专利名称：群组化焊接设备动态监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种工业自动化检测技术领域的装置，具体是一种群组化焊接设 备动态监测系统。
背景技术：
焊接设备在船舶、汽车等制造企业中呈批量化使用，通常达到数百台或数千台的 规模。焊接设备数目众多，生产区域分散、面积大，焊接设备的管理难度相当高，加之部分操 作人员的不良习惯等，易造成部分焊机无生产任务却长时间处于开机状态，能源浪费严重。 此外，企业生产管理层和技术管理层对当前设备状态难以实时掌控，在设备调度和分配上 造成管理困难。焊接生产管理中，对焊机往往以批次为单位进行报废和更换。但是同批次 焊接设备的使用情况并不同，部分焊接设备报废时的实际使用时间远低于报废标准，造成 一定程度的设备浪费，增加了生产成本。焊接过程电弧线能量对于接头质量存在重要影响， 特别是针对某些关键环节，因此有必要实时监测焊接电流，当实际焊接电流超出预设范围 时给予报警提示。焊接过程电流、电压信息数据库也为工程技术人员后续分析研究提供了 可供追溯的数据。经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN1921427A，公开号2007_2_28，记 载了一种“焊接过程质量监控的无线数据采集和处理系统”，该技术由ZIGBEE通讯网络、被 测参数检测仪表和计算机组成，它具体包括网络协调器节点、路由器节点、终端功能节点、 天线、被测参数检测仪表和计算机。但该技术针对压力容器焊接过程，用于罐体焊接时测量 焊接电流、电压、温度和压力等信号，涉及的焊接设备数目较少，通常网络中的通信节点不 超过50个，对于焊接数目众多造成的通信问题并未给出解决方法。进一步检索发现，天津707研究所在《电焊机》第36期第1卷发表论文“基于CAN 总线技术的焊机联网系统设计”，采用CAN总线进行网络互联，实现现场数据的采集和存储， 其系统联网规模最大为256台，其成果已在重庆长安等企业应用，但这种基于有线网络的 通信方式在船舶制造企业具有一定的局限性，无法满足设备分布区域广、移动频繁的特点， 而且布线成本也颇高。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于无线网络的群组化焊接设备 动态监测系统，被检设备数目最高可达到1024台，并且被检设备可在网络范围内移动，从 而实现群组化焊接设备和生产过程的远程监测和管理。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括焊接机构、嵌入式信号采集模 块、网络中心节点和现场服务器，其中嵌入式信号采集模块固定设置于焊接机构内并与焊 接机构 相连接以采集焊接过程的电流、电压信号，嵌入式信号采集模块与网络中心节点相 连接并通过Zigbee网络输出焊接状态，网络中心节点通过232串口将焊接状态输出到现场 服务器，现场服务器采用以太网与企业管理层电脑网络相连，以便企业管理人员登陆现场服务器进行设备监测。
所述的网络中心节点共4个且分别工作在不同的通信信道，以保证系统可在各信 道接收信号；所述的嵌入式信号采集模块包括隔离滤波电路、Zigbee芯片、单片机、传感器和 电源部分，其中隔离滤波电路的输入端分别与传感器和电源部分相连接以接收焊接过程 的电流电压模拟信息并经滤波后输出至单片机的A/D端口，Zigbee芯片的输入端和输出端 分别与电源部分和单片机相连接并输出设备编号、焊接电流、电压的数字化信息以及校验 码和过程稳定性状态位，电源部分的输入端与焊机变压器和印刷电路板的电源相连接并分 别输出直流电至单片机、传感器、隔离滤波电路以及Zigbee芯片。