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基于ZigBee技术的焊接设备网络化集群监控系统分析.pdf

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万方数据万方数据上海交通大学硕士学位论文 摘要 第 I 页 基于 ZigBee 技术的焊接设备网络化集群监控系统研究 摘 要 焊接质量的 优劣极大影响着造船、冶金机械等行业 生产质量, 从而影响其在市场中的竞争力,然而 在 我国仍未摆脱劳动密集型的生产模式,焊接设备数目众多,难以有效管理,焊接过程参与人数较多且技术水平参差不齐,焊接 过程 难免出现波动。为了改善 这一问题,急需引入一套网络化集群监控系统,对焊接设备进行网络化集群式在线管理和对焊接过程进行稳定性监测,从而提升焊接生产管理水平,保证焊接质量的稳定。 本论文以实际焊接生产中普遍使用的 1.4mm 药芯焊丝 CO2 电弧焊作为研究对象, 搭建基于数据采集卡和 LabVIEW 软件的电信号采集系统,在不同焊接规范下,分析其电压概率密度分布、电流概率密度分布和短路时间概率密度分布, 提取 短路过渡频率、断弧频率和瞬时短路频率三个焊接过程稳定性量化指标用于表征短路过渡特征信息、断弧特征信息和瞬时短路特征信息,从而反映 了 焊接过程中发生的主要不稳定因素和次要不稳定因素。 基于 ZigBee 无线通信技术, 分析无线传感网络的系统组成。结合实际生产需求,在原有的无线网络拓扑结构基础上, 建立 了新型的双星型网络架构,大大增加了网络监测的节点数目 。 通过引入中继路由器,设计了根据焊接设备状态的动态调整的数据发送模式, 从而 提高了 无线信号传输 质量 ,并 深入分析了 ZigBee MAC 层的载波监听多路访问冲突避免机制( CSMA/CA),从理论上给出了丢帧问题产生的原因和解决办法。 万方数据上海交通大学硕士学位论文 摘要 第 II 页 构建基于无线 ZigBee 技术的焊接设备网络化集群监控系统,总体结构由现场设备信号采集、 ZigBee 无线网络、现场服务站和网络化管理四个部分组成。其中, 基于 AVR Atmega8 单片机、霍尔电流和电压传感器、 SZ05 系列 ZigBee 无线通信模块,设计了集成于焊接设备内部的电信号采集和发送 模块 。 通过 ZigBee 双星型无线传感网络,实时传输焊接过程电信号特征信息。采用 Microsoft Visual C6.0作为软件开发平台,设计开发了现场服务 站监测系统软件和局域网统计查询软件,其人机交互界面开发具有功能丰富、使用方便、扩展性强的特点 。现场服务站监测系统软件可 实时监测所有联网焊接设备状态 , 管理人员可及时发现设备利用率较低的区域,并关闭长时间处于无工作待机状态的焊接设备 , 同时相关技术人员可通过监测程序动态掌握设备当前状态,对于采用超过设定规范参数进行焊接的情况予以报警提示,并把超标工作的记录保存。局域网统计查询软件提供对连入局域网并具有足够权限的用户内部访问的功能,使管理人员不用在生产现场,也可及时获得所有焊接设备的工作情况。 通过 运行基于 ZigBee 无线通信技术的焊接设备网络化集群监控系统,在节能降耗、降低成本、工艺管理、稳定性监测和网络化管理方面,产生显著的经济效益,有效提升焊接生产数字化水平和焊接过程网络化管理水平。 关键词 集群监控,药芯焊丝 CO2 电弧焊, ZigBee 万方数据上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT 第 III 页 RESEARCH ON NETWORKED CLUSTER MONITORING SYSTEM OF WELDING EQUIPMENT BASED ON ZIGBEE TECHNOLOGY ABSTRACT Welding quality greatly affects the product quality of shipbuilding, metallurgy and machinery industry, which will influence their competitiveness. However, they are still using labor-intensive production model in China. It’s difficult to effectively manage the large number of welding equipments; also the welding process is still conducted by lots of people with different technical skills, so it’s very difficult to make sure the welding process. In order to improve this situation, a suit of networked cluster monitoring system should be introduced, which can manage all the welding equipments and monitor the whole welding process, in order to improve the management level of welding production and make sure the stability of welding quality. This thesis researched on the 1.4 mm flux-cored wire CO2 arc welding which are widely used in the welding production through signal acquisition system based on data acquisition card and LabVIEW software. Through analyzing probability density of voltage, current and short circuit time under different welding specifications, the thesis extracted the short circuit transition frequency, arc break frequency and instantaneous short circuit frequency from the welding process to characterize the short circuit transfer, arc break and instantaneous short circuit transfer ination and reflect the main factors and secondary factors of 万方数据上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT 第 IV 页 instability. The thesis analyzed the wireless sensor network system structure based on the ZigBee technology. Considering the practical production needs, the new developed binary –star network structure greatly increased the number of nodes. By introducing ZigBee router and designing the dynamic adjustment of the wireless signal transmission mode, the quality of the wireless signal transmission got improved. The thesis gave the causes and solutions of frames loss in theory through in-depth analysis of ZigBee MAC layer CSMA/CA mechanism. The networked cluster monitoring system based on ZigBee technology included field signal acquisition, ZigBee wireless network, on-site server station and network management. The thesis designed an integrated signal acquisition and transmission module in the welding equipment based on the AVR Atmega8 microcontroller, hall current and voltage sensors and SZ05 series of ZigBee wireless communication module. Welding characteristic ination was transferred by the binery-star ZigBee wireless network. Microsoft Visual C6.0 based on graph programming was selected for software development of field monitoring system software and local area statistics and query software. The human-machine interface was developed with rich feature, easy to use and good expandability. Field monitoring system running in the on-site server station can monitor real-time status of all the networked welding equipments. Management people can find areas with the lower capacity utilization and close the welding equipments without work task for a long time. At the