韩二阳，韩 旭，吕其兵

（西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031）

基于LabVIEW的焊接参数管理系统

韩二阳，韩 旭，吕其兵

（西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031）

分析了当前国内焊接车间工艺及质量管理与控制方面普遍存在的问题，基于LabVIEW平台与Oracle数据库设计了一套焊接车间焊接过程参数管理系统软件。通过嵌入式采集板实现焊接参数的采集，并经ZigBee无线网络将采集信息发送至上位机，由LabVIEW编制的上位机软件完成数据处理，实现对焊接车间各个工位工艺参数的实时监控、焊工与焊机管理、焊接过程参数管理等功能，具体包括：报表输出、波形显示、工艺超标报警、焊工与焊机管理以及焊接接头数据存储、查询、分析等功能；结合LabVIEW的界面发布功能，通过企业以太网实现监控界面信息共享。该系统具有友好的人机交互界面，可方便地实现界面切换和各项操作，提高了焊接车间工艺管理的效率，实现了焊接产品的质量追溯，促进了焊接生产管理的智能化与高效化。

LabVIEW；焊接车间；ZigBee；实时监控；生产管理

0 前言

在国内制造业结构调整、产业升级的背景下，为全面提升中国制造业水平，国家制定了“中国制造2025”计划。振兴中国制造，焊接作为制造业的裁缝，其整体水平影响着智能制造。目前国内焊接生产与国家智能制造的要求存在较大差距，焊接车间的工艺管理和质量控制普遍存在下列问题：（1）传统车间采用巡检的方式监督焊工的操作规范，无法做到实时监控；（2）缺少完善的焊接参数存储系统，无法实现质量追溯；（3）传统的焊接参数采集多采用车间布线的方式实现，成本高且灵活性差。因此，开展焊接车间焊接数据管理系统研究，有利于焊接质量管理和控制。

LabVIEW是虚拟仪器的典型代表，具有强大的测控功能。Oracle数据库有良好的数据管理与分布式处理功能。ZigBee网络具有低功耗、低成本的特点。本研究提出的焊接生产管理系统结合了三者的优点，有效地实现了焊接车间生产过程的监控与管理。

1 系统硬件架构

基于LabVIEW设计的管理系统硬件架构如图1所示。系统由参数采集部分、数据传送部分、数据处理与共享三部分组成。

图1 系统框架示意图

参数采集部分设计为基于STM32的嵌入式采集板，通过外接传感器及引线的方式提取焊机必要信息，经过信号隔离、压缩、变换，获得相应的焊接工艺参数并存入数据缓存区，这些数据一方面送往发送区，另一方面存入采集板上的U盘进行备份。数据传送部分设计为ZigBee网络结合以太网的方式，在车间内数据通过ZigBee网络传送，在办公区数据通过以太网传送并共享。为了增强抗干扰能力，ZigBee协议采用直序扩频和频率快变技术，结合完善的握手协议实现了数据的可靠传输[1]。数据处理与共享部分设计为基于LabVIEW平台与Oracle数据库的上位机测控软件，其中LabVIEW程序负责接收并处理网络数据，结合LabVIEW的界面发布功能还可方便地共享监控信息，Oracle数据库主要负责数据的存储与管理。

在上述系统架构中，ZigBee网络无线传送部分的稳定性与可靠性十分关键，直接影响着系统的整体性能。因此，网络结构的选择以及抗干扰措施的选用尤为重要。下面针对这两个方面做简要说明。

ZigBee网络的传输速率约为250 kb/s，传输距离在100 m以上[1]，通过一定的天线技术可进一步提高其传输距离与穿墙能力。ZigBee网络的结构主要分为星型结构、树状结构、网状结构三种[2]。这三种结构的拓扑示意见图2。

图2 ZigBee网络结构示意

星型结构中，采集终端只能与中心协调器单独通信且通讯距离有限，这严重影响了数据采集网络的覆盖范围；树状结构中，每一个节点只能与自己的父节点和子节点进行通信，一旦某个路由节点失效，该节点的所有子节点将无法与上级通信，因此该结构的稳定性有限；网状结构中，每个网络路由之间可以相互传递信息，通过特定的配置，也可实现采集终端间的信息传递，使得网络通信效率更高、灵活性更大，即便有个别线路发生故障，信息也能通过其他可行路径进行传递。考虑到焊接车间较强的电磁干扰，该系统中ZigBee网络选择使用网状结构。