所述的现场服务器中设有数据库，该数据库采用SQL的树形数据结构，服务器在 连接进入企业内部局域网后，所有处于局域网的计算机设备，在获得足够的访问权限后，通 过所编写的应用程序完成文件读取和局域网访问功能，可实现对数据库的链接和操作，实 现查询焊接设备历史工作信息的功能。与现有技术相比，本发明可实现群组化焊接设备电信号的无线传送，网络中焊接 设备的数量可达到1024台，现有技术在无线模式下的设备数目通常不超过50个，而现有有 线模式的焊接设备数目可达到256台，但布线成本非常高，且在船舶、电站、锅炉行业中，由 于车间范围大，设备分布情况复杂，有线模式难以实施。现有无线模式的技术只能实现单节点以固定频率(< IHz)发送信息，中心节点无 法获取指定设备的详细数据。本发明可实现群组方式和单机方式的切换，群组方式下，网络 中的每台设备都以IHz的频率向中心节点发送数据，满足群组化监控的要求；单机方式下， 网络中的指定设备以IOOHz的频率向中心节点发送数据，现场服务器可获得该设备焊接过 程的电信号完整波形，为设备状态分析、生产过程优化提供详细数据。
图1为本发明系统结构图。图2为嵌入式信号采集模块结构图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。如图1所示，本实施例包括焊接机构、嵌入式信号采集模块、网络中心节点和现 场服务器，其中嵌入式信号采集模块固定设置于焊接机构内并与焊接机构相连接以采集 焊接过程的电流、电压信号，嵌入式信号采集模块与网络中心节点相连接并通过Zigbee网 络输出焊接状态，网络中心节点通过232串口将焊接状态输出到现场服务器，现场服务器 采用以太网与企业管理层电脑网络相连，以便企业管理人员登陆现场服务器进行设备监 测。所述的网络中心节点共4个且分别工作在不同的通信信道，以保证系统可在各信 道接收信号；
所述的现场服务器中设有数据库，该数据库采用SQL的树形数据结构，服务器在 连接进入企业内部局域网后，所有处于局域网的计算机设备，在获得足够的访问权限后，通 过所编写的应用程序完成文件读取和局域网访问功能，可实现对数据库的链接和操作，实 现查询焊接设备历史工作信息的功能。如图2所示，所述的嵌入式信号采集模块包括隔离滤波电路、Zigbee芯片、单片 机、传感器和电源部分，其中隔离滤波电路的输入端分别与传感器和电源部分相连接以接 收焊接过程的电流电压模拟信息并经滤波后输出至单片机的A/D端口，Zigbee芯片的输入 端和输出端分别与电源部分和单片机相连接并输出设备编号、焊接电流、电压的数字化信 息以及校验码和过程稳定性状态位，电源部分的输入端与焊机变压器和印刷电路板的电源 相连接并分别输出直流电至单片机、传感器、隔离滤波电路以及Zigbee芯片。所述的传感器包括设置于焊接设备中的霍尔电压传感器以及霍尔电流传感器， 霍尔电流传感器与焊接回路串联并将焊接电流转换为O 5V的直流信号并输出至隔离滤 波电路，霍尔电压传感器将焊接电压信号转换为0 5V的直流信号并输出至隔离滤波电 路。所述的隔离滤波电路包括滤波电路和隔离电 路，其中滤波电路采用低通滤波 方式去除工频和高频干扰，隔离电路通过跟随放大器实现信号电气隔离。所述的霍尔电压传感器、滤波电路和隔离电路布置在印刷电路板上，并封闭于金 属屏蔽盒中。所述的信号转换及处理芯片选用ATMEGA系列单片机，该单片机至于印刷电路板 上，具有512字节EEPROM，Ik字节SRAM，32个通用I/O 口，3个定时/计数器，10位6路ADC， 可编程穿行USART，以及可编程看门狗定时器。霍尔传感器转换的焊接电信号经滤波、隔离 后分别送入ATMEGA单片机的A/D转换端口，采样频率可根据需要设为1 2KHz。