数据采集系统在焊接领域中的应用现状

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摘要：摘要：总结和梳理数据采集系统在焊接领域中的应用现状，并展望了该项技术在未来的发展。从数据采集系统原理和技术、焊接工艺参数管理、远程故障诊断与下达工艺参数、焊接数据库及焊接质量预测专家系统、精益化车间运营管理五个方面进行阐述。目前应用的数据

　　摘要：总结和梳理数据采集系统在焊接领域中的应用现状，并展望了该项技术在未来的发展。从数据采集系统原理和技术、焊接工艺参数管理、远程故障诊断与下达工艺参数、焊接数据库及焊接质量预测专家系统、精益化车间运营管理五个方面进行阐述。目前应用的数据采集系统主要依托于计算机技术、网络技术以及各类传感器，通过实时采集、监控、记录焊接过程中的相关信息，可实现焊接过程的追根溯源。记录的数据可以进行分析、存储，为建立焊接数据库提供一手数据。将焊接过程数据与焊后检测数据进行对比分析，可为建立焊接质量专家预测系统提供数据支持。该系统还能实现设备运行故障的远程诊断，工艺参数的远程下达。有助于车间管理的精益化，不仅能够减少材料损耗、降低生产成本，还可以间接的提高焊接质量。

　　关键词：数据采集系统;焊接;应用现状;数据分析;精益化车间运营

　　0 前言

　　随着德国“工业4.0”的提出，中国提出了“中国制造2025”发展战略，工业生产进入信息化、数字化、智能化，生产过程的数据采集和实时监控是实现智能化生產的重要基础[1-5]。焊接作为材料加工的重要手段，广泛应用于机械制造、船舶重工、航空航天等重要领域[6]。传统的焊接过程监控不足，焊接过程工艺参数无法保留，焊接过程中出现的缺陷无法排查，造成巨大的人力物力损失，已无法满足现代精细化、高质量的生产要求，难以实现焊接过程智能化控制[7-8]。使用数据采集系统可以有效地提取焊接设备的运行、焊接过程、焊接材料用量、人员管理等信息并进行显示和存储，不但能做到产品信息的追根溯源，为以后的工作提供经验数据，还可以准确地细算焊接成本和人员成本。该系统有助于提升装备制造业信息化水平，为“中国制造2025”发展战略提供数据基础[9-10]。

　　1 数据采集系统技术和原理

　　数据采集系统主要分为数据采集部分以及上位机和下位机开发部分。

　　1.1 数据的采集

　　数据采集卡和可编程逻辑控制器(PLC)是数据采集的常用方式。例如PCL-818L数据采集卡提供了模数转换、数模转换、数字输入、输出和时钟定时器控制几种常用的测量和控制功能[11]。通过该数据采集卡，将从设备上采集的模拟量信号转换为数字信号传送给工控机，最终显示在人机界面(HMI)上[12-13]。

　　PLC提供了模拟量输入模块，可接收由变送器转换后的标准电压或电流信号，通过PLC的计算和分析发出指令，将分析后的数值通过一定的通讯方式显示在HMI上[14]。开发者可在HMI中显示采集的焊接电压、焊接电流、送丝速度等相关焊接参数，以及这些参数随时间变化而变化的曲线图，方便设备操作人员和车间管理者实时监控焊接过程。

　　1.2 上位机与下位机的开发

　　1.2.1 下位机的开发

　　目前，工业制造领域中应用比较普遍的下位机是PLC。自1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求后，美国、日本、德国、中国等国家相继研制出了自己的PLC。20世纪70年代，人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，此时的PLC已经成为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物[15]。在自动控制中PLC主要有开关量控制和模拟量控制两方面应用。PLC还支持与数字化焊机、电机驱动器、分站PLC等通信，不仅能够大大提升控制系统的稳定性，还可以提高现场调试人员的工作效率，节省劳动力[16-17]。所以，PLC在自动化生产发展中起到了重要作用[18]。

　　1.2.2 上位机的开发

　　与PLC配合通讯的上位机软件有很多种，如VC++、VB、组态软件等，其中使用较为广泛的是组态软件。组态软件与下位机配合支持MPI、TCP/IP等通讯方式，实现组态软件与PLC交换数据，在界面中显示，从而控制PLC的动作。它可以与多数厂家的PLC进行无缝连接，实用性强，使各项功能达到设计要求[19]。不仅如此，它强大的数据处理功能已经得到了诸多企业的认可，并且节约了开发成本，使工程效率大大提高[20]。

　　2 焊接工艺参数的管理

　　焊接工艺参数的管理可分为“焊接参数在线监控及预警”和“焊接参数存储与追溯”两个部分，该功能可实时监控焊接工艺参数，以及对焊接过程做到追根溯源。

　　2.1 焊接参数在线监控及预警

　　在焊接过程中，焊接工艺参数是否符合工艺人员制定的标准是影响焊接质量的重要因素。在实际生产过程中，由于焊接作业在生产中所占比重大，焊机分布较广，操作人员技能水平差距大且屡有不按制定好的工艺参数进行焊接的情况发生[21]。数据采集系统的焊接参数在线监控功能可方便生产管理人员实时监控焊接工艺过程，确保焊接参数的准确。某焊接车间管理系统的监控页面如图1所示，该系统可对车间焊接设备的运行情况进行汇总，分为正常、空机、超限、关机、故障5个状态，同时也可获取每个设备的设备编号、设备名称、设备IP等基本信息[22]。管理者可以点击查看某一个设备的运行参数曲线，如焊接电压数据曲线，显示此时的焊接电压为27.17 V，未超出监控参数范围。此外还可对设备的焊接电流，焊接温度曲线进行显示[23-28]。

　　在焊接过程中，若设置的工艺参数超出了工艺人员制定的工艺范围，数据采集系统会将这条报警信息发送至操作人员手机上，提醒操作人员及时调整工艺参数，同时将这些信息上传至管理层，包括企业ERP系统和车间ME系统，帮助管理人员了解实际焊接情况[29-30]。

　　2.2 焊接参数存储与追溯

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