基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的預(yù)防性維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孔繁斌

（一汽解放汽車(chē)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130000）

預(yù)防性維護(hù)（Preventive Maintenance）是使設(shè)備保持正常的功能狀態(tài)，在故障發(fā)生之前所進(jìn)行的各種類(lèi)型維護(hù)保養(yǎng)活動(dòng)的統(tǒng)稱(chēng)。本質(zhì)是通過(guò)對(duì)設(shè)備的日常點(diǎn)檢、巡查，發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生的預(yù)兆或防止故障的發(fā)生，從而達(dá)到預(yù)防故障的目的。預(yù)防性維護(hù)作為防止設(shè)備故障發(fā)生的有效措施之一，在現(xiàn)代制造企業(yè)的設(shè)備管理維護(hù)中得到了普遍應(yīng)用。

隨著無(wú)線通信技術(shù)和總線技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域迫切需要將機(jī)器、原材料、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、產(chǎn)品以及人之間互聯(lián)，這是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（簡(jiǎn)稱(chēng)IIoT）產(chǎn)生的基礎(chǔ)。企業(yè)利用IIoT采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)分析這些數(shù)據(jù)，更快地發(fā)現(xiàn)異常和問(wèn)題，在設(shè)備出現(xiàn)故障之前，對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，避免突然停機(jī)，在一定程度上節(jié)約時(shí)間和金錢(qián)，這是實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)的一種重要途徑。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

預(yù)防性維護(hù)的成功與否，關(guān)鍵在于對(duì)設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)掌握的是否及時(shí)，為此設(shè)計(jì)了一種基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)無(wú)線采集裝置，實(shí)現(xiàn)設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與傳輸。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，以ESP8266芯片為核心，包括用于采集傳感器信號(hào)的模擬量模塊、實(shí)現(xiàn)ESP8266芯片ModBus通信的TTL轉(zhuǎn)RS485模塊、用來(lái)顯示數(shù)據(jù)的OLED顯示模塊和為所有模塊供電的降壓模塊等。一方面，該傳感器數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集裝置通過(guò)模擬量采集模塊將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ModBus協(xié)議格式，ESP8266芯片通過(guò)TTL轉(zhuǎn)RS485模塊與模擬量采集模塊的串口進(jìn)行通信，ESP8266芯片有特定程序不斷向串口發(fā)送十六位問(wèn)詢幀，讀取串口返回報(bào)文中寄存器的數(shù)據(jù)。另一方面，ESP8266芯片通過(guò)I2C總線通訊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絆LED顯示模塊，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。ESP8266芯片連接無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通過(guò)HTTP協(xié)議將傳感器數(shù)據(jù)以JASON數(shù)據(jù)格式傳遞至云服務(wù)器，用戶在手機(jī)或?yàn)g覽器上通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)流來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由四大部分構(gòu)成，分別為數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、降壓模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊為常見(jiàn)的工業(yè)用傳感器，該類(lèi)傳感器采集到的數(shù)據(jù)為模擬量，需要在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其讀取和顯示。由于現(xiàn)場(chǎng)電磁場(chǎng)會(huì)影響模擬量信號(hào)的傳遞，為了保證信號(hào)穩(wěn)定，工業(yè)中常將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，并通過(guò)模擬量采集模塊將傳感器信號(hào)以ModBus協(xié)議輸出，成功規(guī)避了單片機(jī)讀取模擬量信號(hào)的局限性和不穩(wěn)定的問(wèn)題。

2.2 信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊

系統(tǒng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊采用RS485電路，該模塊實(shí)現(xiàn)了串口信號(hào)與RS485信號(hào)的互轉(zhuǎn)。RS485通信為半雙工通信，可以實(shí)現(xiàn)雙向通信，但不能在兩個(gè)方向上同時(shí)進(jìn)行，只能交替地進(jìn)行通信，換句話說(shuō)，通道的每側(cè)都可以是發(fā)送端，也可以是接收端，但在同一時(shí)刻，信息只能朝一個(gè)方向傳輸。

轉(zhuǎn)換電路模塊的主要作用是保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性，因此，本模塊考慮了485總線的防雷設(shè)計(jì)和抗干擾設(shè)計(jì)，使用了隔離型芯片，實(shí)現(xiàn)了電源與信號(hào)的隔離，具有隔離及總線保護(hù)功能、極高的EMC（電磁兼容）和EMI（電磁抗干擾）性能。

2.3 降壓模塊

為了方便現(xiàn)場(chǎng)取電，該系統(tǒng)的降壓模塊采用交流220V供電。如圖2所示，通過(guò)降壓電路將交流220V交流電轉(zhuǎn)換為直流24V、直流5V和直流3.3V。直流24V為采集模塊及傳感器供電，直流5V為T(mén)TL轉(zhuǎn)RS485模塊供電，AMS1117-3.3V降壓芯片的OUT引腳與ESP8266芯片和OLED顯示模塊連接，為兩模塊供電。與AMS1117-3.3V降壓芯片連接的電容C1為輸入電容，其作用是防止斷電后電路出現(xiàn)電壓倒置，C2為輸出濾波電容，其作用是抑制電路自激振蕩和穩(wěn)定輸出電壓。

