一种自适应生态焊接环境监控系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种自适应生态焊接环境监控系统及方法，其通过对焊机的内部和外部环境参数进行实时采集监控，利用系统平台管理单元对其进行数据分析，在焊接环境参数处于不同情况下，进行环境改善调整和报警处理。与现有技术相比，本发明有益效果在于：本发明具备改善环境的功能，有效提高了焊接作业人员的安全可靠性；通过多个焊机统一管理，对焊接现场环境及作业人员的作业规范进行监控，实现了高产值，高安全性的作业现场；通过远程或云端监控管理和个人终端无线设备管理，有效实现了人员的流动监控，达到了无人值守的目的。
【专利说明】一种自适应生态焊接环境监控系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及焊机，具体涉及的是一种自适应生态焊接环境监控系统及方法。
【背景技术】
[0002] 焊机作为一种广泛使用的设备，在航空航天、船舶、汽车、压力容器等工业领域得 到广泛的应用，为国民经济的发展发挥了重要作用。但是随着焊接作业现场环境的日益复 杂和焊接设备的不断更新和新材料的应用，焊接现场环境也日趋恶劣，其主要体现在焊机 自身和焊接环境两个方面。
[0003] 对焊机自身而言，其在焊接过程中，不可避免的会产生焊接烟尘和有害气体、噪 声、高频电磁辐射以及光辐射等污染。比如焊接电弧所产生的高温和强紫外线作用下，弧区 周围会产生大量一氧化碳、氮氧化物等有毒气体，焊条中含有锰的化合物，长期吸入会造成 猛中母。
[0004] 对于焊接环境而言，其主要产生的原因有密闭的空间和恶劣的气候环境等因素。 密闭的空间如管道内部焊接，大型部件设备内部焊接，矿井，隧道等，此类环境如可燃气体 密度达到一定程度，与电弧反应可能引起爆炸；恶劣的气候环境，如海上石油钻井平台，寒 冷环境，以及热带潮湿环境等。
[0005] 针对上述问题，现有的解决方案主要从以下几个方面进行处理：一、改善工作环 境：在密闭的空间内增加通风设备；二、增加劳保用品：让从业人员在工作时穿戴必需的劳 保用品；三、人为增加环境监控点，设定作业环境适宜等级，制定作业规范，让专人定点监控 焊接人员的工作环境。但是上述方式对焊接从业人员保护仅仅停留在人为的且较单一的随 机管控阶段，作为焊接工作时必不可少的焊接设备仅仅作为功能单一的焊接工具，因此其 不能从根本上解决焊接现场环境恶劣的问题，尤其是在焊接场所变化较快以及焊接环境发 生变化等情况下，极易发生人员伤亡或财产损失。
【发明内容】
[0006] 鉴于此，本发明的目的在于提供一种自适应生态焊接环境监控系统及方法，以实 现目前焊机焊接环境恶劣的情况下，对环境进行自我改善调节，且在环境不适于工作的情 况下，进行报警及关闭焊机，从而避免因焊接环境恶劣导致的人员伤亡或财产损失问题。
[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
[0008] -种自适应生态焊接环境监控系统，包括：
[0009] -中央控制单元或个人移动控制终端；
[0010] 至少一焊机，与所述中央控制单元或个人移动控制终端通讯连接；
[0011] 其中，所述焊机内置有焊接电源，所述焊接电源包括有：
[0012] 一系统平台管理单元，用于获取焊机内部及外部的实时反馈环境参数，并对其进 行数据分析，且在数据分析结果达到环境改善单元临界启动值a时，产生改善环境指令；以 及在数据分析结果达到报警单元临界启动值b时，产生报警指令；
[0013] 一环境改善单元，与所述系统平台管理单元通信连接，用于在系统平台管理单元 的数据分析结果达到环境改善单元临界启动值a时，获取并根据来自系统平台管理单元的 改善环境指令，改善焊机外部环境；
[0014] 一报警单元，与所述系统平台管理单元通信连接，用于在系统平台管理单元的数 据分析结果达到报警单元临界启动值b时，获取并根据来自系统平台管理单元的报警指 令，进行报警。
