蘇憲東

(唐山松下產(chǎn)業(yè)機(jī)器有限公司，河北 唐山 063020)

焊接數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控

蘇憲東

(唐山松下產(chǎn)業(yè)機(jī)器有限公司，河北 唐山 063020)

介紹了一種使用電腦監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)與焊機(jī)通信的數(shù)字通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)由焊接電源、RS232C、RS232C－LAN轉(zhuǎn)換器、電腦組成。通過采集焊機(jī)的輸出電壓、輸出電流等數(shù)據(jù)，通過監(jiān)控軟件可以實(shí)時(shí)了解到每臺(tái)焊機(jī)的工作情況，包括焊接電流、焊接電壓、短路頻率、焊接時(shí)間、報(bào)警信息等重要焊接數(shù)據(jù)；另外，在此軟件中還可以設(shè)置焊接規(guī)范的上、下限值。當(dāng)焊接超出此規(guī)范時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信息并記錄到電腦中，幫助使用者進(jìn)行焊接質(zhì)量等的有效管理。介紹了關(guān)于焊接網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的應(yīng)用實(shí)例。

焊接、電腦監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)

0 前言

在焊接領(lǐng)域，無論對(duì)生產(chǎn)加工過程、質(zhì)量評(píng)定，還是科學(xué)研究，都需要有數(shù)據(jù)的支持，焊接過程非常容易受到外界條件的影響，而且和焊接作業(yè)者本身的技能密切相關(guān)，焊接質(zhì)量是關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。因此，如何有效地取得焊接過程的數(shù)據(jù)是分析焊接質(zhì)量的重要依據(jù)。

在此利用現(xiàn)有數(shù)字化控制焊接系統(tǒng)硬件平臺(tái)，通過充分挖掘其接口兼容性，開發(fā)了基于串口通信的焊接數(shù)據(jù)在線采集和分析系統(tǒng)，通過RS232－LAN轉(zhuǎn)換器能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，為提高焊接品質(zhì)和設(shè)備維護(hù)等提供了更加有力的輔助工具，并進(jìn)一步證明了數(shù)字化控制焊接系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和巨大潛力。

1 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)組成

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖1所示。由圖1可見，全數(shù)字電焊機(jī)和網(wǎng)絡(luò)電腦之間使用監(jiān)控軟件，通過通信電纜進(jìn)行通信，將焊接的過程參數(shù)實(shí)時(shí)地顯示并記錄在電腦中，實(shí)現(xiàn)焊接的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理人員可根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行分析、管理，也可對(duì)焊機(jī)的使用情況、焊工的作業(yè)情況等信息進(jìn)行管理。通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，焊機(jī)如出現(xiàn)報(bào)警等故障，焊機(jī)會(huì)及時(shí)將錯(cuò)誤代碼發(fā)送到監(jiān)控電腦，因此對(duì)公司的設(shè)備維護(hù)管理有輔助作用。

監(jiān)控系統(tǒng)組成包括：數(shù)字焊機(jī)、監(jiān)控電腦以及LAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，在焊接車間一般都具有公司獨(dú)立的局域網(wǎng)，因此焊機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)非常方便，而在局域網(wǎng)內(nèi)的所有電腦都能監(jiān)控到每臺(tái)焊機(jī)的工作情況。

2 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)

2.1 下位機(jī)實(shí)現(xiàn)

工業(yè)設(shè)備一般設(shè)計(jì)有RS232或RS485接口作為通信接口，RS232的信號(hào)通過與地的電壓級(jí)別來表示，每個(gè)信號(hào)使用一個(gè)線纜，與地線進(jìn)行比較。這種接口對(duì)于低速的點(diǎn)到點(diǎn)通信很有用。例如，PC上使用的用來連接鼠標(biāo)或者調(diào)制解調(diào)器的串口等，一個(gè)端口接一個(gè)設(shè)備。由于RS232的信號(hào)需要地線，限制了線纜的長(zhǎng)度，一般為30～60 m，主要針對(duì)局部的通信[1]。

