冷轧管机监控系统的设计

惠运东



冷轧管机监控系统的设计

惠运东

（东南大学，江苏 南京 210000）

冷轧管材因其优异的性能在工业技术领域中被广泛应用，而冷轧管机的性能直接影响着管坯轧制的性能。为了使冷轧管机朝着高速度、高精度、高效率、高自动化的方向发展，设计采用以STM32为核心的控制器实现对冷轧管机中直流电机的控制，主电机以及回转/送进电机的电枢电流、励磁电压、励磁电流等则通过RS485与上位机通信，向上位机传送监控数据，最终能够实现监控冷轧管机的目的。

冷轧管机监控；STM32；RS485；上位机

冷轧管机是一种周期性工作的机械装置，它的主要特点是在轧制过程中，工作机架连同上下轧辊由曲柄连杆机械带动，让管坯以滚动的方式前行，利用金属的弹性变形实现钢管的轧制，使管坯在芯棒的减径和定径段上产生轧制变形。传统的冷轧管机监控需要操作工在现场监控其运行状态，然而操作现场环境差，操作工作量大，操作工易失误，对设备具体问题排查不清楚及现场环境复杂危险等问题都影响着管坯轧制的性能。本项目基于通信技术，实现冷轧管机的监控，并能监测电机的运行状态。

1 系统整体设计

整个系统主要包括监控器、上位机模块、手机功能模块等。监控系统完成对主电机以及回转/送进电机的模拟信号采集，监控运行状态以及向上位机和手机传送监控数据。系统设计总体框图如图1所示。

图1 系统设计总体框图

图1中深灰色控制柜中增加监控器，装在回/送控制器电路板上方，监控信号为电压电流信号，主电机和回转送进电机的励磁电压、励磁电流、电枢电压，电枢电流信号通过霍尔器件转换为标准信号，通过差动输入，作为监控器的输入信号，当主电机或者回转送进电机有异常时，监控器接收到采集的信号，输出信号控制电机的工作，通过RS485可以连接现场多台冷轧管机，通过上位机监测机器的工作状态，也可以通过蓝牙连接手机进行监测。

冷轧管机中的主电机和回转送进机在一定时间内从静止开始启动加速，在控制算法计算出的制动时刻采取制动操作，另外根据现场的应用需求，完善其功能，使其性能稳定、操作方便、使用人性化。监控系统的设计功能如下。

1.1 模拟信号

主电机的励磁电流为0～50 V（100 Hz波动直流），励磁电压为0～300 V（100 Hz脉动直流），电枢电压为0～500 V，且有毛刺直流，电枢电流为0～500 V（300 Hz波动直流）。以上信号均采用霍尔电压传感器、霍尔电流传感器变换为0～25 mA、0～50 mA、0～100 mA电流或0～4 V电压信号。原控制器均已配置各信号测量传感器，监控器借用已有传感器信号，不再增设传感器，既节约成本又不影响原有设备的器件安装结构。工作电源采用工频交流电220 V±10%.监控器信号输入端采用差动输入结构，克服共模电路干扰，也便于信号连接。

1.2 输入输出

控制器能够读取外部“联动信号”“运行/停止”“快进/倒退”“前进限位”等操作的开关信号，对主电机以及回转/送进电机进行监控。

1.3 信号测量

要能够实时监测主电机的刚开始启动时的励磁以及电枢电压、电流关系、运行转速，还可以监控回转电机和送进电机启动、旋转、制动，保证电机的参数在安全范围内，实现安全生产。

1.4 液晶显示

实现整机运行状态记录，显示系统的各项参数和运行状态，比如启停时间、轧制次数、主电机功率和能耗、回转电机和送进电机功率和能耗。

1.5 数据存储

通过存储的分析监控数据与冷轧管机整机状态的关系，探讨冷轧管机整机状态的方法。

1.6 报警处理

当系统异常时，比如电枢电压过高、电枢电流过大、励磁失磁、电源错误等，主电机、回转电机和送进电机就需要保护，需要迅速给电机停止供电，并制动电机报警。

1.7 通信

RS485与上位机通信，单片机串口接蓝牙模块构成蓝牙接口与手机通信，向上位机和手机传送监控数据。

2 监控器硬件设计

监控器的硬件设计中，根据功能实现的不同设计了多个不同的模块，各个模块之间分工明确又相互依赖，可以协调地完成工作。这样既提高了系统的效率，同时也有利于后期系统的调试。根据设计方案，系统的硬件结构图如图2所示。

图2 监控器硬件结构图

微控制器模块是整个系统的核心，本课题选用STM32（STM32F103C6T8）作为系统的微控制器，该器件具有高精度、低成本、功耗小、高性能等特点，再辅以外围电路，共同构成微处理器模块。控制器系统的输入模块包括模拟信号的采集和开关信号的采集，模拟信号的采集需要将所有信号转换为0～4 V电压信号，这就需要使用霍尔电压传感器，当信号经过霍尔传感器隔离之后，再经过适当的缩放和滤波，就可以交由A/D转换芯片进行A/D转换，开关信号的采集使用光电隔离。控制器系统的输出模块包括开关信号的输出和声光报警输出，信号输出主要是将控制器经过计算得到的信号按照其控制要求，转换为可以控制开关管开通或者关断的信号，经过一定的隔离措施，达到对电机的控制。RS485接口和蓝牙接口模块实现与上位机通信，观测记录的数据，蓝牙接口与手机设备连接，监控电机的运行状态。

3 监控器软件设计

冷轧管机监控系统的软件设计选取以STM32系列单片机为核心的处理器模块设计，设计主程序完成系统的初始化、功能模块的初始化、I/O口的初始化、系统变量的初始化等。还应包括中断服务子程序，比如A/D采样、定时器周期中断、CPU计算任务、故障保护中断等。

具体实现方案包含：基于STM32微处理器开发平台，设计主程序；编写各功能模块驱动程序；搭建通信模块的软件平台，进行业务代码编写与调试；进行数据采集、存储与处理的软件代码调试。

4 上位机软件设计与开发

上位机功能开发实现电机的实时监控和数据存储分析。本系统设计完成嵌入式系统通信接口设计，实现设备监控系统与上位机的通信，实现设备运行状态监控和数据采集存储，同时通过RS485与上位机通信，在PC端显示存储的数据。上位机软件是利用软件开发平台Lab VIEW协助开发。基于Lab VIEW 的开发平台开发的电机监控系统可以实现的功能主要包括人机交互式系统的设计、串口数据的采集与分析、电机调速命令的下行传送、报表的生成与打印等。

利用Lab VIEW 模块化的设计开发的上位机监控软件具有很强的稳定性和可靠性，可以实现电机参数配置、数据存储、实时显示等多项功能。电机监控系统板中可以显示采集存储的电机电压电流信号，根据波形判断电机的运行过程是否正常。

5 结束语

基于STM32的冷轧管机监控系统，实现了主电机和回转送进电机运行过程的监控以及电压、电流等数据的存储。操作人员可以用上位机实现电机设备的监测和数据查看、打印电机运行状况波形图等，大大提高了冷轧管机中电机设备监控测量的安全保证和自动化水平。

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2095－6835（2019）07－0134－02

TG333.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.134

惠运东（1993—），男，主要研究方向为集成测控技术。

〔编辑：张思楠〕