[0015] 进一步地，该系统还包括有一内部监控单元，该内部监控单元包括有分别与所述 系统平台管理单元连接的内部温度监控模块、电压监控模块、电流监控模块和内部湿度监 控模块，其用于对焊机工作时的焊机内部温度、焊机电压、焊机电流和焊机内部湿度进行监 控，并将监控结果实时反馈给系统平台管理单元。
[0016] 进一步地，该系统还包括有一外部监控单元，该外部监控单元包括有分别与所述 系统平台管理单元连接的〇2监控模块、co2监控模块、so2监控模块、外部温度监控模块和外 部湿度监控模块，其用于对焊机工作时外部的〇2、co2、so2浓度以及焊机工作时的外部温度 和湿度进行监控，并将监控结果实时反馈给系统平台管理单元。
[0017] 进一步地，所述环境改善单元包括有净化器和02发生器，其用于在环境改善单元 接收到系统平台管理单元的改善环境指令时，通过净化器和〇 2发生器改善焊机外部环境。
[0018] 进一步地，所述报警单元包括指示灯和蜂鸣器，其用于在报警单元接收到系统平 台管理单元的报警指令时，通过指示灯和蜂鸣器发出报警信息。
[0019] 进一步地，所述中央控制单元或个人移动控制终端用于获取来自系统平台管理单 元反馈的焊机内部及外部的实时反馈环境参数，并判断反馈的参数是否正常，且在反馈的 参数异常时，对焊机进行远程控制处理异常。
[0020] 进一步地，所述净化器包括物理净化器和化学净化器。
[0021] 另外，本发明还提供了一种自适应生态焊接环境监控方法，其中具体包括步骤：
[0022] S101、系统平台管理单元获取焊机内部及外部的实时反馈环境参数，并对其进行 数据分析，且在数据分析结果达到环境改善单元临界启动值a时，进入步骤S102 ;且在数据 分析结果达到报警单元临界启动值b时，进入步骤S103 ;
[0023] S102、环境改善单元根据来自系统平台管理单元的改善环境指令，改善焊机外部 环境；
[0024] S103、报警单元根据来自系统平台管理单元的报警指令，进行报警。
[0025] 进一步地，在步骤S101之前还包括：
[0026] 系统平台管理单元通过内部监控单元获取焊机内部温度、焊机电压、焊机电流和 焊机内部湿度参数信息；
[0027] 系统平台管理单元通过外部监控单元获取焊机工作时外部的02、0)240 2浓度以及 焊机工作时的外部温度和湿度参数；
[0028] 系统平台管理单元将获取的上述参数信息同步发送给中央控制单元或个人移动 控制终端。
[0029] 进一步地，在步骤S103之后还包括：
[0030] 中央控制单元或个人移动控制终端对来自系统平台管理单元反馈的焊机内部及 外部的实时反馈环境参数进行判断；当该参数信息异常时，对焊机进行远程控制处理异常。
[0031] 本发明提供的自适应生态焊接环境监控系统及方法，通过对焊机的内部和外部环 境参数进行实时采集监控，利用系统平台管理单元对其进行数据分析，在焊接环境参数处 于不同情况下，进行环境改善调整和报警处理。与现有技术相比，本发明有益效果在于：本 发明具备改善环境的功能，有效提高了焊接作业人员的安全可靠性；通过多个焊机统一管 理，对焊接现场环境及作业人员的作业规范进行监控，实现了高产值，高安全性的作业现 场；通过远程或云端监控管理和个人终端无线设备管理，有效实现了人员的流动监控，达到 了无人值守的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0032] 图1为本发明自适应生态焊接环境监控系统的连接状态示意图；
[0033] 图2为本发明焊机与中央控制单元或个人移动控制终端之间的数据交互流程示 意图；
[0034] 图3为本发明自适应生态焊接环境监控系统的工作原理框图；
[0035] 图4为本发明单台焊机的工作流程图；
[0036] 图5为本发明系统平台管理单元的芯片原理图；
[0037] 图6为本发明氧气监控模块电路原理示意图；
