Апаратна частина системи моніторингу параметрів руху механізму хитання

The paper presents the development and experimental investigation of a multi-node measurement system for monitoring the oscillatory motion parameters of the mold in continuous casting machines. Ensuring stable oscillation program is crucial for slab solid shell formation, reduction of surface defect...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2025
Hauptverfasser:	Lastovetskii, Oleksii, Yemets, Oleksandr, Chuprykov, Serhii, Bondarenko, Oleksandr
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainisch
Veröffentlicht:	PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2025
Schlagworte:	механізм хитання кристалізатор безперервна розливка MEMS акселерометр гіроскоп мікроконтролер моніторинг параметрів руху інтерфейс RS-485
Online Zugang:	https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.3-4.56
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Technology and design in electronic equipment
Завантажити файл:

Institution

Technology and design in electronic equipment

_version_	1867569669502664704
author	Lastovetskii, Oleksii Yemets, Oleksandr Chuprykov, Serhii Bondarenko, Oleksandr
author_facet	Lastovetskii, Oleksii Yemets, Oleksandr Chuprykov, Serhii Bondarenko, Oleksandr
author_institution_txt_mv	[ { "author": "Oleksii Lastovetskii", "institution": "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Ukraine" }, { "author": "Oleksandr Yemets", "institution": "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Ukraine" }, { "author": "Serhii Chuprykov", "institution": "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Ukraine" }, { "author": "Oleksandr Bondarenko", "institution": "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Ukraine" } ]
author_sort	Lastovetskii, Oleksii
baseUrl_str	https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/oai
collection	OJS
datestamp_date	2026-06-09T12:16:05Z
description	The paper presents the development and experimental investigation of a multi-node measurement system for monitoring the oscillatory motion parameters of the mold in continuous casting machines. Ensuring stable oscillation program is crucial for slab solid shell formation, reduction of surface defects and prevention of surface breakout accidents. However, the known monitoring solutions based on discrete displacement or vibration sensors are often bulky, expensive, limited in the number of measurement points and difficult to integrate into existing equipment. The aim of the work is to increase the effectiveness of monitoring the mold oscillation mode by using compact MEMS inertial sensors integrated into a distributed microcontroller system with a robust industrial communication interface.The proposed system includes four sensor nodes based on STM32F3 microcontrollers with built-in digital MEMS accelerometer and gyroscope and a central master module on STM32F0, interconnected via an RS-485 bus. Each sensor node performs synchronous acquisition of three-axis linear acceleration and angular rate at a sampling frequency of 100 Hz and transmits the measured data frames to the master, which aggregates them and forwards to a PC in CSV format for further analysis. The paper describes the hardware architecture of the nodes, the structure of the RS-485 communication protocol with synchronization frames and checksums, and the basic algorithms of firmware implementation.Experimental tests on a laboratory stand confirmed stable operation of the developed system at 100 Hz with simultaneous data acquisition from four measurement points, sufficient bandwidth of the communication channel and correct reconstruction of inertial signals for typical oscillation modes. The developed technical solutions can be used as the basis of an industrial complex for monitoring the oscillation of the mold of a continuous casting machine, in particular of a digital twin of the mold; for studying the oscillatory movements of mechanisms on other productions; as well as a training and research stand for delivering courses in measures and control systems.
doi_str_mv	10.15222/TKEA2025.3-4.56
first_indexed	2026-03-25T02:00:22Z
format	Article
fulltext	Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 3 – 456 ISSN 3083-6530 (Print) ISSN 3083-6549 (Online) 1 МІКРОПРОЦЕСОРНІ ПРИСТРОЇ ТА СИСТЕМИ УДК 004.62: 681.586 АПАРАТНА ЧАСТИНА СИСТЕМИ МОНІТОРИНГУ ПАРАМЕТРІВ РУХУ МЕХАНІЗМУ ХИТАННЯ На сучасних промислових виробництвах безпе- рервно зростають вимоги до характеристик техноло- гічного обладнання, зокрема його надійності та керо- ваності. Запровадження постійного моніторингу та автоматизованого регулювання виробничих процесів у реальному часі, використання “цифрових двійни- ків” технологічних об’єктів є обов’язковими складо- вими переходу до концепції «Промисловість 4.0»[1]. Для металургійних виробництв, де відхилення параметрів руху окремих механізмів безпосередньо впливають на якість продукції, ресурс технологіч- них вузлів та безпеку експлуатації агрегатів, органі- зація постійного моніторингу технологічних проце- сів є критично важливою. Одним із ключових процесів сучасного металур- гійного виробництва є безперервне лиття заготовок, у межах якого реалізується фазовий перехід металу з рідкого стану в твердий [2] – [4]. В забезпеченні пра- вильного затвердіння поверхневого шару злитку та запобіганні утворенню поверхневих та внутрішніх дефектів надзвичайно важливою є роль кристаліза- тора — частини машини безперервного лиття загото- вок (МБЛЗ) [5] – [7]. Конструктивно він складається з чотирьох масивних плит, розташованих вертикаль- но по периметру рами кристалізатора, які формують його стінки. Саме тут відбувається початкова криста- лізація поверхні металевого злитку (рис. 1). Сучасні кристалізатори слябових МБЛЗ дозволяють змінюва- ти ширину заготовки безпосередньо в процесі лиття завдяки переміщенню вузьких стінок гідравлічними приводами. Запобігти прилипанню утворюваної ско- ринки металу до стінок дозволяє спеціальний меха- нізм, який забезпечує безперервне хитання криста- лізатора, задаючи періодичні коливання спеціальної Розроблено багатовузлову систему вимірювання коливальних рухів кристалізатора машини безперервного лиття заготовок на основі мікроконтролерів STM32 з MEMS-акселерометрами та MEMS-гіроскопами. Для обміну даними між вузлами застосовано інтерфейс RS-485, а синхронізоване опитування давачів здійснюється з частотою 100 Гц. Створений прототип системи забезпечує реєстрацію прискорень і кутових швидкостей у форматі, придатному для інженерної обробки. Отримані рішення можуть бути використані для моніторингу хитання кристалізатора, дослі- дження коливальних процесів у різних виробничих механізмах, створення бази даних для побудови “цифрового двійни- ка” та як навчально-дослідний стенд. Ключові слова: механізм хитання, кристалізатор, безперервна розливка, MEMS, акселерометр, гіроскоп, мікрокон- тролер, моніторинг