數(shù)字化焊接車間的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計

艾美特焊接自動化技術(shù)（北京）有限公司 蔡東紅 楊旭東 王旭光

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進步，不斷地對重要工業(yè)生產(chǎn)工藝技術(shù)提出新的要求，針對焊接領(lǐng)域，主要體現(xiàn)在以下方面：首先，焊接質(zhì)量受到越來越多的重視和關(guān)注，焊接在很多場合一直被認為是影響產(chǎn)品整體質(zhì)量的薄弱環(huán)節(jié)，因此要提高產(chǎn)品整體質(zhì)量，突破焊接質(zhì)量瓶頸成為一個重要的環(huán)節(jié)；其次，改善工況環(huán)境，降低勞動強度，最大限度地讓人的工作被機器設(shè)備取代；第三，提高焊接設(shè)備的自動化和智能化水平，使人機交互更友好，設(shè)備的安全性能更高；第四，需要將焊接生產(chǎn)管理納入整個工廠的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，讓生產(chǎn)流程更加順暢、高效；第五，讓產(chǎn)品質(zhì)量具備可追溯性，一旦出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題，能夠準(zhǔn)確地定位到出現(xiàn)問題的點，為故障原因排查提供依據(jù)。所有這些要求最終全部都落實到對焊接生產(chǎn)過程信息的控制與應(yīng)用上，從而將先進的信息技術(shù)植入到焊接自動化領(lǐng)域，讓自動焊接設(shè)備內(nèi)部、設(shè)備之間、設(shè)備與管理系統(tǒng)之間形成有效的信息交互網(wǎng)路就顯得十分重要。

艾美特公司是從事焊接過程精密控制的自動焊接系統(tǒng)開發(fā)商，率先將數(shù)字信號處理技術(shù)、分布式控制技術(shù)和多處理器協(xié)同控制的理念引入焊接自動化領(lǐng)域，不但能實現(xiàn)每個焊接參數(shù)閉環(huán)反饋控制，整套系統(tǒng)接受遠程監(jiān)控，還在多套系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化管理方面進行了成功嘗試。目前，艾美特可以實現(xiàn)所有弧焊工藝的數(shù)字化控制，并且以數(shù)字化焊接系統(tǒng)為基礎(chǔ)可以搭建焊接車間的網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)控制和管理系統(tǒng)，實踐證明這是一種十分可行的數(shù)字化車間建設(shè)方案。

1 數(shù)字化焊接車間結(jié)構(gòu)

1.1 數(shù)字化焊接車間的基本組成

一個完整的數(shù)字化焊接車間由監(jiān)控服務(wù)器、自動化焊接設(shè)備、監(jiān)控客戶端、網(wǎng)絡(luò)攝像機、視頻服務(wù)器、焊接攝像頭、網(wǎng)絡(luò)交換機、路由器、網(wǎng)絡(luò)防火墻等組成。數(shù)字化車間系統(tǒng)的各種功能服務(wù)器和客戶端都作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接入到車間的工業(yè)以太網(wǎng)中。

（1）監(jiān)控服務(wù)器：是系統(tǒng)的核心，負責(zé)配置和管理系統(tǒng)中所有的自動化設(shè)備節(jié)點，采集、整理和保存自動化焊接設(shè)備的監(jiān)控數(shù)據(jù)和監(jiān)控錄像，向自動化焊接設(shè)備上傳和下載文件；監(jiān)控服務(wù)器同時也對監(jiān)控帳戶進行管理，并且根據(jù)帳戶和密碼對客戶端進行鑒權(quán)，向監(jiān)控客戶端傳送與帳戶權(quán)限匹配的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)、監(jiān)控錄像，向自動化焊接設(shè)備傳輸文件，統(tǒng)計和分析自動化焊接設(shè)備歷史監(jiān)控數(shù)據(jù)，查看歷史監(jiān)控錄像等。監(jiān)控服務(wù)器按照功能可以分為數(shù)據(jù)庫服務(wù)、視頻服務(wù)、焊接設(shè)備監(jiān)控代理、監(jiān)控服務(wù)4個部分，對于自動化設(shè)備比較少的系統(tǒng)，這些功能可以布置在一臺服務(wù)器上，如果系統(tǒng)中的自動化設(shè)備比較多，監(jiān)控服務(wù)器的功能可以分配在多臺服務(wù)器上。