[0038] 图7为本发明二氧化硫监控模块电路原理示意图。
【具体实施方式】
[0039] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0040] 请参阅图1所示，图1为本发明自适应生态焊接环境监控系统的连接状态示意图。 本发明为针对现有技术焊接环境恶劣，如：在进行输油管道内层焊接，大型船厂内部的船体 内部焊接；焊接持续进行，焊接环境也可能会产生相应的变化，如焊接环境超过人体极限环 境以及焊接人员看护缺失等情况下做出的改进型焊接系统。
[0041] 本发明主要由两部分组成，一部分为中央控制单元或个人移动控制终端，另一部 分为焊机。其中中央控制单元为中央控制系统或云端管理系统，个人移动控制终端则包括 智能手机终端，掌上电脑等；所述的焊机为一个或多个，如焊机A、焊机B、焊机C及焊机D 等，这些焊机对应通过有线或无线的方式与上述中央控制单元或个人移动控制终端通讯连 接，以实现相互之间的数据交互。
[0042] 本系统通过焊机上集成的传感设备，实现周边及焊机内部工作实时环境数据的采 集，以分析出此种工作环境的实时状况（比如经过对采集数据进行分析，获取当前环境下 的有害气体浓度情况），并相应的做出改善环境、报警处理等措施，而作为中央控制单元或 个人移动控制终端则可采用云端群控监控机制，其通过中央集成管理系统或个人移动终 端，实现实时监控各个焊机及其作业环境的状态，从而实现远程集成监控。
[0043] 如图3所示，图3为本发明自适应生态焊接环境监控系统的工作原理框图。本系 统中所述的焊机均包括图3框图中所示部分，其主要有焊接电源，所述焊接电源包括有系 统平台管理单元、内部监控单元、外部监控单元、环境改善单元和报警单元，且所述的内部 监控单元、外部监控单元、环境改善单元和报警单元均分别连接到系统平台管理单元。
[0044] 其中焊接电源实际为焊机本身，其内部监控单元包括有内部温度监控模块、电压 监控模块、电流监控模块和内部湿度监控模块，其主要用于对焊机工作时的焊机内部温度、 焊机电压、焊机电流和焊机内部湿度进行监控，并将监控结果实时反馈给系统平台管理单 J Li 〇
[0045] 外部监控单元包括有02监控模块、C02监控模块、S0 2监控模块、外部温度监控模块 和外部湿度监控模块，其用于对焊机工作时外部的〇2、co 2、so2浓度以及焊机工作时的外部 温度和湿度进行监控，并将监控结果实时反馈给系统平台管理单元。需要说明的是，本实施 例通过外部监控单元可以监测当前环境的〇 2浓度、co2浓度、so2浓度以及其他有害气体的 浓度情况，以上各个监控模块仅是监控单元的其中一部分，并不包括全部。
[0046] 环境改善单元，包括净化器和02发生器，其用于在系统平台管理单元对获取焊机 内部及外部的实时反馈参数进行数据分析，而并从数据分析的结果中获取相关的有害气体 浓度参数，并将分析结果中有害气体的浓度与设定的数值a进行比较，如果有害气体浓度 达到数值a时，则环境改善单元就会控制净化器和0 2发生器对外部环境进行改善处理，其 中数值a为环境改善单元临界启动值，这里所述的数值a，其实质为一变化量，具体应以当 前的环境是否适合于焊机或操作人员的工作为标准，比如操作人员或焊机适于工作的环境 参数为低于14,则当环境参数大于14时，则都会启动环境改善单元，对环境进行改善，并使 改善后的环境数值小于14,此时可界定a = 14。
[0047] 报警单元，包括指示灯和蜂鸣器，其用于在系统平台管理单元对获取焊机内部及 外部的实时反馈参数进行数据分析，而数据分析的结果可以获知当前环境的有害气体浓度 情况，当有害气体浓度达到数值b时，则报警单元就会控制指示灯和蜂鸣器进行报警处理， 其中数值b为报警单元临界启动值。
