冷轧管机监控系统的数据管理设计.pdf

冷轧管材因其优越的特性在许多领域起着重要的作用咱1暂袁而冷轧管机则被广泛应用于冷轧管材的生产之中遥 但是部分冷轧管机效率非常低袁机械故障率也比较高袁甚至有效工作系数处于 0.5 左右袁生产成本居高不下遥 虽然近些年的轧机有着相对较高的效率袁但在轧制过程中袁整体的故障率依旧很高袁对轧机的维修工作量也十分巨大袁增加了成本咱2暂遥 同时袁原先的工程设计并没有考虑到对回转送进电机数据的记录袁导致数据无法获取袁阻碍了对电机运行状态的分析研究袁 当冷轧管机出现趋向故障状况时袁技术人员也并不能及时得知并采取措施袁等到故障停机就会产生更大的设备损失袁降低了生产效率和产品质量遥需要为冷轧管机开发一套监控系统袁 实时监控电机的运行状态袁利用故障检测算法对电机数据进行分析袁能够尽早地发现电机的异常状态并通知技术人员袁 异常数据的记录也将有利于技术人员快速地进行故障定位和维修袁极大降低生产成本咱3暂遥为了实现对冷轧管机电机数据的管理袁 本文提出一种基于监控器和管理器的冷轧管机监控系统数据采集和存储的软件设计方案遥1整体结构设计本文所设计的冷轧管机监控系统主要由两个部分组成院监控器和管理器遥监控器向下连接电控柜袁用以采集冷轧管机电机的电压电流数据袁 一个监控器负责一台冷轧管机袁 向上通过CAN 总线连接管理器袁 用以把处理好的电机数据发送给管理器遥 管理器向下连接监控器袁一个管理器负责多个监控器袁向上通过以太网连接 PC 机袁接收 PC 机的指令遥 冷轧管机监控系统总体结构设计如图 1 所示袁箭头方向代表着主要数据的流向遥监控器的主要功能是高速采集电机数据信号袁 将电机数据进行简单处理后通过 CAN 总线发送给管理器遥监控器的功能实现是基于 STM32F103 芯片的单片机程序袁 硬件结构主要模块由供电模块尧信号调理采集模块尧CAN 通信模块组成遥管理器的主要功能是通过 CAN 总线接收电机数据袁将数据进行存储袁以便后续的电机故障检测操作遥管理器的功能实现是基于 IMX6ULL 芯片的 Linux 应用程序袁硬件结构主要模块由供电模块尧以太网通信模块尧CAN 通信模块组成遥2监控器软件设计监控器的整体软件设计如图 2 所示袁 主程序主要负责模块初始化和电机数据的发送袁 外部中断主要负责对电机运行状态的获取袁定时中断主要负责对实时电机数据的读取和处理遥2.1 AD 采样过程冷轧管机电机工作的励磁回路使用的是单相桥式半控整流电路袁输出的励磁电压电流波动频率为正常交流电的两倍袁周期为 10 ms曰电枢回路使用的是三相桥式全控整流电路袁输出的电枢电压电流波动频率为正常交流电的六倍袁周期为 3.33 ms遥 为了准确地获取冷轧管机的电机信号袁 需要在一个信号周期内尽可能多地采样袁因此本文采样间隔选取为 200 滋s袁相当于一个电枢信号周期可以采样 16 到 17 个点袁 满足对信号准确获取的要求遥STM32F103 芯片有着两个 12 bit 精度的 ADC 转换器袁每冷轧管机监控系统的数据管理设计Data Management Design of Monitoring System for Cold Rolling Mill傅天羽符影杰渊东南大学自动化学院袁江苏 南京 210096冤摘要院冷轧管在许多领域应用广泛袁通过驱动电机的电压电流信号能够监控冷轧管机的工作过程及其健康状态袁为生产管理和设备维护提供有力的保障遥 针对由监控器和管理器所组成的冷轧管机监控系统袁提出了一种详细的数据管理的软件设计实现方案遥 监控器对冷轧管机电机信号进行 AD 采样袁数据处理封装后通过 CAN 总线发送给管理器袁管理器接收CAN 信息并将解析出来的电机数据存储到 SQLite 数据库中遥 此数据管理设计方案将会为接下来的故障预测算法提供大量尧可靠的电机数据来源袁有助于技术人员快速掌握冷轧管机的故障情况袁提高冷轧管机生产与设备管理的效率遥关键词院冷轧管机曰CAN总线曰SQLite曰数据管理Abstract:Cold rolled pipe is widely used in many fields.The working process and health state of cold rolling mill canbe monitored