电弧焊接生产过程参数自动记录与智能分析系统.docx

耿正（ 哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室 ， 黑 龙 江哈 尔 滨150001 ）摘要： 介 绍 了 一 种 适用于电弧焊接生产过程多参数同步检测系统的硬件及软件系统的构成和使用 。 该 系 统是基于计算机的数据采集系统 和相应软件构成的虚拟仪器系统 ， 不仅具有类似常规仪器的基本界面效果和方便的 使 用 功 能 ， 还具有强大的数据 记 录 能 力 ， 便捷的数据回放功能和丰富的焊接参数分析功能 ， 可以对焊接生产过程 的质量稳定性进行定量分析 。 本系统是针对电弧焊接过程设计的 ， 可直接用于电弧焊管生产线 ， 适当修改操作界 面和参数显示设置后 ， 也可以推广应用到高频焊管或无缝钢管的生产过程 。关键词： 焊 管 ； 电弧焊接生产过程 ； 参 数 记 录 ； 智 能 分 析 ； 虚 拟 仪 器中图分类号： tg335.75文献标志码： b文章编号： 1001-2311（2011）01-0054-06development of data acquisition and intelligentanalysis system for arc welding processgeng zheng（ state key laboratory of advanced welding and jointing，harbin institute of technology， harbin 150001， china ）abstract： elaborated in the paper is the structures and applications of both the hardware and software systemsof a multi-parameter synchronous detection system for the arc welding process. as a virtual instrumental system based on computer data acquisition system and composed of relevant software， this system has not only the basic interfacial effect and convenient operating functions similar to those of the conventional instrument， but also powerful mass data recording ability， easy data playback function， and various functions for welding parameter analysis， being capable of quantitatively analyzing of quality stability of the arc welding process. since this system is especially designed for the arc welding process， it can be directly used for the arc welded pipe production line. moreover， it can also be further applied to the hfw pipe or seamless pipe manufacturing process just after having its operation interface and data display formats appropriately amended.key words： weld pipe； arc welding process； data recording； intelligent analysis； virtual instrument焊管的焊接质量是由生产过程中的多种工艺参数 决 定 的 ， 例如电弧焊管生产过程中的电弧电压 、重 要 的 环 节 之 一 。 但在实际生产过程中经常发现 ：即使在相同的参数条件下， 焊管质量却可能有较大电流、 焊接速度和保护气体流量等；高频焊管生产的波动。这是因为在常规的设备上设置和监测主要过 程 中 的 高 频 电 压 、 电 流 、 焊接速度和挤压力等 。的参数如焊接电流、 电压、 送丝速度、 焊接行走速为了保证焊管质量，合理制定和执行工艺参数是最度、 轧制参数等，必须通过设备上的指示仪表来显示， 但电弧焊管生产是一个复杂的动态过程 ，指示仪表并不能真实地反映焊接过程的全部信息 。 尽管现代电弧焊管生产机组设备上的指示仪表都具有较 高的精度， 并采用数字显示， 但这些用于人工观 察的仪表所能指示的是一段过程 （通 常 是 1 s 左 右 时耿正 （1954-）， 男 ， 教 授 ， 从事焊接工艺与设备方 面的科研及教学工作 ， 涉 及 电 弧 焊 接 、 电 阻 焊 接 、 复 合能源焊接的工艺与设备 ， 焊接过程参数的传感与记录分 析 技 术 ， 焊接过程数字化模拟仿真等方面 。