параметрів руху, інтерфейс RS-485. форми вздовж технологічної осі МБЛЗ. Відхилення амплітуди, частоти та форми коливань кристалізато- ра від регламентованих значень, поява додаткових ві- брацій, люфтів або перекосів призводить до зростан- ня кількості бракованих заготовок, підвищеного зно- су механізмів, а також ризику тривалих зупинок ви- робництва через серйозні аварії, пов’язані з прори- вом оболонки формованого злитку та розливом роз- плавленого металу. Тому своєчасне виявлення змін параметрів руху кристалізатора є надважливим за- вданням його технічної діагностики [2] – [7]. DOI: 10.15222/TKEA2025.3-4.56 Олексій ЛАСТОВЕЦЬКИЙ, Олександр ЄМЕЦЬ, Сергій ЧУПРИКОВ, Олександр БОНДАРЕНКО Україна, м. Київ, КПІ ім. Ігоря Сікорського E-mail: bondarenkoaf@gmail.com Рідка сталь Сталерозливний ківш Проміжний ківш Занурене розливальне сопло Кристалізатор Рідка фаза Витягувальні ролики Кристалізована оболонка Металургійна довжина Точка різання Сляб Рис. 1. Структура машини безперервного лиття заготовок Обприскування охолоджувальними рідинами Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 3 – 4 57ISSN 3083-6530 (Print) ISSN 3083-6549 (Online) 2 МІКРОПРОЦЕСОРНІ ПРИСТРОЇ ТА СИСТЕМИ Традиційні засоби контролю руху кристалізатора в металургійних установках ґрунтуються переважно на застосуванні окремих давачів переміщення, тен- зометричних, індуктивних давачів або віброперетво- рювачів у вибраних точках механізму хитання. Такі системи мають значні габарити, потребують складної кабельної інфраструктури, здатні забезпечувати ви- мірювання в обмеженій кількості точок, причому за- звичай це лише епізодичні вимірювання під час сер- вісної зупинки технологічного циклу. Спеціалізовані вібродіагностичні комплекси для МБЛЗ виробляють- ся закордонними компаніями, є достатньо коштовни- ми, мають закриту схемотехніку та програмне забез- печення, до того ж потребують участі закордонних спеціалістів для їх адаптації під конкретне металур- гійне обладнання, інтеграції в наявні системи керу- вання та періодичного сервісного обслуговування [8], [9]. Все це стримує широке впровадження повноцін- ного моніторингу стану металургійного обладнання. Перспективним підходом до розв’язання задач мо- ніторингу руху кристалізатора є використання мікро- електромеханічних систем (МЕМS) [8] – [10] — ма- логабаритних акселерометрів і гіро скопів, інтегрова- них у мікроконтролерні платформи. MEMS-давачі ха- рактеризуються малими розмірами, низьким енергос- поживанням, достатнім частотним діапазоном і мож- ливістю безпосередньої інтеграції в цифрові системи, тому очікується, що поєднання їх з мікроконтролера- ми та промисловими інтерфейсами дозволить ство- рити ефективні багатовузлові вимірювальні мережі з широким функціоналом, придатні для роботи в умо- вах металургійного виробництва. Метою цієї роботи є розробка прототипу багато- вузлового вимірювального комплексу для постійного моніторингу параметрів коливального руху криста- лізатора машини безперервного лиття заготовок на основі сучасних MEMS-давачів, мікроконтролерних вузлів і промислових інтерфейсів. В перспективі він може стати основою для створення цифрового “двій- ника” кристалізатора — його цифрової моделі, засно- ваної на значному масиві даних, отриманих у ході ви- мірювань низки показників стану реального об’єкта. Використання такого “двійника” дозволить ефектив- но прогнозувати та оптимізувати роботу системи. Закон коливального руху кристалізатора МБЛЗ Відомо, що основні умови формування структури металу та поверхні заготовки в процесі роботи МБЛЗ визначаються характером зворотно-поступального руху кристалізатора [2] – [7], який задається систе- мою керування механізмом хитання [9]. Базовим законом, що використовується для мате- матичного опису коливального руху кристалізатора, є синусоїдальний закон. Втім, дослідження впливу за- кону коливання кристалізатора на якість металевих заготовок, показали, що застосування закону руху з певним коефіцієнтом несинусоїдальності (рис. 2) до- зволяє покращити якість заготовок, зокрема зменши- ти глибину поверхневих слідів хитання приблизно на 30% [2]. Такий закон хитання описується виразом:         1 1 2 2 ωsin , 0; ; 2 ω πcos , ; ; 2 2 ω 2π πcos , ; , 2 m m m tX t t k t kx t X t t t k t kX t t T k                                    (1) де Xm — амплітуда коливання; k — коефіцієнт несинусоїдальності; T — період коливань; ω — кутова частота; t1, t2 — межі часових інтервалів, t1 = kT / 2; t2 = T – t1. Перевага несинусоїдального закону коливань кристалізатора над гармонійним полягає у розшире- них можливостях керування кінематичними параме- трами процесу. На відміну від синусоїдальної траєк- торії, за якої швидкісні характеристики руху криста- лізатора є жорстко визначеними формою гармоніч- ного сигналу, несинусоїдальний режим дозволяє ре- гулювати швидкість руху незалежно на окремих ді- лянках циклу. Це забезпечує цілеспрямоване форму- вання періоду негативного ковзання Tn (negative strip time), зокрема його збільшення, без необхідності під- вищення амплітуди або зниження частоти коливань. У результаті оптимізуються умови контакту між обо- лонкою зливка та стінками кристалізатора, зменшен- ня сил тертя, покращення умов змащування шлако- вою плівкою та зниження ризику виникнення аварій- них ситуацій типу “прилипання” (sticker breakout) [2]. Крім того, несинусоїдальний режим сприяє змен- шенню глибини осциляційних міток і, відповідно, підвищенню якості поверхні заготовки. Важливою перевагою є також можливість адаптації параметрів хитання до змін швидкості розливання та техноло- гічних умов без порушення стабільності процесу. Рис. 2. Синусоїдальний (1) та несинусоїдальний (2) закони руху кристалізатора 1 2 2 1 0 –1 –2 Зм іщ ен ня , м м 0 0,1 0,2 0,3 0,4 Час, с t2 t1 Xm Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 3 – 458 ISSN 3083-6530 (Print) ISSN 3083-6549 (Online) 3 МІКРОПРОЦЕСОРНІ ПРИСТРОЇ ТА СИСТЕМИ На рис. 3 наведено залежність швидкості верти- кального руху кристалізатора від часу протягом одно- го циклу його коливання. Горизонтальна лінія, позна- чена як Vc, відповідає швидкості витягування (швид- кості безперервного лиття) заготовки, тобто швидко- сті її переміщення вниз із кристалізатора. Порівняння миттєвої швидкості кристалізатора з цією величиною дозволяє оцінити характер їхнього відносного руху в різні фази циклу. Зокрема, форма закону коливань визначає, в які інтервали часу кристалізатор руха- ється швидше або повільніше за заготовку, що без- посередньо впливає на умови контакту між оболон- кою злитка та стінками кристалізатора. Теоретичний крок слідів хитання Р (oscillation marks) визначається співвідношенням між швидкі- стю лиття Vc та частотою f коливань кристалізатора: P = Vc / f. (2) Заштрихована область на графіку відповідає інтер- валу негативного ковзання Tn, протягом якого крис- талізатор рухається вниз зі швидкістю, що переви- щує швидкість витягування заготовки. У