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1、PE 燃气管道焊接质量无线监控系统 吕志刚 郜辉 王鹏 史志军 西安工业大学电子信息工程学院 西安工业大学研究生院 摘 要： 该文所设计的无线监控系统, 能够将 PE 燃气管道定位信息和焊接过程参数, 通过 4G 网络实时上传至监控中心, 用于实现对焊接质量的实时判断。同时, 该系统提供焊接数据的翻译及在线打印功能, 便于用户的数据备案与管理。在完成STM32F103RCT6 处理器最小系统的基础上, 外扩 4G 无线通信模块、GPS 定位模块、存储模块、在线打印等模块, 保证了系统稳定运行, 可实现与热熔焊机、电熔焊机的无缝连接, 且硬件连接简单, 已成功应用于燃气输送、给排水、油田化工等领
2、域。关键词： 无线监控; PE 燃气管道; STM32; 定位信息; 焊接工艺参数; 作者简介：吕志刚 (1978) , 男, 硕士, 副教授, 研究方向为嵌入式、现场总线技术;作者简介：郜辉 (1992) , 男, 硕士研究生, 研究方向为嵌入式系统;作者简介：王鹏 (1978) , 男, 硕士, 教授, 研究方向为无线通信;作者简介：史志军 (1979) , 男, 硕士, 讲师, 研究方向为无线通信。基金：西安市未央区科学技术局 2017 年科技计划项目 (产学研协同创新计划) (201712) PE Gas Pipeline Welding Quality Wireless Monito
3、ring SystemLV Zhi-gang GAO Hui WANG Peng SHI Zhi-jun School of Electronics and Information Engineering, Xian Technological University; Graduate School, Xian Technological University; Abstract： Wireless monitoring system can transmitted PE gas pipeline location information and welding process paramet
4、ers to monitor center by 4G network real-time, from which the welding quality can be judged. Also, it provides translation and print function for the welding data, which is backed up and managed well. Based on the minimum system of STM32F103RCT6, 4G wireless communication module, GPS position module
5、, data storage module, online print module and other modules are designed to make it work stably. This system can be achieved with electro-fusion joining machine and heat-fusion joining machine seamless connection, and hardware connection is simple. It has been successfully used in gas pipe, water d
6、rainage, petrochemical operation and other fields.Keyword： wireless monitor; PE gas pipeline; STM32; location information; welding parameter; 近年来, PE 管道 (聚乙烯管道) 因其性能稳定、封闭性好、施工简单等特点, 在燃气配送、给排水、石油化工等领域有着广泛应用。在进行 PE 管道连接时, 常使用电熔焊机或热熔焊机来完成对接工作, 焊接质量受人为因素影响较大1。如何保证 PE 管道的焊接质量, 成为研究热点。目前, 国内 PE 管道的焊接质量主要依
7、靠焊机输出的过程参数来进行判断。焊接结束后, 将过程参数进行打印或者 U 盘存储后, 交至管理者进行焊接质量的判断。这种质量控制方式存在较大的延迟, 不能进行实时的质量判断, 也无法快速定位质量有问题的焊口位置。在此, 设计了 PE 燃气管道焊接质量无线监控系统。使用该系统, 能够在焊后将焊口位置、过程参数等信息立即传送至服务器端, 完成焊接质量的实时判断及快速定位, 这对于提高 PE 管道的焊接质量起到极大的促进作用, 也是其创新之处。1 系统工作原理整个无线监控系统主要由电熔/热熔焊机、无线监控模块、监控中心等部分构成。系统的工作原理如图 1 所示。电熔/热熔焊机是完成焊接工作的设备, 焊
8、机数据输出端与无线监控模块相连接。无线模块负责获取当前的 GPS 定位信息, 将接收到的焊接过程参数, 通过 4G 网络无线传输至远程监控管理中心。监控中心是焊接质量的决策者, 一旦发现焊口的焊接质量不合格, 能够立即进行定位, 并要求施工人员重新进行焊接或者将责任落实到具体人员, 有效地提高了 PE 管道的焊接质量。图 1 系统工作原理 Fig.1 Working principle of system 下载原图2 硬件设计无线监控模块硬件由 CPU 模块、4G 无线通信模块、GPS 定位模块、RS232 通信模块、数据存储模块、实时时钟模块、声光报警模块等构成, 如图 2 所示。图 2 硬