by the voltage and current signal of driving motor,which provides strong guarantee for production manage鄄ment and equipment maintenance.Aiming at the monitoring system of cold rolling mill composed of monitor and manager,a detailed data management software design is proposed in this paper.The monitor samples the motor signal of the coldrolling mill,and sends the data to the manager through CAN bus after data processing and data packaging.The managerreceives the CAN information and stores the motor data into the SQLite database.This data management design will pro鄄vide a large number of reliable motor data for the following fault prediction algorithm,which will help technicians to quicklygrasp the fault situation of cold rolling mill,improve the production and equipment efficiency.Keywords:cold rolling mill,CAN bus,SQLite,data management图 1冷轧管机监控系统总体结构设计图冷轧管机监控系统的数据管理设计4叶工业控制计算机曳圆园圆3 年第 猿6 卷第 8 期个 ADC 转换器还拥有着 16 个外部通道袁 单次 ADC 转换时间不超过 18 滋s袁能够满足冷轧管机 200 滋s 采集一组数据的技术要求咱4暂遥同时袁使用 TLE2022 低功耗运算放大器芯片来组建差动放大电路进行信号调理袁 对于输入的电机信号进行共模干扰抑制袁提高测量的精度遥AD 采样过程的软件设计采用了双 ADC 连续转换 DMA 存储方法袁如图 3 所示遥 监控器需要采集冷轧管机主电机尧回转电机和送进电机各自的励磁电流尧电枢电压和电枢电流信号袁一共为 9 路信号遥 由于双 ADC 转换器同时进行信号转换袁因此每个转换器只需要转换 5 路信号袁将 5 路信号为一组进行转换袁多余一路信号废弃袁一组信号总共的转换所需时间约为 80 滋s遥 为了保证电枢电压和电枢电流信号匹配袁将它们置于不同 ADC 转换器中进行同时转换袁因此本文 AD 采样的顺序为袁ADC 转换器 1依次转换废弃信号尧主电机电枢电压信号尧回转电机电枢电流信号尧回转电机励磁电流信号尧送进电机电枢电压信号曰ADC 转换器 2 依次转换主电机励磁电流信号尧主电机电枢电流信号尧回转电机电枢电压信号尧送进电机励磁电流信号尧送进电机电枢电流信号遥 程序中配置 ADC12 为 ADC 同步规则模式袁扫描转换模式为多通道模式袁开启连续转换模式袁转换触发条件为软件内部触发袁设置 ADC 转换数据向右对齐袁转换通道数目为 5 个袁并且校准转换器遥 最终袁只需要软件设置 ADC1 使能袁双 ADC 就会同时开启连续转换袁不断地采集电机信号遥由于电机数据采集频率较高袁 常规的软件轮询转换结果再将数据存储会极大地降低效率袁 本文采用 DMA 的方式直接将转换结果送入内存中袁软件直接从内存中读取最新电机数据遥配置 DMA1袁 将 DMA1 的外设基地址设置为 ADC1 的 DR 寄存器袁内存基地址设置为自定义的内存数组的地址袁由于 ADC2 的DR 寄存器地址比正处于 ADC1 的 DR 寄存器地址高 16 位袁因此内存数据宽度设置为 32 bit 可以直接获取到双 ADC 