цей період відбувається відносне розвантаження контакту між оболонкою та стінкою кристалізатора, формується мастильний зазор, заповнений шлаковою плівкою, що зменшує сили тертя та запобігає прилипанню. Повний період коливань Tt характеризує тривалість одного циклу руху та визначає частоту роботи меха- нізму хитання. Вимірювальні системи для контролю режиму хитання кристалізатора У сучасних МБЛЗ для контролю режиму хитан- ня кристалізатора застосовуються як вбудовані за- соби вимірювання в складі систем керування, так і спеціалізовані автономні вимірювальні комплекси. Найпоширенішими є системи, в яких використову- Рис. 3. Зміна швидкості вертикального руху кристалізатора у часі при синусоїдальному 1 та несинусоїдальному 2 (ступінь відхилення α = 24%) законах відносно швидкості витягування Vc = 1,45 м/хв 1 2 60 40 20 0 –20 – 40 – 60 Ш ви дк іс ть , м м/ c 0 0,1 0,2 0,3 0,4 Час, с Tn Vc Tt ються давачі переміщення або акселерометричні пе- ретворювачі. Розглянемо декілька прикладів. Промислову систему контролю параметрів хитан- ня Mould Oscillation Measuring System KS473/KHM побудовано на п’єзоелектричному акселерометрі, що забезпечує високу точність визначення переміщен- ня кристалізатора (не менш ніж ±0,1 мм) інтегру- ванням сигналів прискорення. Конструктивне вико- нання давача дозволяє проводити вимірювання як на холо стому ходу МБЛЗ, так і безпосередньо під час лиття. Втім за допомогою системи KS473/KHM мож- на контролювати рух лише в одній точці, що є істот- ним недоліком, оскільки це унеможливлює оціню- вання перекосів, крутильних коливань та просторо- вої неоднорідності руху кристалізатора. Більш розвиненим рішенням є промислова систе- ма SIMETAL OsciMon (Siemens), призначена для ви- сокоточного моніторингу режиму хитання кристалі- затора. В ній використовується чотири тривісні ак- селерометри, розміщені по кутах столу хитання, що дозволяє одночасно реєструвати рух у кількох точках. SIMETAL OsciMon забезпечує високу повторюва- ність і стабільність вимірювань та інтегрується у за- гальну систему автоматизації МБЛЗ. Недоліком сис- теми є закритість інформації щодо типу застосова- них давачів, алгоритмів обробки сигналів і формату вихідних даних, що не дозволяє розширювати функ- ціонал системи, адаптувати її під потреби конкрет- ного виробництва на місці, використовувати отрима- ні дані для розробки й удосконалення власних алго- ритмів керування. Аналогічну концепцію реалізовано у портатив- ній системі KT400 FieldMOMS з чотирма тривісними акселерометрами для контролю параметрів хитання кристалізатора. Система орієнтована на сервісні та діагностичні вимірювання та дозволяє швидко отри- мати інформацію про амплітуду та частоту коливань. Разом з тим, FieldMOMS є автономним закритим рі- шенням, яке не передбачає прямої інтеграції у кон- тури керування та не забезпечує доступу до первин- них вимірюваних даних у зручному для подальшої обробки вигляді. Окрему групу становлять стаціонарні системи, що інтегруються безпосередньо в гідравлічні або електромеханічні приводи механізму хитання. Такі рішення передбачають контроль руху за допомогою давачів положення штоків або елементів приводу, а не безпосередньо кристалізатора. Це обмежує ін- формативність вимірювань, оскільки реальний рух кри сталізатора може відрізнятися від розрахунково- го через люфти, пружні деформації та зношування механізмів. Короткий опис особливостей, переваг та недоліків усіх згаданих систем наведено в табл. 1. Таким чином, аналіз існуючих систем показує, що частина з них забезпечує вимірювання в обме- женій кількості точок, а решта є закритими промис- Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 3 – 4 59ISSN 3083-6530 (Print) ISSN 3083-6549 (Online) 4 МІКРОПРОЦЕСОРНІ ПРИСТРОЇ ТА СИСТЕМИ Таблиця 1 Порівняння існуючих систем контролю руху кристалізатора МБЛЗ та запропонованої системи Система Вимірювані параметри; кількість точок контролю Тип давачів Основні переваги Основні недоліки / обмеження KS473/KHM Прискорення, переміщення (після інтегрування); 1 точка П’єзоелектричний акселерометр Висока точність у контрольній точці, можливість вимірювань під час лиття Контроль лише в одній точці, неможливість оцінки перекосів і крутильних коливань, обмежена інформативність SIMETAL OsciMon (Siemens) Прискорення, частотні характеристики руху; 4 точки (по кутах кристалізатора) Тривісні акселерометри Комплексний контроль руху, промислова надійність, інтеграція з АСУ ТП Закрита архітектура, відсутність доступу до первинних даних, обмежені можливості адаптації алгоритмів KT400 FieldMOMS Прискорення, параметри хитання; 4 точки Тривісні акселерометри Портативність, швидке розгортання, зручність сервісних вимірювань Орієнтація на періодичні вимірювання, відсутність інтеграції в контури керування, закритий формат даних Стаціонарні системи на базі давачів положення приводу Переміщення елементів приводу; 1–2 точки Індуктивні / лінійні давачі Простота реалізації, надійність у жорстких умовах Непрямий спосіб вимірювання параметрів руху кристалізатора, низька чутливість до паразитних коливань Пропонована багатовузлова система Лінійні прискорення та кутові швидкості кристалізатора; 4 і більше точок (масштабується) MEMS- акселерометри та MEMS-гіроскопи Просторово-розподілений контроль, пряме вимірювання крутильних складових, первинна обробка на вузлах, відкрита архітектура, завадостійкий інтерфейс RS-485 Необхідність калібрування MEMS-давачів, необхідність розроблення та супроводу власного програмного забезпечення ловими рішеннями з обмеженим доступом до вимі- рюваних даних. Жодна з розглянутих систем не за- безпечує одночасну реєстрацію необхідного набору інерційних параметрів руху (лінійні прискорення та кутові швидкості) у кількох просторово рознесених точках та не має відкритої архітектури, придатної для гнучкої інтеграції в системи керування, яка б надава- ла можливості для розширення функціоналу та роз- витку алгоритмів керування. Очевидно, що це зумов- лює необхідність розроблення системи безперервно- го моніторингу руху кристалізатора МБЛЗ з високою точні стю вимірювання, широкими функціональними можливостями та відкритою архітектурою. Вимоги до системи моніторингу руху кристалізатора МБЛЗ Як вже було зазначено, відхилення фактичного закону руху кристалізатора МБЛЗ від заданого, по- ява паразитних коливань або зміна амплітуди й час- тоти коливань безпосередньо впливають на форму- вання тонкої твердої оболонки заготовки й підви- щують ризик утворення тріщин та проривів металу. Характерною особливістю процесу хитання є низь- ка частота (близько 1 – 3 Гц) та малі амплітуди пере- міщення кристалізатора (кілька міліметрів), що ви- суває підвищені вимоги до чутливості й роздільної здатності вимірювальних каналів. Аналіз режимів хитання кристалізатора МБЛЗ, а також можливостей та обмежень існуючих вимірю- вальних систем дозволяє сформулювати основні ви- моги до побудови нової системи моніторингу. 