[0048] 同样的道理，这里所述的数值b，其实质也为一变化量，具体以当前的环境是否适 合于焊机或操作人员的工作为标准，且当在环境改善单元在其工作条件下，已经无法实现 环境改善时，才会达到数值b，即当前的环境值已经超过数值a时，比如操作人员或焊机适 于工作的环境参数为低于14,而在14到40之间，操作人员或焊机还可以工作，但是工作环 境已经出现问题，此时处于环境改善过程中，而当环境参数大于或等于40时，则表示此时 工作环境已经不适于工作了，需要马上停止焊机工作或操作人员马上离开，此时则需要启 动报警单元，进行报警，在此类情况下，可界定b = 40。
[0049] 在一些实施例中，比如适于工作环境的数值为12?14之间，当环境改善单元临界 启动值a小于10时，需要进行环境改善，通过环境改善将环境参数调整到12?14之间；而 如果环境参数小于12,且超过设定的报警单元临界启动值b (b = 10)，此时则在b = 10时， 需要启动报警单元，进行报警。
[0050] 以上描述中仅仅是以焊接过程中有害气体浓度为依据的，而在其他实施例中对于 焊接过程中环境的温度、湿度等其他环境因素，也在本发明包含范围之内。比如当焊接环境 的温度超过环境改善单元临界启动值a时，对应的也会进行环境改善处理；当焊接环境的 温度超过报警单元临界启动值a时，对应的也会进行报警处理。
[0051] 本发明系统工作方式包括有两种：
[0052] 如图2所示，图2为本发明焊机与中央控制单元或个人移动控制终端之间的数据 交互流程示意图。本系统主机由两部分组成，一部分为中央系统（手持终端或云端），另一 部分为单个焊机或多个焊机组成的焊机环境及其检测群，焊机（群）主要功能为焊接操作 及实时进行焊机内部及周边作业环境检测并收集有用且有效的数据，发送到中央控制系统 并且接收中央控制系统的控制指令（如关机），中央控制系统接收焊机（群）发送来的数 据，分析数据是否会对焊接设备及作业人员产生不利的影响，如果发生不利影响则报警，让 监控人员及时反应（远程控制焊机或派人到现场处理）。
[0053] 图2对应本系统的一种工作方式：当有中央控制单元或个人移动控制终端时，整 个的系统平台管理单元受中央控制单元或个人移动控制终端控制（其前提是中央控制单 元或个人移动控制终端具有相关控制权限，或者由更高一级的用户授权），当焊接获取外部 或内部的环境参数时，同步会将这些参数信息发送给中央控制单元或个人移动控制终端， 由中央控制单元或个人移动控制终端对这些参数进行判断分析，而当这些参数数据与预先 设定在中央控制单元或个人移动控制终端中的数据比较之后，则中央控制单元或个人移动 控制终端可判断该参数是否异常，如果异常，则通过网络对出现异常情况的焊机进行控制 处理。比如进行开关机操作，参数设定调整以及其他控制等。
[0054] 如图4所示，图4为本发明单台焊机的工作流程图本系统。其对应为本发明的另一 种工作方式为：本系统中的焊机仅作为焊机单独使用时，由于焊机本身连接有内部或外部 监控单元，其可以通过所述的监控单元实时的监控当前工作的环境信息，并获取相关的参 数，比如焊机内部温度、焊机电压、焊机电流和焊机内部湿度以及焊机工作时外部的o 2、co2、 S02浓度以及焊机工作时的外部温度和湿度等数据，同时对获取的这些数据进行分析之后， 从而实现控制改善环境、报警等功能。
[0055] 在这种工作方式下，焊机首先采集到有效的环境数据，然后会以此来判断焊机内 部是否异常，如果异常，就会通过光声等设备告知；如果存在可能损害焊机及伤害作业人员 的情况时，则焊机将会启动自保程序，如关机等，直到引起异常环境的故障被排除后，焊机 才能正常工作。
[0056] 如图5所示，系统平台管理单元为A5平台，其中SAM3U_LQFP100表示A5平台的 CPU主芯片，[19] S0UT_PB1_ADC和[19] S0UT_PB0_ADC则用于连接传感设备。
[0057] 如图6所示，图6为本发明氧气监控模块电路原理示意图。02监控模块中U3表示 氧气传感器、Ul-Α表示将接收的氧气传感信号放大信号。
