工业物联网如何实现单台焊机、班组和车间的用气统计

摘要

在焊接制造过程中，氩气、二氧化碳和混合气等保护气体属于重要生产耗材。传统管理方式通常只能通过气瓶采购数量、液氩储罐补充记录或者车间总流量表，了解某段时间内的整体用气量，却很难进一步回答：哪台焊机消耗最多、哪个班组用气异常、哪些气体真正用于焊接、哪些气体消耗发生在停焊状态。

工业物联网技术可以在焊机和用气末端增加流量、压力、焊接状态等数据采集节点，并将设备、工位、班组、人员、工件和生产任务进行关联，从而建立单台焊机、班组、产线和车间多层级的用气统计体系。

本文从系统架构、数据采集、焊接状态识别、用气量计算、班组统计、异常识别和系统集成等方面，分析工业物联网如何实现焊接保护气的精细化统计，并结合南京鼎业电气有限公司智能焊接节气装置的应用思路，说明保护气数据如何进一步服务于能源管理和焊接过程追溯。

关键词：工业物联网；焊接数据采集；智能焊接节气装置；保护气统计；气体流量监测；焊机联网；MES系统

一、为什么传统方式难以统计单台焊机用气量

很多制造企业能够知道一个月采购了多少氩气、二氧化碳或者混合气，却无法准确知道这些气体分别被哪些设备使用。

传统统计方式主要存在以下问题：

1.车间总表只能反映整体用气量，无法拆分到单台焊机；

2.气瓶领用记录只能反映气瓶流转，无法反映实际焊接消耗；

3.人工流量计只能显示当前设定值，不能形成连续历史数据；

4.焊工可能根据经验调整流量，导致不同人员之间存在差异；

5.停焊后持续放气、气路泄漏等消耗通常不会被单独记录；

6.生产任务、产品型号和用气数据之间缺少对应关系；

7.月度用气量增加后，无法快速判断是产量增加还是用气效率下降。

例如，某个车间月度氩气消耗量由20吨增加到24吨，仅从采购数据无法判断具体原因。

可能是产量增加，也可能是某条生产线流量设置偏大、某些焊机存在长时间空放，或者供气压力波动导致实际流量发生变化。

因此，焊接保护气管理不能只停留在车间总量统计，还需要将数据进一步下沉到焊机、工位和班组。

二、焊接用气工业物联网的整体架构

一套完整的焊接用气工业物联网系统，通常可以分为五个层级：

现场传感器与执行装置 ↓ 设备采集与边缘控制 ↓ 工业通信网络 ↓ 服务器或云端平台 ↓ 生产、能源和质量管理应用

1.现场感知层

现场感知层负责采集焊接和用气过程中的原始数据，主要包括：

• 气体瞬时流量；
• 气体累计用量；
• 气路入口压力；
• 气路出口压力；
• 焊接电流；
• 焊接电压；
• 焊枪开关信号；
• 设备运行状态；
• 阀门开度；
• 焊接开始和结束时间。

2.边缘控制层

边缘控制器负责对现场数据进行处理，包括：

• 模拟量转换；
• 信号过滤；
• 数据校准；
• 焊接状态判断；
• 用气状态判断；
• 异常事件识别；
• 数据缓存；
• 断网续传；
• 控制指令输出。

3.网络传输层

设备可以通过以下方式进行数据通信：

• RS485；
• Modbus RTU；
• Modbus TCP；
• CAN总线；
• 工业以太网；
• Wi-Fi；
• 4G；
• LoRa；
• MQTT；
• OPC UA。

具体通信方式需要根据设备数量、网络环境、实时性要求和企业信息安全要求确定。

4.平台管理层

平台负责完成：

• 数据存储；
• 实时状态监控；
• 历史趋势查询；
• 异常报警；
• 用气统计；
• 报表生成；
• 工位对比；
• 班组分析；
• 节气效果核算；
• 系统权限管理。

5.业务应用层

最终数据可以服务于：

• 焊接工艺管理；
• 设备运行管理；
• 生产班组管理；
• 能源成本核算；
• 工件质量追溯；
• MES系统；
• ERP系统；
• 企业能源管理平台。

三、单台焊机需要采集哪些数据

要实现单台焊机用气统计，每台焊机或者每个工位必须绑定唯一编号。

建议建立以下基础字段：

如果只采集流量，系统可以完成基础的用气统计。

如果进一步采集焊接电流、电压和焊枪信号，系统就可以判断气体消耗是否发生在实际焊接期间。

如果再关联工件、人员和工单信息，系统就可以建立工件级焊接档案。

四、单台焊机实际用气量如何计算

传统现场经常使用以下方式估算用气量：

设定流量×焊接时间

例如，流量计设定为15L/min，焊接时间为60分钟，则估算用气量为：

15L/min×60min=900L

但这种方式只能得到理论值，并不能代表实际消耗。

因为实际气体流量会受到以下因素影响：

• 气源压力变化；
• 减压器状态；
• 管路长度；
• 管径和接头阻力；
• 多台焊机同时用气；
• 人工调节；
• 阀门响应；
• 起弧瞬间气体冲击；
• 停焊后的延时放气。

