焊接设备数据分析

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摘要：随着互联网设备的快速发展，全球的数据量正以惊人的速度增长，对当今和未来的科技、经济发展以及社会生产、生活带来重大影响。焊接是工业生产的一种关键工艺，焊接设备的智能控制和数据记录更是国内外焊接专业科研工作者的研究热点。随着工业4.0时代的到来，开发智能化的焊接参数采集终端、利用网络技术实时传输焊接过程参数，并通过大数据分析手段，建立基于焊接设备的实时监测与数据分析系统，实现对焊接作业的全过程监控与分析，对工程项目焊接设备运行数据进行分析，精确掌握焊接资源投入、精确把控焊接人工时、提高焊接工效、提升项目管理水平，对于提升企业经济效益具有较高的价值。

关键词：焊接监测；大数据；焊接电源

1项目焊接管理中存在的问题

焊接作为一种特殊工艺过程，在建筑安装企业的生产过程中发挥着关键性作用，但是在目前的项目焊接管理中还存在如下问题。1.1焊接功效缺乏有效数据进行统计分析。目前的焊接生产普遍缺乏统计分析、数据追溯、定期报表等手段，导致现代管理理念在焊接生产中难以推广。焊接效率不高的原因在于没有对大量数据进行统计和分析，导致项目整体管理水平难以得到提高。焊接施工在设备和人员的调配、焊接工时的指定等方面都仅仅靠简单的通用项目管理系统和管理人员的经验来管理，对于设备的利用率缺乏准确的数据统计和分析，对于焊接工时的制定缺乏科学量化的依据。事实上，除了焊接操作人员本身的工作效率以外，焊接工效往往会受到组对、焊前坡口清理、焊前预热、零部件的到货情况、相关文件的准备情况、焊接检查和记录、焊接材料、施工作业环境、交叉作业等方面的影响。这些影响因素中，没有精确的数据统计和分析，难以确定主因，从而无法针对施工管理改进提供最优改进方案。这种现状造成了项目管理人员无法对实际焊接情况做实时的掌控，也无法对下一步的工作形成很好的计划性，可能导致在某一个阶段所有的人员和设备都闲置的情况，而另一个阶段又可能会出现焊工又必须加班加点，同时还需要大量人员配合催进度、赶工期，管理人员和技术人员到处“救火”，忙的一团糟的情况。1.2焊接成本控制困难，项目盈利能力难以估计。近年来，人工成本不断攀升，造成施工成本增加，企业利润降低。传统粗略的对产品焊接人工时的统计已经难以满足现阶段企业精细管理的要求。传统的焊接人工时的统计是管理人员进行人工时的抽样统计分析，存在统计取样数量不足，不能持续地进行统计和分析的问题，还可能造成统计数据失真。1.3焊接作业监控困难，焊接信息反馈速度慢。焊接作业监控往往需要到施工现场才能实现，无法对项目全面的焊接作业进行宏观管理。焊接工作量的统计、焊接质量的监控等都需要通过班长日报、周报等形式逐层上报，信息沟通和处理的时效性差，出现问题时不能及时反馈给管理者以相关的信息。1.4能源浪费、过程管理困难。若焊接设备长期待机，便会造成电能的浪费；设备的长期空载运转降低了设备的使用寿命。而施工项目的手工报表记录，无法准确实时地反映设备的状态，给施工管理造成困难。1.5设备的布置和调度。工厂预制设备的优化定制布局、现场安装焊接位置的移动性，对实现焊接设备的动态调度，缺乏第一手的数据和规律分析。

2系统目标

通过对焊接设备实时运行数据进行采集及远程访问，建立一套信号采集、信息通信、数据远程访问、大数据分析为一体的集群焊接设备监测系统。通过数据分析系统，可以实现：查看任意时间段及各生产区域焊接设备实际焊接时间、关闭时间、待机时间、设备利用率/闲置率/负荷率、设备维修保养记录、超规范焊接等，为各级管理者对焊接工序进行精细化管理、提高生产紧凑性、提升生产效率和质量提供数据支持，使得各级管理部门共享生产数据。