此外，为了提高ZigBee网络数据传输的效率，每个采集终端在发送数据时做了细微的时序处理，避免瞬时数据量过大引起网络拥堵，减少了中心协调器接收信息时的数据碰撞。为了尽可能降低工厂已有的无线信号对ZigBee网络的干扰，该系统优先采用2.425 GHz、2.450 GHz、2.475 GHz、2.480 GHz四个工作频率，以避开WIFI频段的影响，进一步保证无线采集网络的稳定与可靠。

2 系统软件设计

2.1 数据流设计

数据流是LabVIEW平台的核心要素，也是该系统的设计主线。焊机的工艺参数信息经过嵌入式采集板的变换和隔离后送入STM32芯片，再经过运算处理后按特定顺序组成数组，加上帧头识别码后封装为数据包，如图3所示。数据包一方面不断地存储在采集盒自带的U盘中，另一方面经无线ZigBee网络发送到监控办公室接收点，被接收的数据先经过协议转换成为标准的TCP/IP数据，然后被上位机接收。上位机接收到TCP/IP格式数据包后，先寻找到数据帧头识别码，然后将数据包逐一解码，最后通过运算处理还原出焊接参数，进而将工艺参数实时显示并存入Oracle数据库。在以上数据流中，数据包的帧头对于数据传送的可靠性至关重要，它不仅是数据包解码的参考点，也可以携带数据包的长度信息，当某个数据包因网络原因出现丢包现象，可通过判断数据包长度异常删除该数据包，在一定程度上保证了工艺参数的准确性。

图3 数据包格式示意

在LabVIEW软件运行过程中，数据流的传输速度很大程度上影响着软件的性能，尤其对于功能较为繁琐的程序，数据流的传输效率更是不可忽视。在该系统中，主要针对以下三个方面进行软件优化。

（1）考虑到LabVIEW程序在调用I/O时会产生较大的系统开销，为了尽可能减少I/O调用，无线网络把数据传送到监控办公室后统一转换为TCP/IP数据，然后通过以太网口送到上位机，避免调用其他通讯口，降低了系统开销。

（2）在前面板上频繁更新控件是最占用系统时间的操作之一[3]。在该系统中，监控程序需要显示实时工艺曲线，而LabVIEW的图表控件在收到数据后，无论数据是否有变化都会重新绘制曲线，为了尽可能减少图表控件，在软件设计时每个图表同时显示两条参数曲线。此外，在不影响监控效果的前提下，关闭图表自动调整标尺和刻度的功能，大大提高了数据显示的速率。

（3）在数据流运算过程中，为提高运算速度，尽可能地减少循环中不必要的计算，确实需要大量计算的环节，采用并行For循环的结构来提高程序执行速度。另外，将经常调用的子VI嵌入到程序内部，从本质上减少了调用子VI的时间。

2.2 数据处理设计

数据通过无线网络发送到办公区后，被ZigBee网络中心协调器接收并进一步转换为以太网数据且送到上位机所在网络，通过指定IP地址发送给上位机，通过指定端口号进入LabVIEW程序。TCP/ IP数据被程序读取后先转换为数组类数据，然后通过查询帧头识别码和数据包长度将连续数组拆分为独立数据包，再根据每个参数的长度值将数据包拆分为独立的二进制数据段，每个数据段对应一个焊接参数或工位信息，二进制数据段需要经过设定的解码公式才能还原为焊机的原始数据，见式（1）

式中X1为焊机某参数；U0为参考电压；A8为AD转换结果的高8位；A4为AD转换结果的低4位；Ut为抬升电压；P为传感器信号转化比。

程序通过检测数据包中焊机编号判断哪些焊机处于开机状态，并点亮上位机主界面上对应的图标。当检测某工位有连续的电流数值时，判定该工位焊机正处于焊接状态，并统计相应的焊接参数和耗材用量。如果发现焊接电压与焊接电流为零，而气体流速值持续非零时判定该工位存在漏气现象。当某工位焊接参数连续超出设定阈值时，判定该工位违规操作，上位机主界面对应工位图标将变红。管理员可以通过查询并统计历史数据实现各类报表输出。

