0 引言

　　在工礦企業(yè)，風機和磨機等設備一般是關鍵重要設備，這些設備穩(wěn)定、可靠及高效率的運行是企業(yè)關心的重點，如何實現(xiàn)這些設備的正常運行及對設備預知性維護，是企業(yè)所急需的[1]。

　　目前工礦企業(yè)大型風機、磨機等設備的配備情況是：電動機、減速機、設備本體。衡量設備能否安全穩(wěn)定運行的關鍵指標包括：電動機定子溫度、軸承溫度；減速機的潤滑油溫及振動情況；設備的軸承溫度、軸向、徑向振動等。而大多數(shù)磨礦企業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，檢測設備相對落后，需要過度依靠人工經(jīng)驗去估計，危害員工身體的健康并且經(jīng)驗估計與實際的誤差太大，無法對磨機的運行狀態(tài)進行可靠地估計。本文基于STM32+ET100的智能監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了球磨機運行狀態(tài)的監(jiān)測，并且系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，滿足工礦現(xiàn)場使用要求，具有較強擴展性。

1 系統(tǒng)總體結構

　　本文設計的球磨機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，在各個節(jié)點上分別采集電動機、減速機、設備的溫度及振動情況，并通過CAN總線準確地回傳到主控節(jié)點，主控節(jié)點通過Modbus協(xié)議與上位機觸摸屏通信，同時系統(tǒng)可以根據(jù)預先設定的溫度及振動閾值，在磨礦生產(chǎn)中其運行狀態(tài)出現(xiàn)異常時做出報警提示。

　　球磨機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由上位機觸摸屏、主控節(jié)點、采集節(jié)點和傳感器組成。傳感器設置在磨礦系統(tǒng)的一些關鍵部件中，其中溫度測量采用PT100，振動測量采用加速度傳感器ADX001。各節(jié)點采集的信號通過CAN總線將溫度、振動信息發(fā)送至主控節(jié)點，主控節(jié)點收集到總線的信息后進行數(shù)據(jù)處理，采用Modbus RTU主從協(xié)議將處理后的溫度、振動數(shù)據(jù)發(fā)到觸摸屏，觸摸屏上顯示各監(jiān)測部件的溫度、振動實時變化曲線，并根據(jù)企業(yè)給出的數(shù)據(jù)進行溫度、振動閾值設置，實現(xiàn)在線監(jiān)測、報警功能。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

　　由圖1系統(tǒng)結構圖可知，系統(tǒng)包括8路溫度測點，分別為：電動機定子溫度、軸承溫度、減速機的潤滑油溫度；6路振動測點，分別為電動機動力端及非動力端軸承，減速機輸入、輸出端軸承，設備輸入端及末端軸承振動。

2 硬件電路設計

　　2.1 節(jié)點設計

　　系統(tǒng)中各節(jié)點包括主控節(jié)點和各采集節(jié)點兩種類型，其在硬件構成和實現(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)點硬件框圖如圖2所示。

　　2.2 主控芯片

　　STM32F103ZET6為意法半導體公司推出的基于CoreTex-M3內核的高性價比微型控制器，該處理器具有體積小、功耗低及性能高的優(yōu)勢。具有豐富的片內資源、2 KB的RAM、64 KB的Flash存儲器，工作頻率經(jīng)過PLL倍頻后最高可達到72 MHz。本系統(tǒng)設計中，STM32F103-ZET6外接8 MHz時鐘，經(jīng)內部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、穩(wěn)定性好、價格便宜等優(yōu)點，廣泛應用于工業(yè)自動化測量和各種儀器儀表領域中。本設計中為了減小由于導線電阻帶來的附加誤差，將PT100傳感器兩側相等的導線長度分別加在兩側的橋臂上，采用三線制測溫方案[3]。

　　加速度傳感器ADXL001是工業(yè)振動與沖擊傳感器，基于ADI公司的iMEMS技術，使工業(yè)控制儀器設計采用簡單的解決方案就可以實現(xiàn)高性價比、高性能且可靠地寬帶振動監(jiān)控。ADXL001振動與沖擊傳感器具有3個滿量程動態(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，易于安裝磨礦設備的測量點上。在進行球磨機振動測量時，關心的最高頻率為4 000 Hz，為滿足采樣定律，又不至于采集數(shù)據(jù)量太大，本設計最高頻率為12 kHz[4]。為了正確提取傳感器采集的球磨機的振動信號，對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)絡接到運算放大器的輸入端，運算放大器起隔離負載影響、提高增益和提高帶負載能力的作用。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)與用戶之間進行交互和信息交換的媒介，是指人和機器在信息交換和功能上接觸，進行人機對話，故在工業(yè)領域也稱人機交互界面。本文選用的觸摸屏型號為步科ET100觸摸屏，其含有128 MB Flash+64 MB SDRAM，防護等級符合達到工業(yè)IP65標準。監(jiān)控系統(tǒng)通過在上位機觸摸屏設置，在現(xiàn)場觸摸屏上能夠實現(xiàn)多通道實時溫度、振動數(shù)據(jù)顯示，并能記錄歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄時間可按照需要設置，并可打印輸出。通過觸摸屏可以設置溫度、振動信號，并設置管理員窗口。在觸摸屏上設置的串口通信參數(shù)如表1所示。

