基于無線通信技術的焊接參數采集系統

馬曉平,遲俊吉,馬詩龍

(1.江蘇現代造船技術有限公司，江蘇 鎮江 212003；2.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

0 引 言

隨著焊接技術和通信技術的飛速發展，焊接工藝正朝著數字化、智能化、信息化、網絡化方向發展。在焊接過程中，各焊接工藝參數是否符合焊接作業標準是影響焊接質量的重要因素[1]。在實際生產過程中，由于焊接作業在生產中所占比重大，焊機數量多、分布范圍廣，作業人員水平差距大且屢有不按作業標準書要求的工藝參數進行焊機作業的情況，為保證焊接作業質量，管理人員往往需要不斷巡視和記錄焊接過程中的焊接電流、電壓等參數并與作業標準書所要求的參數進行對比，這種方式需要消耗大量的人力物力，工作效率較低且有一定的滯后性[2]。因此，構建生產車間焊機的工作參數實時采集系統，實現對焊機作業狀態參數的實時監控和事后追蹤，對焊接作業質量的提高以及工廠的現代化管理具有重要的意義。

雖然有學者對焊機工作參數采集系統進行了相關研究[2-5]，但仍存在一定的不足。在信號采集方面，現有的采集系統一般是通過直接引用焊機內部焊接參數顯示面板或焊機遙控盒內部的電壓、電流信號來實現的[2,5]，這種采集方式需對焊機進行相應的拆機作業，操作不當可能造成焊機相關部件損壞，影響焊機售后政策，同時隨著焊機內部元器件老化，焊機內部顯示面板的電壓、電流信號的準確性會顯著降低。在數據傳輸方面，現有的傳統焊機工作狀態參數采集技術主要以有線通信方式實現，如串行總線、現場總線、工業以太網等[4]，這種方式的采集系統靈活性較低，同時由于工廠焊機作業環境一般比較復雜，若采用有線傳輸則會帶來布線繁瑣、線路故障排查工作量巨大等問題。部分學者研究了無線通信技術在焊接參數采集方面的應用，這些研究主要停留在Zigbee和藍牙等技術上，Zigbee和藍牙通信技術雖然有功耗低等優點，但由于其傳輸距離短、傳輸速率低、傳輸數據量小等原因，在制造業相對復雜的焊接作業環境下實用性并不高。Wi-Fi技術以其傳輸速度快、覆蓋范圍廣以及接入成本低等優點在工業領域得到了廣泛應用[6]。針對焊機數據采集系統的研究現狀，本文結合焊機數據采集技術與Wi-Fi技術的優點，開發焊機工作狀態參數的無線采集系統，以實現為工廠焊接作業的高效管理和實時監控提供技術支持的目的。

1 系統總體設計

基于無線通信技術的焊接參數采集系統主要由焊機端監控器、無線AP(Access Point)、交換機和服務器組成，其總體結構如圖1所示。信號采集裝置上配有Wi-Fi模塊，可實現與無線AP的連接，每臺焊機上均安裝該信號采集裝置，以實現焊機工作參數的采集；無線AP作為數據傳輸的媒介，可保證信號采集裝置與上位機之間的數據傳輸；服務器上運行的監測系統可對接收到的數據進行分析、處理、存儲、實時顯示和事后查詢等操作，從而實現對焊接參數的實時監測。

圖1 焊機數據采集系統結構示例

2 系統各模塊硬件組成及功能

2.1 信號采集裝置

信號采集裝置系統結構如圖2所示，其主要功能是實現焊機工作參數的采集、臨時存儲和傳輸。該裝置主要包括STM32F103系列單片機、USR-WIFI232-B無線射頻模塊、信號隔離變換模塊、LCD顯示屏、存儲模塊和電源管理模塊等，其硬件設計如圖2所示。

STM32F103C8T6單片機是信號采集裝置的核心模塊，是一款以ARM 32位的CortexTM-M3 CPU為核心的單片機，其內部集成了64K RAM及20K SRAM，具備2個12位ADC模塊，工作電壓為 2.0～3.6 V。單片機內部燒錄了數據采集客戶端程序，以實現數據采集頻率的控制、前端模擬信號的AD轉換、寫入存儲模塊、控制Wi-Fi模塊實現與無線AP的連接以及與上位機之間的數據傳輸等工作。

為防止因網絡連接故障等原因而造成的數據丟失，在信號采集裝置中加入數據存儲模塊。該模塊可記錄對應焊機最近24 h的工作狀態參數，單片機將采集到的數據實時寫入該存儲模塊，每次數據傳輸完成后，單片機程序會將存儲模塊中的數據清空，同時在該模塊空間寫滿之后，新采集的數據會自動覆蓋最早的數據以便后續記錄。

圖2 信號采集裝置硬件設計框圖

2.2 無線AP

無線AP的主要功能是保證信號采集裝置與上位機的通信，由于工廠車間的環境比較復雜，一些大型設備及鋼結構廠房等對無線信號有極大的干擾作用，因此為了保證該數據采集系統的可靠性，必須保證無線信號的穩定性和強度的可靠性。本系統選用以色列進口的波訊WBS-2400作為數據傳輸的媒介，該無線AP支持IEEE802.11b/g/n無線標準及TCP/UDP等通信協議。經測試，在該無線AP半徑300 m范圍內可有效保證數據的傳輸，其有效帶機數在150臺以上。

