海底管道鋪設(shè)自動(dòng)焊接設(shè)備人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黎 娟 ，羅 雨 ，周燦豐 ，韓肖亮 ，楊成功 ，路 浩

（1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029；2.北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京102617）

0 前言

海底管道是海上油氣生產(chǎn)及運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分[1]。焊接施工是海底管道鋪設(shè)過程中的重要環(huán)節(jié)，對(duì)鋪管質(zhì)量和效率具有重要影響[2]。我國(guó)海底管道的焊接技術(shù)已由焊條電弧焊向下立焊工藝發(fā)展到現(xiàn)在的半自動(dòng)焊及全自動(dòng)焊工藝，并已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平[3]。海底管道自動(dòng)焊接是管道不能轉(zhuǎn)動(dòng)的環(huán)縫焊接，焊接中電弧運(yùn)動(dòng)的實(shí)際位置不斷變化，需要焊接參數(shù)能相應(yīng)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(dá)到平衡[4]。人機(jī)交互系統(tǒng)是焊接設(shè)備最直接的操作界面，是操作者向焊接設(shè)備輸入各種參數(shù)、發(fā)出指令和觀察現(xiàn)場(chǎng)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(shè)置存在較大差異[6-7]。因此，靈活友好、可拓展性強(qiáng)的人機(jī)交互系統(tǒng)是深水立管鋪設(shè)自動(dòng)焊接設(shè)備實(shí)用化的一個(gè)重要方面。

1 人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 人機(jī)交互系統(tǒng)總體架構(gòu)

人機(jī)交互系統(tǒng)采用C#語(yǔ)言編寫，由人機(jī)界面與軟件程序組成。軟件程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、監(jiān)控報(bào)警模塊等。通訊模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)系統(tǒng)與焊接設(shè)備TwinCAT控制系統(tǒng)之間的通信；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)焊接和非實(shí)時(shí)焊接參數(shù)的讀取、記錄以及存儲(chǔ)；監(jiān)控模塊監(jiān)控焊接過程的實(shí)時(shí)變化。人機(jī)交互系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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

1.2 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

基于用戶使用習(xí)慣，人機(jī)界面采用菜單式扁平化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，界面簡(jiǎn)潔明了，用戶易懂易學(xué)。人機(jī)界面分為三級(jí)：一級(jí)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(jí)是功能界面，可以分別查看和設(shè)置控制參數(shù)及分區(qū)參數(shù)；三級(jí)是數(shù)據(jù)處理界面，該界面與Access數(shù)據(jù)庫(kù)連通，可以實(shí)時(shí)查看焊接過程中的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并且以實(shí)時(shí)曲線的形式直觀呈現(xiàn)。人機(jī)界面架構(gòu)如圖2所示。

圖2 人機(jī)界面架構(gòu)Fig.2 Architecture of human-machine interactio

2 通訊模塊設(shè)計(jì)

海底管道鋪設(shè)自動(dòng)焊接設(shè)備采用TwinCAT控制系統(tǒng)。在TwinCAT系統(tǒng)中，各個(gè)軟件模塊（如TwinCAT PLC、TwinCAT NC、Windows應(yīng)用程序等）能夠獨(dú)立工作，各個(gè)軟件模塊之間的信息交換通過TwinCAT ADS 完成。ADS（Automation Device Specification）即自動(dòng)化設(shè)備規(guī)范，它為設(shè)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(gè)ADS設(shè)備之間能夠交換數(shù)據(jù)和信息?；贏DS的TwinCAT系統(tǒng)構(gòu)架如圖3所示。

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

每臺(tái)TwinCATADS設(shè)備都有各自的AdsAmsNetId和AdsPort，以相互區(qū)別。AdsAmsNetId是TCP/IP地址的擴(kuò)展，存在于每臺(tái)TwinCAT PC或Beckhoff控制器中。每臺(tái)ADS設(shè)備（ADS Server）的AdsPort都各不相同，且固定不變。而ADS客戶端（ADS Client）應(yīng)用程序的AdsPort則是可變的。ADS設(shè)備與其他設(shè)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(shè)計(jì)的人機(jī)系統(tǒng)是采用變量名方式實(shí)現(xiàn)與TwinCAT控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。

人機(jī)系統(tǒng)采用基于.NET平臺(tái)的C#語(yǔ)言編寫，人機(jī)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(jī)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 一級(jí)主界面的設(shè)計(jì)

管道安裝對(duì)接是管道不能轉(zhuǎn)動(dòng)的環(huán)縫焊接，焊接中電弧運(yùn)動(dòng)的實(shí)際位置會(huì)不斷變化，焊車位置、焊縫位置也實(shí)時(shí)變化。因此，主界面主要顯示當(dāng)前任務(wù)狀態(tài)和焊接過程中的實(shí)時(shí)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(jí)功能界面的設(shè)計(jì)

