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1系統(tǒng)總體設計

基于無線通信技術的焊接參數(shù)采集系統(tǒng)主要由焊機端監(jiān)控器、無線AP（AccessPoint）、交換機和服務器組成。信號采集裝置上配有Wi－Fi模塊，可實現(xiàn)與無線AP的連接，每臺焊機上均安裝該信號采集裝置，以實現(xiàn)焊機工作參數(shù)的采集；無線AP作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇?，可保證信號采集裝置與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸；服務器上運行的監(jiān)測系統(tǒng)可對接收到的數(shù)據(jù)進行分析、處理、存儲、實時顯示和事后查詢等操作，從而實現(xiàn)對焊接參數(shù)的實時監(jiān)測。

2系統(tǒng)各模塊硬件組成及功能

2．1信號采集裝置

信號采集裝置系統(tǒng)結構，其主要功能是實現(xiàn)焊機工作參數(shù)的采集、臨時存儲和傳輸。該裝置主要包括STM32F103系列單片機、USR－WIFI232－B無線射頻模塊、信號隔離變換模塊、LCD顯示屏、存儲模塊和電源管理模塊等，其硬件設計如圖2所示。STM32F103C8T6單片機是信號采集裝置的核心模塊，是一款以ARM32位的CortexTM－M3CPU為核心的單片機，其內部集成了64KRAM及20KSRAM，具備2個12位ADC模塊，工作電壓為2．0～3．6V。單片機內部燒錄了數(shù)據(jù)采集客戶端程序，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集頻率的控制、前端模擬信號的AD轉換、寫入存儲模塊、控制Wi－Fi模塊實現(xiàn)與無線AP的連接以及與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ?。為防止因網(wǎng)絡連接故障等原因而造成的數(shù)據(jù)丟失，在信號采集裝置中加入數(shù)據(jù)存儲模塊。該模塊可記錄對應焊機最近24h的工作狀態(tài)參數(shù)，單片機將采集到的數(shù)據(jù)實時寫入該存儲模塊，每次數(shù)據(jù)傳輸完成后，單片機程序會將存儲模塊中的數(shù)據(jù)清空，同時在該模塊空間寫滿之后，新采集的數(shù)據(jù)會自動覆蓋最早的數(shù)據(jù)以便后續(xù)記錄。

2．2無線AP

無線AP的主要功能是保證信號采集裝置與上位機的通信，由于工廠車間的環(huán)境比較復雜，一些大型設備及鋼結構廠房等對無線信號有極大的干擾作用，因此為了保證該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性，必須保證無線信號的穩(wěn)定性和強度的可靠性。本系統(tǒng)選用以色列進口的波訊WBS－2400作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇椋摕o線AP支持IEEE802．11b／g／n無線標準及TCP／UDP等通信協(xié)議。經(jīng)測試，在該無線AP半徑300m范圍內可有效保證數(shù)據(jù)的傳輸，其有效帶機數(shù)在150臺以上。

2．3上位機

上位機硬件主要由高性能PC組成，上位機需安裝SQLServer2005數(shù)據(jù)庫，在其上運行上位機監(jiān)測系統(tǒng)，該監(jiān)測系統(tǒng)是基于C＃語言開發(fā)的窗體程序。上位機監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能是完成數(shù)據(jù)的接收、解析、存儲、實時顯示及事后查詢等工作，處理后的數(shù)據(jù)存儲于SQLServer2005數(shù)據(jù)庫。

3系統(tǒng)軟件設計

3．1信號采集裝置

采集模塊先將經(jīng)過分流器采集的模擬信號進行隔離變換后，將所得模擬信號傳送給單片機，經(jīng)單片機AD轉換后將模擬量變?yōu)閿?shù)字量，然后寫入存儲模塊，信號采集裝置通過Wi－Fi模塊接入無線網(wǎng)絡等待上位機允許數(shù)據(jù)傳輸指令。為避免數(shù)據(jù)傳輸過程中客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)的無序性，焊機端信號采集裝置采用被動上傳的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，在未收到上位機允許傳輸數(shù)據(jù)指令之前，該裝置將采集到的數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)存儲模塊中，當收到允許數(shù)據(jù)傳輸指令時，采集模塊將從收到該指令之前所采集的數(shù)據(jù)全部發(fā)送給上位機，同時將采集模塊內存中的數(shù)據(jù)清空，并開始下一次的數(shù)據(jù)傳輸。在焊接作業(yè)過程中，起弧、收弧和焊槍抖動等原因會造成焊機工作電流、電壓的波動，由于對焊機的數(shù)據(jù)采集并非連續(xù)性，因此這些波動會對所采集的焊機工作電壓、電流參數(shù)的準確性產(chǎn)生較大的影響。本系統(tǒng)采用數(shù)字濾波的方法消除這些波動帶來的影響。在數(shù)據(jù)采集時，通過單片機控制采集模塊每100ms采集一次焊機作業(yè)的電流和電壓數(shù)據(jù)，對1s內的10次樣本數(shù)據(jù)求均值（算術平均濾波）后作為一個有效工作狀態(tài)樣本存入存儲模塊中。

