黎 娟 ，罗 雨 ，周灿丰 ，韩肖亮 ，杨成功 ，路 浩

（1.北京化工大学机电工程学院，北京100029；2.北京石油化工学院机械工程学院，北京102617）

0 前言

海底管道是海上油气生产及运输的重要组成部分[1]。焊接施工是海底管道铺设过程中的重要环节，对铺管质量和效率具有重要影响[2]。我国海底管道的焊接技术已由焊条电弧焊向下立焊工艺发展到现在的半自动焊及全自动焊工艺，并已达到国际先进技术水平[3]。海底管道自动焊接是管道不能转动的环缝焊接，焊接中电弧运动的实际位置不断变化，需要焊接参数能相应地发生改变和调整，以保证熔池在电弧力、熔池表面张力、熔池自重下达到平衡[4]。人机交互系统是焊接设备最直接的操作界面，是操作者向焊接设备输入各种参数、发出指令和观察现场的窗口[5]。不同的焊接方法和工艺，其工艺过程和焊接参数设置存在较大差异[6-7]。因此，灵活友好、可拓展性强的人机交互系统是深水立管铺设自动焊接设备实用化的一个重要方面。

1 人机系统的设计

1.1 人机交互系统总体架构

人机交互系统采用C#语言编写，由人机界面与软件程序组成。软件程序采用模块化结构，包括通讯模块、数据存储模块、监控报警模块等。通讯模块实现人机系统与焊接设备TwinCAT控制系统之间的通信；数据存储模块实现实时焊接和非实时焊接参数的读取、记录以及存储；监控模块监控焊接过程的实时变化。人机交互系统的总体结构如图1所示。

图1 人机交互系统的总体架构Fig.1 Overall architecture of human-machine system

1.2 人机界面的设计

基于用户使用习惯，人机界面采用菜单式扁平化设计结构，界面简洁明了，用户易懂易学。人机界面分为三级：一级是主界面，可监控焊接过程参数（包括焊接速度、焊缝位置、摆心位置等参数）；二级是功能界面，可以分别查看和设置控制参数及分区参数；三级是数据处理界面，该界面与Access数据库连通，可以实时查看焊接过程中的运行数据，并且以实时曲线的形式直观呈现。人机界面架构如图2所示。

图2 人机界面架构Fig.2 Architecture of human-machine interactio

2 通讯模块设计

海底管道铺设自动焊接设备采用TwinCAT控制系统。在TwinCAT系统中，各个软件模块（如TwinCAT PLC、TwinCAT NC、Windows应用程序等）能够独立工作，各个软件模块之间的信息交换通过TwinCAT ADS 完成。ADS（Automation Device Specification）即自动化设备规范，它为设备之间的通讯提供路由。TwinCATPC和Beckhoff控制器中都包含TwinCAT信息路由器。因此各个ADS设备之间能够交换数据和信息。基于ADS的TwinCAT系统构架如图3所示。

图3 基于ADS的TwinCAT系统构架Fig.3 TwinCAT system architecture based on ADS

每台TwinCATADS设备都有各自的AdsAmsNetId和AdsPort，以相互区别。AdsAmsNetId是TCP/IP地址的扩展，存在于每台TwinCAT PC或Beckhoff控制器中。每台ADS设备（ADS Server）的AdsPort都各不相同，且固定不变。而ADS客户端（ADS Client）应用程序的AdsPort则是可变的。ADS设备与其他设备之间可通过访问变量的方式通信，TwinCAT ADS访问变量有两种方式：一种采用寻址方式，另一种采用变量名方式。本研究设计的人机系统是采用变量名方式实现与TwinCAT控制系统之间的数据交换。

人机系统采用基于.NET平台的C#语言编写，人机系统与TwinCAT控制系统的通信采用ADS通信方法，其.NET调用流程如图4所示。

图4 .NET调用流程Fig.4 .NET call flow

3 人机系统的实现

3.1 一级主界面的设计

管道安装对接是管道不能转动的环缝焊接，焊接中电弧运动的实际位置会不断变化，焊车位置、焊缝位置也实时变化。因此，主界面主要显示当前任务状态和焊接过程中的实时数据，以监控整体的焊接过程。主界面如图5所示。

