基于STM32和機智云平臺的滾動軸承在線監(jiān)測系統(tǒng)

ID:184786 · 發(fā)表于 2017-9-22 12:55

摘要：設計了一種基于云平臺的滾動軸承在線監(jiān)測系統(tǒng)，信號采集模塊將振動傳感器輸出的振動信號進行變換，再通過
有源濾波模塊處理后交給控制器，控制器內(nèi)部進行Ａ／Ｄ采樣，隨后處理器對Ａ／Ｄ采樣后的信號進行參數(shù)的運算，最后
將參數(shù)通過云平臺傳輸協(xié)議模塊，在利用ＷｉＦｉ轉發(fā)給遠程機智云平臺服務器。該系統(tǒng)為滾動軸承的監(jiān)測提供了一個平
臺，在這個平臺上工程人員可以通過遠程的云服務器和ＡＰＰ終端對滾動軸承的狀態(tài)進行了解，很大程度上減少了工程
人員的工作量，提高了對滾動軸承監(jiān)測的效率。

引　言
滾動軸承作為機械設備中重要的旋轉零件，也是機械設備的重要故障源之一。統(tǒng)計表明，在使用滾動軸承的旋轉機械中，大約有３０％的機械故障是滾動軸承引起的［１］，而每一次故障都會帶來十分巨大的財產(chǎn)損失甚至是人身傷亡事故，因此對滾動軸承運行狀態(tài)的監(jiān)控是十分重要的。工業(yè)系統(tǒng)中滾動軸承所在的位置環(huán)境惡劣且分布十分分散，難以進行人工的檢測與維護。機智云是一個主要為開發(fā)者提供物聯(lián)網(wǎng)設備的自主開發(fā)工具、后臺技術支持服務、遠程設備管理、數(shù)據(jù)存儲分析等服務的云平臺［２］。本文設計了一種將現(xiàn)場滾動軸承狀態(tài)數(shù)據(jù)通過ＷｉＦｉ模組與遠程云服務器進行通信并且能在ＡＰＰ終端進行實時顯示的滾動軸承在線監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)設計的關鍵問題主要有以下幾點：
① 對振動信號的采集；
② 對采集來的振動信號進行分析與運算； ③ 實現(xiàn)數(shù)據(jù)對云平臺的遠程傳輸與遠程控制。
１　滾動軸承在線監(jiān)測系統(tǒng)簡介
滾動軸承在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由振動傳感器模塊、信號采集模塊、云平臺傳輸協(xié)議模塊、控制器與處理器模塊構成。由于滾動軸承工作環(huán)境的惡劣，且發(fā)生故障的不確定性，傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)擺脫不了工程人員長時間在現(xiàn)場值班的情形。本文提出了一種基于機制云平臺的實現(xiàn)遠程服務器，并且通過ＡＰＰ監(jiān)控的滾動軸承監(jiān)測系統(tǒng)的設計。該系統(tǒng)可通過對傳感器采集的信號進行分析，運算出反應系統(tǒng)運行狀態(tài)的參數(shù)，從而為工程人員提供可靠的參考并且實現(xiàn)滾動軸承運行狀態(tài)的遠程在線監(jiān)測以及報警提醒，從而憑借較少的人力達到很好的效果。對于滾動軸承在線監(jiān)控系統(tǒng)，首先應該考慮的應該就是設計必須要符合現(xiàn) 場的情況： ① 工業(yè) 現(xiàn) 場供電多為２２０ＡＣ； ② 現(xiàn)場多為大功率設備，該種設備的啟停對電網(wǎng)的影響較大，使得供電電源的質(zhì)量較差； ③ 現(xiàn)場電磁干擾信號的信噪比較低，對信號采集電路要求較高。綜合上述因素，提出如圖１所示的滾動軸承在線監(jiān)測系統(tǒng)總體示意圖。

