CN107813070B - 一种焊接质量在线监控和工时统计的无线检测装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种焊接质量在线监控和工时统计的无线检测装置和方法，针对现阶段大型金属结构制品焊接过程质量不容易保证，焊接工作量不方便统计的技术需求。本发明能够实现大型金属结构制品生产、施工现场每台焊机工艺参数的实时采集，保证全部采集数据以无线通信方式可靠发送，避免了有线通信的各种不便。数据汇聚后到服务器后经过多重条件判断和科学合理的计算统计，最终实现焊接过程焊接质量全程监控和焊接工人工作量的有效统计。对于大型金属结构制品生产、施工行业而言这不仅是非常好的管理手段，同时采用该方法之后也能带来比较显著的经济效益。

Description

一种焊接质量在线监控和工时统计的无线检测装置和方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术和智能检测技术，具体地说是一种面向大型金属结构制品焊接质量在线监控和工时统计的无线检测装置和方法。
背景技术
大型金属结构制品(包括但不限于船舶、钢结构建筑、石油输送管网、化工过程压力容器、高压电塔、大型锅炉制品)在工业生产中占有非常重要的地位。这类制品的生产、施工主要是由电焊工人用各种型号的焊机将各个零散的零部件焊接起来，最终构成一个整体，焊接是最主要的工作。工人的焊接质量直接决定着产品的质量，如果焊接质量不符合要求，会造成非常大的经济损失甚至是比较大的人员伤亡。然而在实际的生产、施工过程中，不排除有个别责任心不够强的焊接工人为了省时快速不按要求工艺操作，偷工减料违章操作。此外，焊接过程是一项非常艰苦的劳动，如果能够正确统计到每个焊接工人每天、每月的工作量，并实现与工资和绩效挂钩，实现“多劳多得”，就能够充分调动每个工人的生产积极性。然而目前大多数的大型金属结构制品生产企业主要还是以人工分配任务人工统计工时为主，统计的准确与否与也管理人员的工作责任心有关，主观性比较强，误差比较大，效率还不高，而且负责统计工作量的管理人员自身也是一种人力资源浪费。
基于上述原因，大型金属结构制品的生产、施工过程中如果能够实时监控到焊接过程的每个细节，在确保焊接质量的前提下正确统计工人工作量是非常有必要的。这需要解决以下几个问题：(1)大型金属结构制品生产、施工现场大量工人分散在各个区域独立作业，需要采集的焊机数量大，区域分散，而且随着一个区域工作完成作业场所会转移，焊机也会跟着操作工人转移，采用有线通信不方便，适合采用无线联网；(2)大型金属结构制品自身体积比较大，生产、施工现场往往是一个面积大、形状不规则的区域，要保证每个区域都被无线信号覆盖，否则就会通信中断而丢失数据造成监控和统计的误差；(3)与焊接质量相关的工艺参数主要是电压、电流、保护气体流速、焊丝进给速度，需要实时采集焊机的上述工艺参数，采样速度要足够快，采样太慢不能完全反应真实情况；(4)成功采集到作业现场大量数据后需要综合分析，统计出符合质量要求前提下每台焊机对应工人的有效工作量，必须兼顾质量和速度，如果数据处理不够科学严谨，很有可能有人专门“投机”迎合统计指标，从而助长了“投机”行为，反而降低生产效率或增加质量问题。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出一种焊接质量在线监控和工时统计的无线检测装置和方法，能够实现大型金属结构制品生产、施工现场每台焊机工艺参数的实时采集，保证全部采集数据以无线通信方式可靠发送，避免了有线通信的各种不便。数据最终汇聚后到服务器后经过多重条件综合判断和科学合理的计算统计，最终实现焊接过程焊接质量的全程跟踪监控和焊接工人工作量的有效统计。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种焊接质量在线监控和工时统计的无线检测装置，包括：
若干个无线现场设备，安放在电焊机内部，随焊机任意移动位置，就近与某一无线接入设备连接，用于实时采集焊机工作时的工艺参数，并上传给与其连接的无线接入设备；
若干个无线接入设备，分布固定在作业场所周边，覆盖作业场所内的无线现场设备，用于与无线现场设备建立无线连接，并通过有线将数据上送到交换机；
