焊接设备液体冷却装置数据采集系统的设计与实现

焊接设备液体冷却装置数据采集系统的设计与实现
陈建武;王登;项莉
【摘要】液体冷却装置是焊接设备的辅机具之一,为保障焊接设备的质量和焊接效果发挥着重要作用.通过分析装置工作原理,明确了数据采集系统的总体设计方案,选用STM32F103RCT6芯片作为嵌入式处理器,设计硬件电路、人机交互界面;介绍焊接设备液体冷却装置数据采集、处理及通信程序的设计思路及方法,实现焊接设备液体冷却装置状态的管理,开发出一款成本低、可靠性强、操作便捷、人机交互性好的焊接设备液体冷却装置数据采集系统.
【期刊名称】《电焊机》
【年(卷),期】2019(049)002
【总页数】6页(P45-50)
【关键词】焊接设备;液体冷却装置;STM32F103;人机交互
【作者】陈建武;王登;项莉
【作者单位】上海温帕智能科技有限公司,上海201802;上海正特焊接器材制造有限公司,上海201802;上海正特焊接器材制造有限公司,上海201802
【正文语种】中文
【中图分类】TG431
0 前言
液体冷却装置是焊接设备的重要辅机具之一，又被称为焊机循环冷却水箱、弧焊设
备液体冷却系统。

当焊接设备大电流焊接（一般平均电流超过250 A）时，焊枪
会很快发热升温，且枪头离工件很近，焊枪上的喷嘴、气体分流器等易损件因过热导致更换频繁，操作者也无法用手握住滚烫的焊枪，直接影响焊枪的使用寿命和焊接效果，这时需要采用水冷却的方法降低焊枪温度[1]。

焊接设备液体冷却方式一般分为一次性水冷和循环式水冷。

一次性水冷是将自来水直接接入焊枪进水管，而流出焊枪的热水则随地放掉，该方式较为简单易行，缺点是浪费水资源[2]。

循环式水冷是通过一个特制的循环水箱，将焊枪的进水管和出
水管连接到水箱的出水口和进水口，水箱里安装有驱使液体循环流动的电动水泵以及与空气交换热量的散热器和散热器空气冷却风扇。

其工作原理为：水泵将储水箱里的冷却水泵入焊枪进水管，流过枪头后被加热成热水（带走枪头的热量，为枪头降温），热水经过焊枪出水管流进水箱的散热器，通过散热器和冷却风扇的作用将水的热量交换给空气，水温下降后又回到储水箱。

水冷循环系统略显复杂，但水资源不会被浪费。

随着全球能源供求矛盾越来越突出，高效、节能的焊接设备越来越受到广大用户欢迎，因此，大电流焊接时大部分用户都采用焊接设备液体冷却装置。

近十几年来焊接设备的控制技术经历了由粗放型到高性能精确控制的转变，使焊接设备向数字化、智能化和网络化发展[3]，不断提高的焊接工艺、性能需求向液体
冷却装置提出了更高的要求。

数据采集系统是液体冷却装置的控制核心，是整个装置的灵魂。

因此，设计一款具有自主知识产权的液体冷却装置数据采集系统用于焊接设备的信号辨识、状态监控和参数设置，具有重要的工程应用价值。

1 系统总体设计
针对焊接过程中焊接设备焊枪发热的问题，采用液体冷却装置对焊接设备产生的热量进行转移，从而确保设备工作在正常温度范围内。

在温差、热容量恒定时焊枪的散热功率取决于液体流量。

同时，要兼顾焊接设备与焊接工件的距离，即焊枪线缆的长度，确保液体循环流动时有足够的压力。

因此，温度、流量和压力是焊接设备
液体冷却装置最为重要的三个参数，在研制数据采集系统时应满足以下功能需求：（1）具有对装置内循环液体的温度、流量和压力等参数实时采集的功能。

（2）可实时、准确地显示温度、流量和压力等参数，并能通过触控屏设置相应参数。

（3）具有参数实时传输给焊接设备、上位机并发出指令实现对其控制的功能。

本研究涉及的焊接设备液体冷却装置是一种密闭式循环冷却装置，水泵将液体输送出去时，依次经过压力传感器（测量压力）、温度传感器（测量进入焊接设备时的温度），液体从焊接设备流出，然后依次经过温度传感器（测量离开焊接设备时的温度）、流量传感器（测量流量）、冷凝器，最后回到冷却液储罐，周而复始。