same time, related technical people can monitor the dynamic welding process to grasp the current state of welding equipments and set specifications for different welding process. Those 万方数据上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT 第 V 页 welding process which were conducted beyond the specifications would be recorded in the field server station. Local area statistics and query software provided statistic inquiry to users who had been connected to the LAN and had permissions to the internal function. Management people can get all the production status even without going to the production site. By running the networked cluster monitoring system of welding equipment based on the wireless ZigBee technology, practical production greatly got improved in energy saving, cost reduction, process management, stability monitoring and network management and showed significant economic benefits. The system effectively raised the digital level and network management of welding industry. Key Words cluster monitoring, flux-cored wire CO2 arc welding, ZigBee 万方数据上海交通大学硕士学位论文 目录 第 VI 页 目录 摘 要 ......................................................................................................................................................... I ABSTRACT ................................................................................................................................................ III 第一章 绪论 ............................................................................................................................................ 1 1.1 研究背景 ...................................................................................................................................... 1 1.2 焊接设备监控系统发展现状 ...................................................................................................... 1 1.3 焊接过程监测相关技术发展 概况 .............................................................................................. 5 1.3.1 焊接设备发展现状 .............................................................................................................. 5 1.3.2 信号采集技术 ...................................................................................................................... 5 1.3.3 信号通信技术 ...................................................................................................................... 7 1.3.4 虚拟仪器技术 .................................................................................................................... 13 1.3.5 远程监测系统 .................................................................................................................... 13 1.3.6 焊接生产数据库 ................................................................................................................ 15 1.4 GMAW 焊接过程稳定性研究现状 ............................................................................................... 16 1.5 本文主要研究内容与意义 ........................................................................................................ 17 第二章 焊接过程稳定性特征信息提 取 .............................................................................................. 19 2.1 药芯焊丝 CO2电弧焊介绍 .......................................................................................................... 19 2.11 药芯焊丝 CO2电弧焊特点 ................................................................................................... 19 2.12 药芯焊丝 CO2电弧焊熔滴过渡形式 .................................................................................... 20 2.2 焊接试验平台搭建 ..................................................................................................................... 22 2.21 焊接过程电信号采集系统 ................................................................................................... 22 2.22 焊接试验条件 ...................................................................................................................... 24 2.3 焊接过程电信号特征信息分析 ................................................................................................. 24 2.4 焊接过程稳定性量化指标提取 ................................................................................................. 30 2.41 特征参数设计 ...................................................................................................................... 30 2.42 过程稳定性分析 .................................................................................................................. 31 2.5 本章小结 ..................................................................................................................................... 32 第三章 基于 ZigBee 技术的无线通信网络构建 ................................................................................ 33 3.1 ZigBee 无线通信技术介绍 ....................................................................................................... 