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绪论

　　“德国产业4.0”“华夏建立”的出炉，标识着智能建立将激勉新一轮科技革新和财产改革。在《华夏建立》和《国务院对于深入建立业与互联网合并进展的提拔意见》的提拔下，航天科技团体某厂踊跃促成企业内部“两化合并”，建立数字化车间，加快航天器智能建立进展过程。

　　焊接建立在航天器临盆经过中饰演着相当严重的脚色：一方面，航天器临盆经过中须要洪量的焊接工艺过程，焊接工序众多且繁杂；另一方面，焊缝品质瓜葛着航天器甚至航天员的存亡死活，航天器建立请求焊件品质“零缺点”。是以，该厂在数字化车间的树立经过中，踊跃促成焊接车间的讯息化程度，加快焊接做战的讯息化集成，实行做事过程的主动化、无纸化；而且针对航天焊接产物的特别性，实行焊接建立经过讯息的主动收罗、在线纪录、汗青究查等功效，为航天器智能建立收罗前端数据，以供往后大数据解析，提拔优化临盆办理、临盆工艺等。

数字化车间做战集成模子

　　秉持“两化合并”的门路，该厂连系数字化车间树立的理论情景，参考航天建立企业数字化准则体制框架，建立了车间做战集成准则化的笔直分层模子，如图1所示。

图1　讯息化集成条理模子

　　该模子将数字化车间从逻辑上自上而下分红：

　　（1）办理层。企业罕见的ERP、CRM系统其功效是实行企业临盆计区分派的主动化、网络化，优化企业临盆排产等。

　　（２）系统层。首要包罗MES、SCADA系统，其功效是为企业供应建立数据办理、临盆调换办理、临盆经过讯息的收罗、反应、跟踪临盆进度等。

　　（3）网络层。产业以太网、现场总线为主，其功效包罗为数字化车间的各层数据传输、交互供应统一网络，运转着响应协定举办数据替换。

　　（4）遏制层。PLC、单片机、嵌入式PC等遏制做战，其功效是为做战主动化的实行供应遏制中心、为各层交互供应逻辑载体。

　　（５）施行层。多为做战单体，包罗主动化焊机、焊接机械人等施行私人，是数字化车间的最底层受控体，亦是最直接的临盆者。

　　本模子仅从逻辑上针对运用对做战分层，每一条理并不必然对应某一特定做战，存在某一物理载体贯串多层的情景。比方，车间智能化的机械人不时既是遏制层又是施行层。

焊接车间做战讯息化集成设计

2.1　整体设计

在笔直层集成模子的提拔下，思虑到航天器临盆的特别性、焊接做战的分割散布性以及车间树立的理论情景，最后采纳的讯息化集成设计如图2所示。

图2　焊接做战集成系统表示

　　该设计中，办理层基于该厂已有临盆调换系统；系统层为车间的建立办理系统（MES）；网络层采纳以太网和产业以太网（EtherCAT），做战间通信与散布式数据收罗经过EtherCAT实行；遏制层为产业PC；底端施行层为焊接做战和焊接机械人本质。

2.2　笔直集成关键手艺

　　该集成设计的关键手艺之一是现场产业总线网络与以太讯息网络的合并。笔直集成关键手艺的实行基于运转软PLC的双网卡的产业一体机及响应运用软件系统，它们是实行讯息化和主动化无缝对接的桥梁。

　　软PLC集成条理表示如图3所示，及时以太网EtherCAT做为多轴焊接机械人行动遏制网络的同时，也做为临盆经过数据的收罗网络。主动化遏制手艺与讯息手艺先天的不兼容性致使了中心层的呈现，采纳软PLC手艺和面向目标开垦（OOP）手艺，将讯息软件系统和主动化软件系统集成于统一物理载体——现场做事站，即产业PC。现场做事站采纳双网卡设计，将及时产业以太网EtherCAT和讯息以太网Ethernet对接在一同，成为两者数据交互的桥梁；产业PC既担当了保守主动化系统中PLC的遏制做事，又实行了PLC上位显示交互功效。这一祈望下降了系统机关的繁杂度，也使得笔直集成越发紧凑直接。

图3　软PLC集成条理表示

焊接做战经过讯息收罗

3.1　前端传感器单位

　　罕见的焊接经过讯息包罗电弧电压、焊接电流、维护气流量、电弧高度等物理参量。采纳特定的传感器和疗养电路可实行物理量的数字化收罗。

3.1.1　电弧电压收罗

　　采纳霍尔电压传感器获得电弧电压。它基于霍尔磁弥补旨趣告竣电弧电压记号的收罗，并有用阻隔焊接电路和收罗电路。

　　电压记号收罗旨趣如图4所示。电弧正负极电压使得原边回路构成电流IN，IN绕一次线圈激勉磁场；此时霍尔元件构成的霍尔电势夸大后，经绕在磁心上的弥补线圈接地构成弥补回路，构成弥补电流IM，IM经过二次线圈激勉的磁场弥补一次侧磁场。是以，弥补电流总能响应一次电压；再经过衡量电阻RL的效用，衡量点M的电压总与一次电压成线性瓜葛。操纵模数调动（AD）模块衡量M点的电势，便可实行焊接电弧电压的收罗。

图4电压记号收罗旨趣

3.1.2　焊接电流收罗

　　焊接电流收罗一样基于霍尔磁弥补旨趣，如图5所示。焊接地线穿过磁心，激勉的磁场由二次电流构成的磁场来弥补，是以二次电流与焊接电流成线性关系。操纵AD模块衡量M点的电势，便可实行焊接电流的收罗。