焊接设备液体冷却装置结构如图1所示。

图1 焊接设备液体冷却装置结构
焊接设备液体冷却装置由控制单元、传感单元、触控单元和制动单元等主要部分组成。

其中控制单元即数据采集系统，是整个焊接设备液体冷却装置的核心枢纽单元，如图2所示。

图2 焊接设备液体冷却装置数据采集系统设计方案
（1）控制单元。

控制单元收集、处理传感信号，输出指令给制动单元（水泵、风机）。

（2）传感单元。

由温度传感器、流量传感器、压力传感器组成，将液体冷却装置中的液体物理信号转换为电信号，发送给控制单元。

（3）触控屏单元。

触控屏显示传感器单位输出的信息，将指令信息与控制单元交互。

（4）制动单元。

包括水泵、风机等设备，接收控制单元输出的电信号实现对其的控制等工作。

采集传感信号、实现对数据的实时传输和处理是焊接设备液体冷却装置数据采集系
统的核心工作，选择一款合适的嵌入式微处理器对于焊接设备液体冷却装置显得尤为重要。

以ARM Cortex-M3为内核的STM32F103RCT6处理器集成了各种标准接口，扩展性强，而且具有处理速度快、可靠性好、性价比高等特点。

目前意法半导体公司STM32市场占有率较高、技术服务支持到位，并且可以方便地购买。

因此系统选用意法半导体公司的32位嵌入式ARM微处理器STM32F103RCT6单片机。

2 系统硬件设计
硬件电路作为整个焊接设备液体冷却装置数据采集系统的骨架，它不但决定整个系统的稳定性、可靠性，而且对软件开发、功能拓展起到关键的作用。

以STM32F103RCT6处理器为核心的焊接设备液体冷却装置数据采集系统，主要用于采集外部传感器信息、接收焊接设备控制指令，将传感器输出的数据实时传输给触控屏（人机交互界面），实现对制动设备的操作。

系统硬件总体结构如图3所示，主要包括控制器基本单元、控制电路、通讯接口电路以及触控屏电路等。

图3 硬件总体结构
2.1 控制器基本单元
STM32控制器基本单元是芯片工作的最基本的电路，是控制器的核心，包括电源电路、晶振电路和复位电路等单元。

2.2 控制电路设计
2.2.1 采样电路设计
为确保装置的稳定运行，系统需要分别通过温度传感器、流量传感器和压力传感器对相应的液体温度、流量和压力参数进行实时精确的采集、分析和控制。

这些参数是通过馈入控制回路的。

如液体温度的采样是由温度传感器采样液体，之后采样温度被送入STM32F103RCT6的ADC模块进行处理。

流量、压力的采样同此。

2.2.2 输出电路设计
为了实现输出通道电路对装置的控制，在给定时间内触发继电器，控制水泵、电磁阀的通电和断电。

继电器的触发需要一定的功率，然而STM32F1 03RCT6驱动功率偏小，需要对它发出的信号予以放大，以实现可靠的触发。

在经ULN2803A的功率放大后，驱动继电器，实现对外设的控制，如图4所示。

图4 输出电路
2.3 通信接口电路设计
2.3.1 485通信接口电路设计
RS-485总线作为现场总线的一种，在其物理层一般都可在RS-485总线或在RS-485总线的基础上予以扩展。

RS-485协议除了物理层的标准以外，其他各层的协议均可由用户自行定义。

ARM芯片进行数据通讯时，信号经过MAX3081将TTL 电平转换为RS485电平，与焊接设备控制板进行数据传输。

RS485接口电路原理如图5所示。

图5 485接口电路设计
2.3.2 WIFI电路设计
为了实现远程群控功能，设计远程控制站工作模式与控制器之间通过WIFI进行数据传输。

控制器选用高性价比的ESP串口转WIFI模块，该模块以TTL串口和控制器通信，内置TCP/IP协议栈，设置成AP模式，并作为热点。

焊接设备液体冷却装置通过WIFI连接到模块，实现局域网无线控制。

通过控制器串口配置，为模块设置相应的模式，迅速地实现WIFI与串口之间的转换，实现控制器与上位机使用WIFI进行数据传输。

2.4 触控屏电路设计
在液体冷却装置上应用触控屏，极大地发挥了触控屏友好、灵活、可靠的人机交互等优点，减少了控制面板的开关数量，省去了以往人机交互形式复杂的电气接线，使操作非常人性化。