一个或多个交换机，连接其所在区域的无线接入设备，用于汇聚作业现场周边所有的无线接入设备，并将采集数据送入服务器；
服务器，连接交换机，用于根据作业要求工艺参数判断每台焊机作业时间内的工艺参数是否符合技术要求，并按周期将每台焊机工作时的工艺参数分别独立存档，统计周期内的焊接电流持续时间累积、保护气体总流量、焊丝消耗总量，进而计算每个焊接工人的有效工作量。
所述焊机工作时的工艺参数包括电压、电流、保护气体流速、焊丝进给速度。
所述无线现场设备以0.1秒的周期进行工艺参数的采集。
所述无线现场设备包括：
电源模块，输出端连接稳压保护电路，为220V转5V开关电源，完成从AC 220V到DC5V的转换；
稳压保护电路，包括保险丝、钳位二极管、LDO芯片，用于实现过压/过流保护，其中LDO芯片将电源模块输出的5V电压转换为3.3V电压输出给CPU；
晶振，连接CPU，为CPU提供时钟源；
模拟信号多路选择芯片，连接CPU，用于在CPU的控制下将需要采集的多路模拟信号分时送入一路模拟信号放大电路；
模拟信号放大电路，用于按高精度A/D芯片要求提供电压；
高精度A/D芯片，用于完成模拟信号的A/D转换，将转换后的数字信号送给CPU处理；
CPU，无线现场设备的主控制单元，通过16位I/O引脚接A/D芯片，通过SPI接口接无线模块，用于完成前端的数据采集和数据的无线发送；
无线模块和天线，通过SPI接口与CPU通信，将CPU发送过来的数据通过无线形式发送出去；
拨码开关，连接CPU，通过调整拨码开关状态，决定焊机编号。
所述无线接入设备包括：
开关电源，输出端连接稳压保护电路，为220V转5V开关电源，完成从AC 220V到DC5V的转换；
稳压保护电路，包括保险丝、钳位二极管、LDO芯片，用于实现过压/过流保护，其中LDO芯片将电源模块输出的5V电压转换为3.3V电压输出给CPU；
晶振，连接CPU，为CPU提供时钟源；
CPU，无线接入设备的主控制单元，通过SPI接口接无线模块，通过以太网网口接网线，完成现场设备上送数据无线接收和有线数据上送交换机；
无线模块和天线，通过SPI接口与CPU通信，将CPU发送过来的数据通过无线形式发送出去；
以太网接口，连接CPU，用于将CPU接收的采集数据从网口发送出去。
一种焊接质量在线监控和工时统计的无线检测方法，包括以下步骤：
每个无线现场设备实时采集一个焊机工作时的工艺参数，并上传给与其无线连接的无线接入设备；
无线接入设备将焊机工作时的工艺参数上传给与其连接的交换机；
交换机将焊机工作时的工艺参数上传给与其连接的服务器；
服务器根据作业要求工艺参数判断每台焊机作业时间内的工艺参数是否符合技术要求，并按周期将每台焊机工作时的工艺参数分别独立存档，统计周期内的焊接电流持续时间累积、保护气体总流量、焊丝消耗总量，进而计算每个焊接工人的有效工作量。
所述计算每个焊接工人的有效工作量，具体为：
以焊接工人工作时间内焊接电流持续时间累积为基础数据，统计出总的累积时间作为有效工作量的统计参考值，同时参考保护气体总消耗量，焊丝消耗总量作为每个工人工作时间的有效工作量；
同时，服务器剔除焊接电流持续时间累积、保护气体总流量、焊丝消耗总量超过阈值的部分；还剔除工艺参数不符合技术要求的工作时间。
本发明具有以下优点及有益效果：
(1)无线通信快速漫游、信号全覆盖：每台焊机一个无线现场设备，可以就近与任意一个无线接入设备联网通信，无线接入设备固定在作业场所周边，安放位置、使用数量可以灵活配置保证全场所有效覆盖，所有无线接入设备通过交换机汇聚到一台服务器上，焊机在作业场所内移动位置时可以就近切换到下一个无线接入设备入网通信，漫游时间毫秒级，对数据传送无影响，本发明装置通信网络架构图如图1所示。
(2)全参数高实时监控：每台焊机内一个无线现场设备，按0.1秒周期连续采集电压、电流、保护气体流速、焊丝进给速度四个参数，每个参数占两个字节，采集数据精度分辨率1/65535，再加上焊机编号，每台焊机每次发送采集原始数据总计9个字节，报文格式的数据帧结构如图2所示。
