0 引言

　　在工礦企業(yè)，風(fēng)機(jī)和磨機(jī)等設(shè)備一般是關(guān)鍵重要設(shè)備，這些設(shè)備穩(wěn)定、可靠及高效率的運(yùn)行是企業(yè)關(guān)心的重點(diǎn)，如何實(shí)現(xiàn)這些設(shè)備的正常運(yùn)行及對(duì)設(shè)備預(yù)知性維護(hù)，是企業(yè)所急需的[1]。

　　目前工礦企業(yè)大型風(fēng)機(jī)、磨機(jī)等設(shè)備的配備情況是：電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、設(shè)備本體。衡量設(shè)備能否安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)包括：電動(dòng)機(jī)定子溫度、軸承溫度；減速機(jī)的潤(rùn)滑油溫及振動(dòng)情況；設(shè)備的軸承溫度、軸向、徑向振動(dòng)等。而大多數(shù)磨礦企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，檢測(cè)設(shè)備相對(duì)落后，需要過度依靠人工經(jīng)驗(yàn)去估計(jì)，危害員工身體的健康并且經(jīng)驗(yàn)估計(jì)與實(shí)際的誤差太大，無法對(duì)磨機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行可靠地估計(jì)。本文基于STM32+ET100的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了球磨機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，并且系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，滿足工礦現(xiàn)場(chǎng)使用要求，具有較強(qiáng)擴(kuò)展性。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　本文設(shè)計(jì)的球磨機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上分別采集電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、設(shè)備的溫度及振動(dòng)情況，并通過CAN總線準(zhǔn)確地回傳到主控節(jié)點(diǎn)，主控節(jié)點(diǎn)通過Modbus協(xié)議與上位機(jī)觸摸屏通信，同時(shí)系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的溫度及振動(dòng)閾值，在磨礦生產(chǎn)中其運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)做出報(bào)警提示。

　　球磨機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由上位機(jī)觸摸屏、主控節(jié)點(diǎn)、采集節(jié)點(diǎn)和傳感器組成。傳感器設(shè)置在磨礦系統(tǒng)的一些關(guān)鍵部件中，其中溫度測(cè)量采用PT100，振動(dòng)測(cè)量采用加速度傳感器ADX001。各節(jié)點(diǎn)采集的信號(hào)通過CAN總線將溫度、振動(dòng)信息發(fā)送至主控節(jié)點(diǎn)，主控節(jié)點(diǎn)收集到總線的信息后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用Modbus RTU主從協(xié)議將處理后的溫度、振動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)到觸摸屏，觸摸屏上顯示各監(jiān)測(cè)部件的溫度、振動(dòng)實(shí)時(shí)變化曲線，并根據(jù)企業(yè)給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度、振動(dòng)閾值設(shè)置，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)、報(bào)警功能。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　由圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可知，系統(tǒng)包括8路溫度測(cè)點(diǎn)，分別為：電動(dòng)機(jī)定子溫度、軸承溫度、減速機(jī)的潤(rùn)滑油溫度；6路振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，分別為電動(dòng)機(jī)動(dòng)力端及非動(dòng)力端軸承，減速機(jī)輸入、輸出端軸承，設(shè)備輸入端及末端軸承振動(dòng)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)包括主控節(jié)點(diǎn)和各采集節(jié)點(diǎn)兩種類型，其在硬件構(gòu)成和實(shí)現(xiàn)上大體相同，其硬件電路主要有：STM32F103ZET6微處理器、外部電源、按鍵、LED指示燈、SWD接口、CAN接口等。節(jié)點(diǎn)硬件框圖如圖2所示。

　　2.2 主控芯片

　　STM32F103ZET6為意法半導(dǎo)體公司推出的基于CoreTex-M3內(nèi)核的高性價(jià)比微型控制器，該處理器具有體積小、功耗低及性能高的優(yōu)勢(shì)。具有豐富的片內(nèi)資源、2 KB的RAM、64 KB的Flash存儲(chǔ)器，工作頻率經(jīng)過PLL倍頻后最高可達(dá)到72 MHz。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，STM32F103-ZET6外接8 MHz時(shí)鐘，經(jīng)內(nèi)部PLL倍頻至72 MHz[2]。

