孫紅艷， 凌志浩

（華東理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海200237）

焊接技術(shù)是19世紀(jì)末期、20世紀(jì)初期發(fā)展起來(lái)的一種重要的金屬加工工藝。由于它具有一系列技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)越性，目前已發(fā)展成為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、原子能、化工、造船、電子技術(shù)、建筑、交通、電力、機(jī)械制造等工業(yè)部門(mén)[1]。然而，目前國(guó)內(nèi)焊接裝置及系統(tǒng)的自動(dòng)化水平較低，焊接作業(yè)的生產(chǎn)管理、質(zhì)量監(jiān)督與監(jiān)測(cè)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，工藝和質(zhì)檢人員難以實(shí)時(shí)監(jiān)控焊接作業(yè)過(guò)程，只能在焊接完成后檢驗(yàn)焊接產(chǎn)品是否合格，故造成大量生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)分散、無(wú)法隨時(shí)跟蹤、分析，各類(lèi)焊接參數(shù)可追溯性差[2]。為了提高焊接質(zhì)量，本文設(shè)計(jì)了一套遠(yuǎn)程智能焊接在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了焊接過(guò)程的參數(shù)與焊接材料信息的數(shù)字化，通過(guò)建立的專(zhuān)用數(shù)據(jù)庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)既推進(jìn)了焊接裝備和焊接工藝的智能化，又提高了其產(chǎn)品和服務(wù)的附加值，并大幅度減少了焊接質(zhì)量問(wèn)題，使焊接行業(yè)朝著信息化、集成化發(fā)展，達(dá)到高效生產(chǎn)，智能制造。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文研究中的焊接過(guò)程是對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的圓形工件外圍進(jìn)行均勻焊接。

焊接過(guò)程信息能夠反映焊接過(guò)程的穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量的好壞[3]。電弧焊接中的電參數(shù)（電弧電壓U和焊接電流I）包含了表征焊接過(guò)程質(zhì)量的信息[4]。此外，工件的轉(zhuǎn)動(dòng)速度也會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量造成一定的影響。因此，需要對(duì)焊接電壓、電流和工件轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)。

智能焊接在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括以下部分：

（1）數(shù)據(jù)采集和處理設(shè)備。采用霍爾電流互感器、電壓隔離柵及轉(zhuǎn)速傳感器采集和處理信號(hào)，使電壓、電流和轉(zhuǎn)速等信號(hào)轉(zhuǎn)化為量程一定的模擬量。

（2）ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊。由無(wú)線(xiàn)終端接收經(jīng)過(guò)處理后的焊接電壓、電流和工件轉(zhuǎn)速信號(hào)，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式發(fā)送給無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)適配器。

（3）上位機(jī)服務(wù)軟件。上位機(jī)讀取無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)適配器，實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)焊接過(guò)程，實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和報(bào)警功能，并形成報(bào)表和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。

整體系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體構(gòu)架Fig.1 System overall structure

2 硬件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)硬件主要包含數(shù)據(jù)采集模塊和無(wú)線(xiàn)通信模塊。

2.1 數(shù)據(jù)采集

硬件設(shè)計(jì)主要包括無(wú)線(xiàn)電壓、電流采集設(shè)備和無(wú)線(xiàn)速度采集設(shè)備。其中，無(wú)線(xiàn)電壓、電流采集設(shè)備硬件框圖如圖2所示。

圖2 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備Fig.2 Wireless data collector

系統(tǒng)輸入標(biāo)準(zhǔn)的220V交流電，通過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)軌式電源轉(zhuǎn)成直流24V，為3個(gè)部分供電：① 為給隔離柵供電；② 通過(guò)DC-DC電源模塊轉(zhuǎn)成±15V，為電流互感器供電；③ ＋15V為無(wú)線(xiàn)適配器供電。

2.2 無(wú)線(xiàn)通信

經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后，焊接電源電流、電壓及工件轉(zhuǎn)速皆轉(zhuǎn)化為0～10V的電壓信號(hào)。在焊接現(xiàn)場(chǎng)采用無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備Sipai模擬量適配器。其含有4路0～10V的模擬量輸入，能滿(mǎn)足本項(xiàng)目需求；模擬量適配器通過(guò)ZigBee協(xié)議將數(shù)據(jù)以無(wú)線(xiàn)通信方式發(fā)送給上位機(jī)處的Sipai的USB適配器。由USB適配器將接收到的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。

3 軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)良好的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取，本文采用一款國(guó)產(chǎn)組態(tài)軟件——組態(tài)王。該軟件可以方便地實(shí)現(xiàn)畫(huà)面的動(dòng)態(tài)顯示，生成數(shù)據(jù)報(bào)表。為讀取下位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，采用VC＋＋編程實(shí)現(xiàn)用于過(guò)程控制的對(duì)象連接與嵌入（Object Linking and Embedding（OLE）for Process Control，OPC）服務(wù)器的功能，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和處理，使組態(tài)王可以讀取OPC服務(wù)器中的數(shù)據(jù)。軟件系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)圖Fig.3 Software system

