CN103374721B - 用于轧辊激光熔覆的实时在线数据采集及远程监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于轧辊激光熔覆的实时在线数据采集及远程监控系统，包括分布式通信监控及集中控制模块，远程监控显示模块，多点分布式红外测温仪，熔覆后轧辊表面质量监测模块，轧辊熔覆后熔覆层厚度检测模块和熔池状态实时监视模块；分布式通信监控及集中控制模块分别与远程监控显示模块、多点分布式红外测温模块、熔覆后轧辊表面质量监测模块、轧辊熔覆后熔覆层厚度检测模块和熔池状态实时监视模块通过分布式485通信网络连接，还与远程监控显示模块相连接。本发明各模块相对独立保证系统可靠性，同时集中控制及显示，便于设备监控；本发明采用分布式监控网络，分布式网络采用485串行通信网络，采用星型拓扑组网方式，大大减少设备布线。

Description

用于轧辊激光熔覆的实时在线数据采集及远程监控系统

技术领域

本发明属于工业激光熔覆加工领域，具体地说是一种轧辊激光熔覆用实时在线数据采集及远程监控系统。

背景技术

传统激光熔覆过程中，激光加工人员可直接通过保护眼镜观察激光加工区，监视激光加工过程，实时调整工艺参数。

针对超长超重轧辊激光熔覆工艺特点，轧辊激光熔覆过程中需要整体预热至350摄氏度，局部加热至700摄氏度，整个激光熔覆加工过程中轧辊需要放置在专用保温箱中，只设置400mm×400mm加工窗口区，加工区始终处于高温高粉尘高辐射环境中，现场加工人员无法直接观察加工过程。同时轧辊激光熔覆过程加工时间较长，设备需要连续几天运转。针对上述项目要求开发了一种应用于轧辊激光熔覆的实时在线数据采集及远程监控系统。

发明内容

根据熔覆加工实时监控需要，考虑加工环境高温、粉尘、激光辐射等因素，激光加工过程中采用远程监控及全自动控制的方案，实现整个加工过程全自动远程控制及监控。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

用于轧辊激光熔覆的实时在线数据采集及远程监控系统，其特征在于包括：分布式通信监控及集中控制模块：用于进行熔覆设备的闭环控制、以及与上位机的通信；分别与远程监控显示模块、多点分布式红外测温模块、熔覆后轧辊表面质量监测模块、轧辊熔覆后熔覆层厚度检测模块和熔池状态实时监视模块通过分布式485通信网络连接，还与远程监控显示模块相连接；

远程监控显示模块：用于实时显示熔覆设备状态、熔覆工艺过程；与熔覆后轧辊表面质量监测模块和熔池状态实时监视模块通信；

多点分布式红外测温仪：用于检测并采集熔覆过程中轧辊预热温度及外围水冷器件的温度；

熔覆后轧辊表面质量监测模块：用于实时采集熔覆后轧辊表面形貌；

轧辊熔覆后熔覆层厚度检测模块：用于监测熔覆层的厚度；

熔池状态实时监视模块：用于在压辊周围实时监视激光熔覆过程中轧辊的加工状态。

所述分布式通信监控及集中控制模块包括：

主控服务器：装有视频采集卡和数据采集卡，存有监控软件，对熔覆工艺过程以及熔覆设备状态进行监控；与视频记录计算机、监控PLC通信；还与远程监控显示模块的拼接控制器和与传输轧辊表面质量监测模块信号的视频分配器通信；

视频记录计算机：装有视频采集卡，用于采集并处理来自熔覆后轧辊表面质量监测模块和熔池状态实时监视模块的视频信号，并将结果显示在远程监控显示模块的显示器中，还与传输轧辊表面质量监测模块信号的视频分配器相连接；

监控PLC：与熔覆设备构成星型拓扑网络结构；用于实时采集并存储来自熔覆设备的数据和状态信息，发送控制命令至熔覆设备。

所述远程监控显示模块包括监控大屏幕、多个激光投影机、多个显示器和多个全景云台；所述监控大屏幕接收多个激光投影机的投影；所述激光投影机与拼接控制器连接；所述显示器与视频记录计算机连接，还可通过连接的视频分配器与拼接控制器和传输熔池状态实时监视模块信号的视频远程传输器连接；所述全景云台通过视频远程传输器与拼接控制器连接。

