系統研究[D].黑龍江：哈爾濱工業大學，2007.