冷軋管機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

惠運(yùn)東

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冷軋管機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

惠運(yùn)東

（東南大學(xué)，江蘇 南京 210000）

冷軋管材因其優(yōu)異的性能在工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，而冷軋管機(jī)的性能直接影響著管坯軋制的性能。為了使冷軋管機(jī)朝著高速度、高精度、高效率、高自動(dòng)化的方向發(fā)展，設(shè)計(jì)采用以STM32為核心的控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)冷軋管機(jī)中直流電機(jī)的控制，主電機(jī)以及回轉(zhuǎn)/送進(jìn)電機(jī)的電樞電流、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流等則通過(guò)RS485與上位機(jī)通信，向上位機(jī)傳送監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，最終能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控冷軋管機(jī)的目的。

冷軋管機(jī)監(jiān)控；STM32；RS485；上位機(jī)

冷軋管機(jī)是一種周期性工作的機(jī)械裝置，它的主要特點(diǎn)是在軋制過(guò)程中，工作機(jī)架連同上下軋輥由曲柄連桿機(jī)械帶動(dòng)，讓管坯以滾動(dòng)的方式前行，利用金屬的彈性變形實(shí)現(xiàn)鋼管的軋制，使管坯在芯棒的減徑和定徑段上產(chǎn)生軋制變形。傳統(tǒng)的冷軋管機(jī)監(jiān)控需要操作工在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控其運(yùn)行狀態(tài)，然而操作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境差，操作工作量大，操作工易失誤，對(duì)設(shè)備具體問(wèn)題排查不清楚及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜危險(xiǎn)等問(wèn)題都影響著管坯軋制的性能。本項(xiàng)目基于通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)冷軋管機(jī)的監(jiān)控，并能監(jiān)測(cè)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)主要包括監(jiān)控器、上位機(jī)模塊、手機(jī)功能模塊等。監(jiān)控系統(tǒng)完成對(duì)主電機(jī)以及回轉(zhuǎn)/送進(jìn)電機(jī)的模擬信號(hào)采集，監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)以及向上位機(jī)和手機(jī)傳送監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖

圖1中深灰色控制柜中增加監(jiān)控器，裝在回/送控制器電路板上方，監(jiān)控信號(hào)為電壓電流信號(hào)，主電機(jī)和回轉(zhuǎn)送進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流、電樞電壓，電樞電流信號(hào)通過(guò)霍爾器件轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，通過(guò)差動(dòng)輸入，作為監(jiān)控器的輸入信號(hào)，當(dāng)主電機(jī)或者回轉(zhuǎn)送進(jìn)電機(jī)有異常時(shí)，監(jiān)控器接收到采集的信號(hào)，輸出信號(hào)控制電機(jī)的工作，通過(guò)RS485可以連接現(xiàn)場(chǎng)多臺(tái)冷軋管機(jī)，通過(guò)上位機(jī)監(jiān)測(cè)機(jī)器的工作狀態(tài)，也可以通過(guò)藍(lán)牙連接手機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

冷軋管機(jī)中的主電機(jī)和回轉(zhuǎn)送進(jìn)機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)從靜止開(kāi)始啟動(dòng)加速，在控制算法計(jì)算出的制動(dòng)時(shí)刻采取制動(dòng)操作，另外根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用需求，完善其功能，使其性能穩(wěn)定、操作方便、使用人性化。監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能如下。

1.1 模擬信號(hào)

主電機(jī)的勵(lì)磁電流為0～50 V（100 Hz波動(dòng)直流），勵(lì)磁電壓為0～300 V（100 Hz脈動(dòng)直流），電樞電壓為0～500 V，且有毛刺直流，電樞電流為0～500 V（300 Hz波動(dòng)直流）。以上信號(hào)均采用霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器變換為0～25 mA、0～50 mA、0～100 mA電流或0～4 V電壓信號(hào)。原控制器均已配置各信號(hào)測(cè)量傳感器，監(jiān)控器借用已有傳感器信號(hào)，不再增設(shè)傳感器，既節(jié)約成本又不影響原有設(shè)備的器件安裝結(jié)構(gòu)。工作電源采用工頻交流電220 V±10%.監(jiān)控器信號(hào)輸入端采用差動(dòng)輸入結(jié)構(gòu)，克服共模電路干擾，也便于信號(hào)連接。

1.2 輸入輸出

控制器能夠讀取外部“聯(lián)動(dòng)信號(hào)”“運(yùn)行/停止”“快進(jìn)/倒退”“前進(jìn)限位”等操作的開(kāi)關(guān)信號(hào)，對(duì)主電機(jī)以及回轉(zhuǎn)/送進(jìn)電機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。

1.3 信號(hào)測(cè)量

要能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)主電機(jī)的剛開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)的勵(lì)磁以及電樞電壓、電流關(guān)系、運(yùn)行轉(zhuǎn)速，還可以監(jiān)控回轉(zhuǎn)電機(jī)和送進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、制動(dòng)，保證電機(jī)的參數(shù)在安全范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

1.4 液晶顯示

實(shí)現(xiàn)整機(jī)運(yùn)行狀態(tài)記錄，顯示系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，比如啟停時(shí)間、軋制次數(shù)、主電機(jī)功率和能耗、回轉(zhuǎn)電機(jī)和送進(jìn)電機(jī)功率和能耗。