更加准确的方法，是持续采集瞬时流量，并按照采样周期进行累计。

其计算逻辑可以表示为：

某段时间用气量=各采样周期内瞬时流量×采样时间的累计值

例如，系统每秒采集一次流量数据，则可以将每秒的流量值换算为对应体积并持续累加，最终得到单台焊机的实际用气量。

这种方式不仅能够计算累计消耗，还可以保留流量变化曲线，为后续识别起弧气峰、压力波动和异常空放提供数据基础。

五、如何识别一次完整的焊接事件

工业物联网系统不能只记录连续变化的电流和流量曲线，还需要将这些信号转换为一次完整的焊接事件。

一次典型的焊接过程可以表示为：

绑定工件 ↓ 焊枪开关启动 ↓ 预送保护气 ↓ 焊接起弧 ↓ 稳定焊接 ↓ 焊接收弧 ↓ 滞后停气 ↓ 生成焊接记录

系统可以综合以下信号判断焊接状态：

• 焊枪开关信号；
• 焊接电流；
• 焊接电压；
• 气体流量；
• 气路压力；
• 焊机运行信号；
• 送丝机运行信号。

1.预送气阶段

焊枪启动后，保护气先进入焊枪和喷嘴，用于排出气路和焊接区域附近的空气。

这一阶段通常有气体流量，但没有稳定焊接电流。

2.起弧阶段

焊接电流和电压开始建立，系统识别到焊接正式开始。

起弧瞬间可能伴随气体流量峰值和压力变化，需要单独记录。

3.稳定焊接阶段

焊接电流、电压和气体流量进入相对稳定状态。

这一阶段的气体消耗通常属于有效焊接用气。

4.收弧阶段

焊接电流下降并结束，系统记录收弧时间。

5.滞后停气阶段

电弧结束后，保护气继续输出一段时间，用于保护高温焊缝、熔池或者钨极。

合理的滞后停气属于工艺需要，但超过工艺要求的持续放气可能形成浪费。

六、如何区分有效焊接用气和非工艺性用气

如果系统只统计气阀开启时间，就无法判断这些气体是否真正服务于焊接过程。

因此，需要将气体数据与焊接状态数据进行关联。

系统可以将用气过程划分为：

通过这种分类，企业看到的不再只是“用了多少气”，而是能够进一步知道“这些气体用在了什么阶段”。

七、如何形成单台焊机用气统计

每完成一次焊接事件，系统可以生成一条焊接用气记录。

记录内容可以包括：

焊机编号：HJ-001 工位编号：A01 焊工编号：YG-018 班组：一班 工件编号：WP-20260805-001 焊接开始时间：10:15:32 焊接结束时间：10:18:46 有效焊接时长：194秒 平均气体流量：14.8L/min 峰值流量：23.6L/min 本次累计用气量：49.2L 入口压力：0.42MPa 异常状态：无

在此基础上，平台可以统计：

• 单台焊机当日用气量；
• 单台焊机当周用气量；
• 单台焊机当月用气量；
• 单台焊机有效焊接时长；
• 单次焊接平均流量；
• 单位焊接时间耗气量；
• 单台设备空放时间；
• 单台设备异常用气次数；
• 单台设备在线率；
• 单台设备流量稳定性。

通过单机数据，企业可以快速找到高耗气设备和异常工位。

八、如何实现班组级用气统计

班组级统计是在单机数据基础上，根据班组编号、人员编号和班次时间进行汇总。

常见统计指标包括：

• 班组总用气量；
• 班组有效焊接时间；
• 班组总焊接次数；
• 单位焊接时间耗气量；
• 单位产品耗气量；
• 平均焊接流量；
• 异常空放次数；
• 异常空放时长；
• 流量偏高次数；
• 流量偏低次数；
• 班组内不同人员用气差异；
• 白班与夜班用气差异；
• 同类产品不同班组用气差异；
• 班组月度用气趋势。

