張 磊，王博健，劉滿雨，白德濱，付 傲，張 晴

1.哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028

2.哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150028

0 前言

窄間隙埋弧焊是一種特殊的埋弧焊接技術(shù)，它可以在近乎平行的坡口內(nèi)，以一層兩道的焊接工藝完成大型厚壁鑄鍛件主縫焊接，是核電、石化等領(lǐng)域大型設(shè)備（如核電壓力容器、蒸發(fā)器、穩(wěn)壓器、加氫反應(yīng)器等）制造的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-4]。其所焊焊縫為壓力邊界焊縫，往往厚度較大（>100 mm）、焊接時(shí)間較長(zhǎng)（>24 h），對(duì)產(chǎn)品的制造周期、制造質(zhì)量和運(yùn)行使用有重大影響。因此，針對(duì)窄間隙埋弧焊接的技術(shù)特點(diǎn)，研制一套信息化管理系統(tǒng)用于詳細(xì)記錄焊接過(guò)程的數(shù)據(jù)信息，監(jiān)測(cè)焊接工藝執(zhí)行，做到焊接過(guò)程可追溯就顯得尤為重要。

目前，國(guó)內(nèi)窄間隙埋弧焊機(jī)信息化管理系統(tǒng)研制還處于起步階段。商業(yè)化產(chǎn)品僅有通用的焊接參數(shù)記錄儀等，僅能夠記錄存儲(chǔ)焊接過(guò)程中的焊接電流、焊接電壓、焊接速度等基本參數(shù)，不能記錄窄間隙埋弧焊接過(guò)程的全部信息，如焊接位置、跟蹤參數(shù)、換邊位置、搭接量、層間溫度、焊絲擺動(dòng)角度等。瑞典伊薩公司等已經(jīng)配套窄間隙埋弧焊機(jī)推出了焊接質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)記錄存儲(chǔ)焊接過(guò)程中的焊接工藝參數(shù)，并能對(duì)采集的焊接參數(shù)及控制參數(shù)進(jìn)行深度分析，預(yù)測(cè)焊接質(zhì)量等級(jí)，具有一定的智能化特點(diǎn)[5]。本文依托哈焊所HSS系列窄間隙埋弧焊機(jī)研制了一種窄間隙埋弧焊機(jī)的信息化管理系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)焊接數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)的全面記錄，做到所有數(shù)據(jù)有跡可循以及焊接消耗的統(tǒng)計(jì)，為焊接成本核算提供數(shù)據(jù)支撐。

1 硬件組成

信息化管理系統(tǒng)用于記錄設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的焊接工藝執(zhí)行信息、焊接設(shè)備運(yùn)行信息、能源材料消耗信息等。改變了以往只能通過(guò)人工不定時(shí)記錄監(jiān)視上述信息的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)了焊接過(guò)程信息的全記錄，并最終以EXCEL文件格式進(jìn)行存儲(chǔ)。

系統(tǒng)由觸摸屏、工控機(jī)、PLC控制系統(tǒng)、各類信息采集裝置、交換機(jī)等組成，可以和窄間隙埋弧焊設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。整體設(shè)備連接方式如圖1所示。各類信息（如送絲速度、焊劑消耗、層間溫度、電能消耗等）采集裝置，將采集到的數(shù)據(jù)信息傳遞給PLC控制系統(tǒng)，同時(shí)PLC通過(guò)交換機(jī)與窄間隙埋弧焊設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，對(duì)窄間隙埋弧焊設(shè)備的內(nèi)置信息（如設(shè)備運(yùn)行情況、部分焊接工藝信息）進(jìn)行采集。最終由PLC控制系統(tǒng)統(tǒng)一將數(shù)據(jù)信息通過(guò)交換機(jī)傳遞給工控機(jī)，并通過(guò)內(nèi)置于工控機(jī)的軟件系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行存儲(chǔ)、分析并在觸摸屏上展示。同一局域網(wǎng)下的遠(yuǎn)端上位機(jī)也可以通過(guò)網(wǎng)線與交換機(jī)相連，通過(guò)內(nèi)置的軟件系統(tǒng)將操作指令傳遞至工控機(jī)及窄間隙設(shè)備。系統(tǒng)安裝位置如圖2所示，其中觸摸屏、工控機(jī)、PLC控制系統(tǒng)與窄間隙埋弧焊設(shè)備的控制系統(tǒng)集成在一起，紅色虛線圈內(nèi)的部件為信息化管理系統(tǒng)的硬件部分，各類信息采集裝置分置于各個(gè)采集點(diǎn)位。