的转换数据袁数据传输方向为内存读取袁缓存大小为 5袁外设地址不变袁内存地址递增袁工作在循环缓存模式遥 设置一个周期为 200 滋s的定时器袁 在定时中断处理过程中对电机数据数组进行读取保存袁并计算 20 ms 的均值进行保存袁这些保存数据将通过 CAN总线发送给管理器遥2.2 CAN 通信过程冷轧管机现场环境比较复杂袁干扰噪声较多袁同时多个监控器对管理器的数据发送量是很大的袁 因此需要一种抗干扰性能好袁通信速度快袁并且支持多对一的通信方式袁CAN 通信很好地满足了这些条件遥 CAN 总线以双绞线方式传输袁并且传输信号为差分信号袁保证了通信的可靠性袁STM32F103 的 CAN 总线通信支持最高速度可达 1 Mbit/s袁 保证了通信的实时性袁CAN 总线通过设置显隐性电平和总线竞争机制袁 让总线上同一时间只会存在一个设备在发送数据袁其他设备处于接收状态袁掩码的存在也使得接收数据设备不需要对所有帧 ID 保持接收袁保证了通信的有序性和效率咱5暂遥本文主要使用 CAN 总线的标准数据帧进行通信袁并且对帧内容进行合理切分袁 保证管理器可以根据此格式读取到对应数据遥 CAN 总线的标准数据帧的 ID 长度为 11 bit袁处于仲裁段的高 11 bit 位置袁设置管理器的 ID 地址为 0 x100袁监控器 ID 地址为 0 x101袁若有多个监控器则地址依次递增遥 数据段最大长度为64 bit袁需要可以传输 9 路信号的 20 ms 均值数据尧回转送进电机的电枢实时数据和运行状态遥 将数据段如图 4 进行切分袁前12 bit 为电机专属 ID袁每个电机有着自己唯一的 ID曰后面 4 bit为数据标志位袁bit3 为 1 表示发送的信息为电机实时数据渊数据段长度为 64 bit冤袁bit2 为 1 表示发送送进电机的励磁电流尧电枢电压和电枢电流均值数据渊数据段长度为 64 bit冤或者回转送进开门信号状态 渊数据段长度为 16 bit冤袁bit1 为 1 表示发送回图 2监控器软件设计图图 3双路 ADC 连续转换 DMA 存储过程图图 4CAN 数据帧切分信息图5转电机的励磁电流尧电枢电压和电枢电流均值数据渊数据段长度为 64 bit冤或者冷轧管机关闭信号状态渊数据段长度为 16 bit冤袁bit0 为 1 表示发送主电机的励磁电流尧 电枢电压和电枢电流均值数据渊数据段长度为 64 bit冤或者冷轧管机运行信号状态渊数据段长度为 16 bit冤袁 每一帧中数据标志位的 4 bit 有且仅有一个 bit 为 1遥 发送均值数据的帧数据段中后 48 bit 数据依次为16 bit 励磁电流数据袁16 bit 电枢电压数据和 16 bit 电枢电流数据袁 发送实时数据的帧数据段中后 48 bit 数据依次为 12 bit回转电机电枢电压数据袁12 bit 回转电机电枢电流数据袁12 bit送进电机电枢电压数据和 12 bit 送进电机电枢电流数据遥程序中配置 CAN 控制器袁设置 CAN 模式为正常模式袁通信速率为 500 Kb/s袁设置 ID 地址为 0 x101袁掩码设为全部开启袁使能 32 位过滤器袁数据保存至 FIFO遥配置 CAN 接收中断袁中断过程中读取 FIFO 中数据并清空 FIFO遥 CAN 数据的发送将在程序主循环中实现袁 主循环过程会根据外部信号的变化发送对应电机运行状态袁 并且根据定时中断处理完毕电机数据后所设置的发送标志袁来对应地发送需要发送的电机数据袁所有过程都是单片机程序自主运行袁不需要管理器进行额外的控制遥3管理器软件设计管理器的主应用程序软件设计如图 5 所示袁主应用程序主要负责分析 CAN 通信数据并将电机数据合理存储到 SQLite 数据库遥 此外袁还有 CAN 设备驱动主要负责获取 CAN 通信信息并将数据上传给主应用程序袁SQLite 驱动程序主要负责根据主应用程序的指令完成对 SQLite 数据库的操作遥3.1 CAN 通信过程管理器作为 CAN 总线信息接收端也需要相应的程序设计袁 由于管理器上运行的是嵌入式 Linux 系统袁因此需要配置 CAN 通信的Linux 驱动袁 并且编写 CAN数据切分识别的 Linux 应用程序遥 管理器使用 TJA1050作为 CAN 收发器袁 并且提供了 120 赘 