[0058] 如图7所示，图7为本发明二氧化硫监控模块电路原理示意图。S02监控模块中 U2-A单兀电路，其作用是使参考电极上的电流减小。U2-B单兀电路则是将极小电流转换成 电压再放大。其中S1接S02传感器，S1也可以接硫化氢传感器，不同的传感器其具有的检 测功能不同。
[0059] 以上是对本发明系统的描述，下面将结合附图2和附图4对本发明自适应生态焊 接环境监控方法做进一步的说明。
[0060] 本发明还提供了一种自适应生态焊接环境监控方法，其中具体包括步骤：
[0061] 首先，系统平台管理单元通过内部监控单元获取焊机内部温度、焊机电压、焊机电 流和焊机内部湿度参数信息；
[0062] 内部监控单元包括有内部温度监控模块、电压监控模块、电流监控模块和内部湿 度监控模块，其对应可监测焊机内部温度、焊机电压、焊机电流和焊机内部湿度，并将其发 送给系统平台管理单元。
[0063] 系统平台管理单元通过外部监控单元获取焊机工作时外部的02、C02、S02浓度以 及焊机工作时的外部温度和湿度参数；
[0064] 外部监控单元包括有02监控模块、C02监控模块、S02监控模块、外部温度监控模 块和外部湿度监控模块，可对焊机工作时外部的02、C02、S02浓度以及焊机工作时的外部 温度和湿度进行监控，并将监控结果实时反馈给系统平台管理单元。
[0065] 之后系统平台管理单元可将获取的上述参数信息同步发送给中央控制单元或个 人移动控制终端，且同步进入到步骤S101。
[0066] S101、系统平台管理单元获取焊机内部及外部的实时反馈环境参数，并对其进行 数据分析，且在数据分析结果达到环境改善单元临界启动值a时，进入步骤S102 ;且在数据 分析结果达到报警单元临界启动值b时，进入步骤S103 ;
[0067] 其中环境改善单元临界启动值a为变化量，其具体以当前的环境是否适合于焊机 或操作人员的工作为标准，本实施例中对应设定为a = 14。
[0068] S102、环境改善单元根据来自系统平台管理单元的改善环境指令，改善焊机外部 环境；
[0069] 环境改善单元，包括净化器和02发生器，其用于在系统平台管理单元对获取焊机 内部及外部的实时反馈参数进行数据分析，且分析结果达到数值a时，控制净化器和02发 生器对外部环境进行改善处理。
[0070] S103、报警单元根据来自系统平台管理单元的报警指令，进行报警。
[0071] 报警单元包括指示灯和蜂鸣器，在系统平台管理单元对获取焊机内部及外部的实 时反馈参数进行数据分析，且分析结果达到数值b时，报警单元控制指示灯和蜂鸣器进行 报警处理，以关闭焊机或通知操作人员及时撤离。
[0072] 而之后中央控制单元或个人移动控制终端对来自系统平台管理单元反馈的焊机 内部及外部的实时反馈环境参数进行判断；当该参数信息异常时，对焊机进行远程控制处 理异常。
[0073] 综上所述，本发明实质定义为生态焊机，其具备有改善环境的功能，能够提高作业 人员的安全可靠性，即让焊机在焊接生态环境中不仅仅以生产者和消费的角色出现，同时 还扮演分解者，将其生产或消费过程中产生对环境不利的因素分解消除，从而达到焊接环 境的生态平衡。
[0074] 本发明还针对传统各个焊机大多单兵作战或少数几台进行单机关联，并没实现统 一管理的问题，具有针对性的加入了中央管理系统，对焊接现场环境及作业人员的作业规 范进行监控，实现了高产值，高安全的作业现场。
[0075] 另外，本发明还通过云端监控管理、个人终端无线设备，实现了人员流动监控，尽 可能减少无人值守的问题，以此来及时发现问题，尽早解决。