２　滾動軸承在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計
２．１　處理器模塊
主控模塊以ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８作為控制核心，ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８是ＳＴ公司的微控制器，采用ＳＴＭ３２Ｆ增強型系列中的高性能ＡＲＭ�。茫铮颍簦澹� －Ｍ３　３２位的ＲＩＳＣ內(nèi)核，工作頻率為７２ＭＨｚ，工作電壓３．３Ｖ，內(nèi)置高速存儲器、高達１　２　８ＫＢ閃存和２０ＫＢ的ＳＲＡＭ，以及豐富的增強Ｉ／Ｏ端口和并聯(lián)到兩條ＡＰＢ總線的外設，包括有兩個１２位的ＡＤＣ、３個通用１６位定時器和２個ＵＡＲＴ接口［３］。在該系統(tǒng)中，該控制核心主要控制采集信號的Ａ／Ｄ轉換、數(shù) 據(jù) 的處理、數(shù) 據(jù) 與云平臺進行的傳輸等工作。ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８ **電路簡單，主要包括外接去耦電阻電容、晶振、復位電路、＋３．３Ｖ供電電路等，為了軟件的調(diào)試方便，將ＪＴＡＧ／ＳＷＤ接口電路也設計在其中。晶振分為兩種：２５ＭＨｚ晶振為高速時鐘（ＨＳＩ）工作晶振，在內(nèi)部由于
（ＰＬＬ）鎖相環(huán)的倍頻作用，使得ＣＰＵ得到的晶振可達到７５ＭＨｚ；３２．７６８ｋＨｚ的晶振為低速外部晶振（ＬＳＥ），為實時控
制時鐘和備份控制器提供時鐘信號［４］。ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８外部接口電路如圖２所示。

２．２　信號采集模塊
由于軸承工作環(huán)境的惡劣，使得振動傳感器以及其他傳感器微小信號的信噪比較低，監(jiān)測數(shù)據(jù)有較大的偏差，因此在信號的傳輸通路上設計了有源帶通濾波器。選用ＭＡＸＩＭ公司的ＭＡＸ２７５芯片，該芯片可以構成兩個４階或者一個８階連續(xù)時間的巴特沃茲有源帶通濾波器，只截
取需要的頻率。通過公式計算得到以下參數(shù)：Ｆ０（中心頻率）＝５ｋＨｚ，Ｑ（品質(zhì)因數(shù)）＝１０，Ｈｏｂｐ（峰值頻率增益）＝２。該芯片的原理圖如圖３所示。

２．３　ＷｉＦｉ無線傳輸模塊
由于需要與機智云平臺服務器進行數(shù)據(jù)通信，在本文中選擇漢楓電子科技的ＷｉＦｉ模塊進行設計，該模塊信號為ＨＦ－ＬＰＢ１００，為嵌入式超低功耗ＷｉＦｉ模組，可以將物理設備連接到ＷｉＦｉ無線網(wǎng)絡上，并提供了ＵＡＲＴ串口、ＳＰＩ、ＰＷＭ接口進行數(shù)據(jù)傳輸，本文中選擇ＵＡＲＴ串口進行數(shù)據(jù)傳輸解決方案。該模塊硬件上集成了ＭＡＣ、基頻芯片、射頻收發(fā)單元、功率放大器、嵌入式固件，以及支持ＷｉＦｉ協(xié)議及配置以及組網(wǎng)的ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議棧［５］。圖４為該模組的接口原理圖。

３　滾動軸承在線監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計
３．１　軟件流程的整體概述
系統(tǒng)的軟件開發(fā)以及調(diào)試均通過ＫＥＩＬ�。停模思砷_發(fā)環(huán)境完成，ＫＥＩＬ�。停模� 集成開發(fā)環(huán)境中包括了市面上絕大多數(shù)的芯片，其中也包括ＳＴＭ３２Ｆ的全系列芯片，開發(fā)語言選用Ｃ語言，大大提高了軟件的可讀性和可移植性。開發(fā)方式選用庫函數(shù)，庫函數(shù)選用ＳＴ公司官方提供的３．５．０版本，許多常用的寄存器都已封裝成結構體，易于調(diào)用；常用功能也已封裝成了函數(shù)接口，使得開發(fā)者在開發(fā)過程中只需對調(diào)用的功能有清楚的認識，不用太在意寄存器相關的細節(jié)，大大縮短了開發(fā)周期。系統(tǒng)軟件的整體設計主要分為以下幾個部分：
①ＡＤＣ對信號進行采集；
② 處理器對采集的信號進行運算；
③ 控制器對處理后的數(shù)據(jù)進行顯示；
④ 通信模組向機智云平臺進行數(shù)據(jù)的傳輸。
圖５為系統(tǒng)軟件的整體流程圖。