圖1 總體設(shè)備連接示意Fig.1 Schematic diagram of overall device connection

圖2 系統(tǒng)安裝位置Fig.2 Diagram of system installation position

為了實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程可追溯，需要盡可能全面地記錄焊接過(guò)程信息。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息來(lái)源分為窄間隙埋弧焊設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、部分焊接工藝參數(shù)以及能源材料消耗信息三個(gè)部分。窄間隙埋弧焊設(shè)備運(yùn)行參數(shù)包括：設(shè)備啟焊位置、左道焊接、右道焊接、左側(cè)橫向跟蹤參數(shù)、右側(cè)橫向跟蹤參數(shù)、高度跟蹤參數(shù)、送絲速度、換邊搭接距離、焊接層數(shù)、焊接厚度；焊接工藝參數(shù)包括：焊接電壓、焊接電流、焊接線速度、熱輸入量、層間溫度，由窄間隙埋弧焊設(shè)備控制系統(tǒng)提供，用于焊接質(zhì)量管理；能源材料消耗信息包括：焊接時(shí)間、焊絲消耗量、焊劑消耗量、總耗電量等，由各類信息采集裝置提供。各信息來(lái)源框圖如圖3所示。

圖3 采集信息來(lái)源Fig.3 Sources of information collection

電能監(jiān)測(cè)裝置安裝在電焊機(jī)的側(cè)面，用于測(cè)量整個(gè)設(shè)備的用電量，包括電焊機(jī)、操作機(jī)、控制柜的用電量。其中負(fù)責(zé)采集電能消耗的裝置是安科瑞AMP800系列電能表，通過(guò)互感器測(cè)量電源干線電流，計(jì)算電能消耗，通過(guò)網(wǎng)線將電能消耗傳送給PLC控制系統(tǒng)。

焊劑消耗采用壓力傳感器測(cè)量，該傳感器位于焊劑桶下方，最大量程600 kg，可輸出0 ～10 V電壓供PLC控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量該壓力傳感器測(cè)量較準(zhǔn)，誤差較小。

送絲速度測(cè)量方式是在送絲電機(jī)伺服器輸出端子中提取信號(hào)，通過(guò)外加電路板傳送給PLC控制系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，結(jié)合減速器的減速比和送絲輪的直徑，即可計(jì)算出送絲輪的線速度，即焊絲的送絲速度。

采用非接觸式紅外測(cè)溫儀對(duì)焊接全過(guò)程的層間溫度進(jìn)行測(cè)量，可輸出4 ～20 mA電流供PLC控制系統(tǒng)采集實(shí)時(shí)溫度。

2 軟件系統(tǒng)

軟件采集系統(tǒng)使用C++高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)，具有頁(yè)面美觀、功能強(qiáng)大、實(shí)時(shí)性高、運(yùn)行速度快等特點(diǎn)[6-8]，并且可維護(hù)性、拓展性、移植性較強(qiáng)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。數(shù)據(jù)庫(kù)是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的重要軟件，通過(guò)C++高級(jí)語(yǔ)言與MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)連接，可實(shí)現(xiàn)對(duì)從PLC中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，對(duì)歷史數(shù)進(jìn)行訪問(wèn)、查詢，修改等操作[9-10]。

用戶需要輸入用戶名和密碼方可進(jìn)入系統(tǒng)主頁(yè)，如圖4所示。主頁(yè)的中心區(qū)域分別顯示了電壓曲線、電流曲線、設(shè)備參數(shù)、開(kāi)機(jī)至今的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、報(bào)警信息等核心內(nèi)容。主頁(yè)的左側(cè)分別排列了“系統(tǒng)主頁(yè)”“參數(shù)輸入”“設(shè)備監(jiān)測(cè)”“焊接監(jiān)測(cè)”“參數(shù)曲線”“統(tǒng)計(jì)分析”“報(bào)警信息”“其他操作”8個(gè)子頁(yè)面入口，用戶可進(jìn)入每個(gè)子頁(yè)面詳細(xì)查看對(duì)應(yīng)信息。

