一种基于TSN+AI视频识别的特种金属高端装备智能焊接系统

一种基于TSN+AI视频识别的特种金属高端装备智能焊接系统

钱锐1，葛宇2，刘炼3

江苏未来网络集团有限公司，江苏省南京市  211111

摘要：针对多品种、小批量、非标订制的特种金属高端装备制造需求，开发一种基于时间敏感网络(TSN)+人工智能（AI）视频识别的特种金属高端装备数字化焊装车间系统，首先在特种金属高端装备制造企业的精品产品制造中进行使用和验证，成功后将推广至行业内产品的制造中。

关键词：时间敏感网络、人工智能、特种金属焊接、数字化生产、工业互联网

0引言

时间敏感网络(TSN)技术用以太网物理接口承接工业内有线连接，基于通用标准构建工业以太网数据链路层传输；作为底层的通用架构，为实现传统OT与IT网络的融合提供了技术基础，不仅为打破以封闭协议为维度由某一厂商主导的产业模式提供可能，提高了工业设备的连接性和通用性，并且为大数据分析、数字化生产提供了更快的发展路径，使得工业互联网网络技术和产业生态变得更为开放和富有活力。

1系统建设准备

本系统建设准备工作内容包含车间工业互联网基础设施建设、设备联网集成及通讯端对接数据包验证两部分组成。

（1）车间工业互联网基础设施建设

主要包括车间工业互联网基础网络综合布线和车间信息点位（光纤综合布线+220V防火、防雷接地的规划设计及安装施工图的方案确认）。

①事业部车间焊接信息点加KBG管布线（四个焊接信息场景布线）；

②信息柜安装（6路信息墙柜+15个焊接信息点信息柜安装设备，接电）；

③总机房机柜及分支信息柜光纤配线架安装，及设备联网测试；

④现场焊接设备业务场景通讯接口设备接入交换测试联通，信息箱、交换设备现场安装。

（2）设备联网集成及通讯端对接数据包验证

①通讯线路IT与OT联网设备测试、控制PC安装加载、视频图像信号源分布处理叠加测试；

②精品车间焊机群控边缘计算网关升级加装，精品事业部焊接设备传感器连接线缆加装(闲置焊机分批集中改造处理），精品事业部焊接设备边缘计算网关加装铆钉固定；

③焊接平台电子看板、上位工控机部署（利用原有看板，清理维护、标识绑定交付班组）；

④焊机设备读卡器安装调试、焊接设备群控、边缘计算网关联网调试；

⑤设备联网在线监测和数值读取、存入实时数据库测试。

2焊接应用场景搭建

本系统选取如下四种典型焊接设备，作为项目技术应用场景。场景1：深熔焊接，焊接专机x1+摄像头x1+工控机x1；场景2：管子管板焊接，焊接专机x4+摄像头x4+工控机x1；场景3：管内壁堆焊，焊接专机x1+摄像头x1+工控机x1；场景4：电弧复合焊接，焊接机器人x2+摄像头x2+工控机x1。

按业务场景现场位置，对原有网络设施进行了局部改造，主要新增了TSN交换机，打造IT与OT融合的TSN网络，实现摄像头数据及焊机设备的关键参数实时采集及训练数据的下发。

IT与OT融合的TSN网络拓扑图需有以下特征，其中：

（1）PLC是各种焊机内部逻辑控制器，焊机内部网络不变。

（2）带机器视觉的焊接设备，可通过传感及采集设备，采集焊机相关工作参数与视觉数据，通过TSN交换机经由工厂内骨干网传输至控制室的服务器；同时服务器经由网络可将焊接工艺参数向焊机端下发，并将现场数据拷贝存储。

（3）不带机器视觉的传统焊机，PLC可将电压、电流等焊接数据通过TSN交换机经由工厂内骨干网传输至控制室的服务器，进行存储、分析、统计。

3系统核心技术

（1）系统时间同步

基于TSN交换机构建的确定性内网，既可以满足实时性业务的需求，也可以为海量数据的连接和传输提供网络支撑，并且具有如下优势：

①支持802.1as和1588v2协议，实现整个TSN网络ns级的高精度时钟同步，同时可提供μs级的时延，ns级的抖动，为远程操控等实时性业务提供确定性网络支撑；

