黎 娟 ，羅 雨 ，周燦豐 ，韓肖亮 ，楊成功 ，路 浩

（1.北京化工大學機電工程學院，北京100029；2.北京石油化工學院機械工程學院，北京102617）

0 前言

海底管道是海上油氣生產(chǎn)及運輸?shù)闹匾M成部分[1]。焊接施工是海底管道鋪設過程中的重要環(huán)節(jié)，對鋪管質(zhì)量和效率具有重要影響[2]。我國海底管道的焊接技術已由焊條電弧焊向下立焊工藝發(fā)展到現(xiàn)在的半自動焊及全自動焊工藝，并已達到國際先進技術水平[3]。海底管道自動焊接是管道不能轉(zhuǎn)動的環(huán)縫焊接，焊接中電弧運動的實際位置不斷變化，需要焊接參數(shù)能相應地發(fā)生改變和調(diào)整，以保證熔池在電弧力、熔池表面張力、熔池自重下達到平衡[4]。人機交互系統(tǒng)是焊接設備最直接的操作界面，是操作者向焊接設備輸入各種參數(shù)、發(fā)出指令和觀察現(xiàn)場的窗口[5]。不同的焊接方法和工藝，其工藝過程和焊接參數(shù)設置存在較大差異[6-7]。因此，靈活友好、可拓展性強的人機交互系統(tǒng)是深水立管鋪設自動焊接設備實用化的一個重要方面。

1 人機系統(tǒng)的設計

1.1 人機交互系統(tǒng)總體架構

人機交互系統(tǒng)采用C#語言編寫，由人機界面與軟件程序組成。軟件程序采用模塊化結構，包括通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、監(jiān)控報警模塊等。通訊模塊實現(xiàn)人機系統(tǒng)與焊接設備TwinCAT控制系統(tǒng)之間的通信；數(shù)據(jù)存儲模塊實現(xiàn)實時焊接和非實時焊接參數(shù)的讀取、記錄以及存儲；監(jiān)控模塊監(jiān)控焊接過程的實時變化。人機交互系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。

圖1 人機交互系統(tǒng)的總體架構Fig.1 Overall architecture of human-machine system

1.2 人機界面的設計

基于用戶使用習慣，人機界面采用菜單式扁平化設計結構，界面簡潔明了，用戶易懂易學。人機界面分為三級：一級是主界面，可監(jiān)控焊接過程參數(shù)（包括焊接速度、焊縫位置、擺心位置等參數(shù)）；二級是功能界面，可以分別查看和設置控制參數(shù)及分區(qū)參數(shù)；三級是數(shù)據(jù)處理界面，該界面與Access數(shù)據(jù)庫連通，可以實時查看焊接過程中的運行數(shù)據(jù)，并且以實時曲線的形式直觀呈現(xiàn)。人機界面架構如圖2所示。

圖2 人機界面架構Fig.2 Architecture of human-machine interactio

2 通訊模塊設計

海底管道鋪設自動焊接設備采用TwinCAT控制系統(tǒng)。在TwinCAT系統(tǒng)中，各個軟件模塊（如TwinCAT PLC、TwinCAT NC、Windows應用程序等）能夠獨立工作，各個軟件模塊之間的信息交換通過TwinCAT ADS 完成。ADS（Automation Device Specification）即自動化設備規(guī)范，它為設備之間的通訊提供路由。TwinCATPC和Beckhoff控制器中都包含TwinCAT信息路由器。因此各個ADS設備之間能夠交換數(shù)據(jù)和信息。基于ADS的TwinCAT系統(tǒng)構架如圖3所示。

圖3 基于ADS的TwinCAT系統(tǒng)構架Fig.3 TwinCAT system architecture based on ADS

每臺TwinCATADS設備都有各自的AdsAmsNetId和AdsPort，以相互區(qū)別。AdsAmsNetId是TCP/IP地址的擴展，存在于每臺TwinCAT PC或Beckhoff控制器中。每臺ADS設備（ADS Server）的AdsPort都各不相同，且固定不變。而ADS客戶端（ADS Client）應用程序的AdsPort則是可變的。ADS設備與其他設備之間可通過訪問變量的方式通信，TwinCAT ADS訪問變量有兩種方式：一種采用尋址方式，另一種采用變量名方式。本研究設計的人機系統(tǒng)是采用變量名方式實現(xiàn)與TwinCAT控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。

人機系統(tǒng)采用基于.NET平臺的C#語言編寫，人機系統(tǒng)與TwinCAT控制系統(tǒng)的通信采用ADS通信方法，其.NET調(diào)用流程如圖4所示。

