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冷軋管機監(jiān)控系統的設計

惠運東

（東南大學，江蘇 南京 210000）

冷軋管材因其優(yōu)異的性能在工業(yè)技術領域中被廣泛應用，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，設計采用以STM32為核心的控制器實現對冷軋管機中直流電機的控制，主電機以及回轉/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)控數據，最終能夠實現監(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鋼管的軋制，使管坯在芯棒的減徑和定徑段上產生軋制變形。傳統的冷軋管機監(jiān)控需要操作工在現場監(jiān)控其運行狀態(tài)，然而操作現場環(huán)境差，操作工作量大，操作工易失誤，對設備具體問題排查不清楚及現場環(huán)境復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，實現冷軋管機的監(jiān)控，并能監(jiān)測電機的運行狀態(tài)。

1 系統整體設計

整個系統主要包括監(jiān)控器、上位機模塊、手機功能模塊等。監(jiān)控系統完成對主電機以及回轉/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)控數據。系統設計總體框圖如圖1所示。

圖1 系統設計總體框圖

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換為標準信號，通過差動輸入，作為監(jiān)控器的輸入信號，當主電機或者回轉送進電機有異常時，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送進機在一定時間內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，另外根據現場的應用需求，完善其功能，使其性能穩(wěn)定、操作方便、使用人性化。監(jiān)控系統的設計功能如下。

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，不再增設傳感器，既節(jié)約成本又不影響原有設備的器件安裝結構。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構，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“聯動信號”“運行/停止”“快進/倒退”“前進限位”等操作的開關信號，對主電機以及回轉/送進電機進行監(jiān)控。

1.3 信號測量

要能夠實時監(jiān)測主電機的剛開始啟動時的勵磁以及電樞電壓、電流關系、運行轉速，還可以監(jiān)控回轉電機和送進電機啟動、旋轉、制動，保證電機的參數在安全范圍內，實現安全生產。

1.4 液晶顯示

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

1.5 數據存儲

通過存儲的分析監(jiān)控數據與冷軋管機整機狀態(tài)的關系，探討冷軋管機整機狀態(tài)的方法。

1.6 報警處理

當系統異常時，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成藍牙接口與手機通信，向上位機和手機傳送監(jiān)控數據。

2 監(jiān)控器硬件設計

監(jiān)控器的硬件設計中，根據功能實現的不同設計了多個不同的模塊，各個模塊之間分工明確又相互依賴，可以協調地完成工作。這樣既提高了系統的效率，同時也有利于后期系統的調試。根據設計方案，系統的硬件結構圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)控器硬件結構圖

微控制器模塊是整個系統的核心，本課題選用STM32（STM32F103C6T8）作為系統的微控制器，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，共同構成微處理器模塊?？刂破飨到y的輸入模塊包括模擬信號的采集和開關信號的采集，模擬信號的采集需要將所有信號轉換為0～4 V電壓信號，這就需要使用霍爾電壓傳感器，當信號經過霍爾傳感器隔離之后，再經過適當的縮放和濾波，就可以交由A/D轉換芯片進行A/D轉換，開關信號的采集使用光電隔離?？刂破飨到y的輸出模塊包括開關信號的輸出和聲光報警輸出，信號輸出主要是將控制器經過計算得到的信號按照其控制要求，轉換為可以控制開關管開通或者關斷的信號，經過一定的隔離措施，達到對電機的控制。RS485接口和藍牙接口模塊實現與上位機通信，觀測記錄的數據，藍牙接口與手機設備連接，監(jiān)控電機的運行狀態(tài)。

3 監(jiān)控器軟件設計

冷軋管機監(jiān)控系統的軟件設計選取以STM32系列單片機為核心的處理器模塊設計，設計主程序完成系統的初始化、功能模塊的初始化、I/O口的初始化、系統變量的初始化等。還應包括中斷服務子程序，比如A/D采樣、定時器周期中斷、CPU計算任務、故障保護中斷等。

具體實現方案包含：基于STM32微處理器開發(fā)平臺，設計主程序；編寫各功能模塊驅動程序；搭建通信模塊的軟件平臺，進行業(yè)務代碼編寫與調試；進行數據采集、存儲與處理的軟件代碼調試。

4 上位機軟件設計與開發(fā)

上位機功能開發(fā)實現電機的實時監(jiān)控和數據存儲分析。本系統設計完成嵌入式系統通信接口設計，實現設備監(jiān)控系統與上位機的通信，實現設備運行狀態(tài)監(jiān)控和數據采集存儲，同時通過RS485與上位機通信，在PC端顯示存儲的數據。上位機軟件是利用軟件開發(fā)平臺Lab VIEW協助開發(fā)?；贚ab VIEW 的開發(fā)平臺開發(fā)的電機監(jiān)控系統可以實現的功能主要包括人機交互式系統的設計、串口數據的采集與分析、電機調速命令的下行傳送、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，可以實現電機參數配置、數據存儲、實時顯示等多項功能。電機監(jiān)控系統板中可以顯示采集存儲的電機電壓電流信號，根據波形判斷電機的運行過程是否正常。

5 結束語

基于STM32的冷軋管機監(jiān)控系統，實現了主電機和回轉送進電機運行過程的監(jiān)控以及電壓、電流等數據的存儲。操作人員可以用上位機實現電機設備的監(jiān)測和數據查看、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備監(jiān)控測量的安全保證和自動化水平。

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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。

〔編輯：張思楠〕