2.3 上位機

上位機硬件主要由高性能PC組成，上位機需安裝SQL Server 2005數據庫，在其上運行上位機監測系統，該監測系統是基于C#語言開發的窗體程序。上位機監測系統的主要功能是完成數據的接收、解析、存儲、實時顯示及事后查詢等工作，處理后的數據存儲于SQL Server 2005數據庫。

3 系統軟件設計

3.1 信號采集裝置

信號采集裝置工作流程如圖3中信號采集端所示。采集模塊先將經過分流器采集的模擬信號進行隔離變換后，將所得模擬信號傳送給單片機，經單片機AD轉換后將模擬量變為數字量，然后寫入存儲模塊，信號采集裝置通過Wi-Fi模塊接入無線網絡等待上位機允許數據傳輸指令。

圖3 系統通信流程圖

為避免數據傳輸過程中客戶端發送數據的無序性，焊機端信號采集裝置采用被動上傳的方式進行數據傳輸，在未收到上位機允許傳輸數據指令之前，該裝置將采集到的數據存入系統存儲模塊中，當收到允許數據傳輸指令時，采集模塊將從收到該指令之前所采集的數據全部發送給上位機，同時將采集模塊內存中的數據清空，并開始下一次的數據傳輸。

在焊接作業過程中，起弧、收弧和焊槍抖動等原因會造成焊機工作電流、電壓的波動，由于對焊機的數據采集并非連續性，因此這些波動會對所采集的焊機工作電壓、電流參數的準確性產生較大的影響。本系統采用數字濾波的方法消除這些波動帶來的影響。在數據采集時，通過單片機控制采集模塊每100 ms采集一次焊機作業的電流和電壓數據，對1 s內的10次樣本數據求均值(算術平均濾波)后作為一個有效工作狀態樣本存入存儲模塊中。

3.2 上位機軟件設計

上位機工作流程如圖3中上位機端所示。為保證上位機所對應的焊機有序地向其傳輸數據，上位機上存有該服務器所對應的所有焊機的列表，在每一輪數據傳輸前上位機都會根據列表中的焊機順序遍歷一次焊機端信號采集裝置，通過遍歷獲得連接正常的信號采集裝置列表，上位機根據列表所列焊機的順序依次與焊機端信號采集裝置建立連接并完成每臺焊機的數據接收，當一個焊機端信號采集裝置與服務器傳輸完畢后，服務器會斷開與其連接并向下一個信號采集裝置發送數據傳輸指令，以完成數據的傳輸及存儲工作。信號采集裝置發送的每條數據中應包含設備ID，焊機作業電壓、電流，數據采集時間，焊機作業狀態(焊接、待機、關機)等信息。

圖4 上位機程序工作界面

上位機程序工作界面如圖4所示，用戶可在該界面實現數據庫服務器、數據表名和端口號的設定，同時還可直觀地查詢當前連接的客戶端、當前ID編號的焊機對應的焊機工作狀態參數及所收到的消息條數等信息。

3.3 通信協議及實現方式

該焊機工作狀態參數采集系統信號采集裝置與上位機之間的通信過程是一個典型的基于TCP協議的Socket通信過程[7]，信號采集端程序燒錄于信號采集裝置單片機芯片內，上位機運行服務器端程序，TCP協議的采用可保證數據傳輸的可靠性，從軟件層面避免丟包現象的發生。基于TCP協議的Socket通信過程如圖5所示。

圖5 基于TCP協議的Socket通信過程

4 試驗驗證

4.1 系統準確性測試

為驗證該系統準確性，以OTC CPVE400焊機為測試對象，使用該系統對其在室溫條件下的焊接參數進行監測。測試結果如表1所示。從表1可以看出，在試驗條件下該系統所測焊機的電壓和電流的最大相對誤差為0.63%和0.46%，結果表明該焊機工作狀態參數采集系統能夠有效保證數據檢測的準確性。

表1 OTC CPVE400焊機測試結果

4.2 系統丟包率測試

通過軟件模擬不同數量的客戶端程序經由WBS-2400與上位機進行數據傳輸，對該測試系統的丟包率進行測試，通信協議為TCP協議，模擬客戶端與服務器之間距離為250～300 m，測試結果表明該測試系統可以保證當WBS-2400為媒介進行數據傳輸時，該系統丟包率為0(丟包率按式(1)計算)，表明該系統能夠很好地保證數據傳輸的完整性。

(1)

5 結 論

針對當前焊接作業缺乏有效監管手段的現狀，結合Wi-Fi通信技術的優點，設計基于無線通信技術的焊機焊接參數采集系統，并對該系統的有效性進行試驗驗證，結果表明：

(1)在使用該測試系統監測和記錄焊機工作參數時，電流和電壓的最大相對誤差分別為0.63%和0.46%，能夠保證所采集數據的準確性。

(2)丟包測試結果表明該系統在數據傳輸和存儲時不存在丟包現象，可完整地記錄焊機焊接作業過程中的工作參數。

(3)該系統可實現對焊機焊接參數的有效采集及事后查詢，同時避免傳統采集方法的布線問題等弊端，能有效幫助企業實現對焊接作業的高效管理。

(4)該系統目前只能采集焊機焊接作業參數，后續應加入焊接參數與焊工信息的綁定功能以進一步支持企業對焊工的規范化管理。

(5)該系統后續可加入焊機工作狀態的監控，如工作、待機、關機等，通過一定時間段的數據統計和分析后，可對企業焊機資源的優化配置提供技術支持。