基于无线通信技术的焊接参数采集系统

马晓平,迟俊吉,马诗龙

(1.江苏现代造船技术有限公司，江苏 镇江 212003；2.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)

0 引 言

随着焊接技术和通信技术的飞速发展，焊接工艺正朝着数字化、智能化、信息化、网络化方向发展。在焊接过程中，各焊接工艺参数是否符合焊接作业标准是影响焊接质量的重要因素[1]。在实际生产过程中，由于焊接作业在生产中所占比重大，焊机数量多、分布范围广，作业人员水平差距大且屡有不按作业标准书要求的工艺参数进行焊机作业的情况，为保证焊接作业质量，管理人员往往需要不断巡视和记录焊接过程中的焊接电流、电压等参数并与作业标准书所要求的参数进行对比，这种方式需要消耗大量的人力物力，工作效率较低且有一定的滞后性[2]。因此，构建生产车间焊机的工作参数实时采集系统，实现对焊机作业状态参数的实时监控和事后追踪，对焊接作业质量的提高以及工厂的现代化管理具有重要的意义。

虽然有学者对焊机工作参数采集系统进行了相关研究[2-5]，但仍存在一定的不足。在信号采集方面，现有的采集系统一般是通过直接引用焊机内部焊接参数显示面板或焊机遥控盒内部的电压、电流信号来实现的[2,5]，这种采集方式需对焊机进行相应的拆机作业，操作不当可能造成焊机相关部件损坏，影响焊机售后政策，同时随着焊机内部元器件老化，焊机内部显示面板的电压、电流信号的准确性会显著降低。在数据传输方面，现有的传统焊机工作状态参数采集技术主要以有线通信方式实现，如串行总线、现场总线、工业以太网等[4]，这种方式的采集系统灵活性较低，同时由于工厂焊机作业环境一般比较复杂，若采用有线传输则会带来布线繁琐、线路故障排查工作量巨大等问题。部分学者研究了无线通信技术在焊接参数采集方面的应用，这些研究主要停留在Zigbee和蓝牙等技术上，Zigbee和蓝牙通信技术虽然有功耗低等优点，但由于其传输距离短、传输速率低、传输数据量小等原因，在制造业相对复杂的焊接作业环境下实用性并不高。Wi-Fi技术以其传输速度快、覆盖范围广以及接入成本低等优点在工业领域得到了广泛应用[6]。针对焊机数据采集系统的研究现状，本文结合焊机数据采集技术与Wi-Fi技术的优点，开发焊机工作状态参数的无线采集系统，以实现为工厂焊接作业的高效管理和实时监控提供技术支持的目的。

1 系统总体设计

基于无线通信技术的焊接参数采集系统主要由焊机端监控器、无线AP(Access Point)、交换机和服务器组成，其总体结构如图1所示。信号采集装置上配有Wi-Fi模块，可实现与无线AP的连接，每台焊机上均安装该信号采集装置，以实现焊机工作参数的采集；无线AP作为数据传输的媒介，可保证信号采集装置与上位机之间的数据传输；服务器上运行的监测系统可对接收到的数据进行分析、处理、存储、实时显示和事后查询等操作，从而实现对焊接参数的实时监测。

图1 焊机数据采集系统结构示例

2 系统各模块硬件组成及功能

2.1 信号采集装置

信号采集装置系统结构如图2所示，其主要功能是实现焊机工作参数的采集、临时存储和传输。该装置主要包括STM32F103系列单片机、USR-WIFI232-B无线射频模块、信号隔离变换模块、LCD显示屏、存储模块和电源管理模块等，其硬件设计如图2所示。

STM32F103C8T6单片机是信号采集装置的核心模块，是一款以ARM 32位的CortexTM-M3 CPU为核心的单片机，其内部集成了64K RAM及20K SRAM，具备2个12位ADC模块，工作电压为 2.0～3.6 V。单片机内部烧录了数据采集客户端程序，以实现数据采集频率的控制、前端模拟信号的AD转换、写入存储模块、控制Wi-Fi模块实现与无线AP的连接以及与上位机之间的数据传输等工作。

为防止因网络连接故障等原因而造成的数据丢失，在信号采集装置中加入数据存储模块。该模块可记录对应焊机最近24 h的工作状态参数，单片机将采集到的数据实时写入该存储模块，每次数据传输完成后，单片机程序会将存储模块中的数据清空，同时在该模块空间写满之后，新采集的数据会自动覆盖最早的数据以便后续记录。

图2 信号采集装置硬件设计框图

2.2 无线AP

无线AP的主要功能是保证信号采集装置与上位机的通信，由于工厂车间的环境比较复杂，一些大型设备及钢结构厂房等对无线信号有极大的干扰作用，因此为了保证该数据采集系统的可靠性，必须保证无线信号的稳定性和强度的可靠性。本系统选用以色列进口的波讯WBS-2400作为数据传输的媒介，该无线AP支持IEEE802.11b/g/n无线标准及TCP/UDP等通信协议。经测试，在该无线AP半径300 m范围内可有效保证数据的传输，其有效带机数在150台以上。

