基于LoRa 通信的滾動(dòng)軸承運(yùn)行狀態(tài)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

凌啟東，宋世林，周征宇

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州，221440）

0 前言

工業(yè)現(xiàn)場中的滾動(dòng)軸承是制造生產(chǎn)線中的關(guān)鍵部件，一旦出現(xiàn)意外故障將會(huì)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果[1]。工業(yè)現(xiàn)場的滾動(dòng)軸承普遍存在類型多、應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜等情況，因此，對(duì)其運(yùn)行狀況監(jiān)測及檢測設(shè)備的安裝難度較大，無法對(duì)滾動(dòng)軸承的運(yùn)行進(jìn)行可靠診斷及可預(yù)測性維護(hù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由滾動(dòng)軸承所誘發(fā)的故障占總故障的30%～40%，給工業(yè)生產(chǎn)帶來了巨大的損失。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化改造的持續(xù)推進(jìn)，信息通信技術(shù)、電子與電氣技術(shù)、大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，為工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展帶來了新的支撐，對(duì)滾動(dòng)軸承的維護(hù)工作也提出了新的要求。

滾動(dòng)軸承在運(yùn)行過程中，隨著使用時(shí)間、使用環(huán)境、載荷、潤滑液的變化，可能會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部局部表層金屬脫落、塑性變形、磨料磨損、粘著磨損等問題，由于滾動(dòng)軸承的封閉性，導(dǎo)致初期問題一般不易察覺，往往發(fā)現(xiàn)時(shí)，軸承已發(fā)生嚴(yán)重磨損或失效，最終導(dǎo)致軸承不能運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至發(fā)生致命性故障[2]。目前，根據(jù)軸承運(yùn)行過程中的特征變化，國內(nèi)外對(duì)于滾動(dòng)軸承的監(jiān)測方法主要有振動(dòng)監(jiān)測、溫度測量、噪聲監(jiān)測、靜電監(jiān)測等。張文遠(yuǎn)等選用振動(dòng)傳感器設(shè)計(jì)了嵌入式軸承振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，采集了不同結(jié)構(gòu)的智能軸承振動(dòng)信號(hào)，通過振動(dòng)信號(hào)的幅值有效監(jiān)測軸承的運(yùn)行狀態(tài)[3]。陳劍等提出一種基于聲信號(hào)的滾動(dòng)軸承故障診斷方法，利用小波包短時(shí)能量散布熵特征對(duì)聲信號(hào)特點(diǎn)進(jìn)行了提取，采用LVQ 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)故障進(jìn)行分類，大幅提升了不同類型故障軸承的診斷效果[4]。劉若晨等人提出了一種滾動(dòng)軸承靜電多傳感器融合監(jiān)測方法，采用多個(gè)靜電傳感器對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行監(jiān)測，通過信息融合技術(shù)對(duì)信息進(jìn)行處理分析，提高了滾動(dòng)軸承運(yùn)行狀況監(jiān)測的可靠性[5]。上述方法在研究過程中沒有考慮到工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性，沒有為監(jiān)測數(shù)據(jù)提供可靠且方便的傳輸方式。本文設(shè)計(jì)了一種基于LoRa 通信的滾動(dòng)軸承運(yùn)行狀況采集器，實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度、振動(dòng)信號(hào)，通過LoRa 通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)滾動(dòng)軸承的運(yùn)行狀況進(jìn)行可靠監(jiān)測，保障工業(yè)生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1 系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的特殊性，設(shè)計(jì)了一種采集基于LoRa 通信的滾動(dòng)軸承運(yùn)行狀況采集系統(tǒng)，系統(tǒng)包括微控制器模塊、LoRa 通信電路模塊、溫度傳感器、振動(dòng)傳感器、模擬信號(hào)處理模塊、報(bào)警電路模塊和電源模塊。溫度傳感器和振動(dòng)傳感器用于實(shí)時(shí)采集滾動(dòng)軸承的溫度信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)模擬信號(hào)處理電路處理轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并進(jìn)行放大，輸入到微控制器的ADC 引腳。微控制器的ADC 轉(zhuǎn)換器對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，對(duì)接收到的溫度信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理與分析，當(dāng)任意一個(gè)信號(hào)異常時(shí)，將報(bào)警信號(hào)發(fā)送至報(bào)警電路模塊進(jìn)行提醒。LoRa 通信電路將采集的軸承狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)滾動(dòng)軸承的運(yùn)行狀況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。

2 系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)