(3)上层数据处理科学合理：采集数据最终汇聚到上层服务器上，服务器可以直接判断电压、电流、保护气体流速、焊丝进给速度是否符合工艺参数要求，所有的焊接工艺参数值都可以直接判断，不符合要求的立即给出告警并记录；根据采集到的原始数据，由服务器间接计算出工作时间内焊接持续时间、焊接停顿时间，保护气体提前开启时间和滞后停止时间，焊丝进给持续运行时间，所有的时间值可以根据采集数据短期累计计算，根据计算结果判断工人操作是否符合要求，不符合要求的给出告警并记录；按日长期累计计算焊接持续时间、保护气体总用量、焊丝总用量，综合判断每台焊机三项指标每日的累计总量是否科学合理，不合理给出告警并记录，按三项指标各自权重系数统计出工人当日有效工作量。采集数据曲线显示、统计方法样例如图3所示。
附图说明
图1为本发明无线检测装置通信网络架构图；
图2为本发明数据采集无线通信数据帧结构；
图3为本发明采集数据曲线显示、统计方法样例；
图4为本发明无线现场设备硬件结构图；
图5为本发明无线接入设备硬件结构图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明装置包括无线现场设备、无线接入设备、上层处理软件三部分内容。发明方法和硬件设计具有通用性，可根据实际应用环境选择不同硬件和具体的软件实现方法，本专利给出典型装置的硬件选型：
如图4所示，无线现场设备主要包括开关电源、稳压保护电路、晶振、模拟信号多路选择芯片、模拟信号放大电路、高精度A/D芯片、CPU、无线模块、天线、8bit拨码开关等几个部分，各部分的功能及典型选型型号分别如下：
电源模块：现场设备安放于焊机内，焊机使用380V工业交流电源，无线现场设备电路使用低压直流电源，在焊机内任选何一相火线和零线构成220V电源，可选市场上成熟的220转5V开关电源，如台湾明纬RS-15-5开关电源，完成从AC220V到DC 5V的转换。
稳压保护电路：焊机工作时冲击电流很大，电源电压波动范围比较大，无线现场设备需要经受得住来自电源较大的冲击，稳压保护电路包括保险丝、钳位二极管、LDO芯片，实现过压/过流保护功能，保证后级的电路在强烈电源波动冲击下仍然能够正常工作，为保证后续电路稳定工作，采用LDO芯片将开关电源输出的5V电压转换为3.3V电压供后续芯片使用，本设计示例LDO芯片选用LM1086CS-3.3。
晶振：为CPU提供工作必须时钟源，根据CPU要求选配，晶振是通用器件，规格型号众多选择余地非常大，此处不给出具体示例。
模拟信号多路选择芯片：本发明需要采集的数据电压、电流是模拟信号，采用多路选择芯片，将需要采集的多路模拟信号分时送入一路A/D芯片，只使用一路放大和A/D芯片，既可保证转换精度，又减小了电路板体积和成本，多路选择芯片可选AD公司MUX-16。
模拟信号放大电路：采用模拟信号放大器，可以按后续A/D芯片要求提供电压，同时也可以提高输入阻抗降低输出阻抗，使模拟信号更大范围的传递，对后级的A/D转换更有利，模拟信号放大器可选AD公司OP07集成运算放大器。
高精度A/D芯片：完成模拟信号的高精度A/D转换，将转换后的数字信号送给CPU处理，高精度A/D可选用AD公司ADC976芯片。
CPU：无线现场设备的核心，完成前端的数据采集和数据的无线发送，为了降低开发工作量和降低成本，无线现场设备、无线接入设备选用同一型号的CPU，可选用集成以太网模块的TI高性能ARM芯片AM3359。
无线模块和天线：选用市场成熟的2.4GHz Wi-Fi模块，通过SPI接口与CPU通信，将CPU发送过来的数据通过无线形式发送出去，可选用Lantronix公司XPCW1002100B模块。
8bit拨码开关：接入CPU一个端口，通过调整拨码开关状态，决定焊机编号，8bit开关提供0～255总计256个编号，供作业现场区分所有焊机，拨码开关是通用器件，型号众多可选余地比较大，此处不给出具体示例。
如果5所示，无线接入设备主要包括开关电源、稳压保护电路、晶振、CPU、无线模块、天线、以太网芯片几个部分，功能及典型选型型号分别如下：
电源模块：无线接入设备安放于作业现场周边，从作业现场选取一路220V交流电供电较为方便，可选市场上成熟的220转5V开关电源，与现场设备可选相同型号如台湾明纬RS-15-5开关电源，完成从AC 220V到DC 5V的转换。
稳压保护电路：作业现场电源波动较大，无线接入设备同样需要经受得住来自电源较大的冲击影响，稳压保护电路包括保险丝、钳位二极管、LDO芯片，实现过压/过流保护功能，保证后级的电路在强烈电源波动冲击下仍然能够正常工作，为保证后续电路稳定工作，采用LDO芯片将开关电源输出的5V电压转换为3.3V电压供后续芯片使用，本设计示例LDO芯片选用LM1086CS-3.3。