2.3 部分功能软件设计

该系统是基于LabVIEW平台与Oracle数据库开发的，可运行于Windows XP、Windows 7操作系统[4]，主要分为实时监控、数据分析、信息管理三部分。可对在网焊机的焊接电压、焊接电流、气体流速、送丝速度等参数进行监控与报警，可对历史数据进行统计与报表输出，可对焊机与焊工进行编号管理。此外，不同等级的用户能够登录工艺管理窗口，实现对各工位工艺报警上限与下限的查询或设置。

实时监控软件主页面如图4所示，可直观地观察所有焊机的工作状态，焊机图标为暗绿色时表示焊机处于关机状态，图标为亮绿色时表示焊机在正常工作，图标为红色时表示焊机的工艺参数超标。管理人员可点击任意焊机图标查看其工艺曲线及焊工与焊机信息，也可通过系统运行状态统计车间内焊机的总体运行情况，如图5所示。

图4 实时监控页面

图5 实时曲线及系统状态

数据统计部分可实现历史数据查询、历史曲线显示，如图6所示。可以统计每个工位的平均工艺参数、焊丝消耗量、气体消耗量、工作时长等数据，也可统计每个焊工的工作时长及工艺超标次数。另外，对于因网络问题丢失实时数据的工位，上位机可读取参数采集盒上数据备份U盘内数据还原丢失的数据。

图6 上位机数据统计界面

信息管理部分能够管理数据库中焊机和焊工信息，灵活地增减受监控的焊机和焊工，如图7所示。此外，通过用户登录窗口，授权用户还可以查询或修改每个工位工艺参数的报警阈值。

图7 上位机信息管理界面

LabVIEW平台自带Web服务器，不仅可以向所在网络发布数据文档或统计报表，也可以在网络中共享程序运行界面[5]，生产管理人员在各自办公室看到服务器上监控程序运行情况，提高了生产管理效率，实现了数据的分享。在焊接车间实用过程中，这套管理软件出色地实现了预定功能。

3 结论

针对国内焊接车间普遍存在的问题设计了一套焊接参数管理系统，旨在提高焊接生产管理效率，加快焊接生产的信息化步伐。该系统在真实的焊接生产环境中进行了大量测试，结果表明：经过优化网络结构、通讯频段选择、收发时序处理及通讯过程数据流设计，ZigBee无线网络非常适合于建立焊接车间管理网络；基于LabVIEW和Oracle所设计的焊接车间数据管理系统具有操作灵活、反应迅速的特点，较好地实现了实时监控、数据处理、信息共享等功能，能满足焊接车间生产管理的日常需求。

[1]严栋，韩二阳.焊接生产监控中的通信技术[J].电焊机，2015，45（4）：17-20.

[2]周怡颋，凌志浩.ZigBee无线通信技术及其应用探讨[J].自动化仪表，2005（6）：5-9.

[3]LabVIEW 2011技术支持帮助手册[EB/OL].Http://zone. ni.com/reference.

[4]黄豪彩，杨灿军.基于LabVIEW的深海气密采水器测控系统[J].仪器仪表学报，2011，12（1）：40-45.

[5]李继容，何湘除.用LabVIEW Web服务器发布网页的两种方法[J].仪表技术，2003（5）：13-15.

A system of welding parameters management based on LabVIEW

HAN Eryang，HAN Xu，LV Qibing
（Southwest Jiaotong University，Material Science and Engineering Institute，Chengdu 610031，China）

This article points out the disadvantages of common welding workshop about process and quality management，and designs a system of welding parameters management based on LabVIEW and Oracle.Firstly，acquires parameters by an embedded circuit board，and then sends the data to monitor room by the ZigBee wireless network.Finally，the upper computer program written by LabVIEW receives and processes the network data.After that，the system realizes real-time monitoring with parameters，managing welders and machines，managing the welding process parameters and some other functions including report output，displaying waveforms，processing alarm，welded joints data storage and statistics and so on.In addition to this，the system can share monitoring interfaces through the enterprise Ethernet by the function of LabVIEW.This system has a friendly man-machine interface and improves data processing functions.To a certain extent，it can promote the welding production management of intelligent and efficient.

LabVIEW；the welding workshop；ZigBee；real-time monitoring；the process management

TG408

A

1001－2303（2016）12－0026-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.06

献

韩二阳，韩旭，吕其兵.基于LabVIEW的焊接参数管理系统[J].电焊机，2016，46（12）：26-29.

2016-03-31

韩二阳（1988—），男，河南平顶山人，在读硕士，主要从事焊接设备及其自动化的研究工作。