RS485使用了與RS232不同的原理。每個(gè)信號(hào)使用一對(duì)雙絞線，如果把它們定為A和B，A是正電壓而B是負(fù)電壓時(shí)是活動(dòng)信號(hào)，A是負(fù)電壓而B是正電壓時(shí)是不活動(dòng)信號(hào)，RS485的線纜能夠達(dá)到1 200 m，提供 2.5 MB/s的傳輸速度。RS485 可以進(jìn)行多點(diǎn)通信，可以把多個(gè)設(shè)備連接在一起，類似于以太網(wǎng)。大部分的RS485系統(tǒng)使用主/從結(jié)構(gòu)，每個(gè)從設(shè)備都有自己唯一的地址，只響應(yīng)針對(duì)自己的數(shù)據(jù)包，這些數(shù)據(jù)包由主設(shè)備生成[2]。

目前，工業(yè)控制用MCU都具備串行通信接口，很方便實(shí)現(xiàn)RS232接口，而且價(jià)格便宜。本設(shè)計(jì)也采用RS232接口，串行通信接口通信速率等均可通過控制寄存器實(shí)現(xiàn)。

2.2 協(xié)議轉(zhuǎn)換器

為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，每臺(tái)焊機(jī)必須具有LAN接口和獨(dú)立的IP地址，因焊機(jī)的控制板本身不具有此功能，為實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展功能，選擇串口以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器可以將傳統(tǒng)的RS－232設(shè)備轉(zhuǎn)換成具有以太網(wǎng)接口的設(shè)備，并連接到以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上。

目前，工業(yè)設(shè)備普遍采用串口以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器的方式接入網(wǎng)絡(luò)[3]，而且，串口以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器有效隔離焊機(jī)和LAN網(wǎng)絡(luò)，這樣能夠有效地保障網(wǎng)絡(luò)不受焊機(jī)的電磁干擾，同時(shí)防止網(wǎng)絡(luò)破壞型病毒對(duì)網(wǎng)絡(luò)端口的攻擊，保障焊機(jī)的運(yùn)行安全性。

串口以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器支持 TCP/IP、UDP、ARP、ICMP、TELNET等協(xié)議。多種流量控制方式，軟流量控制 XON/XOFF，硬流量控制 RTS/CTS，DTR/DSR。串口數(shù)據(jù)多種分段方式：1 460字節(jié)限定/數(shù)據(jù)定界符/超時(shí)發(fā)送。電源起動(dòng)后，可以自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。串口狀態(tài)線變化時(shí)，能夠智能地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和關(guān)閉。輸入/輸出緩沖采用大容量的環(huán)形緩沖區(qū)機(jī)制，保證產(chǎn)品的全雙工通信。支持虛擬串口功能(適用于Win2000/XP)。

(1)從CA－100XPF建立連接。

從CA－100XPF建立TCP/IP連接有三種方法：從終端機(jī)器發(fā)送OPEN命令到串行信道中；從終端機(jī)器通過控制線的控制連接(DTR＝O或者CD＝nn的設(shè)定)；接通CA－100XPF電源后，系統(tǒng)自動(dòng)連接(PW＝nnT的設(shè)定)。

根據(jù)上述連接開設(shè)要求，CA－100XPF發(fā)送SYN包(連接要求包)，按順序執(zhí)行開設(shè)要求。此時(shí)，沒有取到對(duì)方以太網(wǎng)地址時(shí)，發(fā)送ARP請(qǐng)求得到，再發(fā)送SYN。

(2)從對(duì)方機(jī)器建立連接。

從對(duì)方機(jī)器接收SYN包時(shí)，執(zhí)行開設(shè)程序。不管是什么方法，連接成功時(shí)，通過信息或者控制線來通知連接成功，使系統(tǒng)變成數(shù)據(jù)通信狀態(tài)。CA－100XPF已經(jīng)是建立連接時(shí)，不能接受其他通信對(duì)方機(jī)器的連接請(qǐng)求。此時(shí)，CA－100XPF發(fā)送連接拒絕信息給要求連接的機(jī)器。

(3)從CA－100XPF斷開連接。

從CA－100XPF結(jié)束TCP/IP連接有兩種方法：從終端機(jī)器發(fā)送QUIT命令到串行信道；從終端機(jī)器通過控制線來控制結(jié)束(DTR＝O的設(shè)定時(shí))。

CA－100XPF發(fā)送FIN包(斷開請(qǐng)求包)，執(zhí)行斷開連接程序。正確執(zhí)行斷開程序后，變?yōu)闀r(shí)間等待狀態(tài)。時(shí)間等待是最后發(fā)行的完全減弱為止的時(shí)間，取決于網(wǎng)絡(luò)回路的硬件要素。此時(shí)間內(nèi)，不能把SYN(連接要求)發(fā)送到相同對(duì)方。