3．2上位機軟件設計

為保證上位機所對應的焊機有序地向其傳輸數(shù)據(jù)，上位機上存有該服務器所對應的所有焊機的列表，在每一輪數(shù)據(jù)傳輸前上位機都會根據(jù)列表中的焊機順序遍歷一次焊機端信號采集裝置，通過遍歷獲得連接正常的信號采集裝置列表，上位機根據(jù)列表所列焊機的順序依次與焊機端信號采集裝置建立連接并完成每臺焊機的數(shù)據(jù)接收，當一個焊機端信號采集裝置與服務器傳輸完畢后，服務器會斷開與其連接并向下一個信號采集裝置發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸指令，以完成數(shù)據(jù)的傳輸及存儲工作。信號采集裝置發(fā)送的每條數(shù)據(jù)中應包含設備ID，焊機作業(yè)電壓、電流，數(shù)據(jù)采集時間，焊機作業(yè)狀態(tài)（焊接、待機、關機）等信息。用戶可在該界面實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫服務器、數(shù)據(jù)表名和端口號的設定，同時還可直觀地查詢當前連接的客戶端、當前ID編號的焊機對應的焊機工作狀態(tài)參數(shù)及所收到的消息條數(shù)等信息。

3．3通信協(xié)議及實現(xiàn)方式

該焊機工作狀態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)信號采集裝置與上位機之間的通信過程是一個典型的基于TCP協(xié)議的Socket通信過程［7］，信號采集端程序燒錄于信號采集裝置單片機芯片內，上位機運行服務器端程序，TCP協(xié)議的采用可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，從軟件層面避免丟包現(xiàn)象的發(fā)生。

4試驗驗證

4．1系統(tǒng)準確性

測試為驗證該系統(tǒng)準確性，以OTCCPVE400焊機為測試對象，使用該系統(tǒng)對其在室溫條件下的焊接參數(shù)進行監(jiān)測。在試驗條件下該系統(tǒng)所測焊機的電壓和電流，結果表明該焊機工作狀態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)能夠有效保證數(shù)據(jù)檢測的準確性。

4．2系統(tǒng)丟包率測試

通過軟件模擬不同數(shù)量的客戶端程序經(jīng)由WBS－2400與上位機進行數(shù)據(jù)傳輸，對該測試系統(tǒng)的丟包率進行測試，通信協(xié)議為TCP協(xié)議，模擬客戶端與服務器之間距離為250～300m，測試結果表明該測試系統(tǒng)可以保證當WBS－2400為媒介進行數(shù)據(jù)傳輸時，該系統(tǒng)丟包率為0（丟包率按式（1）計算），表明該系統(tǒng)能夠很好地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?。丟包率＝發(fā)送的信息條數(shù)－收到的消息條數(shù)發(fā)送的消息條數(shù)（1）

5結論

針對當前焊接作業(yè)缺乏有效監(jiān)管手段的現(xiàn)狀，結合Wi－Fi通信技術的優(yōu)點，設計基于無線通信技術的焊機焊接參數(shù)采集系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的有效性進行試驗驗證，結果表明：（1）在使用該測試系統(tǒng)監(jiān)測和記錄焊機工作參數(shù)時，電流和電壓的最大相對誤差分別為0．63％和0．46％，能夠保證所采集數(shù)據(jù)的準確性。（2）丟包測試結果表明該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸和存儲時不存在丟包現(xiàn)象，可完整地記錄焊機焊接作業(yè)過程中的工作參數(shù)。（3）該系統(tǒng)可實現(xiàn)對焊機焊接參數(shù)的有效采集及事后查詢，同時避免傳統(tǒng)采集方法的布線問題等弊端，能有效幫助企業(yè)實現(xiàn)對焊接作業(yè)的高效管理。（4）該系統(tǒng)目前只能采集焊機焊接作業(yè)參數(shù)，后續(xù)應加入焊接參數(shù)與焊工信息的綁定功能以進一步支持企業(yè)對焊工的規(guī)范化管理。（5）該系統(tǒng)后續(xù)可加入焊機工作狀態(tài)的監(jiān)控，如工作、待機、關機等，通過一定時間段的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析后，可對企業(yè)焊機資源的優(yōu)化配置提供技術支持。

作者：馬曉平 遲俊吉 馬詩龍 單位：江蘇現(xiàn)代造船技術有限公司 江蘇科技大學船舶與海洋工程學院