2.1 微控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微控制器選用國產(chǎn)M4 核LoRa SoC 芯片ASR6601CB，內(nèi)部集成了Sub-GHz 射頻收發(fā)器和32 位的RISC MCU，支持I2C、ADC、DAC 等豐富的外設(shè)和接口。ASR6601 芯片最大發(fā)射功率為+22dBm，接收電流為4.6mA，最大的靈敏達(dá)到-148 dBm，Deep Sleep 模式下的休眠電流低至1.6μA，可以大大節(jié)省電能消耗。微控制器的最小系統(tǒng)電路如圖2 所示，主要包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源電路，時(shí)鐘電路包括兩個(gè)部分XTA、XTB 外接的32MHz 晶振電路和XO32K_IN、XO32K_OUT 外接的32.768kHz 晶振電路，晶體盡可能地靠近芯片管腳，負(fù)載電容分別為10pF 和6pF，對(duì)無源晶振頻率有微調(diào)作用，32MHz 晶振的引腳2、4 接地，提高抗干擾性；芯片的引腳28 外接按鍵復(fù)位電路，電源上電或者按下SW復(fù)位按鍵時(shí)，芯片復(fù)位；ASR6601 的電源引腳有6 個(gè)，都采用3.3V 供電，外接2.2μF 和0.1μF電容濾波，濾除低頻和高頻電源噪聲，引腳15 和引腳39 為MCU 的IO 口供電，引腳31 和引腳32 為MCU 的模擬部分供電，引腳7 給射頻部分供電，射頻電路電源引腳2 接3.3 V，經(jīng)過內(nèi)部電路，輸出為引腳1，VR_PA 通過外部的上拉電感給PA 的輸出級(jí)RFO 提供偏置。

圖2 微控制器系統(tǒng)電路

外圍模塊與微控制器相連，完成信息的輸入與輸出。引腳33 與處理后的溫度信號(hào)連接，引腳34 與處理后的振動(dòng)信號(hào)連接，引 腳33 和34 設(shè) 置 為ADC 模式，對(duì)于輸入的電平信號(hào)進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換；ASR6601CB 的引腳46、47 用于接收LoRa信號(hào)數(shù)據(jù)，引腳48 用于發(fā)送LoRa 信號(hào)數(shù)據(jù)，引 腳16、17、18 連 接報(bào)警模塊。

2.2 LoRa 通信電路設(shè)計(jì)

LoRa（Long Range Radio）遠(yuǎn)距離無線電是一種低功耗局域網(wǎng)無線標(biāo)準(zhǔn)，為用戶提供一種簡單的能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長電池壽命、大容量的系統(tǒng)，采用的是擴(kuò)頻技術(shù)，并通過高擴(kuò)頻因子，極大地提高了無線通訊的抗干擾能力[6]。即使是用相同的頻率，同時(shí)發(fā)送信號(hào)到主機(jī)上，也不會(huì)相互干擾，徹底地解決了無線信號(hào)通訊容易被干擾的痛點(diǎn)。 LoRa 解調(diào)信號(hào)的信噪比與-20dB，相比調(diào)頻制式調(diào)頻FSK 還高出了30dB，這相當(dāng)于范圍和距離擴(kuò)大了很多倍，在低速空曠的條件下可以達(dá)到10 公里。LORA 的無線穿透力更強(qiáng)，在20dBm 發(fā)射功率、470MHz無線傳輸頻率下，比傳統(tǒng)的ASK 使用的穿墻能力提高了5倍以上，能很好地適應(yīng)室內(nèi)外環(huán)境。在本設(shè)計(jì)中，選用國產(chǎn)芯片ASR6601CB，內(nèi)部集成了LoRa 收發(fā)模塊，芯片的引腳46、47 用于接收LoRa 信號(hào)數(shù)據(jù)，引腳48 用于發(fā)送LoRa 信號(hào)數(shù)據(jù)。

LoRa 射頻收發(fā)電路如圖3 所示，射頻開關(guān)器為XMSSJR6G0BA-093，其引腳1 通過電容、電感連接微控制器的引腳48，發(fā)射射頻數(shù)據(jù)信息；引腳2 接地，引腳3通過電容、電感連接微控制的引腳47、引腳46，接收射頻數(shù)據(jù)信息；引腳6 連接微控制器的引腳26，用于控制TX 和RX 的切換；引腳4 連接控制器的引腳25，用于在Deepsleep 模式下關(guān)閉LoRa 射頻通信；引腳5 外接天線座，收發(fā)射頻信號(hào)。

圖3 LoRa 射頻收發(fā)電路

2.3 模擬信號(hào)處理電路

為了便于安裝和適應(yīng)各種工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，振動(dòng)傳感器和溫度傳感器均選用4～20mA 的工業(yè)型傳感器，電流傳輸信號(hào)，減少外界電磁干擾，電流源內(nèi)阻無窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米，具有自診斷功能，電流信號(hào)正常工作時(shí)不會(huì)低于4mA，當(dāng)傳輸線因故障斷路，環(huán)路電流降為0mA。

