基于IPv6的電焊機集群監控系統的設計與實現

梁偉 楊晨婷 張哲 孫榮偉 孫汕杰

（常熟理工學院計算機科學與工程學院 江蘇省常熟市 215500）

過去的十幾年見證了物聯網研究及應用的飛速發展。與此同時，隨著“工業4.0”的戰略計劃的提出，工業生產開始探索新的發展方向，而智能生產被認作現代工業發展的最新趨勢。工業生產智能化以物聯網作為基礎，將無線通通信技術生產節點連接成網絡，再輔以先進技術，如云計算、大數據分析、邊緣計算、人機交互等，可以對工業生產過程進行優化、提高生產效率。

焊接產業作為傳統工業的一種，同樣也需要迎合這種發展趨勢。傳統的焊接生產過程，其中有許多問題。譬如，因為焊接大多數運用高壓、高溫等其他技術實現了金屬與金屬間的重新鑄造或者接合，這個工程中會產生較多的有毒害的氣體、光的輻射污染、噪音的污染和廢塵污染，這導致焊接車間的環境十分惡劣；同時，傳統焊接工廠因為產量需求往往需要機器24 小時不停機運轉，因而采用一人一設備，甚至多人一設備的工作方式，這就需要消耗大量的人力資源；此外，傳統生產設備是獨立的個體，沒有連接組網，無法實現集群化管理，導致一些重要的生產參數無法及時或記錄不全，給企業的優化、改革帶來了阻礙。

IPv6 作為下一代互聯網的核心，利用6LoWPAN 作為媒介，將工業物聯網與互聯網進行聯接，這將為給工業生產現代化帶來質的飛躍。針對上述問題，本文設計一種基于IPv6 的焊接集群監控系統，以此來改善、解決傳統焊接產業中出現的問題。

1 焊接監控系統研究現狀

1.1 傳統的電焊機監控系統現狀

大部分人工檢測，需要較大的勞動力，對勞動條件的要求比較高，生產效率也比較低；它有無法控制的生產能力，更新換代也不容易實現。而且對零件的處理能力和質量有不利的影響。采用傳統有線通信系統中的線纜設備，生產成本較高。除此之外，該類設備大部分都是集成設備，具有較大的體積，靈活性比較差，而且無法嵌入到焊接的設備中，與此同時還要布置纜線，這樣下來會給車間帶來很多問題。

1.2 已有的焊接管理系統研究狀況

對于傳統焊接，因為產業管理存在一些問題，國內外設備生產廠商、院校和機構都競相投入到焊接監控系統研究中，并且取得了不少研究成果。這些通過研究獲得的焊接監控系統架構上基本上都是采用的是三層形式，分別是感知層、網絡層以及應用層。因為網絡層中采用的通信方式有所不同，所以可將它們分成如下兩種，一個是基于有線通信技術，另一個則是基于無線通信技術的焊接系統。使用焊接監測設備不但降低了廢品率和產品的成本，也提高了焊接設備的利用率，與此同時也降低了工人操作失誤所帶來的殘次零件風險等其他因素，并且帶來的效益也是顯而易見的。

譬如目前，在工業物聯網、智能傳感器和傳統制造業相互結合的背景下，具有通過物聯網技術來解決工業控制中存在的監測問題。在傳感器與網絡技術的基礎上，研制出一套可以進行實時監測和控制的數字化焊機焊接質量管理的系統，并且可以滿足焊接生產過程的實際需要,將其用于比較重要的焊接監測。通過在研究的過程中分析目前的焊接生產質量管理系統的益處和缺點,建立一種運用Wi-Fi 技術為組網,并采用MQTT 物聯網傳輸協議以解決數據傳輸問題的可靠數據通信網絡。

同時此系統也存在有缺陷。比如，室內約110m，室外大約210m 的Wi-Fi 覆蓋范圍無法滿足公路交通、海運和航天等較大的焊接生產車間監控，而且需要布置多個Wi-Fi 接入節點，因此會給節點組網帶來不少弊端；除此之外，Wi-Fi 通信安全性不高，焊接數據采集的安全性沒有辦法得到相應的保證。

在上海交通大學朱俊杰等人設計的基于ZigBee 網絡的焊接監控系統中，其結構是運用了電流和電壓等傳感器，實現電焊機的焊接電流、電壓等數據的采集，借助ZigBee 網絡將數據上傳至上位機監測平臺，從而實現對整個焊接生產過程的監測。該系統能夠適應生產車間惡劣的環境，并且解決了的以傳統串口RS485、CAN總線電纜布設的一系列問題，并且數據信號通信不容易受到干擾。