（2）自動化焊接設(shè)備：是系統(tǒng)的目的。任何具備網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控接口的自動化焊接設(shè)備都可以作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接入系統(tǒng)。艾美特的控制器已經(jīng)具備了這個能力，能夠提供焊接程序文件和數(shù)據(jù)采集文件的上傳和下載，以及控制器及各個模塊狀態(tài)的監(jiān)控等。

（3）監(jiān)控客戶端：是管理人員與系統(tǒng)的窗口。通過監(jiān)控客戶端提供的人機界面，管理人員可以查看自動化焊接設(shè)備的實時運行狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)攝像機和焊接攝像頭的實時監(jiān)控畫面（與現(xiàn)場會有幾秒的延遲），也能查看焊接設(shè)備的歷史監(jiān)控數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)攝像機和焊接攝像頭的歷史監(jiān)控畫面，并對自動化焊機設(shè)備的運行狀況進行統(tǒng)計和分析。

（4）網(wǎng)絡(luò)攝像機：用于采集自動化焊接設(shè)備的宏觀畫面，監(jiān)控自動化設(shè)備整體的運行和操作狀況，主要功能是把采集到的焊接設(shè)備宏觀視頻和音頻數(shù)據(jù)編碼和打包，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控服務(wù)器。

（5）視頻服務(wù)器：主要功能是把焊接攝像頭采集的模擬視頻信號數(shù)字化，進行編碼和打包后，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控服務(wù)器。

（6）焊接攝像頭：在焊接過程中直接采集熔池附近的微觀圖像（埋弧焊系統(tǒng)不需要配置），在供自動化焊接設(shè)備的操作人員觀察焊接情況的同時，也把采集到的圖像分發(fā)到視頻服務(wù)器，再由視頻服務(wù)器把圖像信號數(shù)字化并編碼后發(fā)送到監(jiān)控服務(wù)器。

（7）焊接過程信息整合處理：可以將焊接過程的所有信息，比如宏觀視頻、微觀視頻、坡口形貌、實際執(zhí)行的焊接參數(shù)等以時間或者坐標(biāo)軸，或者組合畫面的形式記憶并儲存，方便對焊接過程進行全面的、同步的追溯。而且，類似的組合畫面可以授權(quán)終端實時訪問和記錄，甚至實現(xiàn)遠程診斷和操作。圖1是數(shù)字化焊接車間網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控終端的監(jiān)控界面。

（8）網(wǎng)絡(luò)交換機：負責(zé)網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點的數(shù)據(jù)交換，是各個節(jié)點進行可靠數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)。

（9）路由器：是可選節(jié)點，在需要連接其他網(wǎng)絡(luò)時負責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，如果不連接其他網(wǎng)絡(luò)則不需要。

（10）網(wǎng)絡(luò)防火墻：網(wǎng)絡(luò)防火墻也是可選節(jié)點，為系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供對外的網(wǎng)絡(luò)安全保障，只有在需要連接其他網(wǎng)絡(luò)并且對所連接網(wǎng)絡(luò)不信任時才需要。

圖2是一套典型的數(shù)字化焊接車間的組網(wǎng)圖，自動化焊接設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)的攝像機、視頻服務(wù)器、焊接攝像頭都被布置在車間里，焊接攝像頭本身就是焊接設(shè)備的一部分；網(wǎng)絡(luò)攝像機需要布置在車間的合適位置，盡可能監(jiān)控到焊接設(shè)備的全貌，不留監(jiān)控死角；視頻服務(wù)器布置在焊接設(shè)備的電器柜或者操作臺上，主要考慮到焊接攝像頭的視頻線纜不能太長，要減少模擬圖像信號長距離傳播的損耗。