二級(jí)功能界面主要包括設(shè)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(gè)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停弧位置，每層焊道的?；∥恢门c起弧位置有一定的搭接。但是為了防止應(yīng)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(shè)置二級(jí)功能界面的參數(shù)，根據(jù)不同的焊接道次設(shè)定不同的焊接參數(shù)。此界面可以設(shè)置擺動(dòng)單元、焊接電源、焊接小車的參數(shù)。擺動(dòng)單元中的擺動(dòng)速率、擺動(dòng)寬度、邊際駐留時(shí)間等參數(shù)根據(jù)不同焊接道次分別進(jìn)行調(diào)整。

圖5 一級(jí)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(gè)圓周焊道劃分為2個(gè)半圓周，每個(gè)半圓周劃分為12大段。對(duì)分區(qū)的13個(gè)特征位置進(jìn)行焊接參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)可以插值計(jì)算出不同位置相匹配的焊接參數(shù)。

3.3 三級(jí)數(shù)據(jù)處理界面

深水立管鋪設(shè)自動(dòng)焊接設(shè)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(kù)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(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。建立深水立管焊接數(shù)據(jù)庫(kù)，首先需要人機(jī)系統(tǒng)與Access數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行通信，然后根據(jù)用戶需要在Access數(shù)據(jù)庫(kù)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(shí)現(xiàn)焊接數(shù)據(jù)與Access數(shù)據(jù)庫(kù)之間的數(shù)據(jù)傳輸。建立變量記錄體與表格模板的對(duì)應(yīng)關(guān)系，記錄與存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)焊接參數(shù)。建立的Access焊接工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)如圖6所示。

通過調(diào)用DataSet函數(shù)可實(shí)現(xiàn)焊接過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的調(diào)用，還能將這些數(shù)據(jù)在時(shí)間軸上展開完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示，形成可動(dòng)態(tài)觀測(cè)的曲線，為后續(xù)研究焊接質(zhì)量控制、分析焊接電弧信號(hào)變化規(guī)律提供較為有效的技術(shù)手段。在焊接過程中，焊接電流和電壓是兩個(gè)非常重要的參數(shù)，通過實(shí)時(shí)曲線的動(dòng)態(tài)觀測(cè)，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(kù)表格Fig.6 Welding process parameters database tables

4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)的人機(jī)系統(tǒng)采用C#語(yǔ)言編寫，人機(jī)系統(tǒng)與TwinCAT控制系統(tǒng)之間采用ADS通訊方法進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，具有實(shí)時(shí)性高、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)試驗(yàn)表明，在實(shí)際焊接過程中可實(shí)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(jī)系統(tǒng)每1 s/次的速度保存數(shù)據(jù)，人機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力更強(qiáng)，可以更好地適應(yīng)目前階段海底管道鋪設(shè)自動(dòng)焊接設(shè)備的數(shù)據(jù)處理要求。

（2）該人機(jī)系統(tǒng)根據(jù)海底管道鋪設(shè)自動(dòng)焊接工藝特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控、焊接參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)及實(shí)時(shí)曲線等多種功能，具有功能齊全、操作方便、人機(jī)友好的特點(diǎn)，符合海底管道鋪設(shè)自動(dòng)焊接的要求。人機(jī)系統(tǒng)程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，可拓展性好，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)焊接系統(tǒng)的集成化提供了可能。

[1]楊偉.深水海底管道J型鋪設(shè)工藝及設(shè)備研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（1）：14-20.

[2]王東健，商獻(xiàn)嶺，劉東海.海底管道焊接技術(shù)現(xiàn)狀及對(duì)策分析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015（4）：22.

[3]李春潤(rùn)，鄭樹森.海底管道焊接技術(shù)現(xiàn)狀及對(duì)策[J].金屬加工，2009（4）：14-20.

[4]羅雨.海底管道鋪設(shè)焊接機(jī)器人系統(tǒng)研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2012.

[5]鄒勇，蔣力培，薛龍，等.管道全位置焊接機(jī)器人人機(jī)交互系統(tǒng)[J].電焊機(jī)，2009，39（4）：56-58.

[6]周雪珍，朱志明，符策健，等.多功能數(shù)字化弧焊逆變電源人機(jī)交互系統(tǒng)[J].電焊機(jī)，2007，37（1）：6-10.

[7]李力，胡繩蓀，姬軒.數(shù)字化焊接電源人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，36（4）：52-54.

[8]李概.基于視覺傳感管道焊接機(jī)器人跟蹤系統(tǒng)研究[D].黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.