1.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

通過(guò)存儲(chǔ)的分析監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與冷軋管機(jī)整機(jī)狀態(tài)的關(guān)系，探討冷軋管機(jī)整機(jī)狀態(tài)的方法。

1.6 報(bào)警處理

當(dāng)系統(tǒng)異常時(shí)，比如電樞電壓過(guò)高、電樞電流過(guò)大、勵(lì)磁失磁、電源錯(cuò)誤等，主電機(jī)、回轉(zhuǎn)電機(jī)和送進(jìn)電機(jī)就需要保護(hù)，需要迅速給電機(jī)停止供電，并制動(dòng)電機(jī)報(bào)警。

1.7 通信

RS485與上位機(jī)通信，單片機(jī)串口接藍(lán)牙模塊構(gòu)成藍(lán)牙接口與手機(jī)通信，向上位機(jī)和手機(jī)傳送監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

2 監(jiān)控器硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控器的硬件設(shè)計(jì)中，根據(jù)功能實(shí)現(xiàn)的不同設(shè)計(jì)了多個(gè)不同的模塊，各個(gè)模塊之間分工明確又相互依賴(lài)，可以協(xié)調(diào)地完成工作。這樣既提高了系統(tǒng)的效率，同時(shí)也有利于后期系統(tǒng)的調(diào)試。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)控器硬件結(jié)構(gòu)圖

微控制器模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，本課題選用STM32（STM32F103C6T8）作為系統(tǒng)的微控制器，該器件具有高精度、低成本、功耗小、高性能等特點(diǎn)，再輔以外圍電路，共同構(gòu)成微處理器模塊。控制器系統(tǒng)的輸入模塊包括模擬信號(hào)的采集和開(kāi)關(guān)信號(hào)的采集，模擬信號(hào)的采集需要將所有信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～4 V電壓信號(hào)，這就需要使用霍爾電壓傳感器，當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)霍爾傳感器隔離之后，再經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)目s放和濾波，就可以交由A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，開(kāi)關(guān)信號(hào)的采集使用光電隔離?？刂破飨到y(tǒng)的輸出模塊包括開(kāi)關(guān)信號(hào)的輸出和聲光報(bào)警輸出，信號(hào)輸出主要是將控制器經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的信號(hào)按照其控制要求，轉(zhuǎn)換為可以控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通或者關(guān)斷的信號(hào)，經(jīng)過(guò)一定的隔離措施，達(dá)到對(duì)電機(jī)的控制。RS485接口和藍(lán)牙接口模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信，觀測(cè)記錄的數(shù)據(jù)，藍(lán)牙接口與手機(jī)設(shè)備連接，監(jiān)控電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

3 監(jiān)控器軟件設(shè)計(jì)

冷軋管機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)選取以STM32系列單片機(jī)為核心的處理器模塊設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)主程序完成系統(tǒng)的初始化、功能模塊的初始化、I/O口的初始化、系統(tǒng)變量的初始化等。還應(yīng)包括中斷服務(wù)子程序，比如A/D采樣、定時(shí)器周期中斷、CPU計(jì)算任務(wù)、故障保護(hù)中斷等。

具體實(shí)現(xiàn)方案包含：基于STM32微處理器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)主程序；編寫(xiě)各功能模塊驅(qū)動(dòng)程序；搭建通信模塊的軟件平臺(tái)，進(jìn)行業(yè)務(wù)代碼編寫(xiě)與調(diào)試；進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與處理的軟件代碼調(diào)試。

4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

上位機(jī)功能開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成嵌入式系統(tǒng)通信接口設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)與上位機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)，同時(shí)通過(guò)RS485與上位機(jī)通信，在PC端顯示存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。上位機(jī)軟件是利用軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)Lab VIEW協(xié)助開(kāi)發(fā)?；贚ab VIEW 的開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)的電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的功能主要包括人機(jī)交互式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、串口數(shù)據(jù)的采集與分析、電機(jī)調(diào)速命令的下行傳送、報(bào)表的生成與打印等。

利用Lab VIEW 模塊化的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的上位機(jī)監(jiān)控軟件具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性和可靠性，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)參數(shù)配置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)顯示等多項(xiàng)功能。電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)板中可以顯示采集存儲(chǔ)的電機(jī)電壓電流信號(hào)，根據(jù)波形判斷電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程是否正常。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于STM32的冷軋管機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了主電機(jī)和回轉(zhuǎn)送進(jìn)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程的監(jiān)控以及電壓、電流等數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。操作人員可以用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)電機(jī)設(shè)備的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)查看、打印電機(jī)運(yùn)行狀況波形圖等，大大提高了冷軋管機(jī)中電機(jī)設(shè)備監(jiān)控測(cè)量的安全保證和自動(dòng)化水平。

［1］林秀華.冷軋管機(jī)回轉(zhuǎn)送進(jìn)機(jī)構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用［J］.中國(guó)金屬通報(bào)，2011（32）.

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2095－6835（2019）07－0134－02

TG333.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.134

惠運(yùn)東（1993—），男，主要研究方向?yàn)榧蓽y(cè)控技術(shù)。

〔編輯：張思楠〕