基于物聯(lián)網(wǎng)和云存儲(chǔ)的工業(yè)焊機(jī)狀態(tài)監(jiān)控

劉泰康

（200093 上海市 上海理工大學(xué)）

0 引言

自動(dòng)焊機(jī)是汽車(chē)生產(chǎn)、金屬加工、機(jī)械生產(chǎn)制造、造船、航天等領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備之一[1]。自動(dòng)焊機(jī)的工作原理是依靠降壓變壓器作為主要部件，被焊接工件和焊絲作為焊機(jī)的次級(jí)線(xiàn)圈，焊機(jī)工作時(shí)引燃電弧，產(chǎn)生高溫，焊絲在高溫作用下熔接于被焊接工件的焊縫中，完成焊接工作。車(chē)間自動(dòng)焊機(jī)多數(shù)采用數(shù)控系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)焊機(jī)的控制，缺乏對(duì)焊機(jī)焊接參數(shù)的有效監(jiān)控。在很多情況下，因?yàn)楣ぷ鲏勖凸ぷ鳁l件有限，車(chē)間內(nèi)焊機(jī)的更新頻率可能不一樣，就造成了車(chē)間內(nèi)有大量焊機(jī)，可能種類(lèi)很多，例如小車(chē)式埋弧焊機(jī)、馬鞍型埋弧自動(dòng)焊機(jī)、窄間隙焊接操作機(jī)、接管內(nèi)壁帶極堆焊焊機(jī)、接管氣保護(hù)自動(dòng)堆焊機(jī)等各式焊機(jī)，所以對(duì)焊機(jī)的焊接參數(shù)的監(jiān)控就變得尤為重要。因此，本文設(shè)計(jì)了針對(duì)自動(dòng)焊機(jī)的焊接參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控，通過(guò)可視化界面的方式極大地便捷了工藝人員對(duì)焊接過(guò)程的監(jiān)控，并且利用云服務(wù)器存儲(chǔ)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)對(duì)比反映焊機(jī)設(shè)備狀態(tài)。

1 監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)與接口設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。其中，A/D 轉(zhuǎn)換、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口、觸摸顯示屏接口和WiFi/5G 模塊接口分別采用了MCC 118 數(shù)據(jù)采集模塊（HAT）、Modbus 接口、HDMI 接口和高速網(wǎng)口。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Monitoring system architecture

各個(gè)接口的配置如下：

1.1 A/D 轉(zhuǎn)換模塊

工業(yè)焊機(jī)需要將檢測(cè)到的連續(xù)變化的模擬量如：電壓、電流、速度、溫度、壓強(qiáng)等轉(zhuǎn)變成離散的數(shù)字量，才可以輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)。這些模擬量經(jīng)過(guò)傳感器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)（一般為電壓信號(hào)），經(jīng)過(guò)放大器放大后，就需要經(jīng)過(guò)一定的處理變成數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)變。

數(shù)據(jù)采集模塊（HAT）設(shè)備為8 通道高速電壓采集，起始通道為Chan0，采集通道數(shù)量為5 路，通道Chan0，Chan1，Chan2，Chan3，Chan4 分別為焊接電流、焊接電壓、熱絲電流、熱絲電壓、送絲速度，采集到的數(shù)據(jù)一般為電壓信號(hào)，根據(jù)各種傳感器的輸出計(jì)算公式來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器的輸出值與工業(yè)焊機(jī)實(shí)際輸出值的變換。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口

標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口可以直接從數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部獲取數(shù)據(jù)。Modbus 是一種串行通信協(xié)議，用于可編程邏輯控制器（Programmable logic controllers，PLCs）。Modbus 已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，并且現(xiàn)在是工業(yè)電子設(shè)備之間常用的連接方式。Modbus 通信的設(shè)備都將分配一個(gè)唯一的地址，所有的設(shè)備都可以發(fā)Modbus 命令，命令里包括了設(shè)備地址、校驗(yàn)和信息。校驗(yàn)碼就決定了通信傳輸接收方的準(zhǔn)確。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口這種采集方式就不需要外部傳感器間接獲得加工數(shù)據(jù)。

1.3 觸屏顯示接口

觸屏顯示接口采用的是高清多媒體接口，高清多媒體接口用來(lái)連接樹(shù)莓派與觸摸顯示屏進(jìn)行通信，觸屏顯示器的作用主要是作為上位機(jī)人機(jī)交互界面。對(duì)于采集數(shù)據(jù)的可視化，利用可視化方式以適應(yīng)工藝的要求，操作人員可以方便讀取傳感器數(shù)據(jù)。

1.4 WiFi/5G 模塊接口

WiFi 模塊[2]是一種短程無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，能夠在多距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)接入的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)。WiFi 網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸快速穩(wěn)定，可以很好地滿(mǎn)足工業(yè)焊機(jī)數(shù)據(jù)的上傳需求，而且WiFi 網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)的適應(yīng)調(diào)整，具有很好的穩(wěn)定性與可靠性。WiFi 網(wǎng)絡(luò)的方便很好地避免了線(xiàn)纜走線(xiàn)等困難，使得監(jiān)控成本得到了降低，所以基于WiFi模塊的技術(shù)很大地推動(dòng)了傳統(tǒng)監(jiān)控手段的更新?lián)Q代，極大提高了生產(chǎn)監(jiān)管效率。

2 監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)憑借樹(shù)莓派與MCC118 數(shù)據(jù)采集HAT 模塊的高速數(shù)據(jù)采集、后臺(tái)存儲(chǔ)能力和可視化等功能，和工業(yè)焊機(jī)系統(tǒng)[3]的控制系統(tǒng)形成互補(bǔ)，可以相輔相成地完成工業(yè)焊機(jī)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控[4]。