的匹配电阻遥CAN 设备驱动的配置首先需要配置设备树袁设备树是一种硬件数据结构袁Linux 系统通过设备树获取到管理器的设备信息咱6暂遥在 CAN 设备节点下配置 TX 和 RX 两个引脚的电气属性袁 然后配置各种设备节点信息院兼容性名称尧寄存器地址和长度尧中断号尧外设时钟尧默认状态等等遥 在 Linux 内核编译的可视化操作界面中使能 CAN 总线 CAN bus subsystem support 和外设驱动 support for Freescale FLEXCAN based chips袁最后进行内核编译遥 编译完成后的 Linux 系统将会识别到设备树中的CAN 设备节点后袁自动挂载 CAN 设备驱动遥 由于 Linux 系统中把 CAN 总线接口设备作为网络进行统一管理袁 将会产生一个CAN 对应的网卡接口袁 应用程序也将通过这个接口获取 CAN通信数据遥Linux 应用程序需要完成 CAN 数据的接收和 CAN 数据的识别遥首先是数据接收袁程序需要创建一个 CAN 的套接字袁然后设置套接字的信息并将套接字和 CAN 接口绑定袁 设置 CAN 通信过滤规则后袁开启无限制的对 CAN 信息的监听袁当收到 CAN总线信息时袁数据就会从套接字中被读取到遥 而 CAN 数据的识别即按照图 4 的切分规则袁 根据标志位计算出所发送的电机数据袁最终存储到 SQLite 数据库中遥3.2 SQLite 存储过程SQLite 数据库具有轻型尧便捷尧占用空间小等特点袁并且SQLite 数据库内嵌在一个 C 库当中袁需要时可以直接进行模块调用遥 SQLite 数据库向外提供了统一的 C 语言接口袁只需要按照规则调用接口就可以便捷地实现对数据库数据的增删改查操作咱7暂遥SQLite 数据库首先通过编译 C 库的方式安装到嵌入式Linux 系统中袁 然后如图 6 所示对表进行设计创建遥 主要分为 3 种表院电机状态表尧电机数据表和详细数据表遥 电机状态表依次存储了冷轧管机设备编号尧 状态记录和记录时间戳袁 其主要用于查看各冷轧管机的运行情况尧 运行时间和开门次数遥 电机数据表依次存储了电机类型号尧励磁电流尧电枢电压尧电枢电流和记录时间戳袁 其主要用于对大量电机均值数据的存储袁 用于以后的故障分析遥 详细数据表依次存储了回转电机电枢电压尧 回转电机电枢电流尧 送进电机电枢电压和送进电机电枢电流袁 其主要用于记录故障易发的两类电机的实时数据袁便于故障发生后的数据回溯分析遥 时间戳额外配置了 DEFAULT CUR鄄RENT_TIMESTAMP 属性袁 当添加表数据并且时间戳缺省时袁系统会默认添加 Linux 系统的当前时间戳遥Linux 应用程序执行 SQLite 操作十分便捷袁 首先通过SQLite 提供的 C 语言接口打开数据库袁然后过程中把获取到的电机数据进行处理袁将电机数据整合为一句 SQL 语句袁然后通过接口执行 SQL 语句并获取表结果袁最后释放表结果就完成了一次 SQLite 操作遥4结束语设计冷轧管机监控系统的最终目的是帮助技术人员及时发现冷轧管机异常袁降低故障带来的生产损失遥本文提出了一种基于监控器和管理器的冷轧管机电机数据管理的软件设计方案袁监控器将冷轧管机主电机和回转送进电机的励磁电流尧 电枢电压和电枢电流采样袁把电机数据通过 CAN 总线发送到管理器中进行处理和 SQLite 存储遥 此软件设计方案可为后续对冷轧管机电机故障预测提供数据支撑袁 通过大数据训练的网络模型将会对当前冷轧管机运行状态进行综合评估袁 对可能出现危险的冷轧管机提早警告技术人员进行故障排查袁 以提高电机工作寿命和降低管材生产成本遥参考文献咱1暂白连海袁朱旭.我国冷轧管设备工艺技术的发展咱J暂.