图 1 焊接参数数据采集系统的硬件组成自动化技术55间 ）的 平 均 值 或 有 效 值 ， 而实际影响焊管质量的因 也可采用光电器件。 对于保护气体流量 、 送丝速度素可能是在毫秒级发生的作用，所以常规设备上的和焊接速度则需要专用的非电量转换器件 ，对于气仪表指示并不能真实地反映实际焊管生产过程的状体流量可采用压差传感器， 对于速度可采用光电编码器。该系统的数据记录能力是极为强大的 ， 首先数态。这就是为什么在一些质量要求高的焊管生产过程中， 尽管采用严格的人工工艺参数记录制度 ， 但是一旦发生质量问题却很难从记录中找到问题所在 的原因。 焊管生产过程是连续的， 各参数之间的相互关系也极其重要， 因此连续、 同步记录多参数对据采集速度可达 1 mps 或 更 高 （对 于 焊 接 过 程 ，通常 10 kps 的速度已经足够 ）；其次可以实 现 超 长 时间的连续记录， 其记录时间仅受硬盘容量限制 ， 例如在每通道 10 kps 的采集速度下 ， 采集 4 个 参 数 ，控制焊管生产质量是极其重要的。另一个重要的问题是： 如何对大量过程参数进行有效分析 。 当数据10 g 的硬盘容量可供连续 24 h 以 上 的 记 录 。目 前量很大时， 人工分析已经不可能，因为在高速记录2 t 的硬盘已经普及， 可以连续记录几个月的数据。因此， 从记录功能的角度看， 该系统已经远远超过 传 统 的 纸 带记录仪或记忆示波器之类的常规仪器 。焊接参数数据采集系统的硬件组成如图 1 所示。过程中每秒钟就可能有数十万的数据 。 智能化的数据分析是焊管生产过程参数记录有效化的必要技术手段。本文将重点介绍一种焊管电弧焊接生产过程参数自动记录与智能分析系统。焊接参数数据采集与分析系统的硬件组成基于计算机的数据采集已成为各种工业加工过 程和实验研究数据的重要检测方法， 它的硬件核心 部分由 a/d 转换器和计算机组成 。 a/d 转换器将模 拟电压量转换为数字量， 计算机接收数字信号并将1其存储到硬盘中 。对 于 a/d 转 换 器 ，目 前 市 场 上已有很多商业化的板级产品 （将 a/d 转 换 器 及 外 围芯片制成电路板）可供选用， 这些板级产品通过 pci图 1 是一个焊接参数数据采集 系 统 的 组 成 示意。 如果要将该系统应用到焊管生产过程 ， 虽然对总 线 或 usb 接口与单独的计算机连接 ，也 可 以 通于不同的机组， 不同的焊接方法，其对焊管参数的过以太网构成 网络化的数据采集系统 。 这 些 a/d采集类型和通道数量的要求是不同的 ， 但是数据采集系统的结构形式是不变的。转换器产品使用比较简单，通常不需要过多的数据采集方面的专业知识便可使用， 而且目前多数供应商还提供一些简单的测试实例程序。应用这些板级焊接参数数据采集系统的人机操作界面上 述参数转换接口和 a/d 板级产品只是构建 产品构成一个简单的过程参数采集装置也许并不困难， 但是要在焊管生产这种特殊环境下实现高度可2靠稳定的过程参数检测和丰富实用的分析功能 ，即了一个参数检测的基本硬件平台，而要实现基于计构建一个基于计算机的焊接参数数据采集与分析系算机的焊管生产参数数据采集与分析的关键是专用统却不是一件简单的事情。构建一个基于计算机的的软件系统，也就是说该系统的性能主要是取决于焊接参数数据采集与分析系统， 首先需要构建一个软件水平。 一个优秀的专用工业应用软件要具备两焊接参数转换接口 ，将焊接参数转换为可适应 a/d个基本特性： 一是友好的、符合专业应用习惯的用转换器的输入电平要求的电压信号，通常为 010 v户界面，二是强大的、满足专业应用需求的使用功能。图 2 所示为一种基于计算机的电弧焊接参数数或5 v。 电弧焊接基本的参数有： 焊接电流、焊接据采集功能主界面，该系统的主要功能都体现在这电压、 保护气体流量、 送丝速度和焊接速度等 。 为了 适 应 a/d 的输入要求仍需要通过 转 换 器 对 焊 接里 。 这 个 界 面 包 括焊接参数的波形显示 、 数 字 显示，所有操作都是按钮或拨码盘形式，这对于工程因为在这种电压、 焊接电流进行转换， 转换器有两个作用 ：一技术人员来说是非常友好的使用界面 。是电平转换， 二是隔离。 通常可采用霍尔器件作为焊接电流转换器，焊接电压转换可以采用霍尔器件界面下， 尽管是在使用计算机， 但与使用常规的仪耿正 ： 电弧焊接生产过程参数自动记录与智能分析系统 钢 管2011 年 2 月 第 40 卷 第 1 期图 2 焊接参数数据采集功能主界面自动化技术56器的感觉非常相似， 所以这种软件界面风格与相应件 ”键 将 已存入计算机的焊接参数记录显示在屏幕 的硬件结合构成的系统又称为“虚拟仪器”。它具有上； 而且可以对屏幕的显示进行控制，改变现实时记录回放功能， 所有焊接参数数据采集的结果以文间的起点、观察。宽度或数值范围，以实现对数据的精确件 形 式 存 放 在 pc 硬 盘 中 ，使 用 者 可 以 用 “ 打 开 文图 2 中的界面上有 4 个常规指示仪表 ，分别显是要进一步依靠人工解读波形变化的具体信息是非示电流、 电压、 送丝速度和焊接速度，同时有一个常困难的，而且具体影响焊接过程的参数绝不仅是数据曲线显示窗口 ， 显 示 上 述 4 个参数的变化曲 线。 