(4)從終端機(jī)器斷開連接。

從對(duì)方機(jī)器接受FIN包時(shí)，也執(zhí)行斷開程序。并且從對(duì)方機(jī)器接受RST包(強(qiáng)制結(jié)束包)時(shí)，也斷開連接。不管以何種方法斷開連接時(shí)，都會(huì)通過信息或者控制線來通知連接變?yōu)榈却B接狀態(tài)。CA－100XPF數(shù)據(jù)重送的超時(shí)以及送FIN包重送超時(shí)的時(shí)候，會(huì)發(fā)送RST包，變?yōu)榈却B接狀態(tài)。

(5)數(shù)據(jù)的傳送。

CA－100XPF處于TCP/IP連接狀態(tài)時(shí)，串行信道接收除命令以外，其他數(shù)據(jù)都將封裝為TCP/IP數(shù)據(jù)包來發(fā)送。TCP/IP接收數(shù)據(jù)包，把數(shù)據(jù)部分發(fā)送到串行信道中。數(shù)據(jù)傳送時(shí)，因某些原因包的互換發(fā)生異常時(shí)，更改發(fā)送者的發(fā)送間隔來進(jìn)行重新發(fā)送。當(dāng)超過重新發(fā)送次數(shù)的設(shè)定值，也無法恢復(fù)到正常時(shí)，發(fā)送RST包，強(qiáng)制斷開。

3 上位機(jī)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

3.1 開發(fā)說明

本研究借助C＃.net開發(fā)工具，開發(fā)了上位機(jī)的焊接數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括三大功能：(1)在下位機(jī)配合下將采集傳送上來的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到磁盤中；(2)焊接數(shù)據(jù)分析輔助系統(tǒng)一般分析功能模塊的實(shí)現(xiàn)，如焊接電流、焊接電壓的波形圖，超出規(guī)定焊接規(guī)范的焊接點(diǎn)等。(3)圖形化直觀顯示和輸出電壓、電流分析結(jié)果等數(shù)據(jù)曲線。

下面分別對(duì)該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)機(jī)理進(jìn)行闡述。

MSComm(Microsoft Communications Control)是Microsoft公司提供的簡(jiǎn)化Windows下串行通信編程的ActiveX控件，它為應(yīng)用程序提供了通過串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)便方法。MSComm控件通過串行端口傳輸和接收數(shù)據(jù)，為應(yīng)用程序提供串行通信功能。MSComm控件在串口編程時(shí)非常方便，程序員不必花時(shí)間去了解較為復(fù)雜的API函數(shù)，而且在VC、VB、Delphi等語言中均可使用。MSComm控件提供兩種處理通信的方式：事件驅(qū)動(dòng)方式(Event－driven)和查詢方式。

(1)事件驅(qū)動(dòng)方式：事件驅(qū)動(dòng)通信是處理串行端口交互作用的一種非常有效的方法。在許多情況下，在事件發(fā)生時(shí)需要得到通知，如在串口接收緩沖區(qū)中有字符，可以利用MSComm控件的OnComm事件捕獲并處理這些通信事件，OnComm事件還可以檢查和處理通信錯(cuò)誤。在編程過程中，就可以在OnComm事件處理函數(shù)中加入自己的處理代碼。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是程序響應(yīng)及時(shí)，可靠性高，在此即采用了這種方式，主要處理OnComm事件接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)和出錯(cuò)后清理緩沖區(qū)事件。

(2)查詢方式：查詢方式實(shí)質(zhì)上還是事件驅(qū)動(dòng)，但在有些情況下，這種方式顯得更為便捷。在程序的每個(gè)關(guān)鍵功能之后，可以通過檢查CommEvent屬性的值來查詢事件和錯(cuò)誤。如果應(yīng)用程序較小，并且是自保持的，這種方法更可取，而本研究的數(shù)據(jù)傳輸量大，所以沒有采用這種方式。