钢管袁2012渊8冤院2-5渊下转第 员园 页冤图 5管理器软件设计图图 6SQLite 数据库表设计冷轧管机监控系统的数据管理设计6控制系统中各类资源的关键组件袁 屏蔽硬件差异并为上层应用软件提供底层服务遥内核运行在保护模式下袁负责控制所有用户进程对底层硬件渊CPU尧内存尧磁盘尧网卡冤和软件的功能访问遥内核主要采用系统调用渊SYSCALL冤的方式袁向上层应用提供功能调用接口遥2冤驱动层院主要为各类设备提供驱动程序遥麒麟操作系统进行设备适配袁保证设备驱动能够在操作系统上正常加载袁并为设备分配系统资源袁完成设备的初始化袁实现设备在服务器上的基本功能遥3冤函数库层院对系统调用进行封装袁以库文件的形式提供访问接口袁使用户态程序能够方便地进行系统调用袁从而提高程序开发效率袁保障应用程序稳定运行咱5暂遥4冤系统服务层院系统运行时可根据需要对外提供远程连接尧系统对时尧文件共享尧动态 IP 地址分配等各项功能袁以满足不同应用场景下对系统各类服务的需求遥5冤支撑层院可选择性集成各类开发工具袁包括图形化 IDE 开发环境尧工具链尧开发项目管理工具尧编程环境尧网络编程工具尧数据库编程工具尧构造工具等袁以提供满足实际应用环境的上层软件支持遥6冤应用层院基于操作系统基本功能可按需部署各类系统级应用程序袁以满足不同用户对不同应用的需求遥3.3 管理软件设计服务器管理软件可方便用户了解当前整机的工作状态袁如各模块的电流尧电压尧功耗尧温度等袁以便对整机的健康状态进行实时的监测袁并能通过 KVM Over IP 及媒体重定向实现对服务器的远程操作及监控管理遥同时预留系统管理接口袁为整个机房或上层系统管理提供接口咱6暂遥服务器管理软件设计从下到上分为五个层次院硬件接口层尧内核层尧驱动层尧支撑层和应用层袁如图 11 所示遥管理软件设计的各层次主要作用如下院1冤硬件接口层院用于硬件连接袁如I2C设备连接尧IPMB尧LAN等遥2冤内核层院采用精简的 Linux 系统内核袁实现基本的系统控制功能袁为驱动层尧支撑层及应用层提供基本的调度处理及核心管控遥3冤驱动层院主要为硬件驱动部分袁如 I2C 驱动尧GPIO 驱动尧USB 驱动等遥 I2C 驱动用于完成对 IPMB 总线的访问曰GPIO 驱动用于完成对逻辑的控制曰USB 驱动用于完成鼠标尧 键盘输入和实现虚拟媒体技术遥4冤支撑层院主要包含各类协议栈支撑袁如 IPMI 协议尧RPC协议等袁用于管理软件与固件间的信息交互遥 VGA 服务完成对采集的 VGA 数据的压缩封包功能袁同时提供外部用户端的远程显示的连接曰USB 服务用于完成远程用户端鼠标尧 键盘输入和虚拟媒体技术遥5冤应用层院主要包含 Web 服务及 SNMP 服务袁其中 Web服务以网络方式对外提供管理软件的应用界面曰SNMP 服务用于提供基于 SNMP 的系统应用接入遥4结束语本文对基于国产飞腾腾云 S2500 处理器的四路服务器袁从硬件设计尧软件设计两个层面进行了模块化尧层次化的阐述袁给出了服务器关键软硬件模块的设计方案袁 方案中提及的架构设计尧 模块设计思路可直接或间接地应用于其他国产处理器的服务器设计中袁根据实际设计需要进行适当调整即可遥本文的论述可为国产自主可控多路服务器的设计提供技术借鉴袁 以加快多路服务器设备国产化进程遥参考文献咱1暂刘静涛袁林志文袁刘超.军事大数据建设研究与思考咱C暂/第十届中国指挥控制大会论文集.北京院兵器工业出版社袁2022院329-333咱2暂方建滨袁杜琦袁唐滔袁等.飞腾处理器与商用处理器性能比较咱J暂.计算机工程与科学袁2019袁41渊1冤院1-8咱3暂董杰明.浅谈多处理器片上系统高性能总线互联关键技术探究咱J暂.装备制造袁2014渊S1冤院57-58咱4暂刘茗中袁朱香佳袁颜世佳袁等.基于国产处理器的服务器设计咱J暂.信息通信袁2020渊7冤院75-77咱5暂肖健袁郑超袁郭冰袁等.基于银河麒麟操作系统的文件共享设计与实现咱J暂.科学技术创新袁2022渊17冤院85-88咱6暂朱建培.浅谈 BMC 管理系统在国产平台服务器中的运用分析咱J暂.中国设备工程袁2021渊8冤院62-63咱收稿日期院圆园圆圆-12-26暂图 10操作系统设计框图图 11管理软件设计框图一种基于国产处理器的高性能四路服务器设计方案渊上接第 远 页冤咱2暂阎雪峰袁闫菲菲袁周红兵袁等.我国冷轧管机的现状及发展趋势咱J暂.重型机械袁2010渊3冤院1-7咱3暂凌健袁符影杰.冷轧管机监控管理器的设计与实现咱J暂.工业控制计算机袁2021袁34渊2冤院11-13咱4暂郭书军.ARM Cortex-M3 系统设计与实现院STM32 基础篇咱M暂.北京院电子工业出版社袁2018咱5暂许弘毅袁刘国民袁莎日娜.基于 CAN 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