晶振：为CPU提供工作必须时钟源，根据CPU要求选配，晶振规格型号众多选择余地非常大，此处不给出具体示例。；
CPU：无线现场设备的核心，完成前端的数据采集和数据的无线发送，可选用集成以太网模块的TI公司高性能ARM芯片AM3359。
无线模块和天线：选用市场成熟的2.4GHz Wi-Fi模块，通过SPI接口与CPU通信，通过无线方式接收来自无线现场设备发送的焊机工艺参数采集数据，可选用Lantronix公司XPCW1002100B模块。
以太网接口：负责将CPU接收的采集数据从网口发送出去，通过交换机最终上送给服务器，因为CPU自身已经带了以太网模块，此处只需要一个集成网卡变压器的RJ45接口即可，可选用HANREN公司HR911103C连接器。
本实施例的工作原理为：
焊接工人在作业现场操作焊机工作时，无线现场设备以0.1秒周期轮询采集电压、电流、保护气体流速、焊丝进给速度四个工艺参数，经过模拟信号处理电路前级处理(选择、放大)后再经过高精度A/D转换成数字信号送入CPU，CPU将采集工艺参数生成标准报文通过无线芯片发送出去，报文格式如图2形式。需要特别说明的是电压、电流是标准模拟信号，通过传感器(可选霍尔器件)采集后的值是模拟量，必定需要通过模拟接口送入并经过A/D转换送给CPU，保护气体流速、焊丝进给速度检测方式与具体的焊机型号有关系，有一些功能简单的焊机没有保护气体也不能自动送焊丝可不做检测，有的焊机这两个参数是固定不可调的，只有打开/关闭的差异，采用CPU的I/O口检测开关状态即可。
无线接入设备安放在作业现场周边固定位置，同时使用多个接入设备，保证作业现场所有位置都有无线信号覆盖，现场设备就近接入无线接入设备，接入设备接收到无线数据，经过CPU直接转成以太网数据送出，所有的接入设备都通过交换机最终汇入一台服务器上，保证作业现场内所有的焊机都能将数据通过无线通信和有线汇聚，最终都全部送入服务器。
服务器将每台焊机采集数据按日为周期分别独立存档，支持查看原始数据和显示曲线，按曲线显示数据的效果如图3所示，服务器上可以根据实际的工作规章要求手工配置每台焊机应该遵从工艺参数，服务器接收数据后根据作业规章要求工艺参数自动判断每台焊机作业时间内的操作是否符合技术要求，可以自动判断的功能包括：实时监测电压、电流是否超标或不足，焊接持续时间、停顿时间是否合理，保护气体流速、焊丝进给速度是否符合工艺要求，如果有哪项指标不符合要求的操作给出告警并记录，提醒相应责任人改进，如果问题严重存在质量或安全隐患，可主动安排生产计划提前返工，以减少损失。根据此种检测方法，可以避免工人为了迎合提升工作指标而采取的违规操作，也可以提早发现因工人因为责任心不强、麻痹大意带来的错误操作，最大程度上降低焊接质量问题风险和损失。
此外，服务器还有一个更强大的功能，那就是根据采集记录的每台焊机的原始数据按日统计焊接电流持续时间累积、保护气体总流量、焊丝消耗总量。具体方法如下：焊接过程是一个脉冲过程，焊丝在工件上焊接时有焊接电流，焊机输出电压被拉低，同时伴随着保护气体送气和焊丝的自动进给，这个过程是焊接持续时间；相对应的焊枪抬起时电流为零、电压拉高，保护气体、焊丝进给停止，这个过程是焊接停顿时间。不同焊接对象对焊接持续时间和焊接停顿时间是有要求的，根据这个过程，通过采集到的每台焊机0.1秒周期的原始数据，对符合要求的焊接持续时间进行累计(不符合要求的不但统计，同时还要打告警并记录，按照先确保质量再统计数量原则)，可侧面反映一个工人当日的工作量。同样的方法也适合统计保护气体用量和焊丝消耗总量，综合考虑三个指标，分析焊机在当日的作业是否符合要求，同时也可以按各自权重统计作为焊接工作量的参考值，最终计算每个焊接工人的有效工作量。
计算每个焊接工人的有效工作量按照如下方案进行：以焊接工人工作时间内焊接电流持续时间累积为基础数据，统计出总的累积时间作为有效工作量的统计参考值，同时参考保护气体总消耗量，焊丝消耗总量作为每个工人工作时间的有效工作量；(也就是说在相同工作时间内，焊接电流持续总时间长、焊丝用量大、保护气体用量大的工人工作量大，但三者的对应关系必须在合理范围)；为确保准确性和有效性，服务器对为增加统计工作量而刻意调大电流、增加焊丝消耗量和气体消耗总量的做法予以剔除，对工作时间内工艺参数不符合技术要求的工作时间不但不予统计，还要统计出违规操作时间，对于违规操作时间超出正常合理范围的焊接工人统计在册，协助管理人员按制度实行奖惩。