1) Система має забезпечувати безпосередній контроль просторового руху кристалізатора, а не лише приводу. Для цього інформаційними величи- нами мають бути тривимірні лінійні прискорення в кількох характерних точках і кутові швидкості, що дозволяють виявляти перекоси, асиметрію наванта- ження та паразитні коливання. Ці дані мають дозво- лити обчислити переміщення, амплітуду й форму тра- єкторій, а також показники, прямо пов’язані з техно- логічними критеріями (час та індекс випередження, глибина слідів хитання). 2) Вимірювальні канали мають бути достатньо чутливими у низькочастотному діапазоні 1–3 Гц при амплітудах переміщення в межах кількох міліметрів. Це означає необхідність забезпечення діапазону вимі- рювання прискорень на рівні кількох g із роздільною здатністю, що дозволяє надійно реєструвати малі змі- ни сигналу, а також робочої смуги частот, яка охоплює не лише основну частоту коливань, а й кілька вищих Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 3 – 460 ISSN 3083-6530 (Print) ISSN 3083-6549 (Online) 5 МІКРОПРОЦЕСОРНІ ПРИСТРОЇ ТА СИСТЕМИ гармонік та можливі паразитні коливання. Частота дискретизації має забезпечувати коректне відтво- рення цих процесів із запасом для подальшого ана- лізу (фільтрація, інтегрування, спектральний аналіз). 3) Система має бути багатовузловою. Розміщення кількох сенсорних вузлів на елементах механізму хи- тання або по кутах кристалізатора дозволить оціню- вати розподіл переміщень за довжиною, виявляти пе- рекоси та нерівномірність роботи окремих опор. На відміну від одноточкових систем типу KS473/KHM, це дозволить перейти від локальних вимірювань до просторової картини руху, що суттєво підвищує ін- формативність діагностики. 4) Оскільки кінцевою метою розробки вимірю- вальної системи є її застосування в реальних вироб- ничих процесах, необхідно забезпечити компактність її сенсорних вузлів, мінімальний вплив їхньої маси на динаміку механізму, стійкість до вібрацій, електро- магнітних завад і температурних коливань, а також можливість тривалого функціонування системи без складного обслуговування. Саме через ці вимоги є до- цільним використання сучасних MEMS-інерційних давачів у поєднанні з мікроконтролерними вузлами. 5) Для централізованого збору даних від кіль- кох вузлів потрібен завадостійкий цифровий канал зв’язку, здатний забезпечити передачу потоків вимі- рювальної інформації в реальному часі на задану від- стань від кристалізатора (або лабораторного стенда) до центрального вузла. Лінія зв’язку має працюва- ти у середовищі з підвищеним рівнем електричних завад, мати резерв пропускної здатності для можли- вості збільшення кількості сенсорних вузлів і не на- кладати жорстких обмежень на топологію розміщен- ня обладнання. 6) З огляду на перспективу масштабування, архі- тектура системи має бути відкритою, що дозволить змінювати кількість вузлів, типи давачів та алгорит- ми обробки даних без повної перебудови апаратної частини. У лабораторних умовах це забезпечує гнуч- кість при проведенні експериментів, а в промисло- вих — можливість поетапного впровадження з ура- хуванням особливостей конкретних МБЛЗ. Наведені вимоги визначають рамки для подальшої розробки структури апаратної частини вимірюваль- ної системи та її програмного забезпечення. Прототип системи моніторингу На рис. 4 показано структуру розробленої бага- товузлової системи моніторингу параметрів коли- вального руху кристалізатора МБЛЗ. Система має центральний вузол, побудований на мікроконтро- лерній платі STM32 Nucleo64 (STM32F030) [11], та чотири вимірювальні вузли на базі плат STM32F3 DISCOVERY [12] із вбудованими цифровими MEMS- акселерометром [13] та гіроскопом [14]. Центральний вузол виконує функції синхронізації роботи вимірю- вальних вузлів, збору та агрегації даних, а також пе- редавання результатів на персональний комп’ютер. Вимірювальні вузли встановлюються на площині плити кристалізатора і здійснюють безпосередній інерційний контроль руху в локальних точках сто- лу хитання. Кожен вимірювальний вузол містить мікрокон- тролер STM32F3, цифровий MEMS-акселерометр LSM303DLHC і MEMS-гіроскоп L3GD20, з’єднані зі своїм мікроконтролером інтерфейсами I²C та SPI від- повідно. Акселерометр забезпечує зняття тривимір- них сигналів лінійного прискорення, а гіроскоп ре- єструє значення кутової швидкості в точці встанов- лення вузла. Мікроконтролер виконує синхронізо- ване опитування давачів із частотою 100 Гц, формує пакет даних щодо відповідного вимірювального вуз- ла (дані з акселерометра: ax, ay, az; дані з гіро скопа: gx, gy, gz) і передає його лінією зв’язку до централь- ного вузла. Така організація процесу системи вимі- рювання дозволяє виконувати первинну цифрову об- робку даних безпосередньо “на борту” кожного ви- мірювального вузла та зменшити навантаження на центральний вузол. Частота дискретизації вимірювальної систе- ми була обрана рівною 100 Гц (період вимірюван- ня 10 мс) з урахуванням динамічних характеристик контрольованого механізму та обмежень апаратної платформи. Механізми хитання технологічного обладнання, як правило, мають низькочастотний характер руху, де основні гармоніки коливань знаходяться в діапа- зоні приблизно 1 – 3 Гц. Згідно з теоремою дискре- тизації (критерій Найквіста), для коректного відтво- рення сигналу частота дискретизації має бути при- наймні вдвічі більшою за максимальну частоту сиг- налу. Відповідно, обрана частота 100 Гц значно пере- вищує цю мінімальну вимогу та забезпечує: • достатню часову роздільну здатність для фікса- ції швидких змін прискорення та кутової швидкості; • коректне відтворення динаміки коливальних процесів; • можливість подальшої цифрової фільтрації та аналізу сигналів. Крім того, така частота є компромісом між точні- стю вимірювання та обсягом переданих даних, оскільки при використанні чотирьох вимірювальних вузлів збільшення частоти дискретизації суттєво під- вищує навантаження на канал зв’язку RS-485 та об- числювальні ресурси мікроконтролерів. Обмін даними між центральним та вимірювальни- ми вузлами здійснюється за допомогою промислово- го диференційного інтерфейсу RS-485 [9]. В кожно- му вузлі використано окремий трансивер MAX485, що узгоджує несиметричні сигнали UART мікро- контролера з диференційною шиною A/B. Фізичне з’єднання реалізовано за допомогою кабелів типу “вита пара” з роз’ємами RJ-45, причому основна лі- нія формує послідовне під’єднання вузлів, а відга- Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 3 – 4 61ISSN 3083-6530 (Print) ISSN 3083-6549 (Online) 6 МІКРОПРОЦЕСОРНІ ПРИСТРОЇ ТА СИСТЕМИ луження до плат зроблені максимально короткими для зменшення відбиттів та завад. Така конфігура- ція забезпечує завадо стійкий обмін даними та мож- ливість масштабування кількості вузлів без істотних змін структури системи. Центральний вузол отримує дані від усіх вимірю- вальних вузлів, виконує контроль цілісності кадрів, узгодження за номером такту та формує агрегований рядок вимірювальної інформації для кожного періо- ду