軸承試驗機(jī)網(wǎng)絡(luò)單元及其應(yīng)用

郭紹鵬, 李榮德

(洛陽軸研科技股份有限公司 試驗技術(shù)開發(fā)部，河南 洛陽 471039)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日新月異的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)測控技術(shù)也由簡單的遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)傳輸發(fā)展到現(xiàn)在的群測群控，網(wǎng)絡(luò)測控產(chǎn)品多種各樣，其通常作為下位機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場信號的測控。軸承試驗機(jī)是專門對軸承性能參數(shù)進(jìn)行測試的試驗設(shè)備，其調(diào)控對象為主軸電動機(jī)或液壓、氣動比例減壓閥。目前，軸承試驗機(jī)測控系統(tǒng)以“工控機(jī)+A/D卡+D/A卡+I/O卡+RS485卡”結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是通信速度高，直觀，調(diào)試方便；缺點是成本高，控制線多、長，信號易被干擾，系統(tǒng)越大開發(fā)生產(chǎn)周期越長、工作量大、網(wǎng)絡(luò)化困難?；诖?，介紹了一種Silabs公司推出的以C8051F005型單片機(jī)作為單元核心的多功能模塊，其非常適合在軸承試驗機(jī)上作為信號采集、A/D輸出及與上位機(jī)通信的功能單元使用。

1 C8051F005芯片介紹

C8051F005單片機(jī)原理如圖1所示，其性能指標(biāo)為：12位ADC 8路單端或4路差分輸入，最大采樣速度為100 kHz；一個可編程放大器，增益為16，8，4，2，1，0.5；內(nèi)置溫度傳感器(±3 ℃)；兩個12位DAC；21個矢量中斷源； 4字節(jié)寬I/O端口；所有口線均耐5 V電壓，可同時使用硬件SMBus(I2CTM兼容)、 SPITM及UART串口;可編程的16位計數(shù)器/定時器陣列有5個捕捉/比較模塊；精確的VDD監(jiān)視器和欠壓檢測器片內(nèi)JTAG調(diào)試和邊界掃描，片內(nèi)調(diào)試電路提供全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試(不需仿真器)，支持?jǐn)帱c，單步，觀察點，堆棧監(jiān)視器，觀察/修改存儲器和寄存器；內(nèi)部可編程振蕩器為2～16 MHz，外部振蕩器為晶體、RC，C或外部時鐘，可在運(yùn)行中切換時鐘源，適于節(jié)電模式時使用。

圖1 C8051F005單片機(jī)原理圖

2 工作原理

2.1 下位機(jī)

以網(wǎng)絡(luò)測試單元作為軸承試驗機(jī)網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)下位機(jī)為目標(biāo)。單元以C8051F005單片機(jī)為核心，測試軸承溫度、振動、載荷等試驗參數(shù)，并通過二線制RS485通信方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，同時接收上位機(jī)指令執(zhí)行動作控制及載荷調(diào)節(jié)等。溫度、振動、載荷等參數(shù)在0～+5 V，+1～+5 V或-5～+5 V的模擬電壓信號由IN0～I(xiàn)N7通道輸入，經(jīng)電阻衰減網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入C8051F005進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；0～+24 V轉(zhuǎn)速脈沖信號經(jīng)光耦隔離后經(jīng)C8051F005多功能端口P0口P0.2位進(jìn)行轉(zhuǎn)速測試；電動機(jī)工作狀態(tài)檢測等開關(guān)量脈沖信號經(jīng)光耦隔離后經(jīng)P3口進(jìn)行識別；類似潤滑電動機(jī)、加載電動機(jī)的啟停、加熱器啟停等信號控制，則由C8051F005的P1口通過繼電器J0～J7實現(xiàn)；載荷調(diào)節(jié)由C8051F005自帶的兩個數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)輸出控制比例放大器由比例閥實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)測試單元需3組供電電源，+5 V/3 A電源經(jīng)AS1117穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后，提供+3.3 V DC供C8051F005及外圍低壓器件使用；+24 V電源經(jīng)LM7812穩(wěn)壓器穩(wěn)壓到+12 V，+12 V經(jīng)ICL7660S器件進(jìn)行DC-DC變換為-12 V，此±12 V電源作為信號放大電源使用； +5 V/3 A電源連同另一路+5 V/1 A電源用于信號光電隔離供電及JTAG邏輯接口編程及仿真時使用。另外，網(wǎng)絡(luò)測試單元與上位機(jī)信息交換通過SP3485芯片和6N137高速光耦實現(xiàn)。

2.2 上位機(jī)

