基于物聯(lián)網(wǎng)的液壓泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郝振興,康喜富,王基月,楊 瑞

(1.鄭州科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,河南鄭州 450064；2.中車大同電力機(jī)車有限公司,山西大同 037038)

0 引言

液壓泵站作為液壓設(shè)備的關(guān)鍵組成部分，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備中，其性能直接決定著整個(gè)機(jī)械設(shè)備是否能夠穩(wěn)定可靠地運(yùn)行[1]。一些高壓危險(xiǎn)場(chǎng)合不適合本地現(xiàn)場(chǎng)操控，如何擺脫地理位置的限制，并對(duì)液壓泵站進(jìn)行監(jiān)控成為亟待解決的問題。目前，大多液壓泵站采用本地手動(dòng)控制或本地上位機(jī)控制，本地手動(dòng)控制費(fèi)力費(fèi)時(shí)、測(cè)量控制精度不高及不能完成泵站的自動(dòng)化運(yùn)行，而本地上位機(jī)控制不能對(duì)泵站進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控[2-3]。因此，采用以STM32F103芯片為核心的控制器、遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端為遠(yuǎn)端上位機(jī)，結(jié)合以太網(wǎng)、云端服務(wù)器、4G無線通信等技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的液壓泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能無線遠(yuǎn)程對(duì)液壓泵站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，而且還能本地對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

液壓泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由物聯(lián)網(wǎng)接入與控制平臺(tái)、智能監(jiān)控模塊和現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表組成。物聯(lián)網(wǎng)接入與控制平臺(tái)主要由遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端及云端服務(wù)器組成，用來對(duì)液壓泵站的運(yùn)行情況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。智能監(jiān)控模塊主要由以STM32F103芯片為核心設(shè)計(jì)的控制器及安卓系統(tǒng)觸摸屏(含APP)組成，憑借搭配的安卓系統(tǒng)觸摸屏負(fù)責(zé)本地實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各儀器儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，并將相關(guān)數(shù)據(jù)通過4G無線通信上傳到物聯(lián)網(wǎng)接入與控制平臺(tái)?，F(xiàn)場(chǎng)儀器儀表主要由壓力變送器、流量計(jì)、溫度變送器、液位計(jì)及液壓泵組成，壓力變送器、流量計(jì)、溫度變送器及液位計(jì)將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流信號(hào)[4]上傳給智能監(jiān)控模塊，智能監(jiān)控模塊對(duì)數(shù)據(jù)處理后對(duì)液壓泵及有關(guān)參量進(jìn)行監(jiān)控。液壓泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控整體系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 整體系統(tǒng)框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

液壓泵站監(jiān)控系統(tǒng)的主控核心采用嵌入式芯片STM32F103，STM32F103芯片的內(nèi)核為ARM Cortex-M3，其優(yōu)勢(shì)在于性能高、成本低、功耗低。它的最高工作頻率為72 MHz，閃存程序存儲(chǔ)器高達(dá)512 KB，SRAM空間高達(dá)64 KB，同時(shí)內(nèi)部還集成了ADC、SPI及CAN等外設(shè)和接口電路[5-6]。STM32F103系列芯片因功能強(qiáng)大、功耗低等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域[6-7]。

2.2 人機(jī)交互模塊

系統(tǒng)的本地顯示和監(jiān)控部分由帶有安卓系統(tǒng)的觸摸屏實(shí)現(xiàn)，觸摸屏大小為7英寸(1英寸=2.54 cm)，2 GB DDR3、8 GB存儲(chǔ)空間，1路網(wǎng)口、4路串口、4路USB口等，同時(shí)該觸摸屏也支持4G通信、WiFi通信、藍(lán)牙等通信方式，方便用戶輸入和查看系統(tǒng)參數(shù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)等。觸摸屏與STM32F103之間通過串口連接，并以自定義協(xié)議進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。

2.3 數(shù)據(jù)采集控制模塊

系統(tǒng)將傳感器輸出的4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)直流電流信號(hào)通過LM358放大器轉(zhuǎn)換成0～3.3 V的直流電壓信號(hào)，以供STM32F103進(jìn)行采集，其電流電壓轉(zhuǎn)換原理圖如圖2所示。STM32F103單片機(jī)根據(jù)所采集的信號(hào)和控制策略，依靠其內(nèi)部的DAC轉(zhuǎn)換器及其外圍電路輸出0～10 V的直流電壓信號(hào)給變頻器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓泵的控制。

圖2 電流電壓轉(zhuǎn)換電路

2.4 4G模塊

系統(tǒng)通過4G模塊和云端服務(wù)器進(jìn)行無線通信，遠(yuǎn)程客戶端與云端服務(wù)器連接進(jìn)行報(bào)文交換，完成了對(duì)液壓泵站的遠(yuǎn)程監(jiān)控。4G模塊選用的是SIM76000CE-L，模塊采用SMT封裝，可以滿足各種緊湊型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需要。該模塊支持中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)電信的4G、3G、2G網(wǎng)絡(luò)通信，上行最大傳送速率為50 Mbps，下行最大傳送速率為150 Mbps，同時(shí)也支持UART、USB2.0等接口通信。這使該4G模塊適合應(yīng)用于液壓泵站的遠(yuǎn)程監(jiān)控，4G模塊和STM32F103通過UART串口相連進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。4G模塊傳輸電路實(shí)物圖如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 智能監(jiān)控模塊程序設(shè)計(jì)

