燃气PE管焊接质量控制与数据采集系统方案设计

苏州燃气集团燃气工程有限公司 陈 前

聚乙烯PE管以其耐腐蚀、延展性好、施工方便等显著优势，在城市燃气管网建设中被大规模应用。但是由于PE管焊缝的无损检测技术尚未完全成熟，因此施工过程中对影响焊接质量的数据进行实时采集、动态分析、过程控制和压力试验，是保证PE管焊接质量的有效手段。对焊缝位置进行精确测绘定位，是促进PE燃气管网智慧管理的重要途径。

1 方案设计背景

1.1 影响PE管焊缝运营的主要数据

影响PE管安全运营的质量数据主要有焊工和焊机信息；材料管径、材质等级、外径壁厚比（SDR）、熔体质量流动速率（MFR）、生产日期；焊接时的压力、温度、时间；强度和气密性试验压力、时间和结果。位置数据有：焊缝位置坐标、高程。

1.2 PE管焊缝数据管理易出现的问题

开工前，施工单位应按要求进行开工报验，对人、材、机等进行报审。施工中，应对焊接质量执行工序自检和报验。竣工后，竣工资料应收集焊工证书、焊机校验报告、材料质量证明文件、焊接数据、试压记录等数据，以及专业测绘单位的测绘定位成果。

但城市燃气工程具有量多、地点分散、差异性大、施工时间灵活多变等特点，各参与方的人员素质、能力和管理投入力度也有差异，难以进行全程跟踪旁站，质量管理容易存在盲区。竣工资料很多也不是真实的过程记录，缺乏真实性和可追溯性，影响管网的安全运营。细化对施工过程的数据采集和过程控制，是保障城市燃气PE管网安全运营的重要途径。

2 方案基本原理和功能

本方案利用移动通信技术、蓝牙等长距离和短距离的通信技术将燃气PE管网施工中焊接、测绘及试压设备进行互联互通；通过图像识别，扫码采集记录施工数据；数据上传云端服务器进行存储计算，以及与各终端进行数据交互。方案原理和功能如图1所示。

图1 方案原理和功能示意

在Web端，工程管理部门扫描证书，采集焊工指纹，向服务器录入焊工和焊机信息并对项目统一编码。材料部门扫描质量证明文件，录入材料信息。

在焊机控制模块，通过无线网络和云端服务器进行双向数据对接，本地存储焊工和材料信息。开机后通过蓝牙采集焊机信息，并进行环境温度和设备状态监控。通过对焊接数据实时分析，及时发现不合格焊缝。生成二维码，记载合格焊缝信息。工程管理人员通过手机APP可调阅和审批各类数据。

通过测绘GNSS终端的手持设备扫描并识别焊缝二维码，将测绘数据与焊缝编号绑定上传，生成焊缝分布图、埋深断面图。采集压力记录仪记录的瞬时压力，通过变化曲线判断试压结果，验证焊缝的可靠性。

3 方案选用相关技术

3.1 移动通信技术

相比 4G，第五代移动通信技术（5G）数据流量会增长1000倍，联网的终端设备数量会扩大100倍，达到600～1100亿台，峰值速率可达10 Gbit/s[1]，网络延迟低于1 ms[2]。数据传输和响应速度更快，数据流量和容量也更大，为物联网发展提供了强有力的通信支持。可快速实现设备间的互联互通，以及数据的云端存储计算。

3.2 蓝牙通信技术

蓝牙技术方便快捷、灵活安全、低功耗、低成本，能穿透阻碍物，无方向限制，支持点对多点的连接传输。这是小范围内无线连接的主流技术之一，目前已经发展至5.0版本。蓝牙4.0支持1 Mb/s数据传播速率下的超短数据包，在高速模式下，可实现最高达24 Mbps传输速度[3]；还具备3 ms低延时，100 m以上长距离等优点[4]。完全可满足施工现场设备间的短距离数据交互。

3.3 指纹识别和二维码技术

每个人的指纹纹路在图案、断点和交叉点上各不相同，呈唯一性且终生不变[5]。指纹识别设备外形小巧，可以集成在其他设备上，操作过程非常方便快捷。通过现场采集和核对指纹，可立即识别焊工信息，防止非合格焊工焊接。

二维码技术的信息容量巨大，是非常方便的信息处理技术，可表示的数据类型也非常广泛。还具有强大的容错纠错功能，因穿孔、污损等局部损坏时，照样可以识读，损毁面积达50%仍可恢复信息。译码可靠性高，误码率不超过千万分之一[6]。条码符号形状、尺寸大小比例可变。成本低，易制作，持久耐用。非常适用于情况复杂的施工现场，可省去复杂的人工数据处理工作量，提高效率。

3.4 定位测绘技术

北斗系统采用三频信号服务，定位的可靠性和抗干扰能力相对更强，并且国内的信号强，覆盖面广。RTK（Real-time kinematic，实时动态）载波相位差分技术是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，精度非常高，已经达厘米级。北斗RTK已广泛应用于工程测绘，平面误差仅1.6 cm，高程误差仅4 cm[7]，完全可以满足对施工现场PE焊缝的精确定位。

4 硬件系统方案

首先是数据服务器。租用云端服务器进行数据的计算和储存，可实现快速部署。其优点是建设周期短，成本大大降低；而且能有效防护DDoS攻击和阻止 ARP攻击，数据安全性非常高；同时也有利于数据的弹性计算，后续的扩容非常方便。