所述熔覆后轧辊表面质量监测模块包括形貌摄影机和连接有编码器采集卡的多个编码器；所述编码器为轧辊旋转编码器和机器人轴向行走编码器。

轧辊熔覆后熔覆层厚度检测模块为熔覆层厚度记录仪。

熔池状态实时监视模块为熔池摄像机。

所述熔覆设备包括激光器，激光加工头，机器人，水冷机，中频加热系统，水冷机，送粉系统和烟尘处理系统。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.整个轧辊激光熔覆的实时在线数据采集及远程监控系统系统分为7个子系统，各系统相对独立保证系统可靠性，同时集中控制及显示，便于设备监控。

2.分布式通信监控及集中控制系统采用PLC集中进行设备控制及上位计算机作为实时监控主机，PLC与上位计算机之间通过网络通信，充分发挥PLC可靠性高实时性强的优势及PC机软件界面强大及计算能力强的优势，采用分布式监控网络，分布式网络采用485串行通信网络，采用星型拓扑组网方式，大大减少设备布线。

3.轧辊熔覆后熔覆层厚度检测系统利用激光位移传感器实时检测激光加工头与轧辊距离，数据经数据采集卡由数据传输总线传输至数据库软件包及厚度计算及报警软件包，自动求算熔覆层厚度平均值，并将每层厚度数据经由PLC传送至机器人控制器，实现激光加工头自动提升。

4.激光加工监控软件运行在主控服务器上，同时将显示画面显示在超大投影屏幕上，所有视频采集信号通过视频采集卡及远程视频传输器直接显示在大屏幕，实现所有设备信息集中监控。

5.远程监控显示系统实现了所有监控信息在一整块屏幕显示的效果，便于集中监控；同时视频信号通过视频分配器，存储在视频计算机内，并分别显示在分立的液晶显示器上，便于工艺人员实时查阅及细节分析。

附图说明

图1是本发明系统结构图；

图2是本发明的具体实施方式结构图；

图3是熔覆后轧辊表面质量监测系统示意图；

图4是轧辊熔覆后熔覆层厚度检测系统示意图；

图5是熔池状态实时监视系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

一种应用于轧辊激光熔覆的实时在线数据采集及远程监控系统，整个实时在线数据采集及远程监控系统包括多点分布式红外测温仪、熔覆后轧辊表面质量监测模块、轧辊熔覆后熔覆层厚度检测模块、熔池状态实时监视模块、监控软件、远程监控显示模块、分布式通信监控及集中控制模块。

多点分布式红外测温系统包括工件预热温度实时采集装置及加工区温度实时采集装置，红外测温单元采用水冷型红外测温仪。

熔覆后轧辊滚筒表面质量监测模块包括：轧辊旋转编码器，机器人轴向行走编码器，表面形状采集视频装置，还涉及数据采集卡，数据传输总线，可视化软件包，对缺陷进行模式识别和记录软件包。

轧辊熔覆后熔覆层厚度检测模块包括：隔热系统加带热防护的激光位移传感器探头，还涉及数据采集卡，数据传输总线，数据库软件包，厚度计算及报警软件包。

熔池状态实时监视模块由带滤波衰减片的工业用黑白CCD实现。

轧辊熔覆激光加工监控软件是根据客户实际加工工艺及监控内容专门为针对客户情况开发的一套监控软件系统，包括熔覆工艺及过程监控、设备状态监控两部分。

远程监控显示模块主要由背投屏幕、4台激光投影机、拼接控制器，视频远程传输器，视频分配器、液晶显示器组成。

分布式通信监控及集中控制模块主要由监控PLC、主控服务器、视频记录计算机、分布式485通信模块组成。

如图1所示，多点分布式红外测温仪3，熔覆后轧辊表面质量监测模块4，轧辊熔覆后熔覆层厚度检测模块5，熔池状态实时监视模块6通过分布式485通信网络与分布式通信监控及集中控制模块1相连，监控软件运行在分布式通信监控及集中控制模块的主控服务器上，同时主控服务器与远程监控显示模块2相连，将监控软件显示在远程监控显示模块的拼接屏幕上。

如图2所示，远程监控显示模块2包括背投屏幕、4台激光投影机、拼接控制器，视频远程传输器，视频分配器、液晶显示器。显示设备均安装于背投暗室，有效的避免光、环境灰尘及设备噪音的干扰，配合性能优异的显示设备，将为用户呈现完美的显示效果。视频远程传输器为多个，一条线路中用一对视频远程传输器连接，接口为RJ45，用于远程线路的视频信号的传输。

