惠運東

?

冷軋管機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

惠運東

（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，而冷軋管機的性能直接影響著管坯軋制的性能。為了使冷軋管機朝著高速度、高精度、高效率、高自動化的方向發(fā)展，設(shè)計采用以STM32為核心的控制器實現(xiàn)對冷軋管機中直流電機的控制，主電機以及回轉(zhuǎn)/送進電機的電樞電流、勵磁電壓、勵磁電流等則通過RS485與上位機通信，向上位機傳送監(jiān)控數(shù)據(jù)，最終能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控冷軋管機的目的。

冷軋管機監(jiān)控；STM32；RS485；上位機

冷軋管機是一種周期性工作的機械裝置，它的主要特點是在軋制過程中，工作機架連同上下軋輥由曲柄連桿機械帶動，讓管坯以滾動的方式前行，利用金屬的彈性變形實現(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)的冷軋管機監(jiān)控需要操作工在現(xiàn)場監(jiān)控其運行狀態(tài)，然而操作現(xiàn)場環(huán)境差，操作工作量大，操作工易失誤，對設(shè)備具體問題排查不清楚及現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜危險等問題都影響著管坯軋制的性能。本項目基于通信技術(shù)，實現(xiàn)冷軋管機的監(jiān)控，并能監(jiān)測電機的運行狀態(tài)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

整個系統(tǒng)主要包括監(jiān)控器、上位機模塊、手機功能模塊等。監(jiān)控系統(tǒng)完成對主電機以及回轉(zhuǎn)/送進電機的模擬信號采集，監(jiān)控運行狀態(tài)以及向上位機和手機傳送監(jiān)控數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計總體框圖

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)控信號為電壓電流信號，主電機和回轉(zhuǎn)送進電機的勵磁電壓、勵磁電流、電樞電壓，電樞電流信號通過霍爾器件轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號，通過差動輸入，作為監(jiān)控器的輸入信號，當(dāng)主電機或者回轉(zhuǎn)送進電機有異常時，監(jiān)控器接收到采集的信號，輸出信號控制電機的工作，通過RS485可以連接現(xiàn)場多臺冷軋管機，通過上位機監(jiān)測機器的工作狀態(tài)，也可以通過藍牙連接手機進行監(jiān)測。

冷軋管機中的主電機和回轉(zhuǎn)送進機在一定時間內(nèi)從靜止開始啟動加速，在控制算法計算出的制動時刻采取制動操作，另外根據(jù)現(xiàn)場的應(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)計功能如下。

1.1 模擬信號

主電機的勵磁電流為0～50 V（100 Hz波動直流），勵磁電壓為0～300 V（100 Hz脈動直流），電樞電壓為0～500 V，且有毛刺直流，電樞電流為0～500 V（300 Hz波動直流）。以上信號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。原控制器均已配置各信號測量傳感器，監(jiān)控器借用已有傳感器信號，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)控器信號輸入端采用差動輸入結(jié)構(gòu)，克服共模電路干擾，也便于信號連接。

1.2 輸入輸出

控制器能夠讀取外部“聯(lián)動信號”“運行/停止”“快進/倒退”“前進限位”等操作的開關(guān)信號，對主電機以及回轉(zhuǎn)/送進電機進行監(jiān)控。

1.3 信號測量

要能夠?qū)崟r監(jiān)測主電機的剛開始啟動時的勵磁以及電樞電壓、電流關(guān)系、運行轉(zhuǎn)速，還可以監(jiān)控回轉(zhuǎn)電機和送進電機啟動、旋轉(zhuǎn)、制動，保證電機的參數(shù)在安全范圍內(nèi)，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。

1.4 液晶顯示

實現(xiàn)整機運行狀態(tài)記錄，顯示系統(tǒng)的各項參數(shù)和運行狀態(tài)，比如啟停時間、軋制次數(shù)、主電機功率和能耗、回轉(zhuǎn)電機和送進電機功率和能耗。

1.5 數(shù)據(jù)存儲

通過存儲的分析監(jiān)控數(shù)據(jù)與冷軋管機整機狀態(tài)的關(guān)系，探討冷軋管機整機狀態(tài)的方法。

1.6 報警處理

當(dāng)系統(tǒng)異常時，比如電樞電壓過高、電樞電流過大、勵磁失磁、電源錯誤等，主電機、回轉(zhuǎn)電機和送進電機就需要保護，需要迅速給電機停止供電，并制動電機報警。