33 3.11 ZigBee 网络协议栈 ............................................................................................................. 33 3.12 ZigBee 可靠链路及抗干扰性 ............................................................................................. 37 3.2 Zigbee 无线 传感网络系统组成 ............................................................................................... 39 3.3 Zigbee 无线传感网络应用分析 ............................................................................................... 40 万方数据上海交通大学硕士学位论文 目录 第 VII 页 3.31 无线传感网络需 求分析 ...................................................................................................... 40 3.32 无线信号传输情况分析 ...................................................................................................... 41 3.33 无线网络数据通信格式 ....................................................................................................... 42 3.34 防冲突 CSMA-CA 机制分析 .................................................................................................. 43 3.35 ZigBee 双频段工作机制分析 ............................................................................................. 44 3.4 ZigBee 设备配置优化 ............................................................................................................... 45 3.5 本章小结 .................................................................................................................................... 47 第四章 焊接设备网络化集群监控系统设计和应用分析 ................................................................... 48 4.1 系统实现功能和总体结构 ......................................................................................................... 48 4.11 系统实现功能 ...................................................................................................................... 48 4.12 系统总体结构 ...................................................................................................................... 49 4.2 系统硬件设计 ............................................................................................................................ 52 4.21 焊接设备硬件改造 .............................................................................................................. 52 4.22 ZigBee 无线网络设备组 成 ................................................................................................. 57 4.23 现场服务站 .......................................................................................................................... 61 4.3 系统程序设计 ............................................................................................................................ 61 4.31 服务站监测系统软件设计 .................................................................................................. 61 4.32 局域网统计查询软件设计 .................................................................................................. 64 4.4 系统应用分析 ............................................................................................................................ 74 4.5 本章小结 .................................................................................................................................... 75 第五章 结论 .......................................................................................................................................... 76 参考文献 ................................................................................................................................................ 77 致 谢 ...................................................................................................................................................... 80 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文和专利申请情况 ................................................................. 81 万方数据上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 1 页 第一章 绪论 1.1 研究 背景 近些年来我国焊接技术的整体发展水平比较好,然而,我国焊接行业与发达国家的差距还很大,尤其在高新技术的应用上差距更大。特别是在造船、冶金和机械行业,仍未摆脱劳动密集型的模式,在焊接设备和焊接 生产 过程方面普遍存在以下问题 [1] ① 焊接设备 数目众多,生产区域分散、面积大,焊接设备的管理难度相当之 高,加之部分操作人员的不良习惯等,易造成部分焊机无生产任务却长时间处于开机状态 ,能源浪费严重。此外, 企业生产管理层和技术管理层对当前设备状态难以实时掌控,在设备调度和分配上造成管理困难。 ② 焊接生产管理中,对焊机往往以批次为 单位进行报废和更换。但是同批次焊接设备的使用情况并不同,部分焊接设备报废时的实际使用时间远低于报废标准, 造成一定程度的设备浪费,增加了生产成本。 ③ 焊接过程电弧线能量对于接头质量存在重要影响,特别是针对某些关键环节,因此有必要实时监测焊接电流,当实际焊接电流超出预设范围时给予报警提示 。焊接过程电流、电压信息数据库也为工程技术人员后续分析研究提供了可供追溯的数据。 ④ 焊接过程的控制仍很大程度地依赖于操作者的人为控制,工人劳动强度大且要求观察者具有相当的经验和技能,大批量生产中难免发生焊缝质量波动。因此,有必要通 过量化焊接过程稳定性指标,有效的监测焊接过程,从而保证焊缝质量。 因此,亟需引入对焊接设备的在线管理和对焊接过程的稳定性监测,从而有效提高焊接质量, 并 降低生产成本。 1.2 焊接设备监控系统发展现状 由于汽车行业 、 船舶制造 、冶金机械等 行业都离不开焊接,因此国外对于焊接过程的监控系统的研究其实从很早就已经进行。早在二十世纪七八十年代,由Charls J.Drake 和 John F.Farrow 就提出了焊接监控的概念,并且提出了使用计算机计算、利用预先设定的初值限定焊接过程中各项实时参数的方法,于 1977 年万方数据
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