基于STM32和機智云平臺的滾動軸承在線監測系統

ID:184786 · 發表于 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測系統，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的運算，最后
將參數通過云平臺傳輸協議模塊，在利用ＷｉＦｉ轉發給遠程機智云平臺服務器。該系統為滾動軸承的監測提供了一個平
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損失甚至是人身傷亡事故，因此對滾動軸承運行狀態的監控是十分重要的。工業系統中滾動軸承所在的位置環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者提供物聯網設備的自主開發工具、后臺技術支持服務、遠程設備管理、數據存儲分析等服務的云平臺［２］。本文設計了一種將現場滾動軸承狀態數據通過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測系統。該監測系統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 實現數據對云平臺的遠程傳輸與遠程控制。
１　滾動軸承在線監測系統簡介
滾動軸承在線監測系統主要由振動傳感器模塊、信號采集模塊、云平臺傳輸協議模塊、控制器與處理器模塊構成。由于滾動軸承工作環境的惡劣，且發生故障的不確定性，傳統的監測系統擺脫不了工程人員長時間在現場值班的情形。本文提出了一種基于機制云平臺的實現遠程服務器，并且通過ＡＰＰ監控的滾動軸承監測系統的設計。該系統可通過對傳感器采集的信號進行分析，運算出反應系統運行狀態的參數，從而為工程人員提供可靠的參考并且實現滾動軸承運行狀態的遠程在線監測以及報警提醒，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控系統，首先應該考慮的應該就是設計必須要符合現場的情況： ① 工業現場供電多為２２０ＡＣ； ② 現場多為大功率設備，該種設備的啟停對電網的影響較大，使得供電電源的質量較差； ③ 現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測系統總體示意圖。

２　滾動軸承在線監測系統的硬件設計
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　Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３�。常� 位的ＲＩＳＣ內核，工作頻率為７２ＭＨｚ，工作電壓３．３Ｖ，內置高速存儲器、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］。在該系統中，該控制核心主要控制采集信號的Ａ／Ｄ轉換、數據的處理、數據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，在內部由于
（ＰＬＬ）鎖相環的倍頻作用，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，監測數據有較大的偏差，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：Ｆ０（中心頻率）＝５ｋＨｚ，Ｑ（品質因數）＝１０，Ｈｏｂｐ（峰值頻率增益）＝２。該芯片的原理圖如圖３所示。

２．３�。祝椋疲� 無線傳輸模塊
由于需要與機智云平臺服務器進行數據通信，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無線網絡上，并提供了ＵＡＲＴ串口、ＳＰＩ、ＰＷＭ接口進行數據傳輸，本文中選擇ＵＡＲＴ串口進行數據傳輸解決方案。該模塊硬件上集成了ＭＡＣ、基頻芯片、射頻收發單元、功率放大器、嵌入式固件，以及支持ＷｉＦｉ協議及配置以及組網的ＴＣＰ／ＩＰ協議棧［５］。圖４為該模組的接口原理圖。

３　滾動軸承在線監測系統的軟件設計
３．１　軟件流程的整體概述
系統的軟件開發以及調試均通過ＫＥＩＬ　ＭＤＫ集成開發環境完成，ＫＥＩＬ�。停模� 集成開發環境中包括了市面上絕大多數的芯片，其中也包括ＳＴＭ３２Ｆ的全系列芯片，開發語言選用Ｃ語言，大大提高了軟件的可讀性和可移植性。開發方式選用庫函數，庫函數選用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，易于調用；常用功能也已封裝成了函數接口，使得開發者在開發過程中只需對調用的功能有清楚的認識，不用太在意寄存器相關的細節，大大縮短了開發周期。系統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據進行顯示；
④ 通信模組向機智云平臺進行數據的傳輸。
圖５為系統軟件的整體流程圖。

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內部的Ａ／Ｄ位數為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的計算。需要計算的性能參數有峰值、有效值、均值、波峰因數、峭度。以上參數都能從某個方面反映軸承的運行狀態以及確定軸承正常與否。
３．３　ＷｉＦｉ模組與處理器單元的對接
處理器單元按照固定的協議通過串口向ＷｉＦｉ模組中發送數據�；就ㄐ艆刀x如下：
① 通信方式為串口ＵＡＲＴ通信。
② 波特率為９６００。
③ 數據位為８位，奇偶校驗為無，停止位為１；數據流控制為無。
基本的命令協議格式如下：
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開始到整個數據包結束所占用的字節數；多于一個字節的整形數字以大端字節編碼；消息序號（ｓｎ）由發送方給出，接收方響應命令時需要把消息號返回給發送方；如在２００ｍｓ內沒有收到接收方響應，發送方重發，最多重發三次。
３．４　云平臺服務器與ＡＰＰ終端的設計
滾動軸承在線監測系統將處理好的數據通過串口按照以上的協議將數據傳輸給ＷｉＦｉ模組，ＷｉＦｉ模組對其進行打包，通過網絡傳輸到機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測的數據，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，建立數據點，然后綁定使用的ＡＰＰ即可，大大提高了項目開發的周期。ＡＰＰ終端模板可以從機智云官網進行下載。圖６和圖７為配置完畢的滾動軸承在線監測系統機智云平臺服務器的網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系統日益向較大化、精密化、高速化和自動化方向發展，一方面提高了生產效率、降低了生產成本，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運行的穩定性和安
全性，甚至造成災難性后果［６］。
該系統的推廣不僅可以使得意外大型故障得到有效的監控，而且還可以大大減少人力的投入。該系統還存在一些不足，比如，該系統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，系統會更加完善。

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