焊接群控系統(tǒng)“智焊云”的集成與實現(xiàn)

周海雷

（中聯(lián)重科股份有限公司，湖南長沙 410000）

1 引言

當(dāng)前工程機械行業(yè)內(nèi)競爭的加劇及行業(yè)周期背景的影響，促使制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，提升其數(shù)字化水平，降低企業(yè)運行成本志在必行。因此，挖掘企業(yè)內(nèi)部潛能，提升人員、設(shè)備工作效率是企業(yè)的必然選擇。

焊接是制造業(yè)中最重要的工藝技術(shù)之一，焊機是能為完成焊接過程提供所需能源和運動控制的特種設(shè)備。焊機如發(fā)生故障，會直接造成或焊接品報廢、或停工停產(chǎn)等重大損失。因此保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，提高生產(chǎn)率，及時獲取焊機工作、故障、監(jiān)控信息已成為現(xiàn)代焊接制造工藝發(fā)展亟待解決的問題。解決信息孤島，在整個制造業(yè)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)智能化轉(zhuǎn)型中扮演重要角色［1］。

但制造現(xiàn)場目前仍存在六個方面的問題：（1）焊機是單臺獨立運行，沒有聯(lián)網(wǎng)，無法掌握設(shè)備狀態(tài)、資源消耗等情況，難以對設(shè)備利用率、開機率、超限統(tǒng)計、月利用率、焊機焊接時長、故障類型統(tǒng)計；（2）焊接過程沒有有效監(jiān)控，不能保證操作人員嚴(yán)格按照工藝規(guī)范進(jìn)行生產(chǎn)，焊機的焊接參數(shù)不受控，造成實際施焊過程與焊接工藝的設(shè)計規(guī)范、要求，有相當(dāng)大的偏差［2］；（3）沒有數(shù)據(jù)真實記錄其工作過程及工藝參數(shù)，不能實現(xiàn)質(zhì)量追溯和問題追蹤復(fù)盤，無法復(fù)原原始工作場景；（4）焊材無精準(zhǔn)辦法統(tǒng)計與管理，使用按照經(jīng)驗，領(lǐng)多少給多少，浪費巨大，無法有效進(jìn)行成本控制，焊接所需氣體未能及時關(guān)閉閥門等嚴(yán)重影響成本核算［3］；（5）焊機設(shè)備無法做到遠(yuǎn)程升級，需要人工現(xiàn)場實施，費時費力費人；（6）生產(chǎn)過程不能做到同步可視化，統(tǒng)籌調(diào)度難度大，生產(chǎn)排單缺乏及時數(shù)據(jù)支持，依靠與人工統(tǒng)計與經(jīng)驗，無法根據(jù)進(jìn)度實時調(diào)整［4］。

因此，通過建立焊機設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，對焊機設(shè)備效能數(shù)據(jù)進(jìn)行集成和實時監(jiān)測，提供設(shè)備運行效能統(tǒng)計信息，避免人工統(tǒng)計記錄的出錯，減少人工工作量，提高設(shè)備維護(hù)水平，為應(yīng)用管理、生產(chǎn)管理、工藝優(yōu)化、設(shè)備技改投資等提供決策支持。

本文的創(chuàng)新性在于以下三個方面：（1）設(shè)計搭建了感知及通信單元，即設(shè)備層，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)監(jiān)控及通信，包含：數(shù)字化焊機數(shù)據(jù)、模擬/數(shù)字量采集以及現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程控制等，通訊層、應(yīng)用層、用戶層根據(jù)制造現(xiàn)場決定；（2）建立數(shù)采通信單元，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互及遠(yuǎn)程升級管理；（3）設(shè)計基于應(yīng)用管理及現(xiàn)場服務(wù)的焊接云群控方案，實現(xiàn)為生產(chǎn)管理、工藝優(yōu)化、設(shè)備技改投資等提供決策支持［5］，如圖1 所示。

圖1 “智焊云”系統(tǒng)組成

2 焊接現(xiàn)場IoT 組成

針對焊機的工作現(xiàn)場，焊機氣體流控、送絲速度、電流電壓信息波動、故障信息等狀態(tài)采集并非一體，因此采用分布式感知單元進(jìn)行感知。考慮到強電磁場環(huán)境等狀況，為保證感知的可靠性、穩(wěn)定性，采用有抗干擾能力較強的有線通信方式完成現(xiàn)場感知設(shè)備層的互通互聯(lián)；考慮到老舊廠房內(nèi)部很少架設(shè)以太網(wǎng)絡(luò)，而焊機可能布局在廠房內(nèi)部各個角落，采用成熟的4G 通信技術(shù)進(jìn)行對外交互。由于分布式感知單元協(xié)議種類繁多，因此需要模塊化可配置的數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2.1 感知層設(shè)計