дискретизації. На персональний комп’ютер дані передаються через віртуальний послідовний порт (USB–UART), де виміряні значення записуються у форматі CSV. Такий формат є зручним для подальшої обробки та візуалізації у середовищах Excel, Python тощо і дозволяє без додаткових перетворень викори- стовувати дані для аналізу режиму хитання та побу- дови інженерних діагностичних критеріїв. Протокол обміну даними та пропускна здатність Підвищення інформативності системи вимірюван- ня пов’язане не лише з вибором елементної бази, а й з організацією обміну даними між вузлами. У роз- робленому комплексі реалізовано спеціалізований протокол на базі інтерфейсу RS-485, який забезпе- чує синхронізоване опитування чотирьох вимірю- вальних вузлів з частотою 100 Гц, ідентифікацію ка- дрів за номером такту та контроль цілісності переда- ної інформації. Структуру кадру синхронізації та ви- мірювального кадру DATA, а також склад полів заго- ловка, корисних даних та контрольної суми наведе- но на рис. 5. Кожен кадр містить службовий префікс, ідентифікатор вузла, номер такту опитування, масив із шести 16-розрядних компонент (ax, ay, az, gx, gy, gz) та байт простої контрольної суми за схемою XOR. Обмін побудовано за принципом «ведучий – ве- дений» із жорсткою часовою прив’язкою до періо- ду дискретизації 10 мс. Центральний вузол у кож- ному такті формує кадр SYNC із черговим номе- ром послідовності та розсилає його шиною RS-485. Прийнявши SYNC, усі вимірювальні вузли одночасно зчитують дані з MEMS-акселерометра та гіроскопа, формують локальний буфер вимірювання і готують- ся до передавання. Далі реалізовано варіант із часо- вими слотами: кожен вузол має власне “вікно” пере- давання в межах 10-міллісекундного періоду, зсуну те Поверхня кристалізатора Вимірювальний вузол 1 Вимірювальний вузол 2 Центральний вузол Вимірювальний вузол 3 Вимірювальний вузол 4 TX RX DE VCC TX RX DE VCC TX RX DE VCC TX RX DE VCC TX RX DE VCC MAX485MAX485 MAX485 MAX485 MAX485 STMF303 Discovery STMF303 Discovery STMF303 Discovery STMF303 Discovery STMF303 Discovery Шина RS-485 B A B A B A B A B A USB PC Рис. 4. Структурна схема вимірювальної частини 0×AA 0×F0 SEQ CRC8 REQ SYNC DATA ax, ay, az, qx, qy, qz (6×int16) 0×A2 0×55 ID SEQ CRC8 0×A1 0×5A ID SEQ CRC8 Рис. 5. Структура кадрів протоколу обміну в системі вимірювання Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 3 – 462 ISSN 3083-6530 (Print) ISSN 3083-6549 (Online) 7 МІКРОПРОЦЕСОРНІ ПРИСТРОЇ ТА СИСТЕМИ на фіксовану затримку відносно моменту завершен- ня кадру SYNC. Завдяки керуванню лінією DE тран- сивера MAX485 ведучий та ведені вузли по черзі за- ймають шину, не створюючи колізій. У табл. 2 наведено значення довжини кадрів SYNC та DATA у байтах, необхідні для розсилання одного кадру SYNC та приймання чотирьох кадрів DATA протягом одного такту опитування. Для об- ґрунтування вибору швидкості обміну та кілько сті вузлів було розраховано пропускну здатність кана- лу зв’язку. Для загального випадку кількість байтів, що пе- редається за один цикл опитування за числа вузлів N, можна представити як    ,cycle SYNC REQ DATAL N L N L L   (3) де LSYNC, LREQ, LDATA — довжина відповідних кадрів у байтах (див. табл. 2). У поточній реалізації системи число вузлів N = 4. Тоді обсяг даних за один цикл опитування Lcycle = 4 + 4 ∙ (5 +17) = 92 байт. (4) Частота опитування вузлів вибрана fs = 100 Гц (пе- ріод T = 10 мс), що узгоджується з частотою дискре- тизації акселерометра та гіроскопа [13], [14]. Тоді се- редня швидкість передавання даних RB = Lcycle fs = 9200 байт/c. (5) Передавання по UART реалізується у форматі «8N1» (1 старт-біт, 8 інформаційних бітів, 1 стоп- біт), тобто на кожен байт припадає 10 бітів лінійної швидкості. Відповідно, необхідна бітова швидкість на шині RS-485 дорівнює Rbit = RB ∙ 10 = 92000 біт/c. (6) Отже, на фізичному рівні мінімально достатня швидкість обміну має бути не меншою за Rbit. Для врахування технологічних пауз між кадрами, про- грамних затримок та можливих повторних переда- вань доцільно закласти запас щонайменше 20%. Тоді розрахункова мінімальна швидкість становитиме Rmin = 1,2 Rbit ≈ 110400 біт/c. (7) Найближчою стандартною швидкістю UART є 115200 біт/с, яка формально забезпечує необхід- ну пропускну здатність, але залишає невеликий за- пас по часу. З урахуванням можливих переривань, додаткової обробки та перспективи розширення Таблиця 2 Структура кадрів протоколу обміну в системі вимірювання Тип кадру Поле Позначення Розмір, байт Призначення SYNC Префікс 1 0×AA 1 Перший байт префікса, ідентифікує кадр як службовий Префікс 2 0×F0 1 Другий байт префікса, розрізнення типу кадру (SYNC) Номер вимірювання SEQ 1 Лічильник циклу вимірювання, спільний для всіх вузлів Контрольна сума CRC8 1 Контроль цілісності кадру (XOR усіх поперед- ніх байтів) Разом для SYNC 4 REQ Префікс 1 0×A2 1 Перший байт префікса, службовий кадр запиту Префікс 2 0×55 1 Другий байт префікса, розрізнення типу кадру (REQ) Ідентифікатор вузла ID 1 Адреса вимірювального вузла, до якого зверта- ється “майстер” Номер вимірювання SEQ 1 Значення лічильника циклу, одержане в кадрі SYNC Контрольна сума CRC8 1 Контроль цілісності кадру Разом для REQ 5 DATA Префікс 1 0×A1 1 Перший байт префікса, службовий кадр даних Префікс 2 0×5A 1 Другий байт префікса, розрізнення типу кадру (DATA) Ідентифікатор вузла ID 1 Адреса вузла, від якого надійшли дані Номер вимірювання SEQ 1 Номер вимірювального циклу, з яким пов’язано ці дані Дані акселерометра та гіроскопа ax, ay, az, gx, gy, gz 12 Шість компонентів вимірювань, кожен як int16 (2 байти) Контрольна сума CRC8 1 Контроль цілісності кадру Разом для DATA 17    ,cycle SYNC REQ DATAL N L N L L   Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 3 – 4 63ISSN 3083-6530 (Print) ISSN 3083-6549 (Online) 8 МІКРОПРОЦЕСОРНІ ПРИСТРОЇ ТА СИСТЕМИ системи обрано швидкість обміну шиною RS-485 Rline = 230400 біт/с. Тривалість одного циклу переда- вання на шині при такій швидкості можна оцінити як ( ) 10 92 10 4 . 230400 cycle cycle line line L T мс R       (8) Оскільки період опитування становить 10 мс, ре- альна “зайнятість” лінії не перевищує 40%: ( ) 4 0,4. 