3 軟件設計

　　磨機整體檢測系統(tǒng)軟件設計包括兩方面的工作：一是各采集節(jié)點在STM32端實現(xiàn)溫度、振動傳感器的數(shù)據(jù)采集，并發(fā)送至主控節(jié)點等待發(fā)送；二是采用Modbus標準協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機觸摸屏。系統(tǒng)總體程序包括系統(tǒng)初始化、開啟CAN接收中斷服務、溫度振動數(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)領域全球最流行的通信協(xié)議之一[5]。其包含的Master/Slave主從應答方式的通信協(xié)議，具有簡單、可靠、容易實現(xiàn)等特點。本文中采用ET100觸摸屏作主，STM32作從方式進行通信，物理層采用RS232串行通信標準來實現(xiàn)。

　　當在Modbus網(wǎng)絡上通信時，主設備不斷的向外發(fā)送地址，從設備接收地址并作出相應的動作，若需要響應，控制器生成的反饋信息必須遵循標注的Modbus協(xié)議發(fā)出。其通用數(shù)據(jù)幀格式如表2所示。

　　單個設備的地址碼范圍為1～247。主設備通過將要聯(lián)絡的從設備地址放入消息中，從設備做出響應時將自己的地址放入回應的地址域中，從而實現(xiàn)主從設備通信。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)或者終端響應查詢時采集到的數(shù)據(jù)。檢驗碼是表示設備進行通信時，需要對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行檢驗，包括奇偶檢驗、LRC檢驗和CRC檢驗，本文采用CRC校驗。

　　3.2 CAN總線軟件設計

　　STM32F103ZET6內部集成了單路CAN控制器，其初始化內容包括：配置相關引腳的復用功能，使能CAN時鐘、配置CAN工作模式及波特率、設置濾波器，通過CAN_RFOR設置中斷方式[6]。CAN發(fā)送報文數(shù)據(jù)流程為：應用程序選擇一個空郵箱發(fā)送、清除并發(fā)送郵箱標識符寄存器、設置發(fā)送郵箱數(shù)據(jù)長度與待發(fā)送數(shù)據(jù)、查詢發(fā)送狀態(tài)。

　　3.3 Modbus報文發(fā)送、接收

　　ET100觸摸屏上電后，預先設計的功能碼0x03會不斷向外發(fā)送元件的地址，從設備STM32根據(jù)接收到的地址回饋相應的數(shù)據(jù)。

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

　　功能選擇模塊主要根據(jù)用戶在觸摸屏上設置的地址，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，主要包括構造消息幀和解析生成的CRC檢驗碼，然后根據(jù)消息幀發(fā)送出去；

　　處理應答模塊是對反饋的數(shù)據(jù)進行處理，驗證收到的數(shù)據(jù)是否正確，即若程序在規(guī)定的延時內接收到響應，那么對接收到的數(shù)據(jù)進行處理，進行CRC檢驗碼判斷接收到的數(shù)據(jù)是否正確。其總體發(fā)送、接收流程如圖5所示。

4 結束語

　　基于STM32的球磨機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設計，分別利用溫度和振動傳感器在各個節(jié)點采集溫度和振動信息，利用CAN總線實現(xiàn)組網(wǎng)，將采集的節(jié)點信息發(fā)送到主控節(jié)點上。通過設置中斷方式，每次定時時間到，主控節(jié)點將上一次采集的溫度、振動數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機觸摸屏。利用標準Modbus協(xié)議，以ET100為主控設備，STM32F103ZET6為從設備進行通信，成功實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸通信。通過實驗測試，本文所介紹的設計方案可以較好地應用于工業(yè)磨礦現(xiàn)場設備的監(jiān)測與報警，且本文設計不僅針對磨礦設備的應用場合，針對其他工況只需要對系統(tǒng)進行相應的改動就能較好地適用于其他的工業(yè)設備實時監(jiān)測場合，具有較強的技術適用性和廣泛的應用前景。

　　參考文獻

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　　[2] 馬軍，李志華.基于STM32的無線次聲采集系統(tǒng)的設計[J].電子技術應用，2014，40(4)：92-95.

　　[3] 徐莉振，鮑敏.面向Pt100鉑電阻的高精度多路測溫系統(tǒng)[J].機電工程，2013，30(1)：65-72.

　　[4] 周平，柴天佑.磨礦過程磨機負荷的智能監(jiān)測與控制[J].控制理論與應用，2008，25(6)：1095-1098.

　　[5] 張桂，金國強，李輝.基于ARM平臺Modbus RTU協(xié)議的研究與實現(xiàn)[J].電力科學與工程，2011，27(1)：23-27.

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