為4～20mA 信號(hào)設(shè)計(jì)了專用的模擬信號(hào)處理電路，如圖4 所示，包括電壓轉(zhuǎn)換跟隨電路、差分調(diào)零電路和電壓放大校正電路，其中， AT 為溫度傳感器的輸入電流信號(hào)，AV 為振動(dòng)傳感器的輸入電流信號(hào)，放大器U2A 組成輸入電流電壓轉(zhuǎn)換跟隨電路，電流在AT/AV 端輸入，通過 R3 轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電容C1 對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，放大器U2A 的引腳2 直接連接到引腳1，U2A 的輸出電壓與輸入電壓相同，隔離了輸入信號(hào)，提高了帶載能力。

圖4 模擬信號(hào)處理電路

U2C 組成了差分調(diào)零電路，當(dāng)輸入端電流4mA 時(shí)，保證U2C 的輸出端引腳7 輸出0V。 U2B 的輸出電壓V2 與輸入電壓相同，調(diào)節(jié)變阻器PR1 使得U2B 的引腳7 輸出電壓V2 最低為0.4V； R6、R7、R11、R12 阻值相同，U2C 的輸出電壓V3 等于輸入端電壓相差（V1-V2），當(dāng)AT/AV 輸入端電流4mA 時(shí)，U2C 的輸出端引腳7 輸出0V，當(dāng)AT/AV輸入電流為20mA 時(shí)，輸出端引腳7 輸出1.6V，V3 的范圍為[0V,1.6V]。V3 的計(jì)算公式如式（1）所示。

U2D 放大器放大輸入電壓，輸出電壓VT/VV 的計(jì)算公式為：輸出電壓連接微控制的AD 端，微控制器的輸入電壓最大值為3.3V，調(diào)節(jié)PR2 的電阻值，確保當(dāng)V3 的電壓為1.6V 時(shí)，輸出電壓為3.3V，保證輸出電壓范圍為[0,3.3V]。

2.4 報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

報(bào)警電路模塊由繼電器、二層警示燈、蜂鳴器等組成，微控制的IO 引腳與三極管的基極連接，當(dāng)檢測到軸承狀態(tài)正常時(shí)，控制二層警示燈的綠燈亮，當(dāng)檢測到軸承狀態(tài)異常時(shí)，引腳輸出低電平，二層警示燈的紅燈亮，蜂鳴器報(bào)警，提醒軸承狀態(tài)異常。

3 系統(tǒng)測試

選用振動(dòng)傳感器WZPA002、溫度傳感器CYT920AS1，溫度傳感器和振動(dòng)傳感器通過磁座連接于待測滾動(dòng)軸承上，輸出工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA 電流，測試機(jī)床為測試機(jī)床型號(hào)為XCMG-IT-CS。實(shí)驗(yàn)過程中，在軸承運(yùn)行至穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，調(diào)整軸承的轉(zhuǎn)速與徑向載荷，圖5 為傳感器與報(bào)警燈的安裝，其中①位溫度傳感器，②位振動(dòng)傳感器，均通過永磁磁鐵吸附在軸承表面，監(jiān)測軸承的振動(dòng)和溫度信息，③位報(bào)警燈，測試機(jī)床型號(hào)為XCMG-IT-JG。圖6 為測試電路板，其中①為微控制最小系統(tǒng)與接口電路部分，②為LoRa 射頻收發(fā)電路部分，③為4～20mA 信號(hào)處理電路，④為報(bào)警電路模塊。基于MCGS 開發(fā)了上位機(jī)軟件如圖7 所示。

圖5 傳感器與報(bào)警燈的安裝

圖6 測試電路板

圖7 上位機(jī)溫度、振動(dòng)信息顯示界面

4 結(jié)論

隨著制造生產(chǎn)線智能化水平的提高，滾動(dòng)軸承的應(yīng)用越來越廣，生產(chǎn)環(huán)節(jié)中任何一個(gè)滾動(dòng)軸承發(fā)生故障，都可能導(dǎo)致生產(chǎn)過程的崩潰，推高了制造企業(yè)的成本。針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場軸承設(shè)計(jì)了一種基于LoRa 通信的滾動(dòng)軸承運(yùn)行狀況采集器，采用工業(yè)溫度傳感器和振動(dòng)傳感器實(shí)時(shí)采集滾動(dòng)軸承的溫度和振動(dòng)信息，并將采集的數(shù)據(jù)分別通過模擬信號(hào)處理電路進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換、調(diào)零和放大，轉(zhuǎn)換為微控制器AD 轉(zhuǎn)換器能處理的模擬信號(hào)，微控制將采集的信息通過LoRa 通信模塊發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，當(dāng)監(jiān)測的信號(hào)異常時(shí)，通過報(bào)警模塊提醒現(xiàn)場工作人員。測試顯示，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測滾動(dòng)軸承的運(yùn)行狀況，保障了工業(yè)生產(chǎn)正常進(jìn)行。