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在電力、鋼鐵、石油、化工等行業中，有著大量的減速機、風機、泵站等機械設備，些設備如果在帶病狀態下工作，會大大縮減其使用壽命，影響生產，給企業帶來經濟損失。傳統上依靠工作員耳聽、手摸的方法發現存在的隱患，受現場環境和診斷者經驗的制約，常常會出現漏診、誤診的現象。同一臺設備的兩次檢查時間間隔較，也不利于異常情況的及時發現。因此，工廠的在線監測就顯得十分重要。 減速機常見的驅動設備之一，其工作是否異常的重要參數是：振動情況、軸承溫度、輸出軸轉速、電機電流、電壓等。通過振動信號，可以知道齒輪嚙合、動平衡是否正常；通過軸承溫度，可以知道軸承的間隙、潤滑是否良好；通過輸出軸的轉速和電機電流，可以知道是否過載。子站的主要功能是監測、處理，數據上傳，超限報警。 1. 總體結構 分布式監控系統一般是在監控中心布置主站，在各個監控點布置子站，通過總線結構將主站和子站連接起來（圖1）。子站將各個傳感器的信息采集處理后，將一部分重要數據顯示在子站的顯示設備上，同時將所有數據通過總線上傳給主站，主站將各個子站上傳的信息分析處理后顯示給運行監控人員，實現了對大范圍運行設備的在線監測。 圖1 網絡結構 系統采用德州儀器的MSP430F149作為控制器，通過SIMENS公司的SPC3芯片實現與PROFIBUS-DP總線連接。選用標準4～20mA電流信號輸出的振動傳感器，電機的電流、電壓通過轉換實現0～3V輸出。在軸承位置安裝DS18B20溫度傳感器，實現對軸溫的監控（減速機工作的正常溫度為50～60℃，一般滾動軸承工作不能超過95℃）。輸出軸上安裝脈沖輸出的轉速傳感器。MSP430F149 將以上運行信號采集處理后，通過LCD顯示，同時上傳到總線，向主站報告該子站的運行狀況。 2. 相關介紹 2．1 MSP430F149微控制器 MSP430F149是TI公司生產的一種超低功耗、混合信號16位控制器，工作電壓1.8~3.6V。該單片機具有豐富的外圍功能，內部集成多通道12位A/D轉換器、硬件乘法器、60KB的Flash和2KB的RAM，運行環境溫度范圍為-40℃～+85℃,可以適應各種惡劣的環境，非常適合作為現場監測的終端控制器。 2．2 PROFIBUS-DP現場總線 PROFIBUS是一種不依賴生產廠家的、開放式的現場總線，是目前際上通用的現場總線標準之一，以其獨特的技術特點、嚴格的認證規范、開放的標準、眾多廠商的支持和不斷發展的應用行規，已被納入現場總線的國際標準IEC61158和歐洲標準EN50170,并于2001年被定為我國的國標JB/T10308.3-2001。PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery，分布式外圍設備）主要用于自動化系統中單元級控制系統與分散式通信，使用第1層、第2層和用戶接口層，其余3～7層未使用，這種精簡的結構確保了高速數據傳輸。 2．3 SPC3協議專用芯片 PROFIBUS-DP物理層是RS-485，但通信協議比較復雜。SPC3是SIEMENS公司的專用協議芯片，使用該芯片后可以將復雜的協議撇開。SPC3集成了DP協議中的FDL層，因為SPC3集成了完整的DP總線協議，所以在與主站通信時，單片機使用SPC3芯片就像操作內部RAM，使從站控制器的編程工作量大為減輕。SPC3保障報文的有效性，可滿足整個報文的一致性數據交換。總線接口是個可參數化的同步/異步8位接口，內部集成了1.5K的雙口RAM，整個RAM采用8字節的段結構方式，所有需要分配地址的BUF指針，必須指向段的開頭。DP通信的服務存取點由SPC3自動建立，各種報文信息呈現在用戶面前的是不同BUF的內部數據。 3. 