3.2 上位機(jī)連續(xù)采樣存儲(chǔ)控制流程

整個(gè)數(shù)據(jù)采樣過程受控于上位機(jī)，上位機(jī)可以靈活控制采樣過程，可以只進(jìn)行一次連續(xù)采樣，測(cè)試通信是否正常，可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置定時(shí)間隔連續(xù)自動(dòng)采樣。本研究根據(jù)每次連續(xù)采樣 0.1～1.0 s，使用戶能夠集中精力觀察和控制焊接過程，上位機(jī)將自動(dòng)進(jìn)行采樣和存儲(chǔ)，使在進(jìn)行焊接試驗(yàn)的同時(shí)進(jìn)行觀察成為可能。對(duì)于上位機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問題，本研究將其按照采樣順序，依次連續(xù)存儲(chǔ)采樣點(diǎn)的電壓、電流等焊接相關(guān)數(shù)據(jù)，最后存儲(chǔ)采樣過程中其他控制相關(guān)信息的固定約定格式存入此次連續(xù)采樣文件中，文件名命名就是此次采樣傳輸?shù)慕Y(jié)束時(shí)間自動(dòng)生成，即文件名格式 XXXX(年)－XX(月)－XX(日)－XX(時(shí))－XX(分)－XX(秒)，這樣就避免了在自動(dòng)間隔采樣過程中的文件覆蓋問題，因?yàn)槊看芜B續(xù)采樣的時(shí)間間隔都超過0.1 s，這樣在海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)文件名重復(fù)而造成數(shù)據(jù)丟失的問題。同時(shí)為該數(shù)據(jù)文件指定特定文件名后綴，并建立該文件與采樣分析軟件的打開關(guān)聯(lián)，只需雙擊該數(shù)據(jù)文件則自動(dòng)調(diào)用開發(fā)的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)和分析顯示，方便用戶使用。

3.3 圖形化顯示

采樣上傳到上位機(jī)的數(shù)據(jù)除了存儲(chǔ)以備分析使用外，最重要的一個(gè)方面就是圖形化顯示和輸出，直觀地觀察波形和分析結(jié)果。目前市場(chǎng)上在Windows平臺(tái)比較成熟的圖形組件產(chǎn)品有MsChart、TeeChart、ProEss entials等，通過比較和應(yīng)用，ProEssentials功能強(qiáng)大、性能好、運(yùn)行穩(wěn)定、使用簡(jiǎn)單，本研究使用了獨(dú)立開發(fā)的波形分析器軟件DA。

DA組件的核心以DLL的形式發(fā)布，可以工作在單機(jī)和服務(wù)器環(huán)境中，提供DLL、ActiveX、VCL、WinForm、WebForm開發(fā)接口，能夠在Windows平臺(tái)上的多種開發(fā)環(huán)境下使用。使用時(shí)只需在程序中引用該組件頭文件即可調(diào)用，編程時(shí)設(shè)置好在程序主界面上的顯示區(qū)域(見圖2)，并給對(duì)應(yīng)子坐標(biāo)曲線賦值，圖形即可自動(dòng)顯示在指定的區(qū)域。該軟件具有支持海量數(shù)據(jù)顯示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)快速顯示、多子圖顯示、多樣式圖形顯示、多曲線混合標(biāo)識(shí)區(qū)別顯示等眾多圖形控件優(yōu)點(diǎn)；該控件可以自由選取區(qū)域放大顯示局部圖形，這對(duì)觀察分析波形細(xì)節(jié)有重要意義，實(shí)現(xiàn)了一般示波器沒有的任意局部圖形放大功能；還具有運(yùn)算顯示快速、占用CPU資源少等特點(diǎn)，非常適合于實(shí)時(shí)圖形顯示；還支持圖形導(dǎo)出以及打印輸出。

利用波形分析器軟件DA可以對(duì)焊接作業(yè)進(jìn)行有效地分析，特別是對(duì)長(zhǎng)焊縫的品質(zhì)分析非常有幫助。數(shù)據(jù)分析器的應(yīng)用實(shí)例如圖3所示。

3.4 統(tǒng)計(jì)分析

圖2 監(jiān)控軟件界面

圖3 數(shù)據(jù)分析器的應(yīng)用實(shí)例

由于采樣分析系統(tǒng)能夠連續(xù)采集0.2s的焊接過程數(shù)據(jù)，該采樣頻率能反映出焊接過程的主要信息，根據(jù)此數(shù)據(jù)信息能夠分析是否影響焊接質(zhì)量。但是對(duì)于脈沖焊接，不能完全反映脈沖波形全過程，因此本研究進(jìn)一步開發(fā)了對(duì)焊接過程數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析功能模塊，以對(duì)反映焊接過程的主要特征信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