3.1 OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目需要，OPC服務(wù)器包括串口通信模塊、通信管理模塊與OPC標(biāo)準(zhǔn)接口模塊。

3.1.1 串口通信模塊 主要用于數(shù)據(jù)傳輸。USB網(wǎng)絡(luò)適配器與計(jì)算機(jī)連接，相當(dāng)于一個(gè)虛擬串口設(shè)備。該模塊主要完成讀取串口數(shù)據(jù)的功能。在進(jìn)行串口數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需要制定通信協(xié)議。幀格式設(shè)置為無(wú)奇偶檢驗(yàn)位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，波特率為9 600bit／s[5]。

為使系統(tǒng)具有更好的響應(yīng)性和高效性，本設(shè)計(jì)中開(kāi)啟數(shù)據(jù)接收線(xiàn)程進(jìn)行串口通信，使串口通信與OPC、組態(tài)王之間的通信可以同時(shí)進(jìn)行，減少了系統(tǒng)的等待時(shí)間[6]。一般通信控件提供2種處理串口通信的方法[7]：查詢(xún)法和事件驅(qū)使法。系統(tǒng)中，采用事件驅(qū)使法現(xiàn)。當(dāng)串口接收到任何數(shù)據(jù)時(shí)，將觸發(fā)EV＿RXCHAR事件。接收數(shù)據(jù)線(xiàn)程主要程序如下：

數(shù)據(jù)接收流程圖如圖4所示[8]。

圖4 數(shù)據(jù)接收流程圖Fig.4 Data receiving flow chart

3.1.2 通信管理模塊 OPC服務(wù)器需要通過(guò)OPC接口與客戶(hù)端應(yīng)用程序進(jìn)行交互，也需要對(duì)智能儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)存取操作。通信管理模塊解決數(shù)據(jù)讀寫(xiě)和存儲(chǔ)問(wèn)題，使客戶(hù)端可以方便地調(diào)用數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)幀經(jīng)USB適配器傳來(lái)后，需要進(jìn)行分析、轉(zhuǎn)換等操作，從而得到所需要的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)按照規(guī)定的幀格式傳輸，每幀都包含電流、電壓、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)信息，以16進(jìn)制形式表示。上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，分離出其中的數(shù)據(jù)位，創(chuàng)建標(biāo)簽并更新，使組態(tài)王軟件可以實(shí)時(shí)獲取焊接現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)。

3.1.3 OPC標(biāo)準(zhǔn)接口模塊 OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，而在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中存在著共性。為了縮短開(kāi)發(fā)周期并提高系統(tǒng)的可靠性，可以使用商用OPC數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器開(kāi)發(fā)工具來(lái)開(kāi)發(fā)[9]。OPC服務(wù)器開(kāi)發(fā)工具將技術(shù)細(xì)節(jié)隱藏起來(lái)，使開(kāi)發(fā)OPC服務(wù)器任務(wù)的核心轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)采集和優(yōu)化處理上，快速開(kāi)發(fā)工具通常為用戶(hù)提供動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（Dynamic Link Library，DLL），而DLL中包含了應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API）函數(shù)集合，通過(guò)調(diào)用API函數(shù)就可以完成開(kāi)發(fā)?？焖匍_(kāi)發(fā)工具雖然缺少靈活性，但通?？蓾M(mǎn)足多數(shù)用戶(hù)的需求，而且為工業(yè)控制軟件的設(shè)計(jì)與集成提供了便利。隨著OPC本身不斷改進(jìn)，擁有較強(qiáng)的生命力，在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用越來(lái)越廣泛[10]。

本文采用 Win-tech提供的OpcServer開(kāi)發(fā)包——WtopcSvr開(kāi)發(fā)包。WtopcSvr開(kāi)發(fā)包并不是一個(gè)OPC服務(wù)器，用戶(hù)必須對(duì)它進(jìn)行包裝，使得在WtopcSvr開(kāi)發(fā)包基礎(chǔ)上建立的應(yīng)用程序成為一個(gè)OPC服務(wù)器。如果按功能劃分，OPC服務(wù)器開(kāi)發(fā)工具的編程接口有OPC服務(wù)器瀏覽地址空間的屬性管理，實(shí)時(shí)讀寫(xiě)管理，還有啟動(dòng)、注冊(cè)、停止等功能管理，OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器開(kāi)發(fā)工具的設(shè)計(jì)工作需要完成上述基本功能[11]。

