基于工业互联网的钢桥板单元智能焊接系统.pdf

DOI:10.3969/j.issn.1000-6826.2021.12.1502基于工业互联网的钢桥板基于工业互联网的钢桥板单元智能焊接系统单元智能焊接系统Intelligent Welding System of Steel Bridge Plate Unit Based on IndustrialInternet供稿|汤晨宇，吴栋良/TANG Chenyu,WU Dongliang导读内容随着钢桥的快速发展，整体质量要求越来越高，智能化要求越来越多。目前业内很多公司都拥有自动化焊接系统、焊接机器人等设备，但自动化设备、生产线、机器人并不代表智能化。文章阐述了某重型装备制造企业以工业互联网为基础，通过对自动化焊接系统的改造、焊接机器人的系统升级，并进行相应的软件系统的应用，实现设备实时数据的读取、传输、存储、运算和展示，完成钢桥板单元智能焊接系统的初步研究，同时还针对智能焊接系统的进一步智能化升级方向进行了探讨与研究。随着国内钢桥行业技术的快速发展，对于钢桥制造及其质量要求越来越高，同时为响应“中国制造2025”提出的加快制造业智能化改造的要求，各大型桥梁项目对钢桥制造业的智能化制造要求也越来越高。某重型装备制造企业通过对公司现有的自动化焊接设备、焊接机器人等进行升级改造，通过工业互联网接入到专用服务器并最终接入钢桥板单元焊接系统中。智能焊接系统整体方案设计基础介绍某重型装备公司的某跨车间属于其钢桥生产车间之一，其中拥有 U 肋板组装机器人、U 肋内角焊自动焊接系统、U 肋焊接机器人1、U 肋埋弧外焊机器人焊接系统、横隔板机器人焊接系统等多台自动化板单元焊接设备及机器人，从而组成了一条 U 肋板单元焊接生产线，具备了发展智能焊接系统的物质基础。同时该跨车间部署有一条大容量光纤光缆，贯穿整个车间，从而降低了工业互联网网络的部署难度及工作量。此外，该公司正在进行数字运营中心项目的建设工作，通过前期的研讨，最终决定将智能焊接系统作为数字运营中心的子系统，并与数字运营中心同步建设。智能焊接系统框架设计首先，通过前期的探讨，决定出该系统所需要 作者单位：南通振华重型装备制造有限公司，江苏南通226000 41具备的功能，如设备实时数据采集、传输、存储、运算及展示；设备维保管控；设备操作人员管控等。其次，通过对各设备的调研，分析采集数据的方式，对于具有数据采集和传输功能的部分电气设备如焊接机器人等可以进行直接连接，部分过于老旧的设备对其进行程序升级后再进行连接；对于没有以太网接口的电气设备如部分 PLC（可编程逻辑控制器）、电能表等需通过加装网口模块、智能网关、智能采集终端等电气元件进行数据端口的转换，使其能够接入公司的以太网络；对于不具备数据采集和传输功能的部分电气设备如传统焊机等需通过加装专业的焊接数据采集终端来采集和传输数据。然后通过以太网将数据传输至焊接系统本地服务器，并通过相应的软件运算后存入焊接系统本地数据库内。由于车间面积较大，因此远距离传输时在设备端将以太网转换为光网进行传输，到达服务器端后再将光网转换为以太网后接入服务器。最后数字运营中心服务器读取焊接系统本地服务器中运算后的数据来进行深层次的应用。系统的框架示意如图 1 所示。以太网以太网交换机以太网流量计流量计PLC电能表电能表本地服务器光网光网数字运营中心服务器光纤收发器光纤收发器光纤收发器交换机U肋内角焊自动焊接系统U肋办组装机器人以太网以太网以太网智能采集终端智能采集终端RS-485RS-485RS-485RS-485RS-485智能采集终端智能采集终端智能采集终端智能采集终端焊接机器人图1系统框架示意图 智能采集终端选型与配置通用型智能采集终端选型从前期设备的调研结果来看，现场设备上不少电气元件都不具备以太网通讯能力，因此需要增加相应的通讯模块或智能采集终端来进行通讯端口的转换。通用型智能采集终端采用的是一款型号为MODI-DAQ-0304 的通用数据采集模块，其具有RS232、RS485、RS422、以太网等通讯接口，同时能够采用 WI-FI 进行数据传输，但由于该车间为钢结构车间，内有大型钢结构工件，采用无线通讯会受到钢结构工件的阻碍，影响数据的传输，除非无线收发器布局密度足够大，因此在该项目中无线通智能制造Metal World 422023 年第 4 期讯未做考虑。该采集终端采用了 DC-DC 隔离电源设计，具有电源反接保护、2000 V 防雷、静电防护、过压及过电流保护等防护功能，同时对通讯接口进行了隔离，提高其通讯的抗干扰能力。焊接数据采集终端选型由于现场设备上有一些不具备数字化能力的传统焊机，为了能够采集其相应的焊接数据，需要增加一些专用的焊接数据采集终端。焊接数据采集终端采用的是一款型号为 MODI-DAQ-0204 的焊接数据采集模块，该采集模块内置工控板增加网络隔离、CAN 总线隔离、485 隔离，集成多个数字 IO 接口2，能够通过相应的元件采集传统焊机的焊接电流、焊接电压、保护气体流量等数据，亦可通过相应的通讯端口采集数字化焊机中的焊接数据。其防护功能与 MODI-DAQ-0304 模块相同。数据采集终端通讯参数配置首先，需要由采集终端厂家预置满足项目要求的固件。