所述的嵌入式信号采集模块中设有功能切换跳线装置，当跳线装置的1#和2#引 脚短路时，ATMEGA单片机B端口的PORTbi为“ 1，，，且PORTb2为“0”，单片机进入“管理监控” 状态单片机通过电压信号判断焊接的工作状态，如电压信号大于设定值，则焊接处于工作 状态，单片机每秒计算一次电信号均值如果电压信号低于设定值，则焊机处于待机状态， 默认输出为0;当跳线装置的2#和3#引脚短路时，ATMEGA单片机B端口的PORTbi为“0 ”，且PORTB2 为“1”，单片机进入“波形监控”状态单片机将采集到的所有电流、电压信号发送至Zigbee 芯片，为深入分析焊接过程提供细节信息。为了避免造成原有通信带宽上的拥堵，“波形监 控”模式所采用的通信频率不同于“管理监控”模式。本实施例通过以下方式实现信号传输与发送ATMEGA系列单片机与Zigbee芯片MC13213之间通过Txd和Rxd两个引脚连接，完 成两者之间的双工通信。当焊机处于“管理监控”状态时，单片机每秒向Zigbee芯片发送 一次数据，数据格式为
设备编号~ 电流平均值 电压平均值 状态位校验位
~16bit8blt8blt4blt4blt
当焊机处于“波形监控”状态时，单片机每10秒向Zigbee芯片发送一次数据，数 据格式为 所述的Zigbee无线通信在2. 4GHz频段共有16个信道可供选择，经过网络通信 测试，2. 425GHz,2. 450GHz、2. 475GHz和2. 480GHz四个信道可有效避免WIFI等外部干扰信 号。这样最多可包括四个处于不同频率并可完全覆盖检测区域的子网络，处于互不干扰的 独立工作状态，子网络均采用星型网络架构；每个子网络具有一个中心节点，通过串口方式 将相应网络中的数据送至现场服务器。本实施例中，设置了 4个中心节点，分别工作在不同 频段，并将其中一个频段用于“波形监控”，其它三个频段用于“管理监控”，通过嵌入式信号 采集模块的跳线装置选择通信方式，这种配置方法尚未见报道。嵌入式信号采集模块中单片机、传感器和Zigbee芯片分别需要5V、士 12V和3. 3V 电源，通常焊接电源内部可提供AC380V或AC220V电源，因此嵌入式信号采集模块电源的功 能是完成AC/DC转换，本实施例中采用了集成式的电压转换模块。本实施例中，编写了相关应用程序安装在现场服务器上，将监测模块传送的数据 信息实时保存，以SQL文件的数据存储格式，建立便于查询的文件夹树形结构，所保存的信 息涉及焊接生产信息(电流有效值、电压有效值)，焊接时长信息(工作时间、待机时间)， 超标记录信息(超标工作电流、超标工作电压)。由于系统数据库采用SQL的树形数据结 构，服务器在连接进入企业内部局域网后，所有处于局域网的计算机设备，在获得足够的访 问权限后，通过所编写的应用程序完成文件读取和局域网访问功能，可实现对数据库的链 接和操作，实现查询焊接设备历史工作信息的功能。本实施例的技术创新，可在以下方面获得性能指标的提升 在本实施例中，通过设置四个处于不同频率并可完全覆盖检测区域的子网络，在 保证通信稳定性的前提下，扩大了网络可容纳的设备节点数；将三个频段用于“管理监控”，以1Hz频率采集焊接设备的电流、电压均值，一个频段用于“波形监控”，以100Hz频率获取 指定焊接设备的完整电信号波形；本实施例设置了 4个中心节点，分别工作在不同频段，利 用Zigbee技术的分频原理，通过程序烧写方法改变嵌入式模块的射频频率，实现通信信道 的切换；现有技术只能传输电流、电压的平均值，本实施例在“波形监控”状态下，指定焊接 设备的嵌入式模块以2kHz频率采集焊接电流、电压信号，并以100Hz频率向该频段的中心 节点发送数据，即每次发送20个电流、电压值，保证中心节点每秒收到2000个电流、电压 值，从而得到焊接过程的电信号波形；现有技术中的通信信息只涉及电流、电压均值，本实 施例中，嵌入式模块的单片机可通过软件统计焊接过程的断弧频数N1、短路频数N2、di/dt 峰值、du/dt峰值，作为生产状态位发送给中心节点；现有技术只涉及焊接操作时的信息传 递，本实施例中，嵌入式模块从焊接设备的变压器原边取电，即设备上电后嵌入式模块即开 始工作，通过检测焊接回路是否有输出来判断焊机当前工作状态，从而统计焊接设备通电 待机状态的时间和功耗，为企业实现节能减排提供平台和数据。
