基于CAN总线的风机监测系统研究

李 磊,刘有源

(武汉理工大学物流工程学院,湖北 武汉 430063)

风机是一类广泛应用于矿山、冶金工业的典型高速旋转机械,对这些设备进行状态监测和故障诊断,对于保证企业的安全生产有着重要的意义[1].计算机通信技术的发展,带来测控网络获得突破性发展,通过网络技术组建远程监控系统,使信息的采集、处理和传输一体化成为可能,帮助企业实现高效、准确、及时地监测诊断,提高设备利用率,促进风机监控技术的发展.

1 CAN总线简介

CAN(Controller Aiea Network,控制器局域网络)是由德国Bosch公司于20世纪80年代为解决汽车中各种控制器、执行机构、监测仪器、传感器之间数据通信而开发的总线型串行通信网络.CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能,可完成对通信数据的成帧处理,包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作.CAN总线以其可靠性高,通讯方式灵活,稳定性好,开发成本低等特点,被公认为最有前途的现场总线之一[2-3].

本系统采用的MCP2510芯片是Microchip生产的一种独立可编程CAN控制器芯片,用于一般工业环境中的区域网控制.而CAN总线收发器选择德州仪器公司(TI)的SN65HVD232,它是CAN控制器与CAN总线的接口器件.

2 风机监测系统的硬件设计

2.1 风机监测系统的硬件组成

整个监测系统由4个部分组成:处于上位机的工控机 PC、RS232通讯板、用于数据传输的CAN总线、监测模块.整体结构如图1所示.

图1 风机监测系统框图

在硬件功能方面,监测模块需要完成数据的采集,并将数据传送到 CAN总线.基于上述功能,监测模块核心选择美国德州仪器公司推出的16位超低耗、高性能的MSP430系列单片机[4].其监测模块原理如图2所示.

在设计中,选用的单片机为MSP430F149,它的工作电压为1.8～3.6 V,内含64KB+256字节的FLASH,2KB的 RAM,外接时钟频率范围为32768Hz～8MHz,并且可以实现分频.

系统中直接采用其内部的数控DCO做为主时钟MCLK和SMCLK,由于直接工作在800 kHz,因而免去了使用晶体.

此外,考虑到P1和 P2的I/O端口有中断功能,而其余的I/O端口无中断功能,所以选择P3口作为地址和数据总线对 MCP2510控制器进行操作.MCP2510在电路中是一个总线接口芯片,当CAN总线接口接收到下位机的上传数据,MCP2510就产生一个中断,引发微处理器产生中断,通过中断处理程序接收每一帧信息并通过CAN总线上传给上位机进行分析.

图2 监测模块电路原理图

2.2 风机监测系统应用机理

上位计算机安装在远程控制中心,在整个系统中作为系统操作人员的操作平台,并为中心管理员提供良好的交互界面.风机监测系统的应用机理如下:传感器实时采集风机各路监测点的数据,完成AD转换后传到 MSP430,然后 MSP430通过MCP2510和收发器SN65HVD232将相关数据发送到CAN总线上,计算机通过串口RS232通信方式与CAN总线进行通信,挂接在CAN总线上的系统,通过发送接收命令、数据实现信息共享.作为CAN总线一个分布于现场的节点,每一个监测模块都有自己的CAN总线接口,可以根据自身需要接收总线上的数据,而不是全部接收,不但提高了CPU处理速度,更不会造成重要信息延时.另外增加或删减CAN总线的任意分布节点,都不会对其他节点产生影响.

本系统运用数据库技术,可实时查询风机运行状态.当风机某个部位发生异常或者故障时,主控中心自动报警并显示相应异常信息,建立故障记录,使维修人员能及时查询和修复风机故障.

3 风机监测系统的软件设计

3.1 监测模块软件设计

系统上电复位后,MSP430和MCP2510完成初始化,MSP430的 USART模块工作在 SPI模式,MCP2510则对寄存器进行配置.初始化完成后,MSP430将写数据到MCP2510发送缓存并控制其发送.此后,在接收缓存收到数据后,INT引脚将产生低电平中断以通知MSP430,MSP430响应中断后将读取数据,并与发送的数据进行比较,以验证程序的可行性(图3).

图3 风机监测系统框图

3.2 风机监测系统主程序的软件设计

上位机是采用Visual C++6.0进行开发的,负责发出控制指令和接收反馈回来的状态信息.风机监测系统具有以下特点:实现数据采集、实时故障监控、设备故障自动报警;用户可根据实际需要对不同传感器通道进行实时监控;实时采集风机振动信号;界面友好操作简单.

风机监测软件控制系统结构(图4)按不同的功能可分为用户登录、状态监控、分析处理、报警、数据管理查询五个模块.

图4 风机监测系统的软件构架

3.3 风机监测软件系统功能

3.3.1 状态监控模块 该模块实现风机运行状态的实时监测,为用户提供若干个现场风机运行模拟图,将各检测点的状态参数以图形或数据的形式显示在模拟图上.根据这些模拟图和趋势图,用户可直接了解风机的实时运行状态.该模块包括风机运行模拟画面显示,监测点特性参数趋势显示(如轴承温度信号趋势、风机主轴振动信号趋势、电机轴承振动信号趋势)等子功能(图5).

图5 状态监控模块

3.3.2 分析处理模块 该模块为用户提供风机和电机轴承振动特性分析功能,包括振动信号时域特性、频域特性分析和小波分析的实现.应用该模块提供的各种分析方法,用户可以准确、快速地获取风机的振动特性参数和故障信息.此外,该模块可按图形或数值方法显示这些分析主要参数.

3.3.3 报警控制模块 风机做为企业的关键动力设备,其工作时间长、工作环境恶劣,导致风机的故障发生率相对于其他设备较高.针对这种情况,报警控制模块设计有实时故障监控,风机设备故障自动报警和故障历史记录查询功能.当风机某个部位出现故障时,系统自动侦测故障源并向上位机控制中心报警,同时显示具体信息.这样维修人员就可以很方便、准确找到故障点,及时检修故障.

3.3.4 数据管理模块 数据管理模块主要实现风机历史数据的转储、系统操作记录的显示、用户信息的管理和操作(图6).

图6 报警模块

4 结论

基于CAN总线设计的风机监测系统能显示风机的信号值,实时监控风机的运行状况;能对采集到的信号进行分析处理;能对故障部位进行报警显示.系统运行情况表明,该系统能及时发现故障部位,避免事故发生,为企业安全生产提供了可靠保障.

[1]洪 源,朱海涛,马小平.矿井通风机监控系统的设计与实现[J].工矿自动化,2006(3):67-69.

[2]孔莉芳,张 虹.CAN总线在安全监控系统传输中的应用[J].微计算机信息,2008(5):43-44.

[3]饶运涛.现场总线CAN原理及应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.

[4]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.