10 cycle lineT k T    (9) Це забезпечує значний часовий резерв для вико- нання обчислень на вузлах, можливих повторних пе- редавань кадрів у разі помилок та потенційного збіль- шення кількості вузлів або розміру корисних даних у майбутніх модифікаціях системи. Згідно з результатами розрахунків, сумарний час зайнятості шини становить менше половини періо- ду дискретизації 10 мс, що забезпечує достатній ча- совий запас для обробки переривань, внутрішнього зчитування даних із сенсорів та можливого подаль- шого ускладнення протоколу (наприклад, перехо- ду до схеми опитування типу SYNC → REQ/RESP). У програмній реалізації центрального вузла пе- редбачено побайтовий парсер кадрів, який за сигна- турою заголовка виділяє окремі вимірювальні пові- домлення, перевіряє коректність контрольної суми та збіг номера такту. Дані від вузлів з ідентифікатора- ми 1…4 записуються в агрегувальну структуру, після чого формуються рядки у форматі CSV для переда- вання на персональний комп’ютер. У разі відсутно сті кадру від окремого вузла до встановленого дедлай- ну в поточному такті відповідні поля заповнюються нульовими значеннями, що дозволяє зберегти ціліс- ність часових послідовностей і спростити подальшу обробку. Такий підхід, з одного боку, забезпечує га- рантовану верхню межу затримки формування ряд- ка, а з іншого — дозволяє однозначно фіксувати про- пуски вимірювань для подальшого аналізу. Результати роботи системи та їх аналіз Зовнішній вигляд прототипу розробленої вимірю- вальної системи показано на рис. 6. У проведених експериментальних дослідженнях підтверджено працездатність запропонованої багато- вузлової системи в режимі синхронного опитування чотирьох вимірювальних вузлів із частотою дискре- тизації 100 Гц. Система забезпечує стабільну переда- чу вимірювальних даних інтерфейсом RS-485 на цен- тральний вузол і далі на персональний комп’ютер у форматі CSV, що дозволяє аналізувати часові залеж- ності прискорень і кутових швидкостей у чотирьох точках. На рис. 7 наведено фрагмент журналу вимі- рювань у вигляді таблиці CSV, де для кожного такту опитування зафіксовано номер вимірювання та ком- поненти прискорення і кутової швидкості для всіх активних вузлів. Видно, що дані надходять у синх- ронному форматі, придатному для подальшої оброб- ки та побудови графіків. Важливим результатом дослідження є підтвер- дження можливості масштабування системи: струк- тура протоколу й запас по пропускній здатності RS-485 дозволяють без суттєвих змін апаратної час- тини та алгоритмів збільшувати кількість вузлів або частоту опитування в межах, обумовлених вимога- ми конкретного застосування. Застосування цифро- вих MEMS-акселерометрів і гіроскопів у поєднанні з мікроконтролерними вузлами забезпечує чутливість і частотний діапазон, необхідні для задач контролю режиму хитання кристалізатора, а також створює ре- зерв для впровадження більш складних алгоритмів обробки безпосередньо “на борту” вузлів (фільтра- ція, обчислення індикаторів якості режиму, попере- дня класифікація аномалій). Отримані результати свідчать про перспектив- ність розробленої системи як основи для побудо- ви промислового комплексу моніторингу коливаль- ного руху кристалізатора МБЛЗ. Завдяки модульній структурі та використанню поширених компонентів (STM32, RS-485, стандартні кабельні рішення) систе- ма може бути адаптована до різних конструкцій меха- нізмів хитання та інтегрована в існуючу інфраструк- туру контролю та керування. Потенційними напряма- ми застосування є як постійний моніторинг режиму роботи кристалізатора, так і періодичні діаг но стичні вимірювання при налагодженні або пі сля ремонтів. Разом з тим, прототип системи має низку обме- жень, що окреслюють напрями подальшого його роз- витку. Оскільки на даному етапі розробки досліджен- ня проводилися виключно на експериментальному стенді, прототип не має багаторівневого захисту та гальванічної розв’язки, необхідних для експлуатації в промислових умовах. Обробка даних виконується переважно на боці персонального комп’ютера, а про- грамні засоби аналізу реалізовані у вигляді окремих скриптів і стандартних пакетів. Подальше вдоскона- Рис. 6. Зовнішній вигляд розробленої вимірювальної системи Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 3 – 464 ISSN 3083-6530 (Print) ISSN 3083-6549 (Online) 9 МІКРОПРОЦЕСОРНІ ПРИСТРОЇ ТА СИСТЕМИ лення може бути спрямоване на інтеграцію адаптив- ного протоколу опитування з підтвердженням достав- лення кадрів, впровадження апаратних засобів захис- ту шини, реалізацію вбудованих алгоритмів фільтра- ції та діагностики на мікроконтролерних вузлах, а та- кож розробку спеціалізованого програмного забезпе- чення для візуалізації та довготривалого архівування даних у режимі реального часу. Висновки Розроблена багатовузлова система вимірюван- ня параметрів коливального руху кристалізатора МБЛЗ на основі мікроконтролерів STM32 і цифро- вих MEMS-акселерометрів та гіроскопів, яка працює з частотою дискретизації 100 Гц та здійснює обмін даними інтерфейсом RS-485, продемонструвала свою працездатність в лабораторних умовах. Система за- безпечує одночасний моніторинг параметрів руху в чотирьох точках площини кристалізатора, а наявність мікроконтролерів у вимірювальних вузлах дозволяє реалізовувати первинну обробку, фільтрацію та об- числення діагностичних показників, що підвищує інформативність даних і створює підґрунтя для по- дальшої діагностики стану кристалізатора та впрова- дження алгоритмів прогнозування ресурсу елементів механізму хитання. Отримані результати демонстру- ють практичну придатність запропонованого підхо- ду для моніторингу режиму хитання кристалізатора та потенціал для подальшої промислової реалізації розробленої системи, зокрема, як частини цифрово- го двійника кристалізатора МБЛЗ ВИКОРИСТАНІ ДЖЕРЕЛА 1. Neef C., Hirzel S., Arens M. Industry 4.0 in the European Iron and Steel Industry: Towards an Overview of Implementations and Perspectives. Working document. Karlsruhe, Fraunhofer ISI, 2018. 26 p. 2. Szekeres E. S. Overview of mold oscillation in continuous casting», Iron and Steel Engineer, July 1996, рр. 29-37. 3. Lewis D. M., Savage, J. The Principles of Continuous Casting of Metals, Metallurgical Reviews, 1956, vol. 1, part 1, pp. 65–116. https://doi.org/10.1179/mtlr.1956.1.1.65. 4. Irving W.R. Continuous Casting of Steel (1st ed.). CRC Press, 1994. https://doi.org/10.1201/9781003575849. 5. Elfsberg J. Oscillation Mark Formation in Continuous Casting Processes: Licentiate thesis. Royal Institute of Technology, Stockholm, 2003, 53 с. 6. Li Q., Wen G., Chen F. et al. Irregular initial solidification by mold thermal monitoring in the continuous casting of steels: A review, International Journal of Minerals Metallurgy and Materials, 2024, vol. 31, no. 5, pp. 1003–1015. https://doi.org/10.1007/s12613- 023-2798-z 7. Nian Y., Zhang L., Zhang C. et al. Application status and development trend of continuous casting reduction technology: A review, Processes, 2022, vol. 10, no. 12, p. 2669. https://doi. org/10.3390/pr10122669. 8. Диденко В.А., Бондаренко А.Ф., Полено А.Н. Обзор средств контроля траектории движения кристаллизатора МНЛЗ. Труди МНПК “Современные информационные и электронные техно- логии”, т. 1. Україна, Одеса, 2014, с. 58–59. https://www.old.tkea. com.ua/siet/archive/2014-t1/058.pdf 9. Діденко В.О. Керування напівпровідниковими перетворюва- чами в системі електрогідравлічного приводу за сигналами при- скорень : дис. канд. техн. наук, Київ, 2017, 204 с. 10. Gill W. A., Howard I., Mazhar I., McKee K. A Review of MEMS Vibrating Gyroscopes and Their Reliability Issues in Harsh Environments. Sensors, 2022, vol. 22, iss. 19, 7405. https://doi. org/10.3390/s22197405 11. STM32 Nucleo-64 boards (MB1136). User manual, STMicroelectronics, September 2025, 91 р. [Online]. Available: https://www.st.com/resource/en/user_manual/um1724-stm32- nucleo64-boards-mb1136-stmicroelectronics.pdf [Accessed: Nov. 25, 2025]. 