《電子技術(shù)應(yīng)用》
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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)
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第3期
蔡改貧,,熊 洋,許 琴
江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,,江西 贛州341000
摘要: 針對(duì)傳統(tǒng)工礦企業(yè)對(duì)球磨機(jī)運(yùn)行狀態(tài)維護(hù),依賴于人工經(jīng)驗(yàn)判斷的特點(diǎn),,設(shè)計(jì)了一種基于STM32+ET100的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng),。分別對(duì)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)等14路信號(hào)進(jìn)行采集,,并用CAN總線進(jìn)行組網(wǎng),傳送至主控節(jié)點(diǎn),。上位機(jī)采用ET100作為開(kāi)發(fā)平臺(tái),,通過(guò)Modbus RTU協(xié)議實(shí)現(xiàn)STM32和上位機(jī)的通信,。該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠,,具有較強(qiáng)擴(kuò)展性,,滿足工況現(xiàn)場(chǎng)使用要求。
中圖分類號(hào): TP274
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2015)03-0072-03
Design of the ball mill running state monitoring system based on STM32
Cai Gaipin,,Xiong Yang,,Xu Qin
School of Mechanical and Electrical Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,,Ganzhou 341000,,China
Abstract: This paper designed an intelligent monitoring system based on STM32 + ET100, in view of the mill run state maintenance for the enterprise in traditional working condition, dependent on the characteristics of the human experience judgment. The acquisition of 14 road dates consist of motor stator temperature, bearing temperature, reducer lubricating oil temperature and vibration signal, transmited to the main control node by taking advantage of networking with CAN bus, and achieving the communication between STM32 and PC, using ET100 as development platform, through the Modbus RTU protocol . The system is stable, reliable and has strong expansibility, which satisfies the requirement of working field.
Key words : condition monitoring;CAN bus,;Modbus protocol

 

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(guò)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(wú)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(guò)CAN總線準(zhǔn)確地回傳到主控節(jié)點(diǎn),主控節(jié)點(diǎn)通過(guò)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(guò)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。

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  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。

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  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(guò)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(lái)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,。

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  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(guò)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(guò)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,。

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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(kāi)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。

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  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(lái)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,。

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  單個(gè)設(shè)備的地址碼范圍為1~247,。主設(shè)備通過(guò)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(lái)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(guò)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(guò)來(lái)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,。

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4 結(jié)束語(yǔ)

  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(guò)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(guò)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。

  參考文獻(xiàn)

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