智能焊接工業互聯網平臺

摘要：伴隨著信息技術與制造業的不斷融合發展，新應用新模式層出不窮。作為傳統的制造行業，焊接制造業正處于轉型的關鍵階段，需要一個面向焊接行業的焊接工業互聯網平臺，以信息化手段完成生產流程再造，形成焊接數據采集、數據存儲、數據管理、數據應用與系統集成的綜合焊接解決方案，實現信息技術與焊接生產過程的深度融合。介紹基于物聯網、云服務、云計算、大數據技術的焊接工業互聯網平臺的建設目標、主要功能框架、關鍵技術和實際應用價值。

關鍵詞：焊接信息化;工業互聯網;平臺;5G

中圖分類號：TG409? ? ? 文獻標志碼：B? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）09-0095-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.09.18

0? ? 前言

在中國制造2025與工業4.0的時代背景下，物聯網、云計算、大數據等技術在實體經濟領域不斷滲透發展，通過技術和模式創新為傳統產業變革帶來了巨大機遇。伴隨制造業變革與數字經濟浪潮的交匯融合，信息技術與制造技術、工業知識的集成創新不斷加速，工業互聯網平臺應運而生。

目前，中國已經成為世界上規模最大的焊接設備生產與使用大國，焊接設備在造船、汽車、軌道客車、工程機械、集裝箱、鋼結構等多個行業成為主要生產制造設備。

當前焊接制造業正處在由數字化、網絡化向智能化發展的重要階段，其核心是基于海量工業數據的全面收集，通過端到端的數據深度集成與建模分析，形成智能化生產、網絡化協同、個性化定制、服務化延伸等新型制造模式。全新的焊接工業互聯網平臺可實現對海量數據的低成本、高可靠的存儲和管理;通過數據挖掘輔助制造企業開展精細化、精準化管理和決策;與設計、倉儲、物流、管理等業務系統進行高效集成和深度協同。

1 建設焊接工業互聯網平臺的意義

從工信部《智能制造發展指數報告（2020）》公開的數據來看（見圖1）[1]，75%的制造企業還處于智能制造的初步規劃階段，14%的制造企業對設備進行了信息化升級改造，6%的企業實現了多系統集成，5%的企業能夠對原材料、人員、生產等數據進行分析挖掘，對核心業務進行分析和優化。離散型制造業的智能制造成熟水平略高于流程型制造業。目前，以三一、徐工、海爾為代表的行業龍頭企業處于智能制造能力成熟度領先水平，但更多的是針對企業內部的定制性、獨占性需求較強。

2021年是中國制造2025第二階段和“ 十四五 ”規劃的開局之年。專家預測，“ 十四五 ”期間宏觀經濟下行趨勢明顯，同時受新冠疫情影響，預計GDP增速會加速向5%下滑。“ 十四五 ”規劃中與制造業相關的幾個核心點：

（1）向以信息技術、高端制造、汽車、新材料為代表的新動能轉型，實現重點行業的全面領先。

（2）重視原材料、人工、土地、能源等成本持續上漲帶來的課題，在商業模式創新、技術創新上加大投入。

（3）信息技術與傳統產業的加速融合、人工智能推動實體經濟升級轉型。

（4）生產型企業通過業務延伸完成服務化轉變，同時促進產品創新。

到2025年，工業互聯網產值將達到3 710億元，占全球GDP的0.34%。工業互聯網所體現的價值將逐步提升，自動化工廠、智慧工廠等一系列應用將成為未來工業領域發展的趨勢之一。2020年政府工作報告中提出的新基建七大領域中（見圖2），5G、大數據、人工智能、工業互聯網均與制造業轉型密切相關。

根據人力資源和社會保障部的分析預測：未來5年，智能制造領域人才需求量將到達900萬人，人才缺口預計達450萬人。智能制造工程技術人員在推動企業商業模式、生產方式變革中發揮著重要作用，是企業規劃生產流程和工藝、降低運營成本、提高生產效率和產品質量的關鍵角色。從事制造業智能化所需的軟硬件開發與服務人才的嚴重缺失必將帶來關鍵業務流程改善停滯不前、經營成本居高不下、企業轉型周期延長等一系列連鎖反應，甚至影響企業生存、產業進步。

基于以上原因，有必要構建面向焊接行業的焊接工業互聯網平臺，整合優勢資源，實現信息技術與焊接生產過程的深度融合，以信息化手段完成生產流程再造[2]，形成焊接數據采集、數據存儲、數據管理、數據應用與系統集成的綜合焊接解決方案。

