基于CAN總線的風(fēng)機監(jiān)測系統(tǒng)研究

李 磊,劉有源

(武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院,湖北 武漢 430063)

風(fēng)機是一類廣泛應(yīng)用于礦山、冶金工業(yè)的典型高速旋轉(zhuǎn)機械,對這些設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷,對于保證企業(yè)的安全生產(chǎn)有著重要的意義[1].計算機通信技術(shù)的發(fā)展,帶來測控網(wǎng)絡(luò)獲得突破性發(fā)展,通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組建遠程監(jiān)控系統(tǒng),使信息的采集、處理和傳輸一體化成為可能,幫助企業(yè)實現(xiàn)高效、準確、及時地監(jiān)測診斷,提高設(shè)備利用率,促進風(fēng)機監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展.

1 CAN總線簡介

CAN(Controller Aiea Network,控制器局域網(wǎng)絡(luò))是由德國Bosch公司于20世紀80年代為解決汽車中各種控制器、執(zhí)行機構(gòu)、監(jiān)測儀器、傳感器之間數(shù)據(jù)通信而開發(fā)的總線型串行通信網(wǎng)絡(luò).CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能,可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理,包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等項工作.CAN總線以其可靠性高,通訊方式靈活,穩(wěn)定性好,開發(fā)成本低等特點,被公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一[2-3].

本系統(tǒng)采用的MCP2510芯片是Microchip生產(chǎn)的一種獨立可編程CAN控制器芯片,用于一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)控制.而CAN總線收發(fā)器選擇德州儀器公司(TI)的SN65HVD232,它是CAN控制器與CAN總線的接口器件.

2 風(fēng)機監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 風(fēng)機監(jiān)測系統(tǒng)的硬件組成

整個監(jiān)測系統(tǒng)由4個部分組成:處于上位機的工控機 PC、RS232通訊板、用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)腃AN總線、監(jiān)測模塊.整體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 風(fēng)機監(jiān)測系統(tǒng)框圖

在硬件功能方面,監(jiān)測模塊需要完成數(shù)據(jù)的采集,并將數(shù)據(jù)傳送到 CAN總線.基于上述功能,監(jiān)測模塊核心選擇美國德州儀器公司推出的16位超低耗、高性能的MSP430系列單片機[4].其監(jiān)測模塊原理如圖2所示.

在設(shè)計中,選用的單片機為MSP430F149,它的工作電壓為1.8～3.6 V,內(nèi)含64KB+256字節(jié)的FLASH,2KB的 RAM,外接時鐘頻率范圍為32768Hz～8MHz,并且可以實現(xiàn)分頻.

系統(tǒng)中直接采用其內(nèi)部的數(shù)控DCO做為主時鐘MCLK和SMCLK,由于直接工作在800 kHz,因而免去了使用晶體.

此外,考慮到P1和 P2的I/O端口有中斷功能,而其余的I/O端口無中斷功能,所以選擇P3口作為地址和數(shù)據(jù)總線對 MCP2510控制器進行操作.MCP2510在電路中是一個總線接口芯片,當CAN總線接口接收到下位機的上傳數(shù)據(jù),MCP2510就產(chǎn)生一個中斷,引發(fā)微處理器產(chǎn)生中斷,通過中斷處理程序接收每一幀信息并通過CAN總線上傳給上位機進行分析.

圖2 監(jiān)測模塊電路原理圖

2.2 風(fēng)機監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用機理

上位計算機安裝在遠程控制中心,在整個系統(tǒng)中作為系統(tǒng)操作人員的操作平臺,并為中心管理員提供良好的交互界面.風(fēng)機監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用機理如下:傳感器實時采集風(fēng)機各路監(jiān)測點的數(shù)據(jù),完成AD轉(zhuǎn)換后傳到 MSP430,然后 MSP430通過MCP2510和收發(fā)器SN65HVD232將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上,計算機通過串口RS232通信方式與CAN總線進行通信,掛接在CAN總線上的系統(tǒng),通過發(fā)送接收命令、數(shù)據(jù)實現(xiàn)信息共享.作為CAN總線一個分布于現(xiàn)場的節(jié)點,每一個監(jiān)測模塊都有自己的CAN總線接口,可以根據(jù)自身需要接收總線上的數(shù)據(jù),而不是全部接收,不但提高了CPU處理速度,更不會造成重要信息延時.另外增加或刪減CAN總線的任意分布節(jié)點,都不會對其他節(jié)點產(chǎn)生影響.

本系統(tǒng)運用數(shù)據(jù)庫技術(shù),可實時查詢風(fēng)機運行狀態(tài).當風(fēng)機某個部位發(fā)生異?；蛘吖收蠒r,主控中心自動報警并顯示相應(yīng)異常信息,建立故障記錄,使維修人員能及時查詢和修復(fù)風(fēng)機故障.