如圖2 所示，① 配電箱、② 液壓/電氣控制系統(tǒng)、③ 焊槍、④ 氣瓶為焊機的標(biāo)準(zhǔn)組成部分。對焊機內(nèi)部已經(jīng)集成的傳感單元，無需增加傳感；但對部分焊機（如手動焊機）無感知單元需要增加現(xiàn)場感知單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過在氣瓶出口增加流量計、電源線纜增加電壓/電流探頭、焊材輸入口增加計米器、電源開關(guān)計入增加繼電器/熔斷器實現(xiàn)手動焊機的工況數(shù)據(jù)采集與控制。從圖2 中可以看出，為實時告知焊接人員現(xiàn)場設(shè)備工作情況，現(xiàn)場增加了三色燈，為實現(xiàn)對焊工信息管理增加IC/ID 讀卡器，為實現(xiàn)焊機的數(shù)據(jù)采集及基本邏輯控制增加了數(shù)采單元［7］。

圖2 感知層設(shè)計

2.2 數(shù)采通信單元

為了實現(xiàn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程升級及控制，本文設(shè)計了數(shù)據(jù)采集通信單元。其內(nèi)部軟件模塊可分為焊機數(shù)采模塊、模擬數(shù)采模塊、數(shù)字?jǐn)?shù)采模塊、數(shù)據(jù)對外交互模塊以及數(shù)據(jù)存儲模塊五大部分，模塊與模塊間的數(shù)據(jù)、消息進(jìn)行分流設(shè)計，即各模塊采集到數(shù)據(jù)后，存入數(shù)據(jù)庫的同時，向數(shù)據(jù)對外交互模塊發(fā)送消息，待消息到達(dá)后，依據(jù)消息類型進(jìn)行數(shù)據(jù)庫讀取操作，然后對外交互，如圖3 所示，黃色為模塊消息傳遞，綠色為模塊數(shù)據(jù)傳遞。

圖3 多介質(zhì)數(shù)據(jù)消息交互信號流組成

同時，為了有效對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程升級維護(hù)，設(shè)計了兩層升級方法，實現(xiàn)對設(shè)備即數(shù)采通信單元、子設(shè)備即焊機的遠(yuǎn)程升級管理，升級部分運行于數(shù)采通訊單元［6］，消息流如圖4所示。

圖4 多層設(shè)備升級信號流設(shè)計

3 應(yīng)用管理

應(yīng)用管理主要由九個部分組成，其業(yè)務(wù)流程如圖5所示：將設(shè)計文件輸入至焊接云系統(tǒng)管理中；生產(chǎn)調(diào)度依據(jù)生產(chǎn)任務(wù)和焊接規(guī)范完成焊工、焊機、原材料等任務(wù)調(diào)度；依據(jù)系統(tǒng)管理里的焊機規(guī)范，完成焊接任務(wù)，并實時監(jiān)控焊接過程，完成后完成記錄閉環(huán)，并上報用戶。

圖5 應(yīng)用管理流程

4 系統(tǒng)驗證

為了驗證本系統(tǒng)的有益性，已在某工廠進(jìn)行了兩年的部署實施，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)實施部署

從企業(yè)成本分析，幫助企業(yè)完成耗材管理閉環(huán)，用精細(xì)化的過程管理，通過高附加值硬件、建立焊材/氣體/電能統(tǒng)計報告，建立生產(chǎn)臺賬，優(yōu)化管控，數(shù)據(jù)統(tǒng)計可使焊接材料成本降低5%，生產(chǎn)成本平均降低10%，如圖7所示。

圖7 材料成本統(tǒng)計比較

從生產(chǎn)效率上來看，構(gòu)建焊接全過程管控流程，建立了人員打卡、工件報工標(biāo)準(zhǔn)流程，提供了基于人員/工件多維度的報表功能，提供了焊接過程標(biāo)準(zhǔn)化管控模型，人員效率提升20%，如圖8所示。

圖8 人員效率統(tǒng)計比較

從生產(chǎn)管理上，智焊云注重過程的監(jiān)督和管控，覆蓋工單管理、現(xiàn)場管理、人員管理等場景，做到進(jìn)度實時查看，異常實時管理，據(jù)統(tǒng)計已顯示50 多萬數(shù)據(jù)點位，現(xiàn)場100%的工件管控，如圖9所示。

圖9 設(shè)備監(jiān)控

5 結(jié)論

本文圍繞智能制造產(chǎn)線現(xiàn)場工藝焊機設(shè)備的工藝監(jiān)控，建立智焊云監(jiān)控服務(wù)，部署了焊機現(xiàn)場的感知及通信單元、數(shù)采通信單元，在數(shù)采通信單元中實現(xiàn)數(shù)據(jù)、消息的分離交互機制，對焊機設(shè)備效能數(shù)據(jù)進(jìn)行集成和實時監(jiān)測，采用多層遠(yuǎn)程升級維護(hù)技術(shù)，對焊機設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程升級管理服務(wù)，極大地提升了智能制造現(xiàn)場焊機工藝設(shè)備的數(shù)字化、智能化水平，為應(yīng)用管理、生產(chǎn)管理、工藝優(yōu)化、設(shè)備技改投資等提供決策支持。