[0076] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种自适应生态焊接环境监控系统，包括： 一中央控制单元或个人移动控制终端； 至少一焊机，与所述中央控制单元或个人移动控制终端通讯连接； 其特征在于，所述焊机内置有焊接电源，所述焊接电源包括有： 一系统平台管理单元，用于获取焊机内部及外部的实时反馈环境参数，并对其进行数 据分析，且在数据分析结果达到环境改善单元临界启动值a时，产生改善环境指令；以及在 数据分析结果达到报警单元临界启动值b时，产生报警指令； 一环境改善单元，与所述系统平台管理单元通信连接，用于在系统平台管理单元的数 据分析结果达到环境改善单元临界启动值a时，获取并根据来自系统平台管理单元的改善 环境指令，改善焊机外部环境； 一报警单元，与所述系统平台管理单元通信连接，用于在系统平台管理单元的数据分 析结果达到报警单元临界启动值b时，获取并根据来自系统平台管理单元的报警指令，进 行报警。
2. 如权利要求1所述的自适应生态焊接环境监控系统，其特征在于，还包括有一内部 监控单元，该内部监控单元包括有分别与所述系统平台管理单元连接的内部温度监控模 块、电压监控模块、电流监控模块和内部湿度监控模块，其用于对焊机工作时的焊机内部温 度、焊机电压、焊机电流和焊机内部湿度进行监控，并将监控结果实时反馈给系统平台管理 单元。
3. 如权利要求1所述的自适应生态焊接环境监控系统，其特征在于，还包括有一外部 监控单元，该外部监控单元包括有分别与所述系统平台管理单元连接的〇 2监控模块、C02监 控模块、S02监控模块、外部温度监控模块和外部湿度监控模块，其用于对焊机工作时外部 的〇 2、co2、so2浓度以及焊机工作时的外部温度和湿度进行监控，并将监控结果实时反馈给 系统平台管理单元。
4. 如权利要求1所述的自适应生态焊接环境监控系统，其特征在于，所述环境改善单 元包括有净化器和〇2发生器，其用于在环境改善单元接收到系统平台管理单元的改善环境 指令时，通过净化器和〇 2发生器改善焊机外部环境。
5. 如权利要求1所述的自适应生态焊接环境监控系统，其特征在于，所述报警单元包 括指示灯和蜂鸣器，其用于在报警单元接收到系统平台管理单元的报警指令时，通过指示 灯和蜂鸣器发出报警信息。
6. 如权利要求1所述的自适应生态焊接环境监控系统，其特征在于，所述中央控制单 元或个人移动控制终端用于获取来自系统平台管理单元反馈的焊机内部及外部的实时反 馈环境参数，并判断反馈的参数是否正常，且在反馈的参数异常时，对焊机进行远程控制处 理异常。
7. 如权利要求4所述的自适应生态焊接环境监控系统，其特征在于，所述净化器包括 物理净化器和化学净化器。
8. -种自适应生态焊接环境监控方法，其特征在于，包括步骤： S101、系统平台管理单元获取焊机内部及外部的实时反馈环境参数，并对其进行数据 分析，且在数据分析结果达到环境改善单元临界启动值a时，进入步骤S102 ;且在数据分析 结果达到报警单元临界启动值b时，进入步骤S103 ; 5102、 环境改善单元根据来自系统平台管理单元的改善环境指令，改善焊机外部环 境； 5103、 报警单元根据来自系统平台管理单元的报警指令，进行报警。
9. 如权利要求8所述的自适应生态焊接环境监控方法，其特征在于，步骤S101之前还 包括： 系统平台管理单元通过内部监控单元获取焊机内部温度、焊机电压、焊机电流和焊机 内部湿度参数信息； 系统平台管理单元通过外部监控单元获取焊机工作时外部的o2、co2、so2浓度以及焊机 工作时的外部温度和湿度参数； 系统平台管理单元将获取的上述参数信息同步发送给中央控制单元或个人移动控制 终端。
10. 如权利要求8所述的自适应生态焊接环境监控方法，其特征在于步骤S103之后还 包括： 中央控制单元或个人移动控制终端对来自系统平台管理单元反馈的焊机内部及外部 的实时反馈环境参数进行判断；当该参数信息异常时，对焊机进行远程控制处理异常。
【文档编号】G05B19/418GK104090556SQ201410328812
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2014年7月11日
【发明者】周兴亚, 曾小锋, 刘垒垒, 刘顺良, 周宏观, 李文业, 朱芳 申请人:深圳市佳士科技股份有限公司