激光加工监控软件是根据客户实际加工工艺及监控内容专门为针对客户情况开发的一套监控系统，包括熔覆工艺及过程监控、设备状态监控两大部分。熔覆工艺及过程监控部分包括：

预热温度实时监控显示；熔覆后熔覆层表面形貌实时监控检测；熔覆加工过程实时仿真显示。设备状态监控部分包括：激光器状态监控及故障报警；激光加工头状态监控及故障报警；机器人状态监控及故障报警；水冷机状态监控及故障报警；中频加热系统状态监控及故障报警；冷却水套温度状态监控及故障报警；送粉系统状态监控及故障报警；烟尘处理系统状态监控及故障报警；

上位机监控软件采用VC++编程或组态软件编制，监控软件安装在主控服务器上，监控软件通过视频记录计算机内的视频采集卡对熔覆后监控摄像机视频信号实时采集，经过图像处理，实时检测及显示当前加工后熔覆后轧辊滚筒表面形状。监控软件通过RS232串口与温度采集单片机相连，实时采集各个温度传感器温度，并实时监控检测并显示，根据温度设定监控范围实时监控各点温度，出现任何温度异常波动软件会及时发出报警，监控软件通过数据采集卡读取导轨及转台编码器当前位置，实时模拟显示当前激光头位置及轧辊运动状态。监控软件通过RS232串口与监控PLC相连，监控PLC实时监控所有设备状态及报警信号，并实时将状态信号通过串口发送给上位机软件，上位机软件实时检测并显示。考虑到在加工过程中突然断电等意外因素，为主控服务器增加UPS外置电源，断电后工艺人员可以及时保存当前加工数据，同时监控软件对工艺数据进行实时保存，将加工工艺数据保存为独立的工艺文件，当设备再次上电初始化后可根据保存的工艺文件，自动寻找当前断点位置，由当前断点位置开始延续上次加工工艺数据继续进行加工。

如图2所示，在分布式通信监控及集中控制模块中，监控PLC通过485通信模块与外围系统相连，通信协议采用MODBUS协议，网络形式采用星形拓扑结构，PLC采用分时方式实时采集外部设备数据及状态，并将数据保存在内部寄存器内；同时PLC通过专用通信网络与主控服务器通信，主控服务器定时访问PLC内部寄存器，读取外围设备状态，并通过系统监控软件将设备状态及运动仿真过程及时显示在监控屏幕上。本实施方式中，外围系统包括激光器，激光加工头，机器人，水冷机，中频加热系统，水冷机，送粉系统和烟尘处理系统。

多点分布式红外测温模块，采用带水冷的红外测温仪实现整个熔覆过程中预热温度及外围水冷器件的温度采集及控制采集温度信号通过实时温度反馈PID调节控制系统形成温度的闭环控制系。

如图3所示，熔覆后轧辊表面质量监测模块，采用工业用彩色CCD实时采集熔覆后轧辊表面形貌，经数据总线传输由视频采集卡采集，可视化及缺陷识别和记录软件将图像实时显示在大屏幕上，同时根据编码器位置计算图像当前位置，当有缺陷点出现时，软件根据工艺人员在当前图片上标示出的缺陷位置自动计算缺陷点在轧辊的实际位置，并将缺陷点存入缺陷数据库，当一层加工完毕后，工人根据缺陷数据库提示的缺陷点位置进行适当修补，修补完毕后开始下一层加工。

如图4所示，轧辊熔覆后熔覆层厚度检测模块，熔覆层厚度记录仪由隔热系统加带热防护的激光位移传感器探头组成，在激光熔覆过程中，采用在一定间隔时间内用熔覆层厚度记录仪对熔覆层厚度进行测量，监测熔覆层厚度，便于工艺人员控制熔覆工艺，同时将熔覆层厚度数据记录进工艺数据库，在每层结束后，自动求算熔覆层厚度平均值，自动控制机器人下一层抬升高度。在熔覆过程中，计算机对各采集点所得厚度数据实时进行比较监控，当所测得熔覆层厚度偏差超过设定偏差值时，软件自动报警，提示工艺人员检查熔覆工艺及相关设备。熔覆开始时，熔覆层厚度记录仪记录当前位置W0，熔覆过程中厚度探测仪根据设定时间记录当前熔覆层厚度W1，W2，W3……，则各点处熔覆层厚度为：

H1＝(W0-W1)，H2＝(W0-W2)，H3＝(W0-W3)…….