然而ZigBee 技術本身也具有一定的缺陷，因為ZigBee 供電是低功耗的，所以基于ZigBee 通信網絡傳輸速率很低、且只有30-70m 覆蓋的范圍。此外，基于ZigBee 的無線焊接網絡當需要與Internet 網進行通信時，則要另外加入協調節點。

1.3 論文研究的主要內容

本文主要是針對現在已有的成果中所存在的問題，提出基于IPv6 的焊接生產集群監控系統，實現對電焊機焊接生產的遠程管理。根據焊接工業的生產過程以及生產管理的需要，對焊接監控管理系統的總體架構進行了設計：分為感知層、網絡傳輸層與應用層，定義了各層的功能和所使用的技術；按照生產需要，在焊接設備上布設與之相應的傳感器進行監測數據采集，并且同時完成網絡通信的搭建和調試，從而完成IPv6 網絡的組建；采用C++和SQL 開發電焊機監控系統上位機運行的軟件管理系統，從而實現IPv6 焊接設備網絡監測，實現企業監管部門能在個人終端遠程訪問與控制焊接過程。同時實現將焊接監測設備體積縮小，不占據工作空間，使其成本降低適合大規模量產；此外實現設備的集群化管理，實現在一個終端管理多臺電焊機。

圖1：數據的采集、傳輸圖

圖2：焊數據采集端

圖3：下位機系統結構圖

圖4：現場總控制中心

2 IPv6焊接設備網絡監測系統功能和網絡的架構

2.1 系統的主要功能

該系統實現IPv6 焊接設備的網絡監控、對焊接生產參數進行實時的采集，根據焊接生產管理的需求，本系統的主要功能如下：

焊接數據感知、采集。根據生產的需要、設備的區別采用相應的數據采集方式。對于模擬電焊機，在電焊機上布置電壓、電流等傳感器對焊接參數進行采集，并將數據傳輸至下位機；對于數字電焊機，則直接通過數字接口與下位機相連，下位機直接讀取焊接實時參數。

焊接數據的傳輸。每個設備節點都分配有IP 地址，數據通過基于6LoWPAN 的無線網傳輸至總控制中心，最后所有數據通過IPv6 網絡傳輸至云端服務器。

（1）焊接設備的管理。焊接監控系統在提供焊接參數監測采集的同時也為焊接設備提供一定的安全保障。在數據采集端的下位機上設置有相應的焊接參數閾值，當采集到的數據超過預警值會觸發蜂鳴報警。

（2）焊接數據管理。云端數據存儲在服務器上，數據可以通過基于B/S 架構的軟件進行顯示。軟件將數據整理成可視化圖標、生產報表等供管理者查看、分析。

2.2 系統架構

整個焊接監控系統是在IPv6 網絡基礎上實現的。系統架構共分為三個層次，分別為焊接數據采集層、焊接數據傳輸層以及云端服務器。如圖1所示。

2.2.1 焊接數據采集層

在焊接數據采集端，每臺設備是一個節點，整個焊接生產車間所有設備節點通過基于6LoWPAN 無線通信技術組成一個網絡，采集到的數據如電壓、電流及人員操作信息通過6LoWPAN 邊界路由傳輸至總控制中心。采用6LoWPAN 協議可以解決無線傳感網絡與IPv6 網絡之間的數據幀長度不匹配問題，實現在IEEE802.15.4 標準上應用IPv6 協議。此外數據采集端的下位機允許焊接工人對一些生產參數進行設置。

2.2.2 焊接數據傳輸層

采集到的數據通過6LoWPAN 邊界路由傳輸至總控制中心，總控制中心將數據由網關通過下一代IP 通信協議（IPv6）傳輸至云端服務器。IPv6 可以有效的解決IPv4 地址資源不足的問題，能實現每臺設備擁有唯一的地址。

2.2.3 云端服務器。

云端服務器主要負責焊接數據的存儲、分析處理及展示。云端網絡層將由總控制中心傳來的數據存儲在數據庫中。同時，云端服務器配有基于B/S 框架開發的云平臺服務程序，用于將數據進行可視化處理。數據最終可以以圖表、數據報表的形式展示在Web 界面。