假设一班和二班生产相同产品，并使用相同焊机和工艺：

虽然两个班组的有效焊接时间接近，但二班总用气量明显更高。

管理人员可以进一步检查：

• 是否存在流量设置偏大；
• 停焊后是否及时关闭气源；
• 预送气和滞后停气参数是否一致；
• 某些焊枪或者气路是否泄漏；
• 操作人员是否频繁调节流量；
• 夜间供气压力是否发生变化。

班组数据的目的不是简单考核人员，而是帮助企业发现工艺执行、设备状态和操作习惯之间的差异。

九、如何实现车间和产线级用气统计

车间级统计是在工位和班组数据基础上，按照产线、区域和时间周期进行汇总。

主要统计指标包括：

• 车间总用气量；
• 各生产线用气量；
• 各班组用气量；
• 各工位耗气排名；
• 单位产品耗气量；
• 单位产值用气成本；
• 有效焊接用气占比；
• 非焊接用气占比；
• 日、周、月用气趋势；
• 异常用气设备数量；
• 节气装置在线率；
• 节气前后数据对比；
• 综合节气率；
• 月度节气量；
• 月度节气价值。

通过这些数据，管理人员可以回答：

• 用气量增长是否与产量增长匹配；
• 哪条生产线的单位产品用气量最高；
• 哪个班组的用气效率较低；
• 哪些设备长期存在异常；
• 哪些时间段出现集中用气高峰；
• 节气措施实施后效果是否稳定；
• 保护气成本是否真正下降。

保护气由此可以像电、水、蒸汽和压缩空气一样，纳入企业能源管理体系。

十、焊接数据采集为什么需要关联工件

只统计单台焊机用了多少气，可以解决能源统计问题，但不能直接解决质量追溯问题。

要实现工件级追溯，还需要将以下信息进行关联：

1.身份数据

• 工件编号；
• 工单编号；
• 产品型号；
• 焊缝编号；
• 焊工编号；
• 班组编号；
• 工位编号；
• 设备编号；
• 生产批次。

2.工艺数据

• 焊接方法；
• 母材类型；
• 母材厚度；
• 焊丝型号；
• 焊丝直径；
• 保护气类型；
• 目标流量；
• 焊接电流范围；
• 焊接电压范围；
• 送丝速度；
• 焊接速度；
• 预送气时间；
• 滞后停气时间；
• WPS编号。

3.实际过程数据

• 实际焊接电流；
• 实际焊接电压；
• 实际气体流量；
• 气路压力；
• 起弧时间；
• 收弧时间；
• 有效焊接时长；
• 断弧次数；
• 流量波动范围；
• 异常报警记录。

4.质量数据

• 外观检验结果；
• 无损检测结果；
• 缺陷类型；
• 缺陷位置；
• 是否返修；
• 返修次数；
• 最终检验结果。

这些数据关联后，企业才能形成完整的工件级焊接档案。

十一、工件参数如何进行标记和绑定

工件信息可以通过以下方式与焊接设备进行绑定：

• 二维码；
• 条形码；
• RFID；
• 工位终端手动选择；
• MES自动下发；
• PLC生产节拍信号；
• 机器人程序号；
• 工装夹具识别。

一种常见流程是：

MES下发生产任务 ↓ 操作人员扫描工件二维码 ↓ 系统获取工单、产品和工艺信息 ↓ 绑定当前焊机、工位和焊工 ↓ 开始采集焊接电流、电压、流量和压力 ↓ 焊接完成后自动生成过程记录 ↓ 数据归档到对应工件

在自动焊或者机器人焊接场景中，还可以通过机器人程序号、PLC工件到位信号或者夹具编号自动绑定工件，减少人工扫码操作。

十二、如何追溯异常工件的焊接过程

当工件出现气孔、焊缝氧化、未熔合、夹钨、焊缝发黑或者其他质量问题时，可以根据工件编号查询对应的焊接数据。

系统可以追溯：

• 使用了哪台焊机；
• 位于哪个工位；
• 由哪位焊工操作；
• 使用了哪套焊接工艺；
• 焊接开始和结束时间；
• 实际焊接电流；
• 实际焊接电压；
• 实际气体流量；
• 气路压力；
• 是否出现断弧；
• 是否出现低流量；
• 是否出现超流量；
• 是否存在压力波动；
• 同批次其他工件是否出现类似异常。