圖1 數(shù)字化焊接車間監(jiān)控終端監(jiān)控界面Fig.1 Monitoring interface of monitoring terminal of digital welding workshop

監(jiān)控服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機、路由器和網(wǎng)絡(luò)防火墻應(yīng)布置到環(huán)境相對穩(wěn)定的機房中，在條件許可的情況下，配置不間斷電源（UPS）和機房空調(diào)，以免外部供電突然中斷造成監(jiān)控服務(wù)器的數(shù)據(jù)損失，并保證監(jiān)控服務(wù)器以及網(wǎng)絡(luò)交換機運行環(huán)境的穩(wěn)定，使整個系統(tǒng)能夠持續(xù)穩(wěn)定的運行。

監(jiān)控客戶端可運行于辦公室的普通辦公電腦上，通過路由器和防火墻，也能運行在本地網(wǎng)絡(luò)之外的遠程主機上，實現(xiàn)系統(tǒng)的運程監(jiān)控。

圖2 數(shù)字化焊接車間組網(wǎng)Fig.2 Network of digital welding workshop

考慮到需要在網(wǎng)絡(luò)中傳遞大量的視頻數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)交換機應(yīng)該配置千兆交換能力，監(jiān)控服務(wù)器以千兆的接入速度連接到網(wǎng)絡(luò)交換機，其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點使用百兆接入速度即可。

視頻數(shù)據(jù)不但需要占用大量的傳輸帶寬，同時保存這些視頻數(shù)據(jù)也需要占用大量的硬盤空間，因此，監(jiān)控服務(wù)器應(yīng)配置TB級的硬盤，保證存儲不小于3000min的熔池視頻和不小于9000min的設(shè)備視頻；多出的視頻內(nèi)容，有價值的可以刻錄到光盤保存，其他的需要清理掉，以騰出硬盤空間。

對于監(jiān)控服務(wù)器、視頻服務(wù)器等需要高可靠性的關(guān)鍵服務(wù)器，考慮采用RAID1或者RAID5的陣列方式使用多個硬盤保存數(shù)據(jù)，以避免硬盤損壞造成災(zāi)難性的數(shù)據(jù)損失；同時管理人員也需要定期將其數(shù)據(jù)備份到移動存儲介質(zhì)，以實現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的異地容災(zāi)。

1.2 典型數(shù)字化焊接車間架構(gòu)

圖3（a）是一套最簡單的數(shù)字化焊接工廠控制結(jié)構(gòu)圖，整個控制結(jié)構(gòu)分為3個層次，最頂層是車間網(wǎng)絡(luò)控制中心，中間層次是自動化焊接設(shè)備的實時控制器，最底層是焊接設(shè)備中具體動作的DSP控制單元。通過這種自上而下的控制模式，管理人員便可以很直觀、快捷地知道焊接設(shè)備的工作狀態(tài)以及焊接參數(shù)。圖3（b）是焊接設(shè)備功能升級后的焊接車間控制結(jié)構(gòu)，對于艾美特的數(shù)字化車間構(gòu)架，用戶只需在焊接設(shè)備中添加相應(yīng)的功能模塊即可完成升級，不需要改造車間網(wǎng)絡(luò)平臺。圖3（c）是車間生產(chǎn)規(guī)模增加后，更多的自動焊設(shè)備被添加到車間的生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)，這時需要做的只是將新購進的焊接設(shè)備的實時控制器網(wǎng)絡(luò)端口接入已有的車間網(wǎng)絡(luò)預(yù)留端，并且由服務(wù)端分配對應(yīng)的IP地址，即完成新設(shè)備的并網(wǎng)工作。圖3（d）是數(shù)字化焊接車間生產(chǎn)管理功能共享后的結(jié)構(gòu)圖，車間生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)可以被設(shè)定一定的權(quán)限共享給其他相關(guān)部門，甚至接入這個工廠的生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)，與其他工序如加工、物流、倉儲等管理網(wǎng)絡(luò)并網(wǎng)。