3 焊接監控系統感知節點

3.1 節點結構

焊接數據采集節點負責生產數據的原始采集如圖2，根據焊接設備的不同可將采集模塊分為兩種：模擬焊接設備數據采集以及數字焊接設備數據采集。其中模擬焊機的參數需要通過傳感器來采集。將電壓傳感器、霍爾電流傳感器布置到電焊機上，輸出端口與下位機連接。數字焊機通過焊機的數據接口與下位機相連，直接讀取焊接數據。下位機提供RS232、USB 等接口。

下位機負責對傳感器或數據接口傳輸過來的原始數據進行預處理，并向監控中心傳輸數據；同時承擔遠程監控中心傳來的指令的接收及下發工作如圖3。傳感器模擬信號經A/D 轉換變成數字信號。為保證設備的靈活性、監測的持續性，下位機采用基于Cortex-M3內核的STM32 處理器，低功耗特點使其可以采用電池供電。數據通過RF 傳輸至邊界路由。

3.2 數據通信

下位機中接收到的數據通過基于IEEE802.14.5 標準的CC2530無線傳輸網絡傳輸至6LoWPAN 邊界路由。由于邊界路由接收到的來自下位機的數據包為縮減后，在IEEE802.15.4 標準上流通的數據包格式，所以在邊界路由與Internet 網絡之間加上6LoWPAN 網關，用于對數據包進行擴充、修改，使其能在IPv6 網絡上傳輸。對于從Internet 網絡傳輸過來的指令則進行反向操作，將數據包進行縮減，通過邊界路由無線傳輸至下位機如圖4。

4 軟件平臺設計

4.1 6LoWPAN網關設計

6LoWPAN 網關是無線傳感網絡與IPv6 主干網絡通信的核心。IPv6 充足的地址量能為每臺設備配置一個唯一的IP 地址，然而IEEE802.15.4 協議的幀結構使得IP 協議無法應用在其上。因而在網關的設計上使用IETF 定義6LoWPAN 協議。在物理層和數據鏈路層仍沿用IEEE802.15.4 標準。在數據鏈路層之上加入6LoWPAN適配層，用于對IPv6 數據包進行精簡，以及對IEEE802.15.4 下的數據幀進行擴充。網絡層采用IPv6 協議。

4.2 B/S監控平臺架構的設計

IPv6 焊接設備網絡監測系統中的遠程監控端分成PC 監控端和個人移動終端兩個。前一個由互聯網通信實現實時監測電焊機焊接數據以及傳輸相應指令；后一個則是通過IPv6 網絡來實現個人移動終端的。

5 IPv6焊接設備網絡監測系統軟件設計

5.1 下位機的軟件系統設計

在身份認證通過后，下位機設備開始初始化，IPv6 模塊初始化，開始進行數據采集。具體流程如圖5。

由圖5 可知，身份驗證之后，STM32 單片機初始化，IPv6 模塊初始化；Ipv6 模塊組網成功后，進行焊接數據的收集，如果有數據的傳入，判斷是否到轉發的時間，反之則重復數據詢問；如果到轉發時間，通過IPv6 模塊轉發數據。

5.2 上位機軟件系統

上位機軟件是由用戶界面和數據庫兩部分組成，其中用戶界面具有許多不同功能。用戶通過身份認證后就可以登錄進入用戶界面。用戶可以在用戶界面對焊接數據進行操作；數據操作可以細分為對數據的增、刪、改、查這些部分。數據庫部分主要與前端的用戶界面相連接，提供數據支持和用戶操作如圖6。

圖5：下位機的工作流程圖

圖6：用戶通過IPv6 訪問云平臺圖

圖7：云平臺指令發布圖

5.3 遠程監控端軟件系統

遠程監控端軟件是由Web 頁面和云端數據庫所組成。登陸設計的Web 頁面，在通過身份認證后即可焊接車間的焊接數據；可以自行選擇顯示指定焊接設備或著所有焊接設備的數據信息；個人終端可以同時從Web 頁面發送指令至焊接設備，實現焊接的集群化和遠程化操作。實現企業監管部門能在個人終端遠程訪問與控制焊接過程。同時實現將焊接監測設備體積縮小，不占據工作空間，使其成本降低適合大規模量產；此外實現設備的集群化管理，實現在一個終端管理多臺焊接設備如圖7。

6 系統測試和焊接數據分析

對IPv6 焊接設備網絡監測系統各個設備進行配置調試之后，進行過多次模擬測試。通過測試，通過電焊機上的電流電壓數據采集傳感器采集數據，采集電流電壓數據，并將數據傳輸到數據處理中心，在監控端可以準確地接收來自IPv6 焊接設備傳感器數據采集端發來的數據，并能夠對焊接過程進行有效地控制，以及用戶可以在上位機進行相關的控制命令操作。