3研究过程中存在的难点

3.1数据采集模块的研制。数据采集模块通过采用独立的传感器，既能适应多厂家多类型的焊机，又能避免对焊接设备控制回路的干扰，安装了无线通讯芯片，能够稳定地向手持移动终端或服务器发送采集数据。3.2无网络情况下数据的记录和传送。通过采集模块自带的数据存储功能，以及移动终端在一定区域内的组网，将存储在模块中的数据转发至服务器。

4系统架构

基于焊接设备的实时监测与数据分析的系统网络总体结构如图1所示，采用了多级服务器采集数据并转发的方式。数据采集，主要作用是实现现场设备与网络服务器的数据交互，具有以下功能：（1）具有传感系统，能够实现对焊接电源运行状态的监测，采集焊接过程中关键工艺参数，如焊接电流、焊接电压、送丝速度、焊接速度、焊接热输入、热丝电流、振动频率等；（2）具有反馈系统，如按键功能，用于记录焊缝信息、焊工信息等；（3）具有显示和存储功能，能够对所采集的数据进行存储，满足设备运行若干小时数据连续记录容量。数据转发，提供多种网络通信接口，将数据上传至网络设备，网络交换设备再通过路由器将数据上传至多层级服务器。

5手持移动终端设计

手持移动终端主要作用：在没有无线网络的环境下，通过自带的无线功能，将数据自动采集模块中记录的焊接设备运行数据上传至移动终端，通过移动终端上传至服务器，实现实时监控和数据分析。中间传输装置主要解决在一定的区域内，搭建一个无线网络作为节点，将该装置网络覆盖区域内的数据采集模块的数据上传至中间计算机（小型服务器），中间传输装置再将数据上传至服务器，实现实时监控和数据处理，进行屏蔽空间内所有焊接设备的数据采集，并转存至服务器。数据通讯链路如图2所示。

6实时监测与数据分析系统的设计及优化

实时监测与数据分析系统采用B/S（浏览器/服务器）网络结构的设计，除服务器之外，其他访问系统的计算机无须安装任何软件，在局域网环境下，在浏览器地址栏中输入对应服务器的域名，输入用户名及密码后即可实现远程访问该系统。采用免费开源数据库MySQL实现数据的持久化处理。该系统能够将焊接工艺规程、焊接设备、焊接操作人员、焊口信息等纳入数据库持久化存储，实现人、机、物、料、法的全流程监督管理。实时监测与数据分析系统主要包括系统管理、实时监测、报表分析等功能模块。主要实现功能如下：（1）焊口、焊工、焊机管理，可以对焊口、焊工、焊机进行编辑控制，并能够实现三者之间的数据关联；（2）工艺规程管理，可以实现对焊机实时数据的判断与分析；（3）报表分析，能够输出焊接设备运行数据的各类报表，如包含集群内焊接设备负荷率/空载率/闲置率、设备利用率、设备闲置率、超时待机统计、焊口焊接工时数、焊接工艺超标统计及回溯等，便于管理用户保存及分析生产过程涉及的焊工数据、焊口数据、生产过程数据、质量评估数据，以及对焊接设备数据以及焊机实际运行状态的监控采集。每台焊机的状态以采样频率为1s计算，100台焊机每天工作8小时将产生2880000条数据，一个月将近产生1亿条记录。因此在数据库设计过程中需要考虑到实际企业中存在焊接实时监测以及对实时数据的查询分析的需要，其对实时性和访问快速性要求很高，且查询流程复杂，涉及海量数据，需要从数据库物理存储以及对数据的预处理等方面进行优化。将整套系统分为项目、事业部、公司、集团四个层级的数据库部署，每层之间实现数据的同步，在系统后台每小时对实时数据进行一次预处理，有效减少数据存储容量和优化数据处理速度。

7结论

本文所设计的实时监测与数据分析系统，实现了数据库的优化及海量数据存储，构建了符合焊接企业实际生产过程的大数据分析系统。该系统既可以实现生产环节的综合系统化管理，也可以实现焊接过程中焊缝质量的客观评估，可有效满足项目焊接管理中实际焊接生产全过程管控的实际需求，可进行多焊机、多任务以及焊接质量的查询和管理，实践表明：该系统具有良好的可靠性和实时性，为集群化焊接设备和生产过程的网络化管控提供了有效手段。

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作者:袁海武 程定富 陈金强 单位:中国核工业第五建设有限公司