2.1 高速數(shù)據(jù)采集

MCC 118 是一款12 位、8 通道高速電壓采集HAT 模塊，如圖2 所示。MCC 118 接頭可直接安裝于樹(shù)莓派內(nèi)置40 針通用輸入輸出（GPIO）連接器，HAT配置參數(shù)已存儲(chǔ)在采集卡EEPROM中，允許樹(shù)莓派在連接HAT 時(shí)自動(dòng)設(shè)置GPIO 引腳，MCC 118 提供8 個(gè)12 位單端模擬輸入，模擬信號(hào)電壓范圍為 ±10 V。采樣率單板最大吞吐量100 kS/s，雙向時(shí)鐘I/O 引腳，允許用戶(hù)使用外部時(shí)鐘信號(hào)或電路板的內(nèi)部掃描時(shí)鐘進(jìn)行操作，外部數(shù)字觸發(fā)輸入可通過(guò)軟件配置，包括上升沿或下降沿，高電平或低電平觸發(fā)。MCC 118 電源由樹(shù)莓派通過(guò)GPIO 插頭連接器提供3.3 V 電源。MCC118 可以很好地滿(mǎn)足焊機(jī)的工作電壓、電流為300 Hz 信號(hào)。

圖2 MCC118 結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure block diagram of MCC 118

2.2 數(shù)據(jù)記錄器（C/C++）

數(shù)據(jù)記錄器如圖3 所示。從MCC118 獲取數(shù)據(jù)，在條形圖上顯示數(shù)據(jù)，以及將數(shù)據(jù)記錄到CSV 文件。操作人員可以自由設(shè)定參數(shù)化曲線(xiàn)來(lái)達(dá)到加工工藝的需求，并不需要編程人員去修改編程。圖3 左半部分的Channel select 設(shè)置所要監(jiān)測(cè)的通道數(shù)，Rate 設(shè)置采樣率，Select Log File選擇保存CSV 文件路徑等；右半部分會(huì)自動(dòng)顯示在Channel select 設(shè)置所要監(jiān)測(cè)的通道數(shù)數(shù)據(jù)。

圖3 數(shù)據(jù)記錄器Fig.3 Data logger

Web 服務(wù)器示例如圖4 所示，允許用戶(hù)配置采集選項(xiàng)并從瀏覽器窗口查看采集的數(shù)據(jù)。

圖4 Web 服務(wù)器Fig.4 Web server

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)

依靠SQL Server 2008 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)保存和數(shù)據(jù)檢索能力[5]，可以根據(jù)CSV 文件中數(shù)據(jù)保存的內(nèi)容自動(dòng)將工業(yè)焊機(jī)設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)，可以方便操作人員進(jìn)行離線(xiàn)數(shù)據(jù)分析或者實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)每臺(tái)工業(yè)焊機(jī)的工作狀態(tài)情況。工作人員可以根據(jù)不同工藝參數(shù)得到的加工數(shù)據(jù)來(lái)追求焊接過(guò)程最大的加工效率，進(jìn)行多次優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，比較多次的焊接性能，從而追求最優(yōu)的工藝參數(shù)。

2.4 報(bào)警功能

工業(yè)焊機(jī)設(shè)備狀態(tài)的不同決定了系統(tǒng)報(bào)警提示的不同種類(lèi)，系統(tǒng)的報(bào)警種類(lèi)主要有焊接電流的超閾值、焊接電壓的超閾值、送絲速度的超閾值等，報(bào)警的方式主要有LED 二極管和蜂鳴器報(bào)警和數(shù)據(jù)記錄器或者Web 服務(wù)器[6]顯示報(bào)警的種類(lèi)，能夠?qū)Ξ惓９I(yè)焊機(jī)設(shè)備狀態(tài)的報(bào)警，并進(jìn)行急停避免危險(xiǎn)事故。

3 監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行

工業(yè)焊機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行流程如下：

（1）工業(yè)焊機(jī)設(shè)備設(shè)置焊接參數(shù)，主要包括焊接電流、焊接電壓、送絲速度等；

（2）登錄數(shù)據(jù)記錄器或者Web 服務(wù)器設(shè)置焊機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采集通道數(shù)，分配各個(gè)采集通道對(duì)應(yīng)的采集數(shù)據(jù)，設(shè)置采樣率和樣本數(shù)，設(shè)置數(shù)據(jù)保存路徑；

（3）工業(yè)焊機(jī)開(kāi)機(jī)發(fā)送焊機(jī)工作信號(hào)給采集系統(tǒng)，采集系統(tǒng)接收工作信號(hào)開(kāi)始工作，數(shù)據(jù)開(kāi)始正常采集，采集到的數(shù)據(jù)自動(dòng)保存在后臺(tái)CSV 文件；

（4）工業(yè)焊機(jī)關(guān)機(jī)發(fā)送停機(jī)信號(hào)給采集系統(tǒng)，采集系統(tǒng)接收到停機(jī)信號(hào)就停止數(shù)據(jù)采集，CSV 文件上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)工業(yè)焊機(jī)設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)控的設(shè)計(jì)與測(cè)試運(yùn)行，焊機(jī)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠協(xié)同運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)焊機(jī)設(shè)備狀態(tài)的有效實(shí)時(shí)監(jiān)控，可視化的數(shù)據(jù)曲線(xiàn)方便了操作人員對(duì)于整個(gè)焊接過(guò)程的監(jiān)控，后臺(tái)存儲(chǔ)到本地的CSV 文件數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)也為離線(xiàn)的工藝數(shù)據(jù)分析提供了大量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為后期尋求最優(yōu)焊接工藝參數(shù)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。