　　2.3 傳感器選型

　　PT100溫度傳感器具有精度高、可靠性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化測(cè)量和各種儀器儀表領(lǐng)域中。本設(shè)計(jì)中為了減小由于導(dǎo)線電阻帶來的附加誤差，將PT100傳感器兩側(cè)相等的導(dǎo)線長(zhǎng)度分別加在兩側(cè)的橋臂上，采用三線制測(cè)溫方案[3]。

　　加速度傳感器ADXL001是工業(yè)振動(dòng)與沖擊傳感器，基于ADI公司的iMEMS技術(shù)，使工業(yè)控制儀器設(shè)計(jì)采用簡(jiǎn)單的解決方案就可以實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比、高性能且可靠地寬帶振動(dòng)監(jiān)控。ADXL001振動(dòng)與沖擊傳感器具有3個(gè)滿量程動(dòng)態(tài)范圍，分別為70 g、250 g和500 g，靈敏度適用各種范圍，且寬帶寬，諧振頻響為22 kHz。iMEMS振動(dòng)傳感器采用陶瓷封裝，適合苛刻的工業(yè)環(huán)境，易于安裝磨礦設(shè)備的測(cè)量點(diǎn)上。在進(jìn)行球磨機(jī)振動(dòng)測(cè)量時(shí)，關(guān)心的最高頻率為4 000 Hz，為滿足采樣定律，又不至于采集數(shù)據(jù)量太大，本設(shè)計(jì)最高頻率為12 kHz[4]。為了正確提取傳感器采集的球磨機(jī)的振動(dòng)信號(hào)，對(duì)于高頻部分采用硬件電路將其濾掉，濾波電路采用一階低通濾波器。電路如圖3所示。

　　圖3將一階低通濾波網(wǎng)絡(luò)接到運(yùn)算放大器的輸入端，運(yùn)算放大器起隔離負(fù)載影響、提高增益和提高帶負(fù)載能力的作用。其截止頻率f0為：1/2?仔RC=12 kHz，放大倍數(shù)K為1+R2/R1，本文R取12.7 k，C取1 nF。

　　2.4 ET100觸摸屏

　　觸摸屏是系統(tǒng)與用戶之間進(jìn)行交互和信息交換的媒介，是指人和機(jī)器在信息交換和功能上接觸，進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，故在工業(yè)領(lǐng)域也稱人機(jī)交互界面。本文選用的觸摸屏型號(hào)為步科ET100觸摸屏，其含有128 MB Flash+64 MB SDRAM，防護(hù)等級(jí)符合達(dá)到工業(yè)IP65標(biāo)準(zhǔn)。監(jiān)控系統(tǒng)通過在上位機(jī)觸摸屏設(shè)置，在現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏上能夠?qū)崿F(xiàn)多通道實(shí)時(shí)溫度、振動(dòng)數(shù)據(jù)顯示，并能記錄歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄時(shí)間可按照需要設(shè)置，并可打印輸出。通過觸摸屏可以設(shè)置溫度、振動(dòng)信號(hào)，并設(shè)置管理員窗口。在觸摸屏上設(shè)置的串口通信參數(shù)如表1所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

　　磨機(jī)整體檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括兩方面的工作：一是各采集節(jié)點(diǎn)在STM32端實(shí)現(xiàn)溫度、振動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)采集，并發(fā)送至主控節(jié)點(diǎn)等待發(fā)送；二是采用Modbus標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)觸摸屏。系統(tǒng)總體程序包括系統(tǒng)初始化、開啟CAN接收中斷服務(wù)、溫度振動(dòng)數(shù)據(jù)采集和CAN總線發(fā)送上次采集的數(shù)據(jù)等操作。其程序流程如圖4所示。

　　3.1 Modbus協(xié)議

　　Modbus協(xié)議是一種工業(yè)通信和分布式控制系統(tǒng)協(xié)議，是工業(yè)領(lǐng)域全球最流行的通信協(xié)議之一[5]。其包含的Master/Slave主從應(yīng)答方式的通信協(xié)議，具有簡(jiǎn)單、可靠、容易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。本文中采用ET100觸摸屏作主，STM32作從方式進(jìn)行通信，物理層采用RS232串行通信標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)。