2.3 上位机

上位机硬件主要由高性能PC组成，上位机需安装SQL Server 2005数据库，在其上运行上位机监测系统，该监测系统是基于C#语言开发的窗体程序。上位机监测系统的主要功能是完成数据的接收、解析、存储、实时显示及事后查询等工作，处理后的数据存储于SQL Server 2005数据库。

3 系统软件设计

3.1 信号采集装置

信号采集装置工作流程如图3中信号采集端所示。采集模块先将经过分流器采集的模拟信号进行隔离变换后，将所得模拟信号传送给单片机，经单片机AD转换后将模拟量变为数字量，然后写入存储模块，信号采集装置通过Wi-Fi模块接入无线网络等待上位机允许数据传输指令。

图3 系统通信流程图

为避免数据传输过程中客户端发送数据的无序性，焊机端信号采集装置采用被动上传的方式进行数据传输，在未收到上位机允许传输数据指令之前，该装置将采集到的数据存入系统存储模块中，当收到允许数据传输指令时，采集模块将从收到该指令之前所采集的数据全部发送给上位机，同时将采集模块内存中的数据清空，并开始下一次的数据传输。

在焊接作业过程中，起弧、收弧和焊枪抖动等原因会造成焊机工作电流、电压的波动，由于对焊机的数据采集并非连续性，因此这些波动会对所采集的焊机工作电压、电流参数的准确性产生较大的影响。本系统采用数字滤波的方法消除这些波动带来的影响。在数据采集时，通过单片机控制采集模块每100 ms采集一次焊机作业的电流和电压数据，对1 s内的10次样本数据求均值(算术平均滤波)后作为一个有效工作状态样本存入存储模块中。

3.2 上位机软件设计

上位机工作流程如图3中上位机端所示。为保证上位机所对应的焊机有序地向其传输数据，上位机上存有该服务器所对应的所有焊机的列表，在每一轮数据传输前上位机都会根据列表中的焊机顺序遍历一次焊机端信号采集装置，通过遍历获得连接正常的信号采集装置列表，上位机根据列表所列焊机的顺序依次与焊机端信号采集装置建立连接并完成每台焊机的数据接收，当一个焊机端信号采集装置与服务器传输完毕后，服务器会断开与其连接并向下一个信号采集装置发送数据传输指令，以完成数据的传输及存储工作。信号采集装置发送的每条数据中应包含设备ID，焊机作业电压、电流，数据采集时间，焊机作业状态(焊接、待机、关机)等信息。

图4 上位机程序工作界面

上位机程序工作界面如图4所示，用户可在该界面实现数据库服务器、数据表名和端口号的设定，同时还可直观地查询当前连接的客户端、当前ID编号的焊机对应的焊机工作状态参数及所收到的消息条数等信息。

3.3 通信协议及实现方式

该焊机工作状态参数采集系统信号采集装置与上位机之间的通信过程是一个典型的基于TCP协议的Socket通信过程[7]，信号采集端程序烧录于信号采集装置单片机芯片内，上位机运行服务器端程序，TCP协议的采用可保证数据传输的可靠性，从软件层面避免丢包现象的发生。基于TCP协议的Socket通信过程如图5所示。

图5 基于TCP协议的Socket通信过程

4 试验验证

4.1 系统准确性测试

为验证该系统准确性，以OTC CPVE400焊机为测试对象，使用该系统对其在室温条件下的焊接参数进行监测。测试结果如表1所示。从表1可以看出，在试验条件下该系统所测焊机的电压和电流的最大相对误差为0.63%和0.46%，结果表明该焊机工作状态参数采集系统能够有效保证数据检测的准确性。

表1 OTC CPVE400焊机测试结果

4.2 系统丢包率测试

通过软件模拟不同数量的客户端程序经由WBS-2400与上位机进行数据传输，对该测试系统的丢包率进行测试，通信协议为TCP协议，模拟客户端与服务器之间距离为250～300 m，测试结果表明该测试系统可以保证当WBS-2400为媒介进行数据传输时，该系统丢包率为0(丢包率按式(1)计算)，表明该系统能够很好地保证数据传输的完整性。

(1)

5 结 论

针对当前焊接作业缺乏有效监管手段的现状，结合Wi-Fi通信技术的优点，设计基于无线通信技术的焊机焊接参数采集系统，并对该系统的有效性进行试验验证，结果表明：

(1)在使用该测试系统监测和记录焊机工作参数时，电流和电压的最大相对误差分别为0.63%和0.46%，能够保证所采集数据的准确性。

(2)丢包测试结果表明该系统在数据传输和存储时不存在丢包现象，可完整地记录焊机焊接作业过程中的工作参数。

(3)该系统可实现对焊机焊接参数的有效采集及事后查询，同时避免传统采集方法的布线问题等弊端，能有效帮助企业实现对焊接作业的高效管理。

(4)该系统目前只能采集焊机焊接作业参数，后续应加入焊接参数与焊工信息的绑定功能以进一步支持企业对焊工的规范化管理。

(5)该系统后续可加入焊机工作状态的监控，如工作、待机、关机等，通过一定时间段的数据统计和分析后，可对企业焊机资源的优化配置提供技术支持。