操作人员还可以直接通过触控界面上的按钮来控制电磁阀的动
作以及流量选择，简化了系统操作难度，而且自动显示的数字可更直观地指示液体温度、流量和压力状态。

选择国产某型号触控屏，该触控屏7.0英寸，分辨率为800×480像素，工作电压12 V，工作温度范围为-20°～70°。

人机交互界面（HMI）显示终端为异步、全双工串口，串口模式是8n1，每个数据传送采用10个位，即1个起始位、1个停止位、8个数据位。

其串口波特率可预先设置在1 200～115 200 bps。

显示页面分别为运行、停止、故障、设置和服务5个页面。

页面主要显示各个页面切换按钮，液体温度设置，当前进液温度、出液温度，当前压力、流量和拟设定的流量以及公司名称、商标等；设置页面主要包括温度设置和流量设置两个部分。

页面设计如图6所示。

图6 触控屏页面
3 系统软件设计
3.1 集成开发环境及系统软件开发流程
Vision4 IDE是一个包括C编译器、宏汇编器、链接/装载器和十六进制文件转换器的窗口化软件开发平台，集成了功能强大的工程管理器、编辑器和编译工具。

它提供了大量的例程及相关信息，使用简单、功能强大。

还提供了 Debug Mode （调试）和Build Mode（编译）两种工作模式。

前者可以用功能强大的CUP和外设仿真器测试程序，也可以使用调试器经Keil ULINK USB-JTAG适配器（或其他AGDI驱动器）连接目标系统来测试程序编译模式；后者用于维护工程文件和生成应用程序。

由此可见，一个项目自创建到完成均可在Vision4 IDE开发平台上实现，大大缩短项目的开发周期[4]。

3.2 信号采集程序设计
作为目前高端控制器的领先者，ADC一直是STM32手中的“王牌”之一，STM32的ADC功能体系相当强大，特别是某些具有双ADC的STM32器件，引入了9种交互工作模式，可完成相当复杂的转换序列。

系统采用
STM32F103RCT6的内置ADC对外部传感器进行数据采集已满足系统设计要求，无需再配置专用的AD转换IC。

3.3 信号处理程序设计
焊接设备液体冷却装置采用了温度、流量和压力等多种参量的传感器，传感器采集完信号后，需在STM32F103RCT6微控制器内部通过ADC转换、软件滤波得到
采样值，通过比较采样值和预定值，实现系统的自我调整和危险报警以及界面显示，大大简化了操作人员对装置的操控，并实现了对装置的实时监控。

3.3.1 温度传感器数据处理程序设计
焊接设备液体冷却装置启动后，系统接收温度传感器的信号进行检测，如图7所示。

当采集的液体温度大于60℃时，程序发送数据显示高温预警信号，并继续执
行温度检测，如果检测到的温度达到65℃时，采集系统会发出超高温跳闸信号，
为焊接设备液体冷却装置的正常运行提供保障。

图7 温度传感器数据处理流程
3.3.2 流量传感器数据处理程序设计
在焊接设备液体冷却装置中，在换热面积一定的条件下流量是影响散热功率的主要因素。

当装置流量不足时，会影响焊接设备的散热功率，需要设计程序实时判断装置中的液体流量情况，流量传感器数据处理流程如图8所示。

图8 流量传感器数据处理流程
在系统程序设计中，当液体流量传感器的采样值低于设定流量值2 L/min时，输
出声光报警信号，提示操作人员采取措施，确保焊枪不被损毁。