2 數(shù)字化焊接車間的管理與應(yīng)用

2.1 生產(chǎn)管理

生產(chǎn)管理主要涉及對焊接程序的應(yīng)用與管理，圖4是數(shù)字化焊接車間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，管理人員登錄到監(jiān)控服務(wù)器后可以對選定焊接設(shè)備上的焊接程序遠程管理，通過監(jiān)控客戶端的人機交互界面，可對焊接設(shè)備上的焊接程序進行查看、改名、刪除、上傳和下載等操作。使用焊接設(shè)備的離線編程工具，管理人員在辦公室就能編輯焊接程序，設(shè)置焊接程序相關(guān)的各種參數(shù)，并通過監(jiān)控客戶端把焊接程序上傳到焊接設(shè)備，使操作人員直接調(diào)用新的焊接程序進行焊接，從而實現(xiàn)了焊接工藝參數(shù)的遠程管理和修改。管理人員通過監(jiān)控客戶端，可下載焊接設(shè)備上的焊接程序、配置參數(shù)等各種關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并且能夠快速地布置到其他焊接設(shè)備，結(jié)合企業(yè)的ERP系統(tǒng)，實現(xiàn)輕松便捷地布置生產(chǎn)任務(wù)。

圖3 數(shù)字化焊接車間控制結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 CSD of digital welding workshop

圖4 數(shù)字化焊接車間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Network structure diagram of digital welding workshop

通過監(jiān)控客戶端人機交互界面，管理人員能夠遠程設(shè)置操作人員能夠使用的焊接程序及其參數(shù)調(diào)整范圍，既能達到生產(chǎn)任務(wù)管理的目的，還具有為現(xiàn)場操作人員提供根據(jù)工件的實際情況調(diào)整和補償焊接參數(shù)的能力，同時焊接參數(shù)調(diào)整和補償?shù)姆秶强梢杂晒芾砣藛T事先限定的，不但能保證焊接程序在復(fù)雜現(xiàn)場條件下焊接工藝參數(shù)調(diào)整的靈活性，又能通過限制調(diào)整和補償?shù)南薅缺ＷC焊接工藝的安全性。

2.2 數(shù)據(jù)采集文件管理

管理人員登錄到監(jiān)控服務(wù)器后可以對選定焊接設(shè)備上的數(shù)據(jù)采集文件遠程管理，通過監(jiān)控客戶端的人機交互界面，可對焊接設(shè)備上的數(shù)據(jù)采集文件進行查看、刪除和下載等操作。

數(shù)據(jù)采集文件會大量占用焊接設(shè)備的存儲空間，管理人員通過監(jiān)控客戶端定期巡視焊接設(shè)備上的數(shù)據(jù)采集文件，清理掉無用的數(shù)據(jù)文件，保證焊接設(shè)備的正常運行。

管理人員下載數(shù)據(jù)采集文件，使用特定軟件進行數(shù)據(jù)分析，能提前預(yù)知焊接過程中可能存在的問題，并且預(yù)見性地遠程調(diào)整焊接工藝參數(shù)，可以防患于未然，在保證生產(chǎn)質(zhì)量的同時，也保證了生產(chǎn)效率。

管理人員通過下載分析數(shù)據(jù)采集文件，可方便地比較多臺焊接設(shè)備的焊接工藝特性，有針對性地對不同的焊接設(shè)備差異化地設(shè)定焊接工藝參數(shù)，同時通過比較也能發(fā)現(xiàn)焊接設(shè)備上可能存在的隱患，為焊接設(shè)備的維護和維修提供參考。

2.3 焊接設(shè)備監(jiān)控及管理

焊接設(shè)備監(jiān)控可以分為焊接設(shè)備實時監(jiān)控、焊接設(shè)備歷史運行數(shù)據(jù)查看和焊接設(shè)備歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。焊接設(shè)備的監(jiān)控事件包括焊接設(shè)備啟動、焊接設(shè)備關(guān)閉、焊接設(shè)備模塊上線、焊接設(shè)備模塊下線、焊接程序開始運行、焊接程序停止運行、焊接程序段切換、焊接關(guān)鍵參數(shù)變化、焊接過程中的報警和出錯、焊接設(shè)備的急停事件等焊接機床的各種參數(shù)和狀態(tài)。