图5　电流收罗表示

3.1.3　维护气流量和电弧高度收罗

　　气体流量的收罗采纳七星华创的品质流量遏制器（MFC），它能精细衡量和遏制气体的品质流量。电弧高度的收罗是经过在焊炬上装配激光传感器、探测的间隔讯息来祈望出电弧高度。上述两种传感器均供应变送的电压 　　秉持“松耦合”的准则，一切的物理量记号都经过响应的传感器变送成电压记号，再由准则化的AD模块调动接入数据收罗从站单位。各AD模块接口统一，能够替换，便于培修办理。AD模块挂载在EtherCAT总线耦合器上，接入当地EtherCAT网络。EtherCAT总线耦合器是一个准则化的EtherCAT从站做战。

3.2　散布式的EtherCAT从站单位

　　EtherCAT是德国Beckhoff公司开垦主宰的产业以太网协定，经过变动以太网帧内部哄骗协定，使其具有优胜的本能。包罗：数据有用率高、传输速度快、网络拓扑灵便、搭建成本低、与以太网无缝兼容等。

怒放的EtherCAT拓扑机关如图6所示，EtherCAT网络中起码存在一个主站，一般是带准则网卡（NIC）的产业遏制器。主从站间经过准则网线接连，节点数量和拓扑模样理论上不受束缚。产业PC做为主站单位，接连焊接车间的记号收罗、机电启动器、机械人通信单位等从站做战，庖代了保守数据收罗设计中PCI卡，机关灵便，成本更低。

图6　怒放的EtherCAT拓扑机关

3.3　现场做事站

　　现场做事站是接连讯息网和主动化做战的桥梁，这收获于德国Beckhoff公司基于PC的软PLC手艺的哄骗，它实行了“一机两用、无缝对接”的软集设计。

工控机软集成逻辑图如图7所示。主动化软件TwinCAT在Windows系统中装配了一个及时内核，同时模仿出PLC，告竣产业及时遏制做事，即软PLC手艺。经过装配EtherCAT及时网卡启动，让工控机的网络适配器（NIC）成为援手EtherCAT协定的接口模块。因而，工控机的网卡便可做为EtherCAT总线的逻辑主站，经过平凡网线接连从站做战，实行EtherCAT组网。工控机操纵直接储备器拜访（DirectMemoryAccess，DMA）手艺，实行网卡硬件直接处置EtherCAT数据帧，无需CPU干扰，保险行动遏制或数据收罗的及时性。

图7　工控机软集成逻辑

　　首先，经过TwinCAT软件告竣各从站单位的组态，并在其上编写PLC程序，实行AD模块原始数据的读取和预处置；尔后开垦Windows平台的上位数据办理软件，经过主动化做战典范（TheAutomationDeviceSpecification，ADS）协定来读取PLC数据。同时，该软件可对获得的数据流进一步处置，包罗波形及时显示、典范预警、数据当地储备、离线数据解析，并操纵另一个网卡（NIC_2），基于TCP/IP协定实行当地数据上传、职责下发和文献云储备。

焊接数据收罗办理软件

　　参考数字化集成模子，系统层与遏制层的数据对接经过数据库做为接口，实行“松耦合”，保证系统的单位稳固性。本系统软件采纳客户机和效劳器（Client/Server，C/S）机关，效劳器上运转数据库和归纳办理靠山程序，现场做事站上运转焊接数据办理客户端软件。本项目理论运用中，为保证焊接数据收罗办理系统与该车间已有MES系统的精良对接，数据库采用Oracle11gR2，运转在WindowsServer系统上。

4.1　焊接数据办理客户端

　　基于微软科技的.NETFramwork4.0平台，哄骗C#和C++谈话开垦的焊接数据收罗办理客户端软件。软件功效祈望如图8所示。

图8　数据收罗软件功效祈望

　　软件包罗：身份认证模块、用户办理模块、职责办理模块、数据显示模块、数据究查模块、数据解析模块。数据显示模块和数据解析模块是中心，数据显示模块是及时显示各从站传感器所获得的物理量记号，以波形模样展示给用户，同时会有一些告警讯息，即及时监控焊接数据，又将严重数据上传至长途效劳器，供长途用户监控现场。数据解析模块是针对收罗的汗青焊接数据举办时频域解析、统计学解析、特性解析等，便利焊接实践并对焊接品质评定供应必然的讯息。

4.2　车间工人做事过程

　　由于焊接数据收罗系统和企业内部的MES系统同享数据库，车间工人刷工卡开机的经过中，客户端便可获得暂时用户的身份讯息和职责讯息，如图9所示。工人在施行焊接操纵的经过中，焊接经过参数讯息与工人身份讯息、职责讯息主动般配，严重讯息靠山写入数据库，原始数据经过文献传输协定（FTP）长途储备在企业云盘。从而实行无干扰下的焊接经过数据主动化收罗，对工人寻常临盆险些无影响。

图9　车间工人操纵过程

运用情景

　　该厂在焊接做战集成的运用中，采纳Dell高本能做事站、Oracle数据库、产业一体机、Beckhoff的从站模块、多种传感器搭建了完备的焊接做战数据收罗系统，数据集成至车间MES系统。

图10左图为该厂焊接车间现场，右图为客户端软件的主界面。该套系统实行了8台焊接做战的同时监控，每台做战6通道、每通道10kHz的焊接电记号收罗速度；在此等工况下，每台做战在数据库讯息的改革速度为2Hz；其它，可对同替换机下视频效劳器的现场视频同步显示。该系统在现场运转中状况精良。

图10　车间现场做事站和客户端主界面

本文编纂：糖糖

滥觞：《电焊机》杂志第5期

做家：卢振洋、王师、陈树君

◎本文由焊割在线整治宣布，转载请讲授

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