基于工業物聯網的預防性維護系統設計

孔繁斌

（一汽解放汽車有限公司，吉林 長春 130000）

預防性維護（Preventive Maintenance）是使設備保持正常的功能狀態，在故障發生之前所進行的各種類型維護保養活動的統稱。本質是通過對設備的日常點檢、巡查，發現故障發生的預兆或防止故障的發生，從而達到預防故障的目的。預防性維護作為防止設備故障發生的有效措施之一，在現代制造企業的設備管理維護中得到了普遍應用。

隨著無線通信技術和總線技術的不斷發展，工業領域迫切需要將機器、原材料、控制系統、信息系統、產品以及人之間互聯，這是工業物聯網（簡稱IIoT）產生的基礎。企業利用IIoT采集實時數據，通過分析這些數據，更快地發現異常和問題，在設備出現故障之前，對設備進行維護，避免突然停機，在一定程度上節約時間和金錢，這是實現預防性維護的一種重要途徑。

1 系統總體設計

預防性維護的成功與否，關鍵在于對設備關鍵參數和狀態數據掌握的是否及時，為此設計了一種基于工業物聯網的數據無線采集裝置，實現設備傳感器數據的實時采集與傳輸。該系統采用模塊化設計，以ESP8266芯片為核心，包括用于采集傳感器信號的模擬量模塊、實現ESP8266芯片ModBus通信的TTL轉RS485模塊、用來顯示數據的OLED顯示模塊和為所有模塊供電的降壓模塊等。一方面，該傳感器數據遠程采集裝置通過模擬量采集模塊將傳感器數據轉換為ModBus協議格式，ESP8266芯片通過TTL轉RS485模塊與模擬量采集模塊的串口進行通信，ESP8266芯片有特定程序不斷向串口發送十六位問詢幀，讀取串口返回報文中寄存器的數據。另一方面，ESP8266芯片通過I2C總線通訊將數據傳輸到OLED顯示模塊，對傳感器數據進行實時顯示。ESP8266芯片連接無線網絡通過HTTP協議將傳感器數據以JASON數據格式傳遞至云服務器，用戶在手機或瀏覽器上通過調用數據庫中的數據流來實現遠程監，系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2 硬件設計

系統硬件主要由四大部分構成，分別為數據采集模塊、信號轉換模塊、降壓模塊和數據傳輸模塊。

2.1 數據采集模塊

系統的數據采集模塊為常見的工業用傳感器，該類傳感器采集到的數據為模擬量，需要在工業現場對其讀取和顯示。由于現場電磁場會影響模擬量信號的傳遞，為了保證信號穩定，工業中常將其轉化為標準電流信號，并通過模擬量采集模塊將傳感器信號以ModBus協議輸出，成功規避了單片機讀取模擬量信號的局限性和不穩定的問題。

2.2 信號轉換模塊

系統的信號轉換模塊采用RS485電路，該模塊實現了串口信號與RS485信號的互轉。RS485通信為半雙工通信，可以實現雙向通信，但不能在兩個方向上同時進行，只能交替地進行通信，換句話說，通道的每側都可以是發送端，也可以是接收端，但在同一時刻，信息只能朝一個方向傳輸。

轉換電路模塊的主要作用是保證數據傳輸的安全性和穩定性，因此，本模塊考慮了485總線的防雷設計和抗干擾設計，使用了隔離型芯片，實現了電源與信號的隔離，具有隔離及總線保護功能、極高的EMC（電磁兼容）和EMI（電磁抗干擾）性能。

2.3 降壓模塊

為了方便現場取電，該系統的降壓模塊采用交流220V供電。如圖2所示，通過降壓電路將交流220V交流電轉換為直流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TTL轉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定輸出電壓。

發光二極管通過電阻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，串聯一個分壓電阻能提高發光二極管的使用壽命。降壓電路如圖2所示。

2.4 數據傳輸模塊

系統的數據無線傳輸部分使用ESP8266芯片，ESP8266作為WIFI芯片，廣泛應用于各種物聯網場景，該系統用的是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引腳設置為軟串口RXD和TXD，并分別與TTL轉RS485模塊的TXD和RXD引腳連接進行串口通信。

復位電路在微控制器電路設計中具有重要作用，復位電路可以使微控制器在上電的瞬間，從初始狀態開始工作。如果微控制器在上電后不經復位就開始工作，可能會造成微控制器因程序報錯而不能正常工作，因此，在設計微控制器電路時，需要設計復位電路。該系統將ESP8266芯片的RST引腳與復位按鍵1號引腳連接，該復位按鍵先并聯電容C3后串聯電阻R2，電阻端接+3.3V電源，電容端接地組成復位電路。當按下復位鍵時電容放電，RST端由高電平變為低電平，實現對芯片的復位。

該系統采用了0.96寸的OLED顯示屏來進行傳感器數據的顯示，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I2C通信，實時傳遞傳感器信息，數據傳輸電路如圖3所示。

3 軟件設計

3.1 主程序設計

系統程序采用Arduino IDE軟件編寫，Arduino使用C/C++編寫程序，在系統上電后，將Wi-Fi模式設置為AP（access point）+STA（station）模式，同時初始化串口、WIFI及OLED顯示屏。嘗試連入設置好的Wi-Fi，連接成功后，在串口打印IP地址，隨后進入主程序，向串口發送8位16進制問詢幀，在ModBus協議中，通過發送不同功能碼問詢幀可以實現讀/寫等功能，通過程序讀取串口數據，并返回傳感器的數值，通過內部程序將傳感器數值處理后在OLED液晶屏上實時顯示。

圖3 數據傳輸電路

系統采用HTTP協議進行無線傳輸，向服務器請求傳輸數據服務時，只需傳送數據請求命令和路徑，常用的數據請求命令有HEAD、GET和POST。由于該系統只傳輸數據，軟件設計只向服務器發送POST命令。本系統采用JASON數據格式將接口密鑰、服務器地址、數據長度和數據值傳輸至云服務器，延時后循環執行主程序。

3.2 應用程序設計

本設計在服務器端調用數據庫中的數據流信息，通過圖表或儀表盤等形式對傳感器數據進行展示，在手機端也能進行查看，使維修人員能隨時隨地掌握設備狀態。此外，在服務器中可以設置報警信息，當某參數超過或低于設定值時，向維修人員發送報警信息，通知進行現場檢查。

4 結語

目前，工業物聯網多采用有線的方式解決數據的采集和傳輸，但由于工作環境和工作內容的制約，有線方式不再適用，例如，一些特殊環境不適合采用有線的方式傳輸，而且遇到數據采集點較遠的情況，采用有線的方式進行數據傳輸成本很高。由此可見，基于工業物聯網的預防性維護系統在工業生產中具有重要的應用價值。

基于工業物聯網的數據無線采集系統的推廣應用，在企業預防性維護方面發揮了重要的作用，使得設備故障停機前，維修人員能及時發現異常情況，提前進行維修或保養，減少了突發故障的情況，進而降低了設備故障停機時間，提高了MTBF(平均故障間隔時間)和設備的可動率及完好率。同時，該系統的推廣應用減少了設備點檢的人力浪費，加強了設備狀態的監視，推動設備管理向智能化、科學化和數字化發展。