焊接設(shè)備實時監(jiān)控時，監(jiān)控客戶端通過監(jiān)控服務(wù)器內(nèi)的監(jiān)控服務(wù)連接焊接設(shè)備監(jiān)控代理，焊接設(shè)備監(jiān)控代理根據(jù)自動化焊接設(shè)備標(biāo)識連接到焊接設(shè)備，得到焊接設(shè)備當(dāng)時的監(jiān)控狀態(tài)，并將狀態(tài)數(shù)據(jù)實時地發(fā)送回監(jiān)控客戶端。

查看和統(tǒng)計分析焊接設(shè)備歷史運行數(shù)據(jù)時，監(jiān)控客戶端通過監(jiān)控服務(wù)器的監(jiān)控服務(wù)連接數(shù)據(jù)庫服務(wù)，取出存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中的焊接設(shè)備監(jiān)控數(shù)據(jù)，返回給監(jiān)控客戶端查看或者用于統(tǒng)計分析。

通過焊接設(shè)備實時監(jiān)控和歷史運行數(shù)據(jù)分析，管理人員可以精確掌握每臺設(shè)備的負荷，為生產(chǎn)任務(wù)的管理和安排提供重要參考；管理人員通過分析和比較同一臺焊接設(shè)備上不同操作人員、不同時段、不同工況、不同生產(chǎn)任務(wù)中的監(jiān)控數(shù)據(jù)，能夠分析出操作人員的操作習(xí)慣對焊接工藝、生產(chǎn)效率、焊接質(zhì)量等方面的影響，為操作人員的管理和培訓(xùn)提供有效的幫助。

2.4 設(shè)備圖像采集

設(shè)備圖像采集系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)攝像機采集自動化焊接設(shè)備的宏觀畫面，監(jiān)控自動化設(shè)備整體的運行和操作狀況。

當(dāng)監(jiān)控客戶端沒有實時查看設(shè)備圖像時，監(jiān)控服務(wù)器的視頻服務(wù)只是把網(wǎng)絡(luò)攝像機發(fā)送的設(shè)備圖像保存起來，并且在數(shù)據(jù)庫中建立索引；如果此時有監(jiān)控客戶端在實時查看設(shè)備圖像，監(jiān)控服務(wù)器的視頻服務(wù)除了保存設(shè)備圖像外，同時把設(shè)備圖像的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)控客戶端進行實時播放。

監(jiān)控客戶端查看歷史設(shè)備圖像時，監(jiān)控服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫服務(wù)根據(jù)監(jiān)控客戶端的檢索條件，從數(shù)據(jù)庫中檢索出有效的設(shè)備圖像歷史記錄，并且通知視頻服務(wù)從磁盤中讀取匹配的視頻流，發(fā)送到監(jiān)控客戶端播放。

3 結(jié)束語

隨著技術(shù)的不斷進步以及現(xiàn)代生產(chǎn)對高質(zhì)量、高效率生產(chǎn)的迫切需求，數(shù)字化焊接車間必然是未來焊接工廠建設(shè)的發(fā)展方向?；ヂ?lián)網(wǎng)、工廠內(nèi)GPS系統(tǒng)和云計算技術(shù)的成熟與普及，都使得數(shù)字化焊接車間完全可以與物流控制、網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)共享等技術(shù)結(jié)合起來，為全面的數(shù)字化焊接生產(chǎn)管理和質(zhì)量控制提供更高的標(biāo)準(zhǔn)和更全面的手段。艾美特公司作為數(shù)字化高效自動焊接設(shè)備制造的領(lǐng)跑者，已經(jīng)充分認識到這個發(fā)展趨勢，并且已經(jīng)著手在焊接系統(tǒng)的設(shè)計時預(yù)留了數(shù)字化焊接車間建設(shè)可能用到的各種接口。