　　當(dāng)在Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，主設(shè)備不斷的向外發(fā)送地址，從設(shè)備接收地址并作出相應(yīng)的動(dòng)作，若需要響應(yīng)，控制器生成的反饋信息必須遵循標(biāo)注的Modbus協(xié)議發(fā)出。其通用數(shù)據(jù)幀格式如表2所示。

　　單個(gè)設(shè)備的地址碼范圍為1～247。主設(shè)備通過將要聯(lián)絡(luò)的從設(shè)備地址放入消息中，從設(shè)備做出響應(yīng)時(shí)將自己的地址放入回應(yīng)的地址域中，從而實(shí)現(xiàn)主從設(shè)備通信。功能碼表示以何種方式來讀/寫數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)區(qū)包含終端執(zhí)行特定功能所需要的數(shù)據(jù)或者終端響應(yīng)查詢時(shí)采集到的數(shù)據(jù)。檢驗(yàn)碼是表示設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)，需要對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，包括奇偶檢驗(yàn)、LRC檢驗(yàn)和CRC檢驗(yàn)，本文采用CRC校驗(yàn)。

　　3.2 CAN總線軟件設(shè)計(jì)

　　STM32F103ZET6內(nèi)部集成了單路CAN控制器，其初始化內(nèi)容包括：配置相關(guān)引腳的復(fù)用功能，使能CAN時(shí)鐘、配置CAN工作模式及波特率、設(shè)置濾波器，通過CAN_RFOR設(shè)置中斷方式[6]。CAN發(fā)送報(bào)文數(shù)據(jù)流程為：應(yīng)用程序選擇一個(gè)空郵箱發(fā)送、清除并發(fā)送郵箱標(biāo)識(shí)符寄存器、設(shè)置發(fā)送郵箱數(shù)據(jù)長(zhǎng)度與待發(fā)送數(shù)據(jù)、查詢發(fā)送狀態(tài)。

　　3.3 Modbus報(bào)文發(fā)送、接收

　　ET100觸摸屏上電后，預(yù)先設(shè)計(jì)的功能碼0x03會(huì)不斷向外發(fā)送元件的地址，從設(shè)備STM32根據(jù)接收到的地址回饋相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

　　從站在響應(yīng)主站發(fā)送過來的報(bào)文時(shí)主要完成以下幾個(gè)操作：功能選擇模塊、功能處理模塊和處理應(yīng)答模塊。

　　功能選擇模塊主要根據(jù)用戶在觸摸屏上設(shè)置的地址，決定Modbus從站的操作行為以及執(zhí)行行為；

　　功能處理模塊是核心，主要包括構(gòu)造消息幀和解析生成的CRC檢驗(yàn)碼，然后根據(jù)消息幀發(fā)送出去；

　　處理應(yīng)答模塊是對(duì)反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，驗(yàn)證收到的數(shù)據(jù)是否正確，即若程序在規(guī)定的延時(shí)內(nèi)接收到響應(yīng)，那么對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)行CRC檢驗(yàn)碼判斷接收到的數(shù)據(jù)是否正確。其總體發(fā)送、接收流程如圖5所示。

4 結(jié)束語

　　基于STM32的球磨機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，分別利用溫度和振動(dòng)傳感器在各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集溫度和振動(dòng)信息，利用CAN總線實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，將采集的節(jié)點(diǎn)信息發(fā)送到主控節(jié)點(diǎn)上。通過設(shè)置中斷方式，每次定時(shí)時(shí)間到，主控節(jié)點(diǎn)將上一次采集的溫度、振動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)觸摸屏。利用標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議，以ET100為主控設(shè)備，STM32F103ZET6為從設(shè)備進(jìn)行通信，成功實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸通信。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本文所介紹的設(shè)計(jì)方案可以較好地應(yīng)用于工業(yè)磨礦現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)測(cè)與報(bào)警，且本文設(shè)計(jì)不僅針對(duì)磨礦設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)合，針對(duì)其他工況只需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的改動(dòng)就能較好地適用于其他的工業(yè)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)場(chǎng)合，具有較強(qiáng)的技術(shù)適用性和廣泛的應(yīng)用前景。

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