其次是焊机控制模块。这是施工现场控制焊机、输入和采集数据、实行数据存储和交互的重要设备。应有可视化界面和语音输入功能，具备WiFi、4G/5G、蓝牙 4.0以上的通信功能，并且可进行指纹识别和图像扫描。采用具备上述功能的I3（2.6GHz）以上处理器、8GB以上内存的平板电脑（PAD）即可满足需求，可以节省设计开发成本，缩短建设周期。

焊机可与设备厂家进行协商定制通用协议，支持蓝牙4.0以上的蓝牙控制、查询功能即可。手持式二维码喷码枪需配置蓝牙 4.0以上通信控制功能；压力记录仪应防水防尘，可记录介质温度，精度在0.2级以上且支持蓝牙4.0以上或4G/5G移动通信功能，并支持通用协议；如果自带管理软件，应开放接口，以便采集和分析数据，判断试压结果；测绘手持设备需具备扫码功能并开放二维码接口，可与设备厂家协商定制焊口编码规则。

5 软件系统设计

5.1 系统架构

本方案设计的燃气PE管焊接控制和数据采集系统采用Browser/Server架构，利用Web浏览器实现数据展示和人机交互，操作方便快捷。焊机控制模块（PAD端）和手机工程管理模块设计采用基于Android系统的 APP，采用边缘计算模块，降低了数据处理可能遇到的网络延时问题，提高实时计算能力；方便施工现场进行快速的数据采集和录入等处理；方便及时进行数据交互。

（1）数据库采用分布式数据库Spark SQL，可整合和分析不同来源的数据。兼容性强，计算效率高，可动态扩充；数据读取方便，解析容易，系统流畅。

（2）开发工具采用Delphi语言开发业务系统（边缘计算架构），以图形用户界面为开发环境，可视化的编程环境，编程过程非常方便快捷高效。服务器开发工具采用Eclipse平台，是基于Java语言的可扩展集成开发平台。采用Power Designer设计数据库模块，可直观地进行数据库建模和分析设计，实现业务和信息技术的结合，可以保证数据库的高效快捷生成。采用Java和Tomcat开发服务端和后台管理端（J2EE架构），简单易用，信息延续性、可扩展性都比较好，是主流的开发环境。

5.2 模块设计

由于城市燃气公司的工程和材料管理往往分属不同部门，所以应考虑将Web端的工程管理和材料管理的模块分开设计，同时设计各自的后台管理功能。

工程管理APP的主要功能是数据传输、调阅和审批。焊机控制模块主要功能是数据采集、处理、存储、交互。工程管理和焊机控制模块各自的侧重点不同，且开发和应用环境也不同，也应进行分开设计。

定位测绘、压力记录仪的数据，可以直接使用设备厂家的程序，但应做好数据的对接。

5.3 数据交互处理

数据交互处理流程见图2。

图2 数据交互

各个web端和APP端设置登录权限。信息录入应可以按权限进行修改和更新，同时还可将对应的图片上传和参数绑定保存。所上传信息可以产生数据报表，设置查询功能，以备信息查询修改。常用参数尽量采用数据字典，选择即可输入。预留端口以备系统的后续扩充完善。数据需要修改的，应通过工程管理端授权才可以，以保证数据的严谨。数据处理流程见图3。

图3 数据处理流程

（1）项目管理模块应录入项目名称、编号、管理人员等需和焊缝绑定的数据。竣工后，可对项目数据冻结，减少终端的显示数量。

（2）焊工和焊机模块可进行定期集中审核录入。焊工模块采集焊工证号、姓名、焊接方法、焊接范围、有效期、指纹等信息存入数据库。连续6个月未采集到焊接信息的焊工自动冻结，需重新审核录入。每名焊工指纹采集不少于2个。焊机模块采集焊机编号、品牌、型号、焊接范围和年检有效期等信息。

（3）材料模块应接入扫码设备，可直接扫描材料出厂的追溯二维码。沿用厂家的编码规则，录入材料的批号、数量、管径规格、材质等级、外径壁厚比、熔体质量流动速率，电熔焊接时间、生产日期等信息。在施工单位领料时，通过和发料系统对接，自动关联所发材料的使用项目、批号和数量。

（4）资料模块可以调阅所有数据。压力试验前，需在生成的焊缝位置分布图上圈出试压管段，以便对采集的压力数据进行绑定。资料人员可对数据审核，确认无误后生成竣工资料需要的格式，下载打印。

此外，系统设置端口采集GNSS设备的手持设备数据，以实现和焊接数据绑定。工程管理APP端也可以按项目查阅各类数据，并可通过蓝牙模块采集压力记录仪记录的试压时间、介质温度、介质压力等数据，手动关联到试压管段后上传至云端服务器。系统根据记录的压力和介质温度，利用气体状态方程修正成标准状况下的修正压力，再生成以时间为坐标的曲线。APP可以调阅并判断结果。

6 结语

本文通过对移动通信、图像识别和互联网技术在PE管焊接中的应用研究，建立了工程设备的物联网模型，实现对PE管焊接数据的实时采集和对焊接质量的过程动态控制。利用卫星导航系统和RTK技术对焊缝位置进行精确定位，可有效解决PE管埋地位置难以探测的问题。通过采集和分析压力试验数据，控制试压过程，验证焊缝的可靠性。可追溯性的数据有力保证了PE管的施工质量，保证竣工资料的真实性。实现城市燃气管网智能化管理的重要支撑。