9、件结构 Fig.2 Hardware block diagram 下载原图2.1 CPU 模块作为核心部分, CPU 采用了 STM32F103RCT6 高速微处理器。这是一款由意法半导体推出的基于 Cortex-M3 内核的 16 位增强型 ARM7 处理器。STM32F103RCT6 采用 LQFP64 封装, 内部集成 64 KB 的静态 RAM, 内部 256 KB 的超大容量 Flash 存储器系统, 提供 5 个串口, 支持 JTAG 和 SWD 调试, 在手持设备、电机驱动、PC 游戏外设和空调系统等领域有着广泛的应用。2.2 4G 无线通信模块4G 无线通信模块由 4G 模块
10、SIM7100 构成, 不仅支持 4G 网络, 而且可以向下兼容 3G/2G 网络, 最大通信速率可达到上行速率 50 Mb/s, 下行速率 100 Mb/s2。将现场的焊接过程参数和定位信息上传到指定服务器端, 实现焊接质量的实时监控。在硬件设计方面, SIM7100 的 RXD 和 TXD 分别与 STM32 串口 1 的 TXD1 和 RXD1相连, 完成数据的收发;SIM7100 与 SIM 卡座之间通过 DATA, RST, CLK 相连;LED1和 LED2为 2 个发光二极管, 分别用作状态指示灯和入网指示灯。其硬件设计如图 3 所示。图 3 4G 无线通信模块 Fig.3 4G
11、 wireless communication module 下载原图2.3 GPS 定位模块定位模块如图 4 所示, 该部分由 GPS 导航定位模块 UBLOX 的 NEO-6M 构成, 提供焊接现场的经纬度信息, 为实现不合格焊口的准确定位提供原始位置数据。图 4 GPS 定位模块 Fig.4 GPS positioning module 下载原图NEO-6M 模块硬件设计简单, 其串口收发管脚 RXD 和 TXD 分别直接与 STM32 串口2 的 TXD2 和 RXD2 相连;RF_IN 需要外接天线, 在空旷地带定位信号最佳。2.4 RS232 通信模块通信模块如图 5 所示, 系统
12、使用 MAX202 外扩 2 个 RS232 接口电路, 实现接收焊机数据和得到焊接过程中的具体参数 2 个功能;外接打印机, 实现焊接数据的本地翻译及打印功能。MAX202 器件是专为 RS232 通信接口设计的收发器, 发送器和接收器的数据传输速率达 20 KB/s, 提供 2 路 RS232 转换, 满足系统要求。将 STM32 单片机的串口 3 和串口 4, 转换成 2 路标准的 RS232 接口, RXD33 和 TXD33 与焊机连接, RXD44 和 TXD44 与打印机连接。图 5 RS232 通信模块 Fig.5 RS232 communication module 下载原图
13、2.5 数据存储模块由于 SIM 卡欠费、4G 信号弱、服务器崩溃等原因, 导致数据上传失败时, 就需要在本地存储上传失败的记录。待异常排除后, 记录能够重新上传。数据存储模块如图 6 所示, 该模块由可编程闪速存储器 AT45DB161 构成, 存储的数据断电后不会丢失。图 6 数据存储模块 Fig.6 Data storage module 下载原图AT45DB161 是一款基于 SPI 接口的 Flash 存储器, 共 4096 页存储单元, 每页存储 528 B 信息, 共计 2 MB3。每条记录按照 2 KB 计算, 能够存储 1000 条失败记录。2.6 实时时钟模块实时时钟模块如
14、图 7 所示。该模块由 PCF8563 构成, 能够为系统提供实时时间信息, 例如给失败记录增加 1 个时间戳等。图 7 实时时钟模块 Fig.7 Real-time clock module 下载原图PCF8563 是一款基于 IC 接口的实时时钟芯片, 能够提供年、月、日、时、分、秒等时间信息。另外, 可以设置闹钟时间功能, 闹钟时间到时 INT 引脚会输出1 个脉冲信号。2.7 声光报警模块当出现传输失败、记录超限、无法连接服务器等异常情况时, 采用声光报警, 提醒操作人员及时处理。声光报警模块如图 8 所示。图 8 声光报警模块 Fig.8 Alarm module 下载原图3 软件设
15、计系统软件包括:下位机软件 单片机端编程部分, 负责采集、发送数据;上位机软件上位机服务器端编程部分, 负责接收、管理、决策数据。3.1 下位机软件使用 C 编程语言, 在 KEIL5 集成开发环境下, 完成 STM32 单片机的软件设计。采用模块化设计, 结合中断、滤波技术, 提高了系统的稳定性, 其主流程如图9 所示。3.2 上位机软件使用 JAVA 开发环境, 结合 MYSQL 数据库和百度地图, 完成了基于 B/S 架构上位机监控中心软件设计。特别是应用百度地图, 使用户可以从地图服务和开发两方面方便地进行地理信息系统的应用4。上位机目标定位界面如图 10 所示。利用百度地图, 能够将
16、各焊口的位置显示在数字地图上, 并标注不合格焊口的位置。本监控中心软件功能强大、运行稳定、操作简单。4 结语PE 燃气管道焊接质量无线监控系统, 能够实时采集焊接数据和 GPS 定位信息, 并通过 4G 无线网络上传到监控中心。在监控中心, 用户可以根据焊接过程参数, 完成焊接质量的判定;在 GPS 定位信息的协助下, 能够快速定位焊接不合格焊口的位置。目前, 该系统已取得成功应用, 为提高 PE 管的焊接质量, 减少泄漏事故的发生, 打下良好的基础。图 9 下位机软件流程 Fig.9 Flow chart of lower computer software 下载原图图 1 0 上位机目标定位界面 Fig.10 Host computer target positioning interface 下载原图参考文献1李剑春.PE 燃气管道焊接施工质量管理与控制策略探究J.科技与创新, 201