12. Discovery kit with STM32F303VC MCU. User manual, STMicroelectronics, September 2023, 41 р. [Online]. Available: https://www.st.com/resource/en/user_manual/um1570-discovery- kit-with-stm32f303vc-mcu-stmicroelectronics.pdf [Accessed: Nov. 25, 2025]. 13. LSM303DLHC. iNEMO inertial module: 3D accelerometer and 3D magnetometer : datasheet, STMicroelectronics, Geneva, November 2013, 52 р. [Online]. Available: https://www.st.com/ resource/en/datasheet/lsm303dlhc.pdf [Accessed: Nov. 25, 2025]. 14. L3GD20. MEMS motion sensor: three-axis digital output gyroscope : datasheet, STMicroelectronics, February 2011, 36 р. [Online]. Available: https://www.st.com/resource/en/datasheet/l3gd20. pdf [Accessed: Nov. 25, 2025]. Дата надходження рукопису до редакції 4.12 2025 р. Рис. 7. Файл формату CSV з сирими даними вимірювань Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 3 – 4 65ISSN 3083-6530 (Print) ISSN 3083-6549 (Online) 10 МІКРОПРОЦЕСОРНІ ПРИСТРОЇ ТА СИСТЕМИ REFERENCES [1] C. Neef, S. Hirzel, and M. Arens, “Industry 4.0 in the European Iron and Steel Industry: Towards an Overview of Implementations and Perspectives,” Working document, Karlsruhe, Fraunhofer ISI, 2018, 26 p. [2] E. S. Szekeres, “Overview of mold oscillation in continuous casting,” Iron and Steel Engineer, Jul. 1996, pp. 29–37. [3] D. M. Lewis and J. Savage, “The Principles of Continuous Casting of Metals,” Metallurgical Reviews, vol. 1, part 1, 1956, pp. 65–116. doi: 10.1179/mtlr.1956.1.1.65. [4] W. R. Irving, Continuous Casting of Steel, 1st ed. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 1994. doi: 10.1201/9781003575849. [5] J. Elfsberg, “Oscillation Mark Formation in Continuous Casting Processes,” Licentiate thesis, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden, 2003, 53 p. [6] Q. Li, G. Wen, F. Chen, J. Zhang, Z. Liu, and H. Yin, “Irregular initial solidification by mold thermal monitoring in the continuous casting of steels: A review,” Int. J. Minerals Metallurgy and Materials, vol. 31, no. 5, 2024, pp. 1003–1015. doi: 10.1007/s12613-023-2798-z. [7] Y. Nian, L. Zhang, C. Zhang, et al., “Application status and development trend of continuous casting reduction technology: A review,” Processes, vol. 10, no. 12, 2022, p. 2669. doi: 10.3390/ pr10122669. [8] V. O. Didenko, O. F. Bondarenko, and O. M. Polyeno, “The overview of tools for control of mold motion trajectory of continuous casting machine,” in Proc. Int. Sci.-Practical Conf. Modern DOI: 10.15222/TKEA2025.3-4.56 UDC 004.62: 681.586 Oleksii LASTOVETSKII, Oleksandr YEMETS, Serhii CHUPRYKOV, Oleksandr BONDARENKO Ukraine, Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute E-mail: bondarenkoaf@gmail.com HARDWARE COMPONENT OF THE SYSTEM FOR MONITORING THE MOTION PARAMETERS OF THE MOLD OSCILLATION MECHANISM The paper presents the development and experimental investigation of a multi-node measurement system for monitoring the oscillatory motion parameters of the mold in continuous casting machines. Ensuring stable oscillation program is crucial for slab solid shell formation, reduction of surface defects and prevention of surface breakout accidents. However, the known monitoring solutions based on discrete displacement or vibration sensors are often bulky, expensive, limited in the number of measurement points and difficult to integrate into existing equipment. The aim of the work is to increase the effectiveness of monitoring the mold oscillation mode by using compact MEMS inertial sensors integrated into a distributed microcontroller system with a robust industrial communication interface. The proposed system includes four sensor nodes based on STM32F3 microcontrollers with built-in digital MEMS accelerometer and gyroscope and a central master module on STM32F0, interconnected via an RS-485 bus. Each sensor node performs synchronous acquisition of three-axis linear acceleration and angular rate at a sampling frequency of 100 Hz and transmits the measured data frames to the master, which aggregates them and forwards to a PC in CSV format for further analysis. The paper describes the hardware architecture of the nodes, the structure of the RS-485 communication protocol with synchronization frames and checksums, and the basic algorithms of firmware implementation. Experimental tests on a laboratory stand confirmed stable operation of the developed system at 100 Hz with simultaneous data acquisition from four measurement points, sufficient bandwidth of the communication channel and correct reconstruction of inertial signals for typical oscillation modes. The developed technical solutions can be used as the basis of an industrial complex for monitoring the oscillation of the mold of a continuous casting machine, in particular of a digital twin of the mold; for studying the oscillatory movements of mechanisms on other productions; as well as a training and research stand for delivering courses in measures and control systems. Keywords: oscillation mechanism, mold, continuous casting, MEMS, accelerometer, gyroscope, microcontroller, movement parameters monitoring, RS-485 interface. Copyright: © 2025, The author(s). Licensee: Politekhperiodika, Odesa, Ukraine. This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Information and Electronic Technologies, vol. 1, Odesa, Ukraine, 2014, pp. 58–59. [Online]. Available: https://www.old.tkea.com.ua/ siet/archive/2014-t1/058.pdf [9] V. O. Didenko, “Control of semiconductor converters in the electrohydraulic drive system by acceleration signals,” Ph.D. dissertation, Kyiv, Ukraine, 2017, 204 p. [10] W. A. Gill, I. Howard, I. Mazhar, and K. McKee, “A Review of MEMS Vibrating Gyroscopes and Their Reliability Issues in Harsh Environments,” Sensors, vol. 22, iss. 19, 2022, p. 7405. doi: 10.3390/ s22197405. [11] STMicroelectronics, “STM32 Nucleo-64 boards (MB1136),” User manual, Sep. 2025, 91 p. [Online]. Available: https://www.st.com/ resource/en/user_manual/um1724-stm32-nucleo64-boards-mb1136- stmicroelectronics.pdf [Accessed: Nov. 25, 2025]. [12] STMicroelectronics, “Discovery kit with STM32F303VC MCU,” User manual, Sep. 2023, 41 p. [Online]. Available: https:// www.st.com/resource/en/user_manual/um1570-discovery-kit-with- stm32f303vc-mcu-stmicroelectronics.pdf [Accessed: Nov. 25, 2025]. [13] STMicroelectronics, “LSM303DLHC: iNEMO inertial module: 3D accelerometer and 3D magnetometer,” Datasheet, Geneva, Nov. 2013, 52 p. [Online]. Available: https://www.st.com/resource/en/ datasheet/lsm303dlhc.pdf [Accessed: Nov. 25, 2025]. [14] STMicroelectronics, “L3GD20: MEMS motion sensor, three-axis digital output gyroscope,” Datasheet, Feb. 2014. [Online]. Available: https://www.st.com/resource/en/datasheet/l3gd20.pdf [Accessed: Nov. 25, 2025].