2 焊接工業互聯網平臺架構

焊接工業互聯網平臺整體采用云服務架構，如圖3所示。IoT終端收集到設備數據后通過4G或5G網絡推送到平臺數據接收服務器（數據接收服務器采用負載均衡工作模式，根據接入設備數量和數據吞吐量可靈活擴展），數據接收服務器完成數據解析之后將數據按照應用類型分別寫入實時數據庫和關系數據庫。平臺按實際應用場景分別設置3種類型服務器：應用服務器負責前臺發起的業務邏輯處理，BI服務器負責報表管理、數據可視化，API服務器負責與其他系統對接。平臺包含PC端、APP、小程序、API等多種應用入口。

同時，焊接工業互聯網平臺應具備兼容多種品牌、多種類型焊接設備的能力，以適應焊接生產企業現場同時存在多種廠家設備的實際情況。有3個方法可提供這種能力：（1）焊接工業互聯網平臺推出標準數據通信協議，由焊接設備生產廠家完成適配;（2）開發智能網關，完成多種通信協議向統一協議的轉換;（3）焊接行業出臺政策，焊接設備生產廠家和焊接工業互聯網平臺統一標準。

3 焊接工業互聯網平臺功能及流程

焊接工業互聯網平臺具有PC端和移動端兩部分，PC端以編輯、展現為主[3]，移動端以簡單填報、查看為主，如圖4所示。以上功能可以形成3個閉環：設備管理（設備臺賬、設備故障報修、設備維保計劃、設備維保、設備維保記錄）、工藝管理（工藝數據庫、工藝設計、工藝分配、工藝下發、工藝超差監控）、生產管理（產品、訂單、計劃、執行、進度、數據記錄、追溯）?？紤]到不同制造企業現階段智能制造成熟程度的差異和面向未來精細化管理的發展方向，平臺可以支持設備—人、設備—人—工件、設備—人—工件—計劃、設備—人—工件—計劃—焊縫等多層級、多精度關聯。

典型應用場景：生產計劃人員按照生產訂單編制生產計劃[4]，將計劃下發到具體焊接工位。現場作業人員通過手機APP或現場終端選擇設備，查看該工位被分配的生產計劃。選擇具體的生產計劃，查看產品相關作業指導書，掃描工件流水號，開始焊接作業，同時平臺記錄設備、人員、工件、計劃相關數據，焊接作業完成后由現場作業人員在手機APP或現場終端選擇完工，工件流入其他工序，平臺實時更新生產進度。生產流程如圖5所示。

4 5G及AI應用

5G大流量、低延時、高可靠性的特征適合工業現場高頻率數據采集、超高清視頻傳輸、遠程實時控制等應用場景。在焊接領域，5G可以實現在關鍵工件、關鍵焊縫微秒級采樣數據上傳，實現多協調焊接機器人示教程序的實時修正，以及焊接產線控制系統的遠程調整。

AI在焊接領域的應用有3個方向：質量、產能、維保。AI智慧引擎通過對自動焊接工作站單一產品的焊接數據和后續檢驗工序反饋結果的挖掘訓練，可以分別形成引弧、主焊接、回燒階段的數據檢驗模型，通過檢驗模型對焊接質量的預判，可以有效減免后續檢驗工序，縮短生產周期[5];AI智慧引擎通過對焊接產品的數據收集，可以精確統計生產節拍、成本消耗、合格率，通過對以場地、設備、人員、部品、庫存為核心的數據模型進行運算，得到訂單緊急程度和生產成本的最優解，同時完成訂單結束時間和消耗成本預測，實現低成本快速響應;AI智慧引擎通過對大量焊接設備衰減周期、衰減特征與維保內容的統計分析，形成預測性設備維保模型，以延長設備使用壽命，減少因設備原因導致的停產損失。

5 結論

焊接工業互聯網平臺通過物聯網、云計算、AI智慧引擎等技術幫助制造企業有效收集設備、產線和生產現場不同類型的數據，實現了焊接生產過程的高度透明、生產數據的精確計算[6]，強化了制造企業的數據洞察能力，能夠實現生產資源的快速整合利用，低成本快速響應市場需求，催生個性化定制、網絡化協同等新模式新業態。以期幫助焊接生產企業在中國制造2025第二階段和“ 十四五 ”期間完成新舊動能的轉換，真正實現高水平、高質量的發展。

參考文獻：

[1]中國電子技術標準化研究院.智能制造發展指數報告（2020）[R].2021.

[2]劉金龍，李江，李海泉.基于焊接制造協同管理的信息化平臺[J].金屬加工，2016（16）：23-26.

[3]陳鵬展，陳益平，胡德安.基于Web的焊接過程遠程監控系統構建[J].中國機械工程，2007（8）：941-944.

[4]李江，時國玉，劉金龍.數字化與網絡化技術在高速列車焊接車間的實踐應用[J].電焊機，2018，48（3）：43-47.

[5]徐德進.基于云智能焊接管控的大數據分析系統設計[J].電焊機，2018，48（10）：21-25.

[6]李江，劉金龍，柳振國.智能焊接管理系統iWeld5[J].金屬加工，2016（12）：24-26.