智能焊接工业互联网平台

摘要：伴随着信息技术与制造业的不断融合发展，新应用新模式层出不穷。作为传统的制造行业，焊接制造业正处于转型的关键阶段，需要一个面向焊接行业的焊接工业互联网平台，以信息化手段完成生产流程再造，形成焊接数据采集、数据存储、数据管理、数据应用与系统集成的综合焊接解决方案，实现信息技术与焊接生产过程的深度融合。介绍基于物联网、云服务、云计算、大数据技术的焊接工业互联网平台的建设目标、主要功能框架、关键技术和实际应用价值。

关键词：焊接信息化;工业互联网;平台;5G

中图分类号：TG409      文献标志码：B         文章编号：1001-2003（2021）09-0095-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.09.18

0    前言

在中国制造2025与工业4.0的时代背景下，物联网、云计算、大数据等技术在实体经济领域不断渗透发展，通过技术和模式创新为传统产业变革带来了巨大机遇。伴随制造业变革与数字经济浪潮的交汇融合，信息技术与制造技术、工业知识的集成创新不断加速，工业互联网平台应运而生。

目前，中国已经成为世界上规模最大的焊接设备生产与使用大国，焊接设备在造船、汽车、轨道客车、工程机械、集装箱、钢结构等多个行业成为主要生产制造设备。

当前焊接制造业正处在由数字化、网络化向智能化发展的重要阶段，其核心是基于海量工业数据的全面收集，通过端到端的数据深度集成与建模分析，形成智能化生产、网络化协同、个性化定制、服务化延伸等新型制造模式。全新的焊接工业互联网平台可实现对海量数据的低成本、高可靠的存储和管理;通过数据挖掘辅助制造企业开展精细化、精准化管理和决策;与设计、仓储、物流、管理等业务系统进行高效集成和深度协同。

1 建设焊接工业互联网平台的意义

从工信部《智能制造发展指数报告（2020）》公开的数据来看（见图1）[1]，75%的制造企业还处于智能制造的初步规划阶段，14%的制造企业对设备进行了信息化升级改造，6%的企业实现了多系统集成，5%的企业能够对原材料、人员、生产等数据进行分析挖掘，对核心业务进行分析和优化。离散型制造业的智能制造成熟水平略高于流程型制造业。目前，以三一、徐工、海尔为代表的行业龙头企业处于智能制造能力成熟度领先水平，但更多的是针对企业内部的定制性、独占性需求较强。

2021年是中国制造2025第二阶段和“ 十四五 ”规划的开局之年。专家預测，“ 十四五 ”期间宏观经济下行趋势明显，同时受新冠疫情影响，预计GDP增速会加速向5%下滑。“ 十四五 ”规划中与制造业相关的几个核心点：

（1）向以信息技术、高端制造、汽车、新材料为代表的新动能转型，实现重点行业的全面领先。

（2）重视原材料、人工、土地、能源等成本持续上涨带来的课题，在商业模式创新、技术创新上加大投入。

（3）信息技术与传统产业的加速融合、人工智能推动实体经济升级转型。

（4）生产型企业通过业务延伸完成服务化转变，同时促进产品创新。

到2025年，工业互联网产值将达到3 710亿元，占全球GDP的0.34%。工业互联网所体现的价值将逐步提升，自动化工厂、智慧工厂等一系列应用将成为未来工业领域发展的趋势之一。2020年政府工作报告中提出的新基建七大领域中（见图2），5G、大数据、人工智能、工业互联网均与制造业转型密切相关。

根据人力资源和社会保障部的分析预测：未来5年，智能制造领域人才需求量将到达900万人，人才缺口预计达450万人。智能制造工程技术人员在推动企业商业模式、生产方式变革中发挥着重要作用，是企业规划生产流程和工艺、降低运营成本、提高生产效率和产品质量的关键角色。从事制造业智能化所需的软硬件开发与服务人才的严重缺失必将带来关键业务流程改善停滞不前、经营成本居高不下、企业转型周期延长等一系列连锁反应，甚至影响企业生存、产业进步。

基于以上原因，有必要构建面向焊接行业的焊接工业互联网平台，整合优势资源，实现信息技术与焊接生产过程的深度融合，以信息化手段完成生产流程再造[2]，形成焊接数据采集、数据存储、数据管理、数据应用与系统集成的综合焊接解决方案。

