基于CAN總線的風機監測系統研究

李 磊,劉有源

(武漢理工大學物流工程學院,湖北 武漢 430063)

風機是一類廣泛應用于礦山、冶金工業的典型高速旋轉機械,對這些設備進行狀態監測和故障診斷,對于保證企業的安全生產有著重要的意義[1].計算機通信技術的發展,帶來測控網絡獲得突破性發展,通過網絡技術組建遠程監控系統,使信息的采集、處理和傳輸一體化成為可能,幫助企業實現高效、準確、及時地監測診斷,提高設備利用率,促進風機監控技術的發展.

1 CAN總線簡介

CAN(Controller Aiea Network,控制器局域網絡)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、執行機構、監測儀器、傳感器之間數據通信而開發的總線型串行通信網絡.CAN總線通信接口中集成了CAN協議的物理層和數據鏈路層功能,可完成對通信數據的成幀處理,包括位填充、數據塊編碼、循環冗余檢驗、優先級判別等項工作.CAN總線以其可靠性高,通訊方式靈活,穩定性好,開發成本低等特點,被公認為最有前途的現場總線之一[2-3].

本系統采用的MCP2510芯片是Microchip生產的一種獨立可編程CAN控制器芯片,用于一般工業環境中的區域網控制.而CAN總線收發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 風機監測系統的硬件設計

2.1 風機監測系統的硬件組成

整個監測系統由4個部分組成:處于上位機的工控機 PC、RS232通訊板、用于數據傳輸的CAN總線、監測模塊.整體結構如圖1所示.

圖1 風機監測系統框圖

在硬件功能方面,監測模塊需要完成數據的采集,并將數據傳送到 CAN總線.基于上述功能,監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].其監測模塊原理如圖2所示.

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

系統中直接采用其內部的數控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口作為地址和數據總線對 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據,MCP2510就產生一個中斷,引發微處理器產生中斷,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 監測模塊電路原理圖

2.2 風機監測系統應用機理

上位計算機安裝在遠程控制中心,在整個系統中作為系統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.風機監測系統的應用機理如下:傳感器實時采集風機各路監測點的數據,完成AD轉換后傳到 MSP430,然后 MSP430通過MCP2510和收發器SN65HVD232將相關數據發送到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,通過發送接收命令、數據實現信息共享.作為CAN總線一個分布于現場的節點,每一個監測模塊都有自己的CAN總線接口,可以根據自身需要接收總線上的數據,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總線的任意分布節點,都不會對其他節點產生影響.

本系統運用數據庫技術,可實時查詢風機運行狀態.當風機某個部位發生異常或者故障時,主控中心自動報警并顯示相應異常信息,建立故障記錄,使維修人員能及時查詢和修復風機故障.

3 風機監測系統的軟件設計

3.1 監測模塊軟件設計

系統上電復位后,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將寫數據到MCP2510發送緩存并控制其發送.此后,在接收緩存收到數據后,INT引腳將產生低電平中斷以通知MSP430,MSP430響應中斷后將讀取數據,并與發送的數據進行比較,以驗證程序的可行性(圖3).

圖3 風機監測系統框圖

3.2 風機監測系統主程序的軟件設計

上位機是采用Visual C++6.0進行開發的,負責發出控制指令和接收反饋回來的狀態信息.風機監測系統具有以下特點:實現數據采集、實時故障監控、設備故障自動報警;用戶可根據實際需要對不同傳感器通道進行實時監控;實時采集風機振動信號;界面友好操作簡單.

風機監測軟件控制系統結構(圖4)按不同的功能可分為用戶登錄、狀態監控、分析處理、報警、數據管理查詢五個模塊.

圖4 風機監測系統的軟件構架

3.3 風機監測軟件系統功能

3.3.1 狀態監控模塊 該模塊實現風機運行狀態的實時監測,為用戶提供若干個現場風機運行模擬圖,將各檢測點的狀態參數以圖形或數據的形式顯示在模擬圖上.根據這些模擬圖和趨勢圖,用戶可直接了解風機的實時運行狀態.該模塊包括風機運行模擬畫面顯示,監測點特性參數趨勢顯示(如軸承溫度信號趨勢、風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 狀態監控模塊

3.3.2 分析處理模塊 該模塊為用戶提供風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.應用該模塊提供的各種分析方法,用戶可以準確、快速地獲取風機的振動特性參數和故障信息.此外,該模塊可按圖形或數值方法顯示這些分析主要參數.

3.3.3 報警控制模塊 風機做為企業的關鍵動力設備,其工作時間長、工作環境惡劣,導致風機的故障發生率相對于其他設備較高.針對這種情況,報警控制模塊設計有實時故障監控,風機設備故障自動報警和故障歷史記錄查詢功能.當風機某個部位出現故障時,系統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 數據管理模塊 數據管理模塊主要實現風機歷史數據的轉儲、系統操作記錄的顯示、用戶信息的管理和操作(圖6).

圖6 報警模塊

4 結論

基于CAN總線設計的風機監測系統能顯示風機的信號值,實時監控風機的運行狀況;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.系統運行情況表明,該系統能及時發現故障部位,避免事故發生,為企業安全生產提供了可靠保障.

[1]洪 源,朱海濤,馬小平.礦井通風機監控系統的設計與實現[J].工礦自動化,2006(3):67-69.

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

[3]饒運濤.現場總線CAN原理及應用技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003.

[4]魏小龍.MSP430系列單片機接口技術及系統設計實例[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002.