Claims (3)

1.一种焊接质量在线监控和工时统计的无线检测装置，其特征在于，包括：
若干个无线现场设备，安放在电焊机内部，随焊机任意移动位置，就近与某一无线接入设备连接，用于实时采集焊机工作时的工艺参数，并上传给与其连接的无线接入设备；所述无线现场设备包括：
电源模块，输出端连接稳压保护电路，为220V转5V开关电源，完成从AC 220V到DC 5V的转换；
稳压保护电路，包括保险丝、钳位二极管、LDO芯片，用于实现过压/过流保护，其中LDO芯片将电源模块输出的5V电压转换为3.3V电压输出给CPU；
晶振，连接CPU，为CPU提供时钟源；
模拟信号多路选择芯片，连接CPU，用于在CPU的控制下将需要采集的多路模拟信号分时送入一路模拟信号放大电路；
模拟信号放大电路，用于按高精度A/D芯片要求提供电压；
高精度A/D芯片，用于完成模拟信号的A/D转换，将转换后的数字信号送给CPU处理；
CPU，无线现场设备的主控制单元，通过16位I/O引脚接A/D芯片，通过SPI接口接无线模块，用于完成前端的数据采集和数据的无线发送；
无线模块和天线，通过SPI接口与CPU通信，将CPU发送过来的数据通过无线形式发送出去；
拨码开关，连接CPU，通过调整拨码开关状态，决定焊机编号；
若干个无线接入设备，分布固定在作业场所周边，覆盖作业场所内的无线现场设备，用于与无线现场设备建立无线连接，并通过有线将数据上送到交换机；所述无线接入设备包括：
开关电源，输出端连接稳压保护电路，为220V转5V开关电源，完成从AC 220V到DC 5V的转换；
稳压保护电路，包括保险丝、钳位二极管、LDO芯片，用于实现过压/过流保护，其中LDO芯片将电源模块输出的5V电压转换为3.3V电压输出给CPU；
晶振，连接CPU，为CPU提供时钟源；
CPU，无线接入设备的主控制单元，通过SPI接口接无线模块，通过以太网网口接网线，完成现场设备上送数据无线接收和有线数据上送交换机；
无线模块和天线，通过SPI接口与CPU通信，将CPU发送过来的数据通过无线形式发送出去；
以太网接口，连接CPU，用于将CPU接收的采集数据从网口发送出去；
一个或多个交换机，连接其所在区域的无线接入设备，用于汇聚作业现场周边所有的无线接入设备，并将采集数据送入服务器；
服务器，连接交换机，用于根据作业要求工艺参数判断每台焊机作业时间内的工艺参数是否符合技术要求，并按周期将每台焊机工作时的工艺参数分别独立存档，统计周期内的焊接电流持续时间累积、保护气体总流量、焊丝消耗总量，进而计算每个焊接工人的有效工作量；
所述焊机工作时的工艺参数包括电压、电流、保护气体流速、焊丝进给速度。
2.根据权利要求1所述的一种焊接质量在线监控和工时统计的无线检测装置，其特征在于，所述无线现场设备以0.1秒的周期进行工艺参数的采集。
3.一种焊接质量在线监控和工时统计的无线检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
每个无线现场设备实时采集一个焊机工作时的工艺参数，并上传给与其无线连接的无线接入设备；
无线接入设备将焊机工作时的工艺参数上传给与其连接的交换机；
交换机将焊机工作时的工艺参数上传给与其连接的服务器；
服务器根据作业要求工艺参数判断每台焊机作业时间内的工艺参数是否符合技术要求，并按周期将每台焊机工作时的工艺参数分别独立存档，统计周期内的焊接电流持续时间累积、保护气体总流量、焊丝消耗总量，进而计算每个焊接工人的有效工作量；
所述计算每个焊接工人的有效工作量，具体为：
以焊接工人工作时间内焊接电流持续时间累积为基础数据，统计出总的累积时间作为有效工作量的统计参考值，同时参考保护气体总消耗量，焊丝消耗总量作为每个工人工作时间的有效工作量；
同时，服务器剔除焊接电流持续时间累积、保护气体总流量、焊丝消耗总量超过阈值的部分；还剔除工艺参数不符合技术要求的工作时间。
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