2 焊接工业互联网平台架构

焊接工业互联网平台整体采用云服务架构，如图3所示。IoT终端收集到设备数据后通过4G或5G网络推送到平台数据接收服务器（数据接收服务器采用负载均衡工作模式，根据接入设备数量和数据吞吐量可灵活扩展），数据接收服务器完成数据解析之后将数据按照应用类型分别写入实时数据库和关系数据库。平台按实际应用场景分别设置3种类型服务器：应用服务器负责前台发起的业务逻辑处理，BI服务器负责报表管理、数据可视化，API服务器负责与其他系统对接。平台包含PC端、APP、小程序、API等多种应用入口。

同时，焊接工业互联网平台应具备兼容多种品牌、多种类型焊接设备的能力，以适应焊接生产企业现场同时存在多种厂家设备的实际情况。有3个方法可提供这种能力：（1）焊接工业互联网平台推出标准数据通信协议，由焊接设备生产厂家完成适配;（2）开发智能网关，完成多种通信协议向统一协议的转换;（3）焊接行业出台政策，焊接设备生产厂家和焊接工业互联网平台统一标准。

3 焊接工业互联网平台功能及流程

焊接工业互联网平台具有PC端和移动端两部分，PC端以编辑、展现为主[3]，移动端以简单填报、查看为主，如图4所示。以上功能可以形成3个闭环：设备管理（设备台账、设备故障报修、设备维保计划、设备维保、设备维保记录）、工艺管理（工艺数据库、工艺设计、工艺分配、工艺下发、工艺超差监控）、生产管理（产品、订单、计划、执行、进度、数据记录、追溯）。考虑到不同制造企业现阶段智能制造成熟程度的差异和面向未来精细化管理的发展方向，平台可以支持设备—人、设备—人—工件、设备—人—工件—计划、设备—人—工件—计划—焊缝等多层级、多精度关联。

典型应用场景：生产计划人员按照生产订单编制生产计划[4]，将计划下发到具体焊接工位。现场作业人员通过手机APP或现场终端选择设备，查看该工位被分配的生产计划。选择具体的生产计划，查看产品相关作业指导书，扫描工件流水号，开始焊接作业，同时平台记录设备、人员、工件、计划相关数据，焊接作业完成后由现场作业人员在手机APP或现场终端选择完工，工件流入其他工序，平台实时更新生产进度。生产流程如图5所示。

4 5G及AI应用

5G大流量、低延时、高可靠性的特征适合工业现场高频率数据采集、超高清视频传输、远程实时控制等应用场景。在焊接领域，5G可以实现在关键工件、关键焊缝微秒级采样数据上传，实现多协调焊接机器人示教程序的实时修正，以及焊接产线控制系统的远程調整。

AI在焊接领域的应用有3个方向：质量、产能、维保。AI智慧引擎通过对自动焊接工作站单一产品的焊接数据和后续检验工序反馈结果的挖掘训练，可以分别形成引弧、主焊接、回烧阶段的数据检验模型，通过检验模型对焊接质量的预判，可以有效减免后续检验工序，缩短生产周期[5];AI智慧引擎通过对焊接产品的数据收集，可以精确统计生产节拍、成本消耗、合格率，通过对以场地、设备、人员、部品、库存为核心的数据模型进行运算，得到订单紧急程度和生产成本的最优解，同时完成订单结束时间和消耗成本预测，实现低成本快速响应;AI智慧引擎通过对大量焊接设备衰减周期、衰减特征与维保内容的统计分析，形成预测性设备维保模型，以延长设备使用寿命，减少因设备原因导致的停产损失。

5 结论

焊接工业互联网平台通过物联网、云计算、AI智慧引擎等技术帮助制造企业有效收集设备、产线和生产现场不同类型的数据，实现了焊接生产过程的高度透明、生产数据的精确计算[6]，强化了制造企业的数据洞察能力，能够实现生产资源的快速整合利用，低成本快速响应市场需求，催生个性化定制、网络化协同等新模式新业态。以期帮助焊接生产企业在中国制造2025第二阶段和“ 十四五 ”期间完成新旧动能的转换，真正实现高水平、高质量的发展。

参考文献：

[1]中国电子技术标准化研究院.智能制造发展指数报告（2020）[R].2021.

[2]刘金龙，李江，李海泉.基于焊接制造协同管理的信息化平台[J].金属加工，2016（16）：23-26.

[3]陈鹏展，陈益平，胡德安.基于Web的焊接过程远程监控系统构建[J].中国机械工程，2007（8）：941-944.

[4]李江，时国玉，刘金龙.数字化与网络化技术在高速列车焊接车间的实践应用[J].电焊机，2018，48（3）：43-47.

[5]徐德进.基于云智能焊接管控的大数据分析系统设计[J].电焊机，2018，48（10）：21-25.

[6]李江，刘金龙，柳振国.智能焊接管理系统iWeld5[J].金属加工，2016（12）：24-26.