然后，需要根据现场网络分配对采集终端进行本地地址、本地掩码、本地网关、远程服务器地址及端口的配置，最后，需要对通讯协议进行配置即可。其参数配置软件为：ModuleConfiguration.exe，该软件界面如图 2 所示。图2软件界面 根据数据采集终端的操作手册，对终端以太网通讯参数进行配置，步骤如下：采集模块通电，并将 USB 转 RS232 串口线一端连接到采集模块接口，一端连接到计算机；在软件窗口左上角串口连接区点击【打开串口】按钮打开采集器连接；在软件右上角设备标识区点击【读取标识】按钮；在软件右侧选择【有线配置】窗口，再点击窗口下方【读取配置】按钮；在【有线配置】窗口中根据现场网络信息修改焊机模块的自身 IP 地址及网关，并点击窗口下方【拼装到发送区】按钮；在软件中上部发送区点击【发送】按钮并重启采集模；重启后在软件右侧选择【有线连接配置】窗口，并点击窗口下方【读取配置】按钮；在【有线连接配置】窗口中设置目标的 IP 以及端口号并点击【拼装到发送区】按钮；在软件中上部发送区点击【发送】按钮；重启采集模块并读取相应的配置参数，检查设置是否成功。机器人数据采集设计机器人数据采集的前置条件设备上采用的机器人为神钢焊接机器人，其相关技术手册表明机器人控制器（APMC）在 M12-智能制造科技前沿Advances in Science434.14.04 以上的版本才支持数据的采集和传输，以太网规格最低要求为 10BASE-T。由于现场一些机器人版本号过低，因此需要向相关厂家申请进行机器人控制器版本的升级并通过提供动态连接库文件（含 API 文档）及动态连接库注册码开放机器人的接口。机器人数据采集软件的开发环境项目团队软件技术工程师在本地服务器上进行了数据采集软件的开发，其开发工具采用 MicrosoftVisual Studio 2010（ASP.NET），开发语言为 C#，NET 框架为 NET Framework 3.5 SP1，软件环境为Windows Server 2003 SP1+IIS6.0，通 讯 协 议 采 用TCP/IP。数据采集软件将机器人的焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊接时长、再生程序、再生状态、再生主程序、再生步骤等数据采集后存入 SQLServer 数据库中等待下一步的处理。本地服务器的配置与应用本地服务器的配置本地服务器内除了上述的机器人数据采集软件和 SQL Server 数据库软件以外，还安装了智能采集终端对应的组态软件。该组态软件通过以太网UDP 协议采集设备端各智能采集终端上的数据、进行相应的运算、分类和汇总，最后将处理完的数据存入到服务器内的 SQL Server 数据库中。本地服务器的应用本地服务器主要作用是通过系统内的数据采集软件和组态软件采集设备端的各类数据并进行初步的运算处理，经过相应的分类汇总后存入同一个SQL Server 数据库中。本地服务器的另一个作用就是用来存储数据，将庞大的设备实时数据存储在本地服务器中，焊接系统和数字运营中心只需要读取和调用数据，极大的缓解数字运营中心服务器的存储压力。智能焊接系统功能设计由于系统所涉及方面较广，工作内容较多，持续时间较长，难以在短时间内一步到位，因此该系统分多期进行研究和设计，当前为第一期。目前系统具备设备数据实时监控、设备维保管控、设备操作人员管控、生产任务管控等功能。设备数据实时监控可以监控设备整体的状况及焊接工艺参数等数据，能够及时了解设备状态和焊接状况，若后期工件发现问题亦可通过数据库中的历史数据进行追溯。设备维保管控可以对日常点检、日常保养、年度保养等维保项目进行管控，确保设备维保到位，从而一定程度上降低设备故障率并延长设备使用寿命。设备操作人员管控可以记录当班操作人员，并记录操作人员的培训情况和持证信息。生产任务管控可以将工件信息与焊接数据进行匹配，从而降低工件质量追溯的难度。智能焊接系统后续升级的研究虽然目前焊接系统已投入应用，但距离真正的智能焊接还有一定的距离，因此对智能焊接系统的第二期即系统升级进行了相应的探讨，主要的升级方向有以下几点：优化系统现场终端的人机交互体验，借助数字运营中心系统研发手持终端，提高现场操作的便捷和效率。建立设备故障数据库，对设备现有的故障信息进行汇总和整合，并持续更新后期出现的故障信息，同时将故障排查和处理方法录入，方便后期故障出现后为维修人员提供尽可能详实的处理方案。与公司现有的设备管理系统进行对接，实现两个系统间数据的交互，加强对焊接系统设备的专业管理。设定设备各项实时数据的警戒值和阈值，加强对设备状况和焊接状态的监控，实现自动警戒和报警。参考文献 汤晨宇，李小建.IGM焊接机器人驱动问题诊断与分析.金属世界，2021（6）：181 王兆臣，汤澎湃.“5G+工业互联网”的焊接、切割及大数据系统的推广和应用.电焊机，2021，51（10）：1482 作者简介：汤晨宇（1996），男，本科学历，学士学位，助理工程师。研究方向：电气自动化、智能制造。现任南通振华重型装备制造有限公司自动化主管，E-mail：。智能制造Metal World 442023 年第 4 期