例如，正常工件焊接时保护气平均流量为15L/min，而某个异常工件在焊接过程中只有8L/min，并且伴随入口压力下降。

质量人员可以重点排查：

• 气源压力是否不足；
• 减压器是否异常；
• 气路是否堵塞；
• 阀门是否正常；
• 焊枪喷嘴是否堵塞；
• 气管接口是否泄漏；
• 多台设备同时用气是否造成压降。

如果异常工件的电流、电压、气体流量和压力均在正常范围，则可以将排查重点转向母材状态、坡口处理、装配间隙、焊材质量、现场风速或者操作手法。

需要注意的是，过程数据不能直接代替质量检验，也不能依靠单个参数直接确定缺陷原因。

数据追溯的价值，是帮助质量人员快速缩小排查范围。

十三、焊接数据与用气数据如何进行时间对齐

焊接电流、电压、气体流量和压力可能来自不同传感器或者不同控制器。

如果各设备的时间不一致，就可能出现以下问题：

• 电流已经开始，但平台显示气体还未输出；
• 电流已经结束，但流量曲线提前停止；
• 工件记录与实际焊接时间错位；
• 异常报警无法对应到具体焊接事件。

因此，系统需要进行统一时间管理。

常见方法包括：

1.边缘控制器统一采集不同传感器信号；

2.设备启动时与服务器进行时间同步；

3.使用NTP进行网络时间校准；

4.所有上传数据携带统一时间戳；

5.对通信延迟和数据缓存进行补偿；

6.断网补传时保留原始采集时间，而不是使用重新上传时间。

对于工件追溯系统，时间戳的准确性非常重要。

只有保证焊接电流、电压、气体流量、压力和工件信息处于同一时间轴上，平台才能正确还原一次焊接过程。

十四、系统可以识别哪些异常用气情况

工业物联网平台可以根据工艺范围、历史数据和设备状态建立异常判断规则。

常见异常包括：

1.流量持续偏高

焊接过程中实际流量长期高于工艺设定上限，可能存在人工调节偏大或者供气控制异常。

2.流量持续偏低

实际流量低于工艺要求，可能影响焊接保护效果，需要及时提示。

3.停焊后长时间放气

焊接电流已经结束，但气体仍持续输出，且超过正常滞后停气时间。

4.非生产状态持续用气

设备处于待机或者停机状态，但流量传感器持续检测到气体流动。

5.压力异常下降

入口压力或者出口压力快速下降，可能存在气源不足、管路泄漏或者多设备集中用气。

6.压力异常升高

压力超过设备或者工艺设定范围，需要检查减压器和供气系统。

7.流量剧烈波动

稳定焊接期间流量波动过大，可能与气源压力、比例阀、传感器或者管路状态有关。

8.起弧气峰过高

起弧瞬间出现明显流量峰值，可能造成非必要气体消耗。

9.设备之间耗气差异过大

相同产品、工艺和焊接时长下，某台设备耗气量明显高于其他设备。

10.班组之间用气差异异常

相同生产任务下，不同班组单位焊接时间耗气量差异明显。

11.单位产品耗气量异常上升

产量没有明显变化，但单位产品用气量持续增加。

12.设备长时间离线

采集终端无法上传数据，需要检查供电、网络或者设备状态。

13.传感器数据异常

流量、压力或者电流数据长期保持固定值、突变或者超出量程。

14.实际用气量与车间总表差异过大

单机累计数据与车间总表之间差异超出允许范围，需要检查未覆盖工位、管网泄漏或者计量误差。

十五、平台看板和统计报表应该展示什么

数据平台不能只显示瞬时流量，还需要将数据转化为管理人员能够理解的指标。

建议设置以下看板。

1.实时监控看板

显示：

• 设备编号；
• 当前状态；
• 实时流量；
• 当前压力；
• 焊接电流；
• 焊接电压；
• 当前工件；
• 当前操作人员；
• 报警状态。

2.单机用气看板

显示：

• 单机日用气量；
• 单机月用气量；
• 有效焊接时间；
• 单位焊接时间耗气量；
• 异常空放时长；
• 平均流量；
• 流量趋势。

3.班组对比看板

显示：

• 各班组总用气量；
• 有效焊接时间；
• 单位产品耗气量；
• 单位焊接时间耗气量；
• 异常次数；
• 班组排名。

4.车间能源看板

显示：

• 车间总用气量；
• 各产线用气占比；
• 月度趋势；
• 节气量；
• 综合节气率；
• 节气价值；
• 异常设备数量。

5.工件追溯看板

显示：

• 工件编号；