上位機(jī)為控制中心，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)(網(wǎng)絡(luò)單元)進(jìn)行控制，網(wǎng)絡(luò)單元和上位機(jī)通過485通信方式相互交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)測控功能。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法是在單片機(jī)中建立公共地址區(qū)，在該地址區(qū)存放單片機(jī)A/D采樣數(shù)據(jù)、數(shù)字輸入、輸出數(shù)據(jù)、D/A輸出數(shù)據(jù)、脈沖計數(shù)數(shù)據(jù)，各項數(shù)據(jù)的流向如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)流向圖

2.3 可靠性

由于設(shè)備需在惡劣的環(huán)境下長期工作，可靠性尤為重要。為提高試驗機(jī)的安全性和抗干擾能力，本單元中采取的措施有：

(1)采用DC-DC變換及降壓穩(wěn)壓措施，供信號變換、信號隔離電路使用，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

(2)穩(wěn)壓器件選用低壓差型AS1117器件，減少發(fā)熱，使模塊小型化并安裝在鋁材殼體內(nèi)，提高散熱效果和熱穩(wěn)定性。

(3)進(jìn)線端增加電抗器，用電容濾波方式為運(yùn)放提供干凈電源，減少電源污染。

(4)采取脈沖輸入信號電路通過光耦與CPU隔離、控制驅(qū)動電路通過繼電器與CPU部分隔離；使主機(jī)與殼體接觸良好，并確保接地良好；RC濾波和軟件濾波聯(lián)合使用；PCB板布置電磁屏蔽層[1]等措施，加強(qiáng)信號抗干擾能力，提高測控準(zhǔn)確性。

3 實際應(yīng)用

試驗中，通過控制試驗機(jī)轉(zhuǎn)速、軸向力和徑向力大小對軸承的使用工況進(jìn)行模擬，一套工裝上可安裝4套軸承，同時進(jìn)行試驗。其中，軸承轉(zhuǎn)速、驅(qū)動電動機(jī)電流、軸向力、徑向力、振動為整機(jī)的測試參數(shù)，1#～4#軸承溫度是4套軸承外圈測試點的溫度。網(wǎng)絡(luò)單元的功能是將現(xiàn)場模擬信號(如軸向力，振動，溫度等)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號發(fā)給計算機(jī)，再將上位機(jī)傳來的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成DA輸出，施加給現(xiàn)場執(zhí)行部件，執(zhí)行部件(包括變頻器，液壓比例閥等)將電壓值轉(zhuǎn)換成頻率、壓力輸出到電氣元件，達(dá)到對試驗工況的模擬控制。表1為軸承試驗機(jī)對T60-120軸承的試驗數(shù)據(jù)，試驗條件：轉(zhuǎn)速3 000 r/min，軸向力為60 kN，徑向力為150 kN，加速、加載過程控制在30 s以內(nèi)。由試驗數(shù)據(jù)可以看出，靜態(tài)誤差小于1%FS,動態(tài)誤差小于2%FS，完全滿足試驗要求。

表1 試驗記錄

4 結(jié)束語

以C8051F005作為單元核心的多功能模塊在軸承試驗機(jī)中起下位機(jī)作用，上位機(jī)為工業(yè)控制計算機(jī)，現(xiàn)場信號從軸承試驗機(jī)的試驗平臺上提取。若將本單元拓展應(yīng)用到其他測控場合，上位機(jī)可以是計算機(jī)、PLC、觸摸屏等具有異步串行RS485通信功能的設(shè)備，現(xiàn)場信號可以是一切具有標(biāo)準(zhǔn)0～5 V DC或4～20 mA輸出的傳感器、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字輸入輸出接口或標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號。網(wǎng)絡(luò)單元在其中起中介作用，整個過程中單元只負(fù)責(zé)采樣、輸出和傳送，并不參與數(shù)據(jù)整理和計算，計算決策權(quán)完全由上位機(jī)控制[2]。網(wǎng)絡(luò)單元可以應(yīng)用在工業(yè)、冶金、鍛造等多種對測控信號在精度和控制時序上要求不是很高的環(huán)境，其成本低，可靠性高，適合普遍推廣。

另外，若想增強(qiáng)模塊的功能，還可以選擇其他功能更加強(qiáng)大的單元核心，如可以實現(xiàn)高速AD采樣速率，100 M以太網(wǎng)通信速率的高性能單板機(jī)，其采樣精度高，單元內(nèi)部直接可以進(jìn)行數(shù)字濾波，實時反應(yīng)快，可滿足更高的工業(yè)環(huán)境要求，但其開發(fā)難度與開發(fā)成本也相應(yīng)地提高，可以根據(jù)需要進(jìn)行合適的開發(fā)。