系統硬件設計 系統的硬件主要由鍵盤、顯示模塊、通信模塊、系統測量模塊組成（圖2）。采用3×3行列掃描鍵盤可以大大節省I/O口的占用。128×64點陣圖形LCD可以顯示大量信息。為了保存一些設定的參數和運行數據，選用Microchip公司生產的串行存儲器芯片24LC02B，它采用I2C總線接口，以256個字節為單位組成一塊，頁寫緩沖區高達8個字節，1百萬次擦寫。通信模塊由SPC3芯片及外圍電路組成，由于SPC3采用的是5V供電，而MSP430F149采用3.3V供電，在硬件設計中要考慮3.3V邏輯系統和5V邏輯系統共存，器件對加到輸入腳或輸出腳的電壓通常是有限的，這些引腳由二極管或分離元件接到Vcc，為了避免元器件的損壞和數據的丟失，采用專用的電平轉換器SN74LVCC4245A芯片，它是一個8bit寬度的雙向I/O電平轉換器，BUS B為3.3V數據，BUS A為5V數據連接SPC3芯片，其中DIR決定數據方向。SPC3中斷信號X/INT通過電平轉換后送入P1.6，為單片機提拱通信中斷信號。為了提高通信的抗干擾性，SPC3的內部電路必須與物理接口在電器上隔離，采用高速光耦HCPL7101和SN75ASL176D收發器保障了PROFIBUS總線通信的高可靠性。 軸溫測量采用美國DALLAS公司生產的單總線數字式溫度測量芯片的DS18B20，工作電壓3.0V~5.5V，測溫范圍為-55℃~+125℃，具有總線結構，通過P2.0就可以實現對8個溫度傳感器信號的采集。 圖2 系統接口電路圖 4. 系統軟件設計 系統上電后，首先要對SPC3和LCD進行初始化，配置寄存器。主程序 中根據中斷請求分別調用信號采集、鍵盤顯示和通信程序。 4．1 狀態信號采集 信號采集程序的調用是由定時器中斷產生的，由于監測系統不參與實時控制，同時為了避免總線上大量數據的傳輸，每2秒產生一次中斷，執行信號采集。狀態信號經過外部電路轉換后，進入MSP430單片機時都為模擬電壓信號，在程序上主要是A/D轉換和濾波。對于溫度傳感器，由于是采用總線連接，對應不同的地址，調用8次讀溫度子程序，刷新溫度緩存器中的數值，等待顯示程序和通信程序的調用。轉速測量采用定時器及中斷計數的方法。 4．2 鍵盤顯示 鍵盤采用行列掃描方式，當有按鍵動作時，產生中斷信號，執行參數設定、顯示、翻頁等程序。LCD顯示模塊內部含有字庫，因此不需要進行字模的編寫。初始化完成后，定時向顯示緩存區送出要刷新的數據。 4．3 通信接口 通信接口軟件在系統中較為重要，包括三部分：SPC3初始化、輸入處理和輸出處理。SPC3上電后首先要進行一次初始化，設定SPC3寄存器變量名稱、硬件模式、地址及標識號、各個BUF地址及長度、取得BUF指針。當SPC3產生信號給P1.6時，CPU產生中斷，執行輸入處理程序，獲得總線上的指令和數據。子站在執行狀態信號采集后，執行一次數據輸出處理，向總線發送該子站的狀態參數。 4．4 GSD文件 編寫標準的GSD文件后，該子站就可以作為標準PROFIBUS設備使用，為各種不同的廠家所識別（系統主站為SIEMENS PLC-300）。GSD文件包括廠商和設備名稱、軟硬件版本號、波特率、監控時間間隔和從站設備通道數量、類型等等。 5. 結束語 基于MSP430F149及PROFIBUS-DP總線的減速機在線監測系統，具有測量參數多、精度高，顯示靈活，傳輸距離遠，抗干擾能力強等優點。在同等監測標準下，成本遠低于其它監測系統。本文以減速機為實例，闡述了具有總線結構的分布式狀態監測子站的構建，在電力、石油、化工等領域中具有推廣價值。 本文作者創新觀點：提出了一種新的工廠在線監測手段，將MSP430和PROFIBUS-DP總線技術結合在了一起，具有標準的總線接口，通用性很強，適用于遠距離高速傳輸。系統使用時方便、簡單，可以直接在LCD上顯示數據和信息，在遠程監測中有著廣闊的應用空間。 |