發(fā)光二極管通過(guò)電阻R3連接到AMS1117-3.3V降壓芯片用作電源指示燈，電阻R3起到分壓的作用，由于二極管的工作電壓較低，串聯(lián)一個(gè)分壓電阻能提高發(fā)光二極管的使用壽命。降壓電路如圖2所示。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸部分使用ESP8266芯片，ESP8266作為WIFI芯片，廣泛應(yīng)用于各種物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，該系統(tǒng)用的是ESP8266-01s系列。如圖3所示，由于ESP8266-01s可用引腳較少，在程序中將ESP8266芯片的IO0和IO2引腳設(shè)置為軟串口RXD和TXD，并分別與TTL轉(zhuǎn)RS485模塊的TXD和RXD引腳連接進(jìn)行串口通信。

復(fù)位電路在微控制器電路設(shè)計(jì)中具有重要作用，復(fù)位電路可以使微控制器在上電的瞬間，從初始狀態(tài)開(kāi)始工作。如果微控制器在上電后不經(jīng)復(fù)位就開(kāi)始工作，可能會(huì)造成微控制器因程序報(bào)錯(cuò)而不能正常工作，因此，在設(shè)計(jì)微控制器電路時(shí)，需要設(shè)計(jì)復(fù)位電路。該系統(tǒng)將ESP8266芯片的RST引腳與復(fù)位按鍵1號(hào)引腳連接，該復(fù)位按鍵先并聯(lián)電容C3后串聯(lián)電阻R2，電阻端接+3.3V電源，電容端接地組成復(fù)位電路。當(dāng)按下復(fù)位鍵時(shí)電容放電，RST端由高電平變?yōu)榈碗娖?，?shí)現(xiàn)對(duì)芯片的復(fù)位。

該系統(tǒng)采用了0.96寸的OLED顯示屏來(lái)進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的顯示，將ESP8266芯片的硬串口RXD和TXD分別與OLED顯示模塊的SDA和SCL引腳連接，通電后ESP8266芯片與OLED顯示模塊通過(guò)I2C通信，實(shí)時(shí)傳遞傳感器信息，數(shù)據(jù)傳輸電路如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序采用Arduino IDE軟件編寫(xiě)，Arduino使用C/C++編寫(xiě)程序，在系統(tǒng)上電后，將Wi-Fi模式設(shè)置為AP（access point）+STA（station）模式，同時(shí)初始化串口、WIFI及OLED顯示屏。嘗試連入設(shè)置好的Wi-Fi，連接成功后，在串口打印IP地址，隨后進(jìn)入主程序，向串口發(fā)送8位16進(jìn)制問(wèn)詢幀，在ModBus協(xié)議中，通過(guò)發(fā)送不同功能碼問(wèn)詢幀可以實(shí)現(xiàn)讀/寫(xiě)等功能，通過(guò)程序讀取串口數(shù)據(jù)，并返回傳感器的數(shù)值，通過(guò)內(nèi)部程序?qū)鞲衅鲾?shù)值處理后在OLED液晶屏上實(shí)時(shí)顯示。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸電路

系統(tǒng)采用HTTP協(xié)議進(jìn)行無(wú)線傳輸，向服務(wù)器請(qǐng)求傳輸數(shù)據(jù)服務(wù)時(shí)，只需傳送數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令和路徑，常用的數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令有HEAD、GET和POST。由于該系統(tǒng)只傳輸數(shù)據(jù)，軟件設(shè)計(jì)只向服務(wù)器發(fā)送POST命令。本系統(tǒng)采用JASON數(shù)據(jù)格式將接口密鑰、服務(wù)器地址、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)值傳輸至云服務(wù)器，延時(shí)后循環(huán)執(zhí)行主程序。

3.2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)在服務(wù)器端調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)流信息，通過(guò)圖表或儀表盤(pán)等形式對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，在手機(jī)端也能進(jìn)行查看，使維修人員能隨時(shí)隨地掌握設(shè)備狀態(tài)。此外，在服務(wù)器中可以設(shè)置報(bào)警信息，當(dāng)某參數(shù)超過(guò)或低于設(shè)定值時(shí)，向維修人員發(fā)送報(bào)警信息，通知進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)多采用有線的方式解決數(shù)據(jù)的采集和傳輸，但由于工作環(huán)境和工作內(nèi)容的制約，有線方式不再適用，例如，一些特殊環(huán)境不適合采用有線的方式傳輸，而且遇到數(shù)據(jù)采集點(diǎn)較遠(yuǎn)的情況，采用有線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸成本很高。由此可見(jiàn)，基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的預(yù)防性維護(hù)系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)無(wú)線采集系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，在企業(yè)預(yù)防性維護(hù)方面發(fā)揮了重要的作用，使得設(shè)備故障停機(jī)前，維修人員能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，提前進(jìn)行維修或保養(yǎng)，減少了突發(fā)故障的情況，進(jìn)而降低了設(shè)備故障停機(jī)時(shí)間，提高了MTBF(平均故障間隔時(shí)間)和設(shè)備的可動(dòng)率及完好率。同時(shí)，該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用減少了設(shè)備點(diǎn)檢的人力浪費(fèi)，加強(qiáng)了設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視，推動(dòng)設(shè)備管理向智能化、科學(xué)化和數(shù)字化發(fā)展。