id	oai:tkea.com.ua:article-891
institution	Technology and design in electronic equipment
keywords_txt_mv	keywords
language	Ukrainian
last_indexed	2026-06-10T01:00:27Z
publishDate	2025
publisher	PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers
record_format	ojs
resource_txt_mv	wwwtkeacomua/07/bf3861681a881cf27f220d7959511d07.pdf
spelling	oai:tkea.com.ua:article-8912026-06-09T12:16:05Z Hardware component of the system for monitoring the motion parameters of the mold oscillation mechanism Апаратна частина системи моніторингу параметрів руху механізму хитання Lastovetskii, Oleksii Yemets, Oleksandr Chuprykov, Serhii Bondarenko, Oleksandr oscillation mechanism mold continuous casting MEMS accelerometer gyroscope microcontroller movement parameters monitoring RS-485 interface механізм хитання кристалізатор безперервна розливка MEMS акселерометр гіроскоп мікроконтролер моніторинг параметрів руху інтерфейс RS-485 The paper presents the development and experimental investigation of a multi-node measurement system for monitoring the oscillatory motion parameters of the mold in continuous casting machines. Ensuring stable oscillation program is crucial for slab solid shell formation, reduction of surface defects and prevention of surface breakout accidents. However, the known monitoring solutions based on discrete displacement or vibration sensors are often bulky, expensive, limited in the number of measurement points and difficult to integrate into existing equipment. The aim of the work is to increase the effectiveness of monitoring the mold oscillation mode by using compact MEMS inertial sensors integrated into a distributed microcontroller system with a robust industrial communication interface.The proposed system includes four sensor nodes based on STM32F3 microcontrollers with built-in digital MEMS accelerometer and gyroscope and a central master module on STM32F0, interconnected via an RS-485 bus. Each sensor node performs synchronous acquisition of three-axis linear acceleration and angular rate at a sampling frequency of 100 Hz and transmits the measured data frames to the master, which aggregates them and forwards to a PC in CSV format for further analysis. The paper describes the hardware architecture of the nodes, the structure of the RS-485 communication protocol with synchronization frames and checksums, and the basic algorithms of firmware implementation.Experimental tests on a laboratory stand confirmed stable operation of the developed system at 100 Hz with simultaneous data acquisition from four measurement points, sufficient bandwidth of the communication channel and correct reconstruction of inertial signals for typical oscillation modes. The developed technical solutions can be used as the basis of an industrial complex for monitoring the oscillation of the mold of a continuous casting machine, in particular of a digital twin of the mold; for studying the oscillatory movements of mechanisms on other productions; as well as a training and research stand for delivering courses in measures and control systems. Розроблено багатовузлову систему вимірювання коливальних рухів кристалізатора машини безперервного лиття заготовок на основі мікроконтролерів STM32 з MEMS-акселерометрами та MEMS-гіроскопами. Для обміну даними між вузлами застосовано інтерфейс RS-485, а синхронізоване опитування давачів здійснюється з частотою 100 Гц. Створений прототип системи забезпечує реєстрацію прискорень і кутових швидкостей у форматі, придатному для інженерної обробки. Отримані рішення можуть бути використані для моніторингу хитання кристалізатора, дослідження коливальних процесів у різних виробничих механізмах, створення бази даних для побудови “цифрового двійника” та як навчально-дослідний стенд. PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2025-12-30 Article Article Peer-reviewed Article application/pdf https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.3-4.56 10.15222/TKEA2025.3-4.56 Technology and design in electronic equipment; No. 3–4 (2025): Technology and design in electronic equipment; 56-65 Технологія та конструювання в електронній апаратурі; № 3–4 (2025): Технологія та конструювання в електронній апаратурі; 56-65 3083-6549 3083-6530 10.15222/TKEA2025.3-4 uk https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.3-4.56/810 Copyright (c) 2025 Oleksii Lastovetskii, Oleksandr Yemets, Serhii Chuprykov, Oleksandr Bondarenko http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
spellingShingle	механізм хитання кристалізатор безперервна розливка MEMS акселерометр гіроскоп мікроконтролер моніторинг параметрів руху інтерфейс RS-485 Lastovetskii, Oleksii Yemets, Oleksandr Chuprykov, Serhii Bondarenko, Oleksandr Апаратна частина системи моніторингу параметрів руху механізму хитання
title	Апаратна частина системи моніторингу параметрів руху механізму хитання
title_alt	Hardware component of the system for monitoring the motion parameters of the mold oscillation mechanism
title_full	Апаратна частина системи моніторингу параметрів руху механізму хитання
title_fullStr	Апаратна частина системи моніторингу параметрів руху механізму хитання
title_full_unstemmed	Апаратна частина системи моніторингу параметрів руху механізму хитання
title_short	Апаратна частина системи моніторингу параметрів руху механізму хитання
title_sort	апаратна частина системи моніторингу параметрів руху механізму хитання
topic	механізм хитання кристалізатор безперервна розливка MEMS акселерометр гіроскоп мікроконтролер моніторинг параметрів руху інтерфейс RS-485
topic_facet	oscillation mechanism mold continuous casting MEMS accelerometer gyroscope microcontroller movement parameters monitoring RS-485 interface механізм хитання кристалізатор безперервна розливка MEMS акселерометр гіроскоп мікроконтролер моніторинг параметрів руху інтерфейс RS-485
url	https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.3-4.56
work_keys_str_mv	AT lastovetskiioleksii hardwarecomponentofthesystemformonitoringthemotionparametersofthemoldoscillationmechanism AT yemetsoleksandr hardwarecomponentofthesystemformonitoringthemotionparametersofthemoldoscillationmechanism AT chuprykovserhii hardwarecomponentofthesystemformonitoringthemotionparametersofthemoldoscillationmechanism AT bondarenkooleksandr hardwarecomponentofthesystemformonitoringthemotionparametersofthemoldoscillationmechanism AT lastovetskiioleksii aparatnačastinasistemimonítoringuparametrívruhumehanízmuhitannâ AT yemetsoleksandr aparatnačastinasistemimonítoringuparametrívruhumehanízmuhitannâ AT chuprykovserhii aparatnačastinasistemimonítoringuparametrívruhumehanízmuhitannâ AT bondarenkooleksandr aparatnačastinasistemimonítoringuparametrívruhumehanízmuhitannâ

Апаратна частина системи моніторингу параметрів руху механізму хитання

Institution

Ähnliche Einträge