• 焊机和工位；
• 焊工信息；
• 焊接时间；
• 电流、电压曲线；
• 流量、压力曲线；
• 工艺上下限；
• 报警记录；
• 检验结果。

十六、系统如何与MES、ERP和能源平台对接

焊接用气平台不应该成为孤立系统。

在企业已有MES、ERP或者能源管理平台的情况下，可以通过API、数据库接口、OPC UA或者消息队列进行数据对接。

完整数据链可以表示为：

ERP生产计划 ↓ MES生产工单 ↓ 工件与焊缝任务 ↓ 焊机、工位和焊工 ↓ 焊接电流、电压和用气数据 ↓ 质量检验结果 ↓ 产品成本与能源统计

MES可以向现场系统下发：

• 工单编号；
• 工件编号；
• 产品型号；
• 工艺参数；
• WPS编号；
• 计划数量；
• 班组信息。

焊接用气系统可以向MES或者能源平台上传：

• 设备运行状态；
• 实时流量；
• 累计用气量；
• 气体压力；
• 有效焊接时间；
• 焊接电流；
• 焊接电压；
• 开始和结束时间；
• 报警信息；
• 班组和班次统计；
• 单位产品耗气量。

通过系统集成，企业可以将焊接保护气纳入生产成本、能源绩效和质量管理体系。

十七、南京鼎业电气智能焊接节气装置的应用思路

南京鼎业电气有限公司智能焊接节气装置，可以作为焊接工业物联网系统中的末端数据采集与控制节点。

装置可以采集：

• 气体压力；
• 瞬时流量；
• 累计用气量；
• 用气时间；
• 有效焊接时间；
• 焊接状态；
• 设备运行状态；
• 异常流量信息。

在现场应用中，装置并不是简单地将气体流量调低，而是在不改变原有焊接工艺参数、不削弱必要保护效果的前提下，对保护气输出过程进行更加精细的管理。

重点治理的用气问题包括：

• 流量设置偏大；
• 起弧瞬间气体冲击；
• 停焊后的非必要空放；
• 人工调节差异；
• 供气压力变化造成的流量波动；
• 非生产状态持续放气。

通过配套焊接用气云端管理平台，可以按照焊机、工位、班组、班次、产线和时间周期进行统计。

在进一步接入焊接电流、电压采集和MES系统后，还可以将保护气数据与设备、人员、工件和质量结果进行关联。

因此，智能焊接节气装置的价值不仅在于减少非工艺性气体浪费，更重要的是帮助企业建立焊接过程数据基础。

十八、项目应该如何分阶段实施

焊接用气数字化项目不建议一开始直接覆盖整个工厂，可以按照以下阶段推进。

第一阶段：单工位验证

选择一台典型焊机或者一个典型工位，完成：

• 流量和压力采集；
• 焊接状态识别；
• 实际用气量统计；
• 异常空放识别；
• 节气前后数据对比；
• 焊缝质量验证。

第二阶段：同类工位复制

选择5—10台相同或者相近工艺设备，验证：

• 不同设备之间的数据一致性；
• 不同班组之间的用气差异；
• 不同生产任务下的节气效果；
• 网络通信和平台稳定性；
• 报表统计准确性。

第三阶段：产线和车间推广

在单条产线或者单个车间部署，实现：

• 单机统计；
• 班组统计；
• 车间统计；
• 异常报警；
• 月度节气报表；
• 节气收益核算。

第四阶段：系统集成

根据企业现有数字化基础，与MES、ERP或者能源平台进行接口对接。

第五阶段：多车间和多基地推广

形成统一的数据标准、设备编码、统计口径和管理制度，实现跨车间、跨厂区的焊接用气管理。

结语

工业物联网让焊接保护气管理从过去的粗放统计逐步转向设备级、班组级和车间级的精细化管理。

过去，企业只能知道一个月采购了多少气；现在，可以进一步知道每台焊机、每个工位和每个班组实际使用了多少气。

过去，用气量发生异常后需要依靠人工逐级排查；现在，可以通过设备编号、时间段、流量曲线和焊接状态快速定位异常。

过去，工件出现质量问题后主要依靠焊工回忆和纸质记录；现在，可以通过工件编号查询对应的焊机、焊工、焊接参数、气体流量和压力数据。

焊接用气数字化并不是简单增加几个传感器，也不是只在屏幕上显示一组数据，而是建立从现场采集、状态识别、用气统计、异常分析、工件追溯到生产改善的完整闭环。

当设备状态、焊接参数、气体数据、人员信息和工件信息能够统一关联后，保护气就不再只是一项难以统计的生产耗材，而会逐步转变为可采集、可分析、可控制、可追溯和可持续优化的生产数据。