圖4 系統(tǒng)主頁(yè)Fig.4 System home page

圖5為“參數(shù)輸入”界面，用戶可進(jìn)行參數(shù)輸入，包括：工件號(hào)、記錄頻率、焊絲直徑、焊接材質(zhì)、焊絲牌號(hào)、焊劑牌號(hào)、電壓范圍、電流范圍、焊接速度。如果采集的實(shí)時(shí)電壓、電流、焊接速度不符合輸入的范圍，則在數(shù)據(jù)導(dǎo)出文件的對(duì)應(yīng)位置顯示“參數(shù)超限”。

圖5 參數(shù)輸入Fig.5 Parameters input

圖6為“設(shè)備監(jiān)測(cè)”界面，顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、焊道位置、高度跟蹤設(shè)定、高度跟蹤測(cè)量、橫向跟蹤設(shè)定、橫向跟蹤測(cè)量、焊接層數(shù)、焊接厚度、焊接方式、工件壁厚、記錄角度、焊劑剩余量等信息。

圖6 設(shè)備監(jiān)測(cè)Fig.6 Monitoring of equipment

圖7為“焊接監(jiān)測(cè)”界面，顯示焊接電壓、焊接電流、送絲速度、焊接線速度、熱輸入量、熔敷速度、焊劑消耗率以及層間溫度等信息。

圖7 焊接監(jiān)測(cè)Fig.7 Monitoring of welding

圖8為“參數(shù)曲線”界面，包含實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線兩部分內(nèi)容，繪制了焊接電壓、焊接電流、焊接速度、熱輸入量4種工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線，并分別顯示對(duì)應(yīng)工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)值和設(shè)定值，方便管理人員監(jiān)控對(duì)比。點(diǎn)擊“結(jié)束”按鈕進(jìn)入歷史曲線查詢界面，歷史曲線可分工件號(hào)和輸入時(shí)間段兩種查詢方式，分別顯示整個(gè)工件的數(shù)據(jù)和輸入時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)，曲線區(qū)域可顯示大量數(shù)據(jù)并不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成卡頓，管理者可用鼠標(biāo)滾輪拖拽對(duì)曲線進(jìn)行放大、縮小和移動(dòng)，方便查看。

圖8 參數(shù)曲線Fig.8 Parameter curve

圖9為“統(tǒng)計(jì)分析”界面，顯示對(duì)焊接過(guò)程中消耗數(shù)據(jù)進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)，分別是焊接時(shí)間、電能消耗、焊絲消耗量、焊劑消耗量4項(xiàng)數(shù)據(jù)，該功能可按時(shí)間段和工件號(hào)兩種方式查詢。按時(shí)間段查詢分為“開(kāi)機(jī)至今”“當(dāng)日”“一個(gè)月”“三個(gè)月”4 種查詢方式，選擇要查詢的時(shí)間段再點(diǎn)擊“查詢”按鈕，頁(yè)面顯示對(duì)應(yīng)時(shí)間段焊接消耗的總和。按工件號(hào)查詢時(shí)，在工件號(hào)輸入框中輸入要查詢的工件號(hào)再點(diǎn)擊“查詢”按鈕，頁(yè)面顯示對(duì)應(yīng)工件的各項(xiàng)焊接消耗總和。提供多種查詢方式使管理人員便于查詢和比較數(shù)據(jù)，更準(zhǔn)確地掌握焊接消耗，估算每一件焊接產(chǎn)品的焊材消耗成本和人工成本，可大大降低工廠企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本并減少浪費(fèi)，達(dá)到精益化管理的目的。