表1：方差分析結果

在上位機操作控制的窗口，設有電焊機焊接生產的電流電壓上下限的控制按鈕。管理的工作人員可以根據焊接生產的需要來設置相應的所需要的焊接電流電壓安全閾值。顯示窗口界面包括電焊機焊接網絡數據采集端所采集的電壓、電流數據信息、焊接操作工工號和焊接設備編號。此外還有初始電壓、電流安全閾值，供數據監控端的管理者進行分析對比。

為保證IPv6 焊接設備網絡監測系統通信可靠性，在焊接生產車間進行了現場的測試。現場測試包括了認證系統身份、采集數據、設置安全閾值、顯示數據、傳輸指令等。在數據收集過程中，需要每個傳感器采集到的有效數據以無線傳輸方式及時、準確的傳回服務器。在焊接數據采集端，每臺設備是一個節點，整個焊接生產車間所有設備節點通過基于6LoWPAN 無線通信技術組成一個網絡，采集到的數據如電壓、電流及人員操作信息通過6LoWPAN 邊界路由傳輸至總控制中心。采用6LoWPAN 協議可以解決無線傳感網絡與IPv6 網絡之間的數據幀長度不匹配問題，實現在IEEE802.15.4標準上應用IPv6 協議。此外數據采集端的下位機允許焊接工人對一些生產參數進行設置。測試結果顯示，IPv6 通訊節點在測試車間通信性能可靠性能夠保證。與此同時，上傳數據和下發指令的時間延時小于1s，能夠滿足了焊接生產需要。

焊劑選擇的標準：Basicity 基本指數、焊接工藝后形成的焊縫性能（特定元素的含量：碳、硅、錳、鉬、鉻、鎳；強度、屈服點、延伸率）和價格。焊接性能不但會受焊劑的影響，還會受所用焊絲的影響。為了達到研究的目的，從5 個不同的生產商的商業報價中收集了焊劑的輸入數據。

焊接數據分析采用凝聚法采用層次分析法，選擇一組給定的焊劑和焊絲組合，采用聚類分析方法進行數據的分析。聚類分析是用來選擇最接近的焊接材料組的有效工具。首先收集必要的描述分析對象的客觀、同質和完整數據，使用支持聚類分析的專業軟件。為了獲得可靠的分析結果，仔細準備和整理數據，因為聚類分析對于這些會受到很大的影響。采用歐幾里德距離和分組技術ward 法對聚類對象進行聚類。ward 方法使用方差分析來求最小化簇內距離偏差的平方和。進行焊接數據的分析。在聚類分析的下一步中，使用在上一步中選擇的聚類數作為廣義k-均值方法的輸入。表1 顯示了方差分析的結果，該分析的目的是找出所分析數據集的哪些特征在所獲得的聚類之間有顯著的差異。實驗證明，交叉驗證所假設的準則的最優群數也是4。在超過4 個集群的情況下，成本變得不相關。然后，也采用了廣義k-均值法對結果進行了分析。分析參數包括歐氏距離、隨機選擇初始聚類中心和50 次迭代。

表1 方差分析的結果表明，為聚類分析選擇的所有特征有助于區分聚類，這意味著至少一個聚類的平均值與所考慮的每個特征的其他聚類的平均值顯著不同。并且在所有分析的特征上使用Y 軸上的單個標度應用聚類分析方法解決了埋弧焊劑（SAW）選擇的實際問題。進行焊接數據的分析，能滿足焊接生產對IPv6 網絡安全和時延性能的要求。

7 結論

本文設計了一套IPv6 焊接設備網絡監測系統，使用此IPv6 焊接設備網絡監測系統不但可以減少廢品的產生和降低產品成本，而且提高了焊接設備的利用率，并且降低了操作員工操作失誤帶來的殘次焊接產品的風險，它帶來的效益也是顯而易見的。憑借其巨大的地址空間，IPv6 允許在大范圍內的大量IPv6 智能設備之間進行連接。該協議還支持節點的自組織，即在不需要人工干預的情況下進行自檢測、自修復和自配置。對改善焊接勞動條件，提高焊接生產效率比較有利;并且具有更強的可控的焊接生產能力，可以加快焊接生產技術的更新換代，提高焊接零件的生產能力和焊接產品的質量。