软件将采集到的厚度数据存入工艺数据库，每层加工结束后记算H平均值，同时实时监测各点△H＝(H2-H1)，(H3-H1)，(H3-H2)，……范围，保证熔覆层厚度均匀一致。

如图5所示，熔池状态实时监视模块的目的在于实时近距离监视激光熔覆过程中加工状态，保证加工过程的实时监视。具体实现方法为采用工业用黑白CCD通过选择合适的滤波衰减片，实时采集熔池及周围等离子体图像，同时实时将采集图像以开窗口的方式在大屏幕上显示出来，在正常熔覆过程中，熔池与飞溅是一个相对稳定的状态，工艺人员通过监视图像的稳定性，实时间接监视加工过程激光及粉末状态。

Claims (7)

1.用于轧辊激光熔覆的实时在线数据采集及远程监控系统，其特征在于包括：分布式通信监控及集中控制模块(1)：用于进行熔覆设备的闭环控制、以及与上位机的通信；分别与远程监控显示模块(2)、多点分布式红外测温模块(3)、熔覆后轧辊表面质量监测模块(4)、轧辊熔覆后熔覆层厚度检测模块(5)和熔池状态实时监视模块(6)通过分布式485通信网络连接；

远程监控显示模块(2)：用于实时显示熔覆设备状态、熔覆工艺过程；与熔覆后轧辊表面质量监测模块(4)和熔池状态实时监视模块(6)通信；

多点分布式红外测温模块(3)：用于检测并采集熔覆过程中轧辊预热温度及外围水冷器件的温度；

熔覆后轧辊表面质量监测模块(4)：用于实时采集熔覆后轧辊表面形貌；

轧辊熔覆后熔覆层厚度检测模块(5)：用于监测熔覆层的厚度；

熔池状态实时监视模块(6)：用于在压辊周围实时监视激光熔覆过程中轧辊的加工状态。

2.根据权利要求1所述的用于轧辊激光熔覆的实时在线数据采集及远程监控系统，其特征在于：

所述分布式通信监控及集中控制模块(1)包括：

主控服务器：装有视频采集卡和数据采集卡，存有监控软件，对熔覆工艺过程以及熔覆设备状态进行监控；与视频记录计算机、监控PLC通信；还与远程监控显示模块(2)的拼接控制器和与传输熔覆后轧辊表面质量监测模块(4)信号的视频分配器通信；

视频记录计算机：装有视频采集卡，用于采集并处理来自熔覆后轧辊表面质量监测模块(4)和熔池状态实时监视模块(6)的视频信号，并将结果显示在远程监控显示模块(2)的显示器中，还与传输熔覆后轧辊表面质量监测模块(4)信号的视频分配器相连接；

监控PLC：与熔覆设备构成星型拓扑网络结构；用于实时采集并存储来自熔覆设备的数据和状态信息，发送控制命令至熔覆设备。

3.根据权利要求1所述的用于轧辊激光熔覆的实时在线数据采集及远程监控系统，其特征在于：

所述远程监控显示模块(2)包括监控大屏幕、多个激光投影机、多个显示器和多个全景云台；所述监控大屏幕接收多个激光投影机的投影；所述激光投影机与拼接控制器连接；所述显示器与视频记录计算机连接，还可通过连接的视频分配器与拼接控制器和传输熔池状态实时监视模块(6)信号的视频远程传输器连接；所述全景云台通过视频远程传输器与拼接控制器连接。

4.根据权利要求1所述的用于轧辊激光熔覆的实时在线数据采集及远程监控系统，其特征在于：

所述熔覆后轧辊表面质量监测模块(4)包括形貌摄影机和连接有编码器采集卡的多个编码器；所述编码器为轧辊旋转编码器和机器人轴向行走编码器。

5.根据权利要求1所述的用于轧辊激光熔覆的实时在线数据采集及远程监控系统，其特征在于：

轧辊熔覆后熔覆层厚度检测模块(5)为熔覆层厚度记录仪。

6.根据权利要求1所述的用于轧辊激光熔覆的实时在线数据采集及远程监控系统，其特征在于：

熔池状态实时监视模块(6)为熔池摄像机。

7.根据权利要求1所述的用于轧辊激光熔覆的实时在线数据采集及远程监控系统，其特征在于：

所述熔覆设备包括激光器，激光加工头，机器人，水冷机，中频加热系统，送粉系统和烟尘处理系统。