因焊接時(shí)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)信息，開發(fā)的統(tǒng)計(jì)分析軟件能夠在短時(shí)間內(nèi)了解整個(gè)焊接過程。采用VB6.0進(jìn)行開發(fā)，VB和EXCEL同為微軟公司產(chǎn)品，因此兩者有很好的集成性能，用VB很容易開發(fā)讀取EXCEL文件數(shù)據(jù)的功能。

統(tǒng)計(jì)報(bào)表數(shù)據(jù)如圖4所示，可以得出某臺(tái)焊接設(shè)備在某一時(shí)段內(nèi)的焊接情況：焊接電流、焊接電壓、焊接時(shí)間、報(bào)警次數(shù)以及切換的焊接規(guī)范次數(shù)等具體信息，通過統(tǒng)計(jì)信息的內(nèi)容可分析焊接工件的質(zhì)量情況；也可根據(jù)統(tǒng)計(jì)信息對(duì)焊接工件進(jìn)行針對(duì)性地探傷檢驗(yàn)等，還可以了解掌握焊工的實(shí)際工作時(shí)間等，為安排生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)參考。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

圖5為某公司煤機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控應(yīng)用實(shí)例。該公司主要生產(chǎn)煤礦設(shè)備，產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)系到人的生命安全，因此公司制定了產(chǎn)品的焊接作業(yè)規(guī)范要求，但焊接工人往往超規(guī)范焊接作業(yè)，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不能得到有效控制。應(yīng)用了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能后，直接記錄整個(gè)焊接作業(yè)過程的數(shù)據(jù)，為產(chǎn)品的質(zhì)量控制提供了依據(jù)。

此外，焊機(jī)安裝了聲光報(bào)警指示器，當(dāng)焊接超出規(guī)定范圍時(shí)，報(bào)警器會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警，從而提示焊接工人規(guī)范焊接作業(yè)。

圖4 統(tǒng)計(jì)報(bào)表圖

圖5 現(xiàn)場(chǎng)事例

5 結(jié)論

(1)實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)采樣分析系統(tǒng)對(duì)整個(gè)焊接采樣系統(tǒng)的有效管理，將采樣、傳輸、存儲(chǔ)、圖形化顯示等過程有序配合，實(shí)現(xiàn)了采樣系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)控。

(2)充分發(fā)揮上位機(jī)運(yùn)算優(yōu)勢(shì)，開發(fā)了電弧數(shù)據(jù)分析模塊，能對(duì)焊接過程中的電弧微觀、宏觀信息和特征信息等進(jìn)行有效分析，并可借助第三方數(shù)學(xué)工具進(jìn)一步深入挖掘所采集數(shù)據(jù)中包含的有價(jià)值的電弧信息，上位機(jī)分析系統(tǒng)可有力地輔助解決焊接過程中的種種問題。

利用現(xiàn)有平臺(tái)與上位機(jī)的通信功能，將焊接過程數(shù)據(jù)采集傳送到上位PC機(jī)后，為焊接過程的跟蹤、監(jiān)控、分析等方法提供了新的平臺(tái)和基礎(chǔ)，將進(jìn)一步擴(kuò)展對(duì)焊接過程的認(rèn)識(shí)，改善對(duì)焊接過程的控制手段和方法，進(jìn)一步擴(kuò)展和開發(fā)數(shù)字化焊接系統(tǒng)的功能，是數(shù)字化控制系統(tǒng)開發(fā)的優(yōu)秀輔助工具。

[1]曹志錦，王永梁.基于RS－485的多機(jī)串行通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2001，1(5)：9－15.

[2]鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

[3]王 悅.基于RS－485/MODBUS的特種焊機(jī)通信系統(tǒng)[J].電焊機(jī)，2008，38(5)：1－5.

Research on inspect system of welding data

SU Xian-dong
(Panasonic，Welding System(Tangshan)Co.，Ltd.，Tangshan 063020，China)

A set of inspect system controlled by computer is established，The system is based on welding power，RS232C，RS232C－LAN and computer.By this way,the welding data as welding current，welding voltage，welding times is memorize in the computer.Based those memorized data，it is easy to analyze welding process，and it is helpful to improve weld quality.Some examples about welding data inspected are introduced.

welding；inspect system controlled by computer；intranet

TG409

A

1001－2303(2011)03－0020－04

2009－11－19；

2010－11－16

蘇憲東(1973—)，男，河北唐山人，工程師，碩士，主要從事電焊機(jī)的設(shè)計(jì)工作。