3 風(fēng)機監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 監(jiān)測模塊軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電復(fù)位后,MSP430和MCP2510完成初始化,MSP430的 USART模塊工作在 SPI模式,MCP2510則對寄存器進行配置.初始化完成后,MSP430將寫數(shù)據(jù)到MCP2510發(fā)送緩存并控制其發(fā)送.此后,在接收緩存收到數(shù)據(jù)后,INT引腳將產(chǎn)生低電平中斷以通知MSP430,MSP430響應(yīng)中斷后將讀取數(shù)據(jù),并與發(fā)送的數(shù)據(jù)進行比較,以驗證程序的可行性(圖3).

圖3 風(fēng)機監(jiān)測系統(tǒng)框圖

3.2 風(fēng)機監(jiān)測系統(tǒng)主程序的軟件設(shè)計

上位機是采用Visual C++6.0進行開發(fā)的,負責(zé)發(fā)出控制指令和接收反饋回來的狀態(tài)信息.風(fēng)機監(jiān)測系統(tǒng)具有以下特點:實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、實時故障監(jiān)控、設(shè)備故障自動報警;用戶可根據(jù)實際需要對不同傳感器通道進行實時監(jiān)控;實時采集風(fēng)機振動信號;界面友好操作簡單.

風(fēng)機監(jiān)測軟件控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(圖4)按不同的功能可分為用戶登錄、狀態(tài)監(jiān)控、分析處理、報警、數(shù)據(jù)管理查詢五個模塊.

圖4 風(fēng)機監(jiān)測系統(tǒng)的軟件構(gòu)架

3.3 風(fēng)機監(jiān)測軟件系統(tǒng)功能

3.3.1 狀態(tài)監(jiān)控模塊 該模塊實現(xiàn)風(fēng)機運行狀態(tài)的實時監(jiān)測,為用戶提供若干個現(xiàn)場風(fēng)機運行模擬圖,將各檢測點的狀態(tài)參數(shù)以圖形或數(shù)據(jù)的形式顯示在模擬圖上.根據(jù)這些模擬圖和趨勢圖,用戶可直接了解風(fēng)機的實時運行狀態(tài).該模塊包括風(fēng)機運行模擬畫面顯示,監(jiān)測點特性參數(shù)趨勢顯示(如軸承溫度信號趨勢、風(fēng)機主軸振動信號趨勢、電機軸承振動信號趨勢)等子功能(圖5).

圖5 狀態(tài)監(jiān)控模塊

3.3.2 分析處理模塊 該模塊為用戶提供風(fēng)機和電機軸承振動特性分析功能,包括振動信號時域特性、頻域特性分析和小波分析的實現(xiàn).應(yīng)用該模塊提供的各種分析方法,用戶可以準確、快速地獲取風(fēng)機的振動特性參數(shù)和故障信息.此外,該模塊可按圖形或數(shù)值方法顯示這些分析主要參數(shù).

3.3.3 報警控制模塊 風(fēng)機做為企業(yè)的關(guān)鍵動力設(shè)備,其工作時間長、工作環(huán)境惡劣,導(dǎo)致風(fēng)機的故障發(fā)生率相對于其他設(shè)備較高.針對這種情況,報警控制模塊設(shè)計有實時故障監(jiān)控,風(fēng)機設(shè)備故障自動報警和故障歷史記錄查詢功能.當風(fēng)機某個部位出現(xiàn)故障時,系統(tǒng)自動偵測故障源并向上位機控制中心報警,同時顯示具體信息.這樣維修人員就可以很方便、準確找到故障點,及時檢修故障.

3.3.4 數(shù)據(jù)管理模塊 數(shù)據(jù)管理模塊主要實現(xiàn)風(fēng)機歷史數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)儲、系統(tǒng)操作記錄的顯示、用戶信息的管理和操作(圖6).

圖6 報警模塊

4 結(jié)論

基于CAN總線設(shè)計的風(fēng)機監(jiān)測系統(tǒng)能顯示風(fēng)機的信號值,實時監(jiān)控風(fēng)機的運行狀況;能對采集到的信號進行分析處理;能對故障部位進行報警顯示.系統(tǒng)運行情況表明,該系統(tǒng)能及時發(fā)現(xiàn)故障部位,避免事故發(fā)生,為企業(yè)安全生產(chǎn)提供了可靠保障.

[1]洪 源,朱海濤,馬小平.礦井通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].工礦自動化,2006(3):67-69.

[2]孔莉芳,張 虹.CAN總線在安全監(jiān)控系統(tǒng)傳輸中的應(yīng)用[J].微計算機信息,2008(5):43-44.

[3]饒運濤.現(xiàn)場總線CAN原理及應(yīng)用技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

[4]魏小龍.MSP430系列單片機接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計實例[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.