3.3.3 压力传感器数据处理程序设计
采集系统接收处理压力信号，并按照预先设定压力上限、下限。

压力大于1MPa
时输出高压预警，超过1.5MPa发出超高压跳闸信号；压力小于0.45MPa时输出低压预警，低于0.2 MPa发出超低压跳闸信号。

由于装置的管路是密闭的，因此
液体的压力失常表示液体有泄漏或堵塞。

如果发生泄漏，装置的温度将会失控，同时，漏液的发生可能会危及装置和焊接设备。

如果压力偏高，说明管路中某处有堵塞或液体过度膨胀的情况，压力过高时极有可能发生喷射现象，十分危险。

所以，程序设计时必须关注压力情况。

压力传感器数据处理流程如图9所示。

图9 压力传感器数据处理流程
3.4 系统通信程序设计
首先，焊接设备液体冷却装置在完成温度、流量和压力等传感器的数据采集、处理工作后，需要将这些数据实时传输给触控屏，并将数据转换为易于辨识的方式显示出来，以便操作人员实时监测设备并进行适当的调控。

通常，触控屏置于设备外部便于观测，数据采集系统控制板在设备内部进行数据处理，有利于减少外部干扰。

二者之间需要通过一定的通讯方式将系统处理得到的二进制数据输出给触控屏以及将触控屏控制指令传输给系统。

基于对触控屏以及数据采集系统在数据量、传输速率方面的考虑，采用异步、全双工串口（USART）通信模式完全能够满足系统数
据传输需求，因此，在完成系统硬件设计的基础上，需设计USART串口通讯程序实现人机交互。

其次，焊接设备液体冷却装置作为焊接设备的辅机具，需要将设备状态参量实时传输给控制系统，并接受控制。

基于焊接现场状态复杂、干扰不可控的特性，通常辅助系统和主系统之间的通信采用了具备较强抑制共模干扰能力的RS-485串行总线。

在硬件设计上增加了RS-485转换器以实现USART串口通讯[5]。

再次，为满足物联网发展趋势，产品特增设了WIFI模块接口，使其能与上位机通信，多台设备组网，实现集群控制。

其WIFI模块与系统之间采用了USART串口
通讯传输数据。

综上所述，系统在与外设（触控屏、RS485模块、WIFI模块）之间均采用USART接口，由于STM32F 103RCT6具有5个USART接口，且STM32赋予
了USART接口丰富的特性，所以在不增加硬件的基础上，使用软件就能实现与外设之间的通信。

4 系统实现与应用
4.1 系统硬件与软件的实现
系统硬件单元由控制板、继电器、熔断器、端子排等构成。

数据采集控制板通过接口与传感器、水泵、电磁阀等进行通信，实现对装置的状态监控。

设计的界面能显示压力、流量和水温等参数信息，操作人员可通过触控屏对装置的状态参数进行设置。

4.2 系统应用
将设计的制动单元与触控屏进行组装。

当触控屏上输出的参数正常时，亮绿灯表示系统正常，当监测到的参数指标异常时，亮红灯并发出报警信号。

4.3 系统测试
焊接设备液体冷却装置数据采集系统在实际运行过程中的效果是评价系统性能最重要的指标。

按照弧焊设备第2部分：液体冷却系统（GB15579.2-2014）国家标准的要求，自行研发设计了一台适用于液体冷却装置的测试设备，该设备由温度计、调节阀、流量计、电加热器等组成。

测试时，设定环境温度为25℃，装置中加注清水，调节电加热器使液体冷却装置进口处的温度高于环境温度40 K，测试持续时间120 min，至液体冷却装置的温升不超过1 K/h时为止[6]，测试结果如表1所示。

表1 弧焊设备液体冷却装置样机测试结果项目判定进水温度/℃出水温度/℃流量/L·min-1压力/MPa装置触控屏显示65 47 3.0 0.5检测结果64.20 46.30 3.10 0.49允许误差±1 K±1 K±5%±5%合格合格合格合格
测试结果表明，焊接设备液体冷却装置数据采集系统运行稳定，焊接效果较好，达到了预期目标。

参考文献：
【相关文献】
[1]中国焊接协会焊接设备分会.逆变焊机选用手册（第1版）[M].北京：机械工业出版社，2012：127.
[2] 李锦钊，邹国威，赵在璋.自制氩弧焊机循环水冷却器[J].广船科技，1996（2）：40-46.
[3] 黄石生.弧焊电源及其数字化控制（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2017：207.
[4] Keil+μVision4+中文教程[EB/OL].https：//.
[5] 孟琦.风电变流器液冷却设备数据采集系统的设计与实现[D].天津：天津大学，2015：26-31.
[6] 侯润石.GB15579弧焊设备第2部分：液体冷却系统[M].北京：中国国家标准化管理委员会，2014：5-6.。