３．２　振動信號的Ａ／Ｄ采樣以及性能參數(shù)的計算
由于振動信號的頻率不屬于高頻信號，且對精度的需求不太高，ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８內(nèi)部的Ａ／Ｄ位數(shù)為１２位，采樣頻率高達１ＭＨｚ，可以滿足設計的需求。本設計中性能參數(shù)的計算以１０２４個采集信號為基礎，即Ａ／Ｄ采集１０２４個離散信號后才能進行后邊的性能參數(shù)的計算。需要計算的性能參數(shù)有峰值、有效值、均值、波峰因數(shù)、峭度。以上參數(shù)都能從某個方面反映軸承的運行狀態(tài)以及確定軸承正常與否。
３．３�。祝椋疲� 模組與處理器單元的對接
處理器單元按照固定的協(xié)議通過串口向ＷｉＦｉ模組中發(fā)送數(shù)據(jù)�；就ㄐ艆�(shù)定義如下：
① 通信方式為串口ＵＡＲＴ通信。
② 波特率為９６００。
③ 數(shù)據(jù)位為８位，奇偶校驗為無，停止位為１；數(shù)據(jù)流控制為無。
基本的命令協(xié) 議格式如下：
Ｈｅａｄｅｒ（長度２Ｂ）＝０ｘｆｆｆｆ，ｌｅｎ（長度２Ｂ），ｃｍｄ（長度１Ｂ），ｓｎ（長度１Ｂ），
ｆｌａｇｓ（長度２Ｂ），
ｐａｙｌｏａｄ（長度ｘＢ），
ｃｈｅｃｋｓｕｍ（長度１Ｂ，求和校驗）。
基本命令格式的說明：
包頭（ｈｅａｄｅｒ）固定為０ｘｆｆｆｆ；長度（ｌｅｎ）是指從ｃｍｄ開始到整個數(shù)據(jù)包結束所占用的字節(jié)數(shù)；多于一個字節(jié)的整形數(shù)字以大端字節(jié)編碼；消息序號（ｓｎ）由發(fā)送方給出，接收方響應命令時需要把消息號返回給發(fā)送方；如在２００ｍｓ內(nèi)沒有收到接收方響應，發(fā)送方重發(fā)，最多重發(fā)三次。
３．４　云平臺服務器與ＡＰＰ終端的設計
滾動軸承在線監(jiān)測系統(tǒng)將處理好的數(shù)據(jù)通過串口按照以上的協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸給ＷｉＦｉ模組，ＷｉＦｉ模組對其進行打包，通過網(wǎng)絡傳輸?shù)綑C智云平臺的遠程服務器，ＡＰＰ終端通過與遠程服務器的通信獲得滾動軸承在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)，在ＡＰＰ終端應用程序上進行顯示。機智云平臺服務器端提供了一種十分方便的模塊配置方法，省去了復雜的編程過程，只需對新建的工程進行項目的配置，建立數(shù)據(jù)點，然后綁定使用的ＡＰＰ即可，大大提高了項目開發(fā)的周期。ＡＰＰ終端模板可以從機智云官網(wǎng)進行下載。圖６和圖７為配置完畢的滾動軸承在線監(jiān)測系統(tǒng)機智云平臺服務器的網(wǎng)頁顯示界面和同一時刻的手機ＡＰＰ顯示界面。

結　語
隨著機械設備和生產(chǎn)系統(tǒng)日益向較大化、精密化、高速化和自動化方向發(fā)展，一方面提高了生產(chǎn)效率、降低了生產(chǎn) 成本，另一方面對機械的設計、制造、安裝、使用、維修和可靠運行提出了更高、更嚴格的要求。一個微小的故障，可能會影響到整個系統(tǒng)運行的穩(wěn) 定性和安
全性，甚至造成災難性后果［６］。
該系統(tǒng) 的推廣不僅可以使得意外大型故障得到有效的監(jiān)控，而且還可以大大減少人力的投入。該系統(tǒng)還存在一些不足，比如，該系統(tǒng)只能對故障做出定性判斷，但是不能準確判斷軸承故障所在的具體位置和原因，未來會通過頻域算法的加入來解決以上問題，系統(tǒng)會更加完善。

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