数据记录文件是自动命名的， 前面使用工作项焊接电流、 电压的平均值或有效值。因此智能化的波形分析功能就显得十分重要。 所谓智能化分析就是用计算机的计算功能自动分析波形并得出分析结 果， 其中波形的瞬态分析及统计分析是非常重要的分析手段。目名称定义，并用当时的时间值 （以 s 为单位）作为文件名称的后缀， 因此绝不会重名。 记录文件中同时包含了工作时间信息，因此在回放记录时可精确知道每个数据对应的时间， 这对于生产中的质量问题跟踪是极为有利的 。 文件的记录触发有多种模 瞬态分析瞬态分析主要是自动捕捉信号的最大值和最小 值以及波形的时间变化特征。 图 4 显示的是对焊接短路过程进行分 析 的 界 面 ， 可以自动分析短路频 3.1式： 手动、 定时、 电压触发和电流触发。硬盘容量， 计算出可以用于记录的时间。同时检测图 3 所示为记录参数的回放界面，它可以将已率、 短路时间、 短路电流峰值、 燃弧时间、电弧功经记录的焊接参数再现在计 算 机 屏 幕 上 ，其 中 的 4率等参数。图 5 显示的是通过截取一个短路周期内个指示仪表功能与记录界面相同。左面的曲线是原的波形进行电弧动特性分析的界面。 图 5 中左侧的始数据，右面的曲线是变换成实际参数单位的一段上两个图显示的是原始波形，下面一个图显示的是时间内的平均数据。 同时具有参数上下限监测和超一个短路周期内的局部放大波形； 右侧的图显示的是电弧的动特性曲线。限报警功能。通过这个回放界面可以快速了解以往某个时段的焊接工作参数。 在这个界面上可以精确统计分析统计分析是最有效的数据分析方法之一 ， 图 6 显示了丰富的统计分析功能。 通过统计分析可以对 随机变化的复杂信号做出规律性的判断 。3.2追溯过去每一时刻的瞬态工作参数，内的平均工作参数。以及一段时间智能化参数分析功能尽管数据回放部分已具备将焊接参数以波形方 式显示的功能以及显示平均值与有效值的功能 ， 但频谱分析频谱分析是从信号的频域角度 解 读 信 号 的 信 以往在做频谱分析时都需要昂贵的专用的频谱33.3息。steel pipe feb 2011， vol 40， no 1耿 正 ： 电弧焊接生产过程参数自动记录与智能分析系统 钢 管 2011 年 2 月 第 40 卷 第 1 期自动化技术57图 6 统计分析功能主界面图 7 短路焊接过程的频谱分析界面自动化技术58分 析 仪 ，现 在 可 以 依靠计算机的高速计算能力来 计 算机的频域分析是 最 佳 的 选 择 。 图 7 显 示 的 是短路焊接过程的 频 谱 分 析 界 面 。 从频谱特征上可 实 现比常规频谱分析 仪更强大的分析功能 。 普 通a/d 采集卡的频率分辨率一般低于 1 mhz，但是对以看到焊接波形是以直流为主，的信号。含有一定谐波含量于焊接过程这种高 次谐波有限的信号 ，采 用 基 于在钢管生产机组上的应用本系统原为监控电弧焊接过程而设计 ，机组， 该系统基本上可以直接使用；如果是多电弧4焊接机组， 可以通过增加参数采集通道来解决 。 目前 的 单 块 a/d 采集卡可以增加到 32 路 数 据 采 集 ，因此可以满足五电弧的机组使用。 至于记录容量问以上的介绍也是针对电弧焊接过程的。 但是这套系统可以方便地移植到焊管生产机组上使用。 对于电弧焊管steel pipe feb 2011， vol 40， no 1自动化技术59题，现在单块硬盘达到 2 t 容量已经很普通 ，如果是现在计算机显 示屏幕越来越大 ，分 辨 率 越 来 越采用硬盘阵列， 其容量几乎可以不受限制。对于高频焊管机组， 只要将电弧电流 、高， 所以“软面板”技术完全能够满足焊管机组这种复杂的、 多参数的显示要求。 特别是“软面板”的多 屏切换技术， 可以使显示能力无限扩大 。 从发展的电弧电压的传感器变为适 应于高频焊管机组的传感器即 可， 同时在显示面板上重新定义参数。由于不需要角度看，焊管机组中的传统仪表显示与操作屏将会送丝速度参数， 故该通道可以用来记录挤压力 。 在高频焊接挤压力测量方面， 已经开发出专门的测量被这种基于计算机的虚拟仪器工作方式所取代 ， 而且这也是工厂管理信息化的必要基础之一 。传感系统，可以适应 24 辊的多种挤压方式。如果结语电弧焊接生产过程参数自动记录与智能分析系机组有焊接温度传感器，其他参数同步记录。对于无缝钢管机组，可以将焊接点温度参数与5该系统同样能够使用 ， 只统具有方便友好的人机交互界面，符合工业环境和需将机组所需的记录参数转换为 a/d 转 换 器 能 接受的电平即可。无论对于什么样的钢管生产机组， 什么样的焊工程技术人员的使用习惯。 多路同步记录与丰富的参数分析功能， 不仅适用于电弧焊接过程 ， 也同样适用于高频焊接或无缝钢管的生产过程分析 ，是钢接方式， 对其操作界面的改变是很容易的 ，因为虚管质量和生产设备工作状态检测分析的有力工具 。拟仪器的界面 是由软件编制的。 虚拟仪器的面板也称为“软面板”， 可以根据实际需要任 意 设 计 ，特 别（收 稿 日 期 ： 2010-09-02）信息“ 珠江钢管珠海项目”动工建设珠江石油天然气钢管控股有限公司投资在广东省珠海市新建一个大型直缝焊管制造基地 （简 称 “珠江钢管珠海项目 ”）。 该项 目 于 2011