圖10為“報(bào)警信息”界面，顯示窄間隙埋弧焊設(shè)備和焊接工藝參數(shù)的報(bào)警信息，分為實(shí)時(shí)報(bào)警和歷史報(bào)警兩部分內(nèi)容。界面顯示了設(shè)備開(kāi)機(jī)至今的報(bào)警記錄，管理人員可對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行及時(shí)處理，以免出現(xiàn)更大的問(wèn)題。點(diǎn)擊“結(jié)束”按鈕可進(jìn)入歷史報(bào)警信息界面，輸入開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間來(lái)查詢這一時(shí)間段內(nèi)的報(bào)警信息，可進(jìn)一步了解設(shè)備整體的運(yùn)行情況，點(diǎn)擊“幫助”按鈕可查詢對(duì)應(yīng)故障提示的描述及解決措施，方便人員進(jìn)行檢修。

圖10 報(bào)警信息Fig.10 Warning message

“其他操作”界面包含參數(shù)下達(dá)和文件導(dǎo)出兩個(gè)功能。參數(shù)下達(dá)功能可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端上位機(jī)對(duì)焊接工藝參數(shù)的設(shè)定。文件導(dǎo)出功能可將記錄存儲(chǔ)的信息以EXCEL文件格式進(jìn)行導(dǎo)出，導(dǎo)出后的文件可通過(guò)U盤或者網(wǎng)絡(luò)傳至指定電腦。如圖11所示，導(dǎo)出的數(shù)據(jù)包括工件號(hào)、記錄時(shí)間、電流、位置角度等詳細(xì)信息。如果發(fā)現(xiàn)焊接質(zhì)量問(wèn)題可根據(jù)工件號(hào)、時(shí)間、位置角度查看記錄的信息，為工廠提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了焊接參數(shù)的追溯，對(duì)發(fā)生問(wèn)題的排查，提高產(chǎn)品質(zhì)量起到了關(guān)鍵作用。

圖11 數(shù)據(jù)EXCEL表格導(dǎo)出Fig.11 Export data in EXCELform

3 試驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果

系統(tǒng)在某工廠進(jìn)行了實(shí)測(cè)，在工件焊接過(guò)程中對(duì)其焊接電流、焊接電壓、焊接速度、焊接位置以及相應(yīng)的設(shè)備信息進(jìn)行記錄，對(duì)焊接電能消耗、焊絲消耗、焊劑消耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。工件焊接結(jié)束之后在系統(tǒng)中按工件號(hào)導(dǎo)出所記錄的EXCEL表格，表格記錄的信息與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好，誤差小于1%，系統(tǒng)運(yùn)行效果良好。在工件出現(xiàn)焊接質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)記錄的設(shè)備和工藝信息完整還原了整個(gè)焊接過(guò)程，以數(shù)據(jù)為依據(jù)準(zhǔn)確判斷出了質(zhì)量問(wèn)題的原因，滿足了設(shè)計(jì)和使用要求。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，車間管理人員提出希望能在遠(yuǎn)端辦公室的電腦實(shí)現(xiàn)信息化管理系統(tǒng)的功能和遠(yuǎn)程參數(shù)下達(dá)，以便管理人員在自己的電腦上就能了解焊接情況、查看焊接數(shù)據(jù)和下達(dá)參數(shù)。為此，利用遠(yuǎn)端的辦公室電腦、現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)、PLC建立了局域網(wǎng)，利用PLC同時(shí)與遠(yuǎn)端的辦公室電腦和現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)兩臺(tái)電腦同時(shí)通訊，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享，滿足了客戶的需求。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一套用于全面記錄窄間隙埋弧焊接過(guò)程的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全面記錄窄間隙埋弧焊接過(guò)程信息，包括焊接工藝參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、能源材料消耗信息等，有效地還原整個(gè)焊接過(guò)程，如果出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題可迅速找出原因，也使工廠管理者能準(zhǔn)確掌握焊接材料消耗情況。此外，該系統(tǒng)采用C++語(yǔ)言自行編寫(xiě)、MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)完成搭建，是具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，并具有操作指令的遠(yuǎn)程下達(dá)功能，可通過(guò)遠(yuǎn)程上位機(jī)將焊接工藝參數(shù)直接下達(dá)至窄間隙埋弧焊設(shè)備。