3.2 二级功能界面的设计

二级功能界面主要包括设置焊接控制参数和区位控制参数。管道焊接属于多层多道焊接，完成整个焊缝的焊接需要经过打底、填充、盖面多道工序。多层多道规划后，根据焊接工艺要求确定起弧和停弧位置，每层焊道的停弧位置与起弧位置有一定的搭接。但是为了防止应力集中影响焊接质量，上一层焊道搭接区不能与下一层焊道搭接区域重合[8]。设置二级功能界面的参数，根据不同的焊接道次设定不同的焊接参数。此界面可以设置摆动单元、焊接电源、焊接小车的参数。摆动单元中的摆动速率、摆动宽度、边际驻留时间等参数根据不同焊接道次分别进行调整。

图5 一级主界面Fig.5 Main interface

管道焊接普遍采用的区段划分方式为：将整个圆周焊道划分为2个半圆周，每个半圆周划分为12大段。对分区的13个特征位置进行焊接参数设置，系统可以插值计算出不同位置相匹配的焊接参数。

3.3 三级数据处理界面

深水立管铺设自动焊接设备在焊接过程中焊接工艺参数多、焊接过程数据量大，采用Access数据库可有效管理焊接数据，为检查焊缝缺陷、摸索及优化焊接工艺参数建立基础数据支撑。建立深水立管焊接数据库，首先需要人机系统与Access数据库进行通信，然后根据用户需要在Access数据库中创建记录立管焊接工艺参数的表格模板，不同参数功能的表格有不同模板。通过ADO.NET数据访问接口，实现焊接数据与Access数据库之间的数据传输。建立变量记录体与表格模板的对应关系，记录与存储实现实时焊接参数。建立的Access焊接工艺参数数据库如图6所示。

通过调用DataSet函数可实现焊接过程实时数据的调用，还能将这些数据在时间轴上展开完成实时数据的显示，形成可动态观测的曲线，为后续研究焊接质量控制、分析焊接电弧信号变化规律提供较为有效的技术手段。在焊接过程中，焊接电流和电压是两个非常重要的参数，通过实时曲线的动态观测，可以更直观地看出焊接电流与电压的稳定性。

图6 焊接工艺参数数据库表格Fig.6 Welding process parameters database tables

4 结论

（1）设计的人机系统采用C#语言编写，人机系统与TwinCAT控制系统之间采用ADS通讯方法进行数据交换，并采用Access数据库进行数据存储，具有实时性高、数据处理能力强的优点。经试验表明，在实际焊接过程中可实现以0.1 s/次速度保存数据。相比于现有的用组态王编写的人机系统每1 s/次的速度保存数据，人机系统的数据处理能力更强，可以更好地适应目前阶段海底管道铺设自动焊接设备的数据处理要求。

（2）该人机系统根据海底管道铺设自动焊接工艺特点进行设计，实现了实时数据监控、焊接参数设置、数据库存储及实时曲线等多种功能，具有功能齐全、操作方便、人机友好的特点，符合海底管道铺设自动焊接的要求。人机系统程序采用模块化结构，可拓展性好，为后续实现整个焊接系统的集成化提供了可能。

[1]杨伟.深水海底管道J型铺设工艺及设备研究[J].石油矿场机械，2013，42（1）：14-20.

[2]王东健，商献岭，刘东海.海底管道焊接技术现状及对策分析[J].山东工业技术，2015（4）：22.

[3]李春润，郑树森.海底管道焊接技术现状及对策[J].金属加工，2009（4）：14-20.

[4]罗雨.海底管道铺设焊接机器人系统研究[D].北京：北京化工大学，2012.

[5]邹勇，蒋力培，薛龙，等.管道全位置焊接机器人人机交互系统[J].电焊机，2009，39（4）：56-58.

[6]周雪珍，朱志明，符策健，等.多功能数字化弧焊逆变电源人机交互系统[J].电焊机，2007，37（1）：6-10.

[7]李力，胡绳荪，姬轩.数字化焊接电源人机交互系统的设计与实现[J].三峡大学学报，2007，36（4）：52-54.

[8]李概.基于视觉传感管道焊接机器人跟踪系统研究[D].黑龙江：哈尔滨工业大学，2007.