智能監(jiān)控模塊程序主要包括STM32F103控制器程序和安卓系統(tǒng)觸摸屏程序APP。STM32F103控制器程序在Keil uVision5開發(fā)平臺(tái)中采用C語言編寫，編譯生成hex文件后通過Jlink燒寫軟件將其燒寫進(jìn)STM32F103中。STM32F103控制器程序設(shè)計(jì)主要包括現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表的數(shù)據(jù)采集控制程序、數(shù)據(jù)處理程序、串口通信程序、4G無線通信模塊報(bào)文傳輸程序等[8]。安卓系統(tǒng)觸摸屏程序APP采用JAVA語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，APP通過調(diào)用觸摸屏內(nèi)部的串口設(shè)備建立與STM-32F103控制器的通信后，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的處理、顯示等。通過XML布局文件進(jìn)行本地監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)。智能監(jiān)控模塊主要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制等。智能監(jiān)控模塊通電后首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，接著需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，然后對(duì)各傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，泵流量控制算法根據(jù)采集的流量值對(duì)液壓泵輸出的流量進(jìn)行控制，直至達(dá)到設(shè)定值，同時(shí)，STM32F103芯片把數(shù)據(jù)發(fā)送到4G無線模塊SIM76000CE-L，經(jīng)4G無線模塊將數(shù)據(jù)上傳到云端服務(wù)器中，智能監(jiān)控模塊程序流程圖如圖4所示。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)接入與控制平臺(tái)程序設(shè)計(jì)

3.2.1 云端服務(wù)器程序設(shè)計(jì)

云端服務(wù)器選擇B/S開發(fā)架構(gòu)作為服務(wù)器和遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端之間通信的開發(fā)架構(gòu)，主要包括服務(wù)器和遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端的數(shù)據(jù)交換，應(yīng)用MySQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)存儲(chǔ)和提取報(bào)文數(shù)據(jù)等。當(dāng)智能監(jiān)控模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)被云端服務(wù)器接收時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，然后遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)直觀地顯示在客戶端的人機(jī)界面上，從而完成服務(wù)器和客戶端的交互。圖5為云端服務(wù)器的程序流程圖。

圖5 云端服務(wù)器程序流程圖

3.2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端程序設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端程序基于HTML5+CSS3+JavaScri-pt[9-10]進(jìn)行設(shè)計(jì)，靜態(tài)樣式的設(shè)計(jì)以HTML5為基礎(chǔ)使用CSS3完成，界面的動(dòng)態(tài)特性使用JavaScript完成，從而使遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端界面更加美觀友好。遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端界面主要包括系統(tǒng)首頁、系統(tǒng)設(shè)置、系統(tǒng)管理員模式、數(shù)據(jù)管理、報(bào)警管理、智能監(jiān)控、設(shè)備管理。圖6為遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端結(jié)構(gòu)框圖。

圖6 遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端結(jié)構(gòu)框圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了充分驗(yàn)證監(jiān)控系統(tǒng)的性能，需搭建試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)所研制的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。將研制的智能監(jiān)控模塊安裝到液壓泵站上，同時(shí)將壓力、流量、溫度、液位等傳感器安裝到對(duì)應(yīng)的位置，然后上電進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，在安卓系統(tǒng)觸摸屏上和遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端同時(shí)對(duì)液壓泵站進(jìn)行監(jiān)控。經(jīng)測(cè)試表明該系統(tǒng)能夠?qū)σ簤罕谜局械膲毫?、流量、溫度、液位各參?shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，且能夠?qū)Ρ玫妮敵隽髁孔詣?dòng)控制。將研華USB-4716多功能數(shù)據(jù)采集板卡采集的壓力、流量、溫度、液位信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)值，并與研制的智能模塊采集的對(duì)應(yīng)值進(jìn)行對(duì)比，其監(jiān)控實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

表1 監(jiān)控實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由表1可知，壓力最大誤差為0.03 MPa，最大相對(duì)誤差為0.82%；溫度最大誤差為-0.1 ℃，最大相對(duì)誤差為-0.31%；液位最大誤差為-0.14 %，最大相對(duì)誤差為-0.19 %；流量最大誤差為-0.13 L/min，最大相對(duì)誤差為-0.33 %。則系統(tǒng)最大相對(duì)誤差為0.82%，最低控制精度可達(dá)-0.75%，相對(duì)誤差和控制精度滿足小于±1%的要求。

本地安卓系統(tǒng)觸摸屏和物聯(lián)網(wǎng)接入與控制平臺(tái)的監(jiān)控界面分別如圖7、圖8所示。同時(shí)結(jié)合圖7、圖8可知，液壓泵站提供的流量比較穩(wěn)定，且流量可在0～40 L/min范圍內(nèi)經(jīng)自動(dòng)控制算法調(diào)節(jié)后自動(dòng)達(dá)到設(shè)定值；提供的壓力為0～5 MPa；油箱中油的溫度保持在30～35 ℃；油箱中油的液位保持在油箱高度的75%左右。液壓泵站運(yùn)行狀態(tài)良好，其各項(xiàng)參數(shù)均處于正常工作范圍內(nèi)。

圖7 人機(jī)控制交互界面

圖8 物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控界面

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了液壓泵站的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并利用各傳感器對(duì)液壓泵站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過安卓系統(tǒng)觸摸屏實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓泵站的本地監(jiān)控；經(jīng)4G無線通信將各數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)接入與控制平臺(tái)中，最終完成對(duì)液壓泵站的遠(yuǎn)程監(jiān)控及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等功能。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠?qū)σ簤罕谜局械膲毫?、流量、溫度、液位各參?shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，且能夠?qū)Ρ玫妮敵隽髁孔詣?dòng)控制，系統(tǒng)最大相對(duì)誤差為0.82%，控制精度可達(dá)-0.75%，滿足小于±1%的要求，為液壓泵站的故障診斷及預(yù)測(cè)提供了一定的依據(jù)。目前，該系統(tǒng)已在某公司得到良好的應(yīng)用。