圖4 .NET調(diào)用流程Fig.4 .NET call flow

3 人機系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 一級主界面的設計

管道安裝對接是管道不能轉(zhuǎn)動的環(huán)縫焊接，焊接中電弧運動的實際位置會不斷變化，焊車位置、焊縫位置也實時變化。因此，主界面主要顯示當前任務狀態(tài)和焊接過程中的實時數(shù)據(jù)，以監(jiān)控整體的焊接過程。主界面如圖5所示。

3.2 二級功能界面的設計

二級功能界面主要包括設置焊接控制參數(shù)和區(qū)位控制參數(shù)。管道焊接屬于多層多道焊接，完成整個焊縫的焊接需要經(jīng)過打底、填充、蓋面多道工序。多層多道規(guī)劃后，根據(jù)焊接工藝要求確定起弧和?；∥恢?，每層焊道的停弧位置與起弧位置有一定的搭接。但是為了防止應力集中影響焊接質(zhì)量，上一層焊道搭接區(qū)不能與下一層焊道搭接區(qū)域重合[8]。設置二級功能界面的參數(shù)，根據(jù)不同的焊接道次設定不同的焊接參數(shù)。此界面可以設置擺動單元、焊接電源、焊接小車的參數(shù)。擺動單元中的擺動速率、擺動寬度、邊際駐留時間等參數(shù)根據(jù)不同焊接道次分別進行調(diào)整。

圖5 一級主界面Fig.5 Main interface

管道焊接普遍采用的區(qū)段劃分方式為：將整個圓周焊道劃分為2個半圓周，每個半圓周劃分為12大段。對分區(qū)的13個特征位置進行焊接參數(shù)設置，系統(tǒng)可以插值計算出不同位置相匹配的焊接參數(shù)。

3.3 三級數(shù)據(jù)處理界面

深水立管鋪設自動焊接設備在焊接過程中焊接工藝參數(shù)多、焊接過程數(shù)據(jù)量大，采用Access數(shù)據(jù)庫可有效管理焊接數(shù)據(jù)，為檢查焊縫缺陷、摸索及優(yōu)化焊接工藝參數(shù)建立基礎數(shù)據(jù)支撐。建立深水立管焊接數(shù)據(jù)庫，首先需要人機系統(tǒng)與Access數(shù)據(jù)庫進行通信，然后根據(jù)用戶需要在Access數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建記錄立管焊接工藝參數(shù)的表格模板，不同參數(shù)功能的表格有不同模板。通過ADO.NET數(shù)據(jù)訪問接口，實現(xiàn)焊接數(shù)據(jù)與Access數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)傳輸。建立變量記錄體與表格模板的對應關系，記錄與存儲實現(xiàn)實時焊接參數(shù)。建立的Access焊接工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫如圖6所示。

通過調(diào)用DataSet函數(shù)可實現(xiàn)焊接過程實時數(shù)據(jù)的調(diào)用，還能將這些數(shù)據(jù)在時間軸上展開完成實時數(shù)據(jù)的顯示，形成可動態(tài)觀測的曲線，為后續(xù)研究焊接質(zhì)量控制、分析焊接電弧信號變化規(guī)律提供較為有效的技術手段。在焊接過程中，焊接電流和電壓是兩個非常重要的參數(shù)，通過實時曲線的動態(tài)觀測，可以更直觀地看出焊接電流與電壓的穩(wěn)定性。

圖6 焊接工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫表格Fig.6 Welding process parameters database tables

4 結論

（1）設計的人機系統(tǒng)采用C#語言編寫，人機系統(tǒng)與TwinCAT控制系統(tǒng)之間采用ADS通訊方法進行數(shù)據(jù)交換，并采用Access數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲，具有實時性高、數(shù)據(jù)處理能力強的優(yōu)點。經(jīng)試驗表明，在實際焊接過程中可實現(xiàn)以0.1 s/次速度保存數(shù)據(jù)。相比于現(xiàn)有的用組態(tài)王編寫的人機系統(tǒng)每1 s/次的速度保存數(shù)據(jù)，人機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力更強，可以更好地適應目前階段海底管道鋪設自動焊接設備的數(shù)據(jù)處理要求。

（2）該人機系統(tǒng)根據(jù)海底管道鋪設自動焊接工藝特點進行設計，實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)監(jiān)控、焊接參數(shù)設置、數(shù)據(jù)庫存儲及實時曲線等多種功能，具有功能齊全、操作方便、人機友好的特點，符合海底管道鋪設自動焊接的要求。人機系統(tǒng)程序采用模塊化結構，可拓展性好，為后續(xù)實現(xiàn)整個焊接系統(tǒng)的集成化提供了可能。

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