在OPC開(kāi)發(fā)工具包中，WtopcSvr.dll動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)封裝了OPC數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)規(guī)范所定義的COM和實(shí)現(xiàn)內(nèi)容。使用WtopcSvr進(jìn)行OPC服務(wù)器開(kāi)發(fā)，其過(guò)程如下[12]：① 生成CLSID，通過(guò)注冊(cè)函數(shù)將服務(wù)器的CLSID等信息填寫(xiě)到注冊(cè)表中；② 注冊(cè)服務(wù)器；③ 創(chuàng)建過(guò)程標(biāo)簽；④ 創(chuàng)建動(dòng)態(tài)標(biāo)簽；⑤ 注冊(cè)回調(diào)函數(shù)調(diào)用；⑥ 更新數(shù)據(jù)標(biāo)簽；⑦ 注銷(xiāo)服務(wù)器。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

為了提高焊接質(zhì)量，加強(qiáng)焊工資質(zhì)管理，本文提出了以下軟件需求：① 實(shí)現(xiàn)每臺(tái)焊機(jī)實(shí)時(shí)電流、電壓、工件轉(zhuǎn)速測(cè)量和顯示；② 完成電流、電壓、轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)曲線(xiàn)和歷史曲線(xiàn)的繪制；③ 實(shí)現(xiàn)電流、電壓、轉(zhuǎn)速值報(bào)警指示；④ 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄和查詢(xún)；⑤ 根據(jù)要求生成報(bào)表。

軟件功能主要包括以下部分：

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)時(shí)顯示出任何一臺(tái)焊機(jī)的電流、電壓、工件轉(zhuǎn)速，并實(shí)時(shí)繪制曲線(xiàn)。

組態(tài)王作為OPC的客戶(hù)端，提供標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口，實(shí)現(xiàn)與OPC數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器的通信，采集底層數(shù)據(jù)[13]。首先運(yùn)行已經(jīng)建立好的OPC服務(wù)器，再啟動(dòng)組態(tài)王，打開(kāi)組態(tài)王工程管理，創(chuàng)建工程項(xiàng)目，在設(shè)備選項(xiàng)中選擇OPC服務(wù)器項(xiàng)，添加正在運(yùn)行的OPC服務(wù)器，并進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。然后定義變量，在數(shù)據(jù)庫(kù)／數(shù)據(jù)詞典中根據(jù)需要新建變量，設(shè)置變量名、類(lèi)型、連接設(shè)備（選擇正在運(yùn)行的OPC服務(wù)器）和寄存器（創(chuàng)建的OPC標(biāo)簽）。從而實(shí)現(xiàn)了組態(tài)王和OPC的數(shù)據(jù)交換。

（2）焊接參數(shù)設(shè)置及報(bào)警系統(tǒng)。主要根據(jù)工藝規(guī)定的要求，當(dāng)選擇好工藝卡號(hào)后，自動(dòng)設(shè)置報(bào)警的上、下限；并能輸入焊工的工號(hào)和資質(zhì)，記錄焊工的信息。如果某一臺(tái)焊機(jī)的焊接電壓、電流或轉(zhuǎn)度超過(guò)工藝規(guī)定的要求，則實(shí)時(shí)報(bào)警，并查詢(xún)歷史報(bào)警記錄。

（3）歷史數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)。能夠查詢(xún)以往任何一天的焊接電流、電壓、工件、焊接線(xiàn)能量、焊工等信息，并繪制出電流、電壓歷史曲線(xiàn)圖。

組態(tài)王提供SQL訪(fǎng)問(wèn)功能。為了實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)可追溯性，采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)作為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。在access里創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)history.mdb，在其中建立列表，并添加時(shí)間、電流、電壓、轉(zhuǎn)速等字段。相應(yīng)地，在組態(tài)王工程瀏覽器左側(cè)的工程目錄顯示區(qū)內(nèi)選擇SQL訪(fǎng)問(wèn)管理器，創(chuàng)建表格模板和記錄體，使名稱(chēng)、字段等與建立的Access對(duì)應(yīng)。向數(shù)據(jù)庫(kù)中添加記錄、刪除記錄，均可以通過(guò)SQL語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)[14]。

（4）分析和報(bào)表系統(tǒng)。生成日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、季度報(bào)表、年報(bào)表等。

4 結(jié) 語(yǔ)

該遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)智能焊接在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)獲得實(shí)時(shí)生產(chǎn)制造信息，解決焊接質(zhì)量實(shí)時(shí)跟蹤控制和可追溯問(wèn)題，并已經(jīng)成功應(yīng)用于焊接工藝中。采用OPC技術(shù)，使系統(tǒng)的再開(kāi)發(fā)性增強(qiáng)。向下可與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)、以太網(wǎng)、DCS／PLC等通信；向上可以添加更多應(yīng)用程序[15]。在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可以逐步擴(kuò)展成一個(gè)信息化管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)、智能制造的數(shù)字化焊接車(chē)間。

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