1.7 通信

RS485與上位機通信，單片機串口接藍牙模塊構(gòu)成藍牙接口與手機通信，向上位機和手機傳送監(jiān)控數(shù)據(jù)。

2 監(jiān)控器硬件設(shè)計

監(jiān)控器的硬件設(shè)計中，根據(jù)功能實現(xiàn)的不同設(shè)計了多個不同的模塊，各個模塊之間分工明確又相互依賴，可以協(xié)調(diào)地完成工作。這樣既提高了系統(tǒng)的效率，同時也有利于后期系統(tǒng)的調(diào)試。根據(jù)設(shè)計方案，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，再輔以外圍電路，共同構(gòu)成微處理器模塊?？刂破飨到y(tǒng)的輸入模塊包括模擬信號的采集和開關(guān)信號的采集，模擬信號的采集需要將所有信號轉(zhuǎn)換為0～4 V電壓信號，這就需要使用霍爾電壓傳感器，當(dāng)信號經(jīng)過霍爾傳感器隔離之后，再經(jīng)過適當(dāng)?shù)目s放和濾波，就可以交由A/D轉(zhuǎn)換芯片進行A/D轉(zhuǎn)換，開關(guān)信號的采集使用光電隔離?？刂破飨到y(tǒng)的輸出模塊包括開關(guān)信號的輸出和聲光報警輸出，信號輸出主要是將控制器經(jīng)過計算得到的信號按照其控制要求，轉(zhuǎn)換為可以控制開關(guān)管開通或者關(guān)斷的信號，經(jīng)過一定的隔離措施，達到對電機的控制。RS485接口和藍牙接口模塊實現(xiàn)與上位機通信，觀測記錄的數(shù)據(jù)，藍牙接口與手機設(shè)備連接，監(jiān)控電機的運行狀態(tài)。

3 監(jiān)控器軟件設(shè)計

冷軋管機監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計選取以STM32系列單片機為核心的處理器模塊設(shè)計，設(shè)計主程序完成系統(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、定時器周期中斷、CPU計算任務(wù)、故障保護中斷等。

具體實現(xiàn)方案包含：基于STM32微處理器開發(fā)平臺，設(shè)計主程序；編寫各功能模塊驅(qū)動程序；搭建通信模塊的軟件平臺，進行業(yè)務(wù)代碼編寫與調(diào)試；進行數(shù)據(jù)采集、存儲與處理的軟件代碼調(diào)試。

4 上位機軟件設(shè)計與開發(fā)

上位機功能開發(fā)實現(xiàn)電機的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲分析。本系統(tǒng)設(shè)計完成嵌入式系統(tǒng)通信接口設(shè)計，實現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)與上位機的通信，實現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集存儲，同時通過RS485與上位機通信，在PC端顯示存儲的數(shù)據(jù)。上位機軟件是利用軟件開發(fā)平臺Lab VIEW協(xié)助開發(fā)。基于Lab VIEW 的開發(fā)平臺開發(fā)的電機監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)的功能主要包括人機交互式系統(tǒng)的設(shè)計、串口數(shù)據(jù)的采集與分析、電機調(diào)速命令的下行傳送、報表的生成與打印等。

利用Lab VIEW 模塊化的設(shè)計開發(fā)的上位機監(jiān)控軟件具有很強的穩(wěn)定性和可靠性，可以實現(xiàn)電機參數(shù)配置、數(shù)據(jù)存儲、實時顯示等多項功能。電機監(jiān)控系統(tǒng)板中可以顯示采集存儲的電機電壓電流信號，根據(jù)波形判斷電機的運行過程是否正常。

5 結(jié)束語

基于STM32的冷軋管機監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了主電機和回轉(zhuǎn)送進電機運行過程的監(jiān)控以及電壓、電流等數(shù)據(jù)的存儲。操作人員可以用上位機實現(xiàn)電機設(shè)備的監(jiān)測和數(shù)據(jù)查看、打印電機運行狀況波形圖等，大大提高了冷軋管機中電機設(shè)備監(jiān)控測量的安全保證和自動化水平。

［1］林秀華.冷軋管機回轉(zhuǎn)送進機構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用［J］.中國金屬通報，2011（32）.

［2］余松科，方方，黃洪全.基于STM32的直流電機驅(qū)動器設(shè)計［J］.自動化與儀器儀表，2015（03）：30-34.

［3］王志新，羅文廣.電機控制技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

［4］張晞，曾迪暉.基于STM32的無刷直流電機控制系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2013（11）.

2095－6835（2019）07－0134－02

TG333.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.134

惠運東（1993—），男，主要研究方向為集成測控技術(shù)。

〔編輯：張思楠〕