②通过802.1CB等链路冗余等技术，提供高可靠的网络保障；

③通过精细化的调度技术，根据业务需求提供差异化服务，实现多种业务共网传输；

④TSN采用标准的以太网协议，具备良好的互通性，改变了传统工业网络七国八制局面，通过与OPCUA技术的结合，加速企业IT、OT的融合。

（2）焊接过程多维信息传感与质量在线评估技术

采用传感器实时在线传感焊接电流、电压、送丝速度、气体流量、熔池视觉等过程信息，并通过嵌入式芯片加以分析处理，同时自动上传至远程服务器存储管理。系统通过“产品号-部件号-焊缝号”建立焊缝唯一标识，将焊缝标识信息与焊接过程参数设定信息同时存入数据库，便于后期历史信息追溯分析。其核心思想是通过数据处理，提取焊接电流、弧压的瞬态波形和动态特征参数，对焊接质量进行初步预判与分析。结合预设焊接工艺，给出焊接工艺参数与要求的工艺的吻合程度评价，依据提取的动态和瞬态特征参数，如短路、短路时间、次数，燃弧波形形态特征参数、熔池视觉清晰度、小孔直径、后拖角等信息，评价过程稳定性、缺陷产生概率等质量要素，并根据实际需求生成质量评价报告。

4系统软件部署

本系统需要在带机器视觉的焊接设备上通过人工智能服务器部署数字化焊装车间软件。

数字化焊装车间软件是一套针对传统热加工车间生产全流程的数字化解决方案，通过建立车间级物联网络，开发“焊接工艺专家系统”、“焊接计划排产与派工”、“焊接工艺规范自动下达”、“焊接过程在线实时传感传输与质量评价”、“焊接生产信息管理”与“与企业已有ERP、PDM、MES等数字化管控系统互联互通”六大核心模块，打通焊装工艺设计、工艺执行过程与质量检测等产品生产关键环节，实现技术与管理网络化、工艺设计专家化、任务下达自动化、施焊工艺可感知化、产品质量全程可追溯化与焊缝质量准确评价化，提升产品焊接质量、稳定性与可靠性，减少材料与能源的无价值消耗，降低生产成本，提升企业整体效能，推升企业管理向数字化与智慧化方向发展。

焊装车间级数字化技术结合焊装工艺、数字化、智能控制以及机器人等技术，涵盖焊前准备、焊接与焊后质量检验三大环节，且是多项技术的集成。系统运行涵盖焊前工艺设计与准备（焊前）、生产任务与工艺执行（焊接）与焊后检测数据管理（焊后）三个阶段，具体涉及“焊接工艺专家系统”、“焊接计划排产与派工”、“焊接工艺规范自动下达”、“焊接参数在线实时传感传输与质量评价”、“焊接生产信息管理”与“与PDM、ERP、MES等其他数字化管控系统互联互通”六大关键模块。

5系统创新点

（1）将TSN网络传输技术应用到熔池视觉系统中，精准解决基于熔池视觉的缺陷在线评价所需的数据传输低时延高可靠需求；

（2）提出了多源异构数据协同的焊接过程缺陷在线评价方法，将熔池视觉信号、电信号等融合提高了缺陷特征提取的准确性；

（3）系统基于模型文件的焊缝特征提取、焊接方法/坡口形式选择、焊接工艺参数创建、导入的产品部件图纸等信息，可自动识别并提取部件中标识的焊缝信息（接头类型、坡口角度、间隙和钝边、板材厚度等信息），突破了多层多道焊接工艺智能规划技术的关键点。

6结束语

本系统具有很强的可复制性，相对钛、镍、锆等特种金属焊接而言，钢铁材料的焊接要求要低很多，能满足特种金属焊接要求的系统，必能满足钢铁等常规材料的焊接要求，因此本项目成果在特材装备制造行业的成功应用，必将辐射和带动区域乃至全国的装备制造领域。另外，本系统的成功研发和实施，不但将特种金属高端装备制造企业焊接工序的智能制造水平达到国内领先水平，而且将形成离散型制造行业智能制造新模式，引领高端装备制造业、航空航天、舰船及海工装备的焊接新方向，有力推动国内装备行业的智能制造进程，示范价值非常大。

参考文献

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