权利要求
一种基于无线网络的群组化焊接设备动态监测系统，其特征在于，包括焊接机构、嵌入式信号采集模块、网络中心节点和现场服务器，其中嵌入式信号采集模块固定设置于焊接机构内并与焊接机构相连接以采集焊接过程的电流、电压信号，嵌入式信号采集模块与网络中心节点相连接并通过Zigbee网络输出焊接状态，网络中心节点通过232串口将焊接状态输出到现场服务器，现场服务器采用以太网与企业管理层电脑网络相连，以便企业管理人员登陆现场服务器进行设备监测。
2.根据权利要求1所述的基于无线网络的群组化焊接设备动态监测系统，其特征是， 所述的网络中心节点共4个且分别工作在不同的通信信道。
3.根据权利要求1所述的基于无线网络的群组化焊接设备动态监测系统，其特征是， 所述的嵌入式信号采集模块包括隔离滤波电路、Zigbee芯片、单片机 传感器和电源部 分，其中隔离滤波电路的输入端分别与传感器和电源部分相连接以接收焊接过程的电流 电压模拟信息并经滤波后输出至单片机的A/D端口，Zigbee芯片的输入端和输出端分别与 电源部分和单片机相连接并输出设备编号、焊接电流、电压的数字化信息以及校验码和过 程稳定性状态位，电源部分的输入端与焊机变压器和印刷电路板的电源相连接并分别输出 直流电至单片机、传感器、隔离滤波电路以及Zigbee芯片。
4.根据权利要求3所述的基于无线网络的群组化焊接设备动态监测系统，其特征是， 所述的传感器包括设置于焊接设备中的霍尔电压传感器以及霍尔电流传感器，霍尔电流 传感器与焊接回路串联并将焊接电流转换为O 5V的直流信号并输出至隔离滤波电路，霍 尔电压传感器将焊接电压信号转换为O 5V的直流信号并输出至隔离滤波电路。
5.根据权利要求3所述的基于无线网络的群组化焊接设备动态监测系统，其特征是， 所述的隔离滤波电路包括滤波电路和隔离电路，其中滤波电路采用低通滤波方式去除 工频和高频干扰，隔离电路通过跟随放大器实现信号电气隔离。
6.根据权利要求4或5所述的基于无线网络的群组化焊接设备动态监测系统，其特征 是，所述的霍尔电压传感器、滤波电路和隔离电路布置在印刷电路板上，并封闭于金属屏蔽 盒中ο
7.根据权利要求1所述的基于无线网络的群组化焊接设备动态监测系统，其特征是， 所述的现场服务器中设有数据库，该数据库采用SQL的树形数据结构，服务器在连接进入 企业内部局域网后，所有处于局域网的计算机设备，在获得足够的访问权限后，通过所编写 的应用程序完成文件读取和局域网访问功能，可实现对数据库的链接和操作，实现查询焊 接设备历史工作信息的功能。
全文摘要
一种工业自动化检测技术领域的基于无线网络的群组化焊接设备动态监测系统，包括焊接机构、嵌入式信号采集模块、网络中心节点和现场服务器，其中嵌入式信号采集模块固定设置于焊接机构内并与焊接机构相连接以采集焊接过程的电流、电压信号，嵌入式信号采集模块与网络中心节点相连接并通过Zigbee网络输出焊接状态，网络中心节点通过232串口将焊接状态输出到现场服务器，现场服务器采用以太网与企业管理层电脑网络相连，以便企业管理人员登陆现场服务器进行设备监测。本发明可同时检测1024台设备，并且被检设备可在网络范围内移动，从而实现群组化焊接设备和生产过程的远程监测和管理。
文档编号G08C17/02GK101854397SQ201010191688
公开日2010年10月6日 申请日期2010年6月4日 优先权日2010年6月4日
发明者周国辉, 朱俊杰, 杨海澜, 王嘉寅, 蔡艳, 路高平, 陈建芬, 黄宏喜 申请人:上海交通大学;沪东中华造船(集团)有限公司