基于PROFIBUS的監(jiān)測(cè)子站設(shè)計(jì)

　　在電力、鋼鐵、石油、化工等行業(yè)中，有著大量的減速機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵站等機(jī)械設(shè)備，些設(shè)備如果在帶病狀態(tài)下工作，會(huì)大大縮減其使用壽命，影響生產(chǎn)，給企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)上依靠工作員耳聽(tīng)、手摸的方法發(fā)現(xiàn)存在的隱患，受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和診斷者經(jīng)驗(yàn)的制約，常常會(huì)出現(xiàn)漏診、誤診的現(xiàn)象。同一臺(tái)設(shè)備的兩次檢查時(shí)間間隔較，也不利于異常情況的及時(shí)發(fā)現(xiàn)。因此，工廠的在線監(jiān)測(cè)就顯得十分重要。

　　減速機(jī)常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備之一，其工作是否異常的重要參數(shù)是：振動(dòng)情況、軸承溫度、輸出軸轉(zhuǎn)速、電機(jī)電流、電壓等。通過(guò)振動(dòng)信號(hào)，可以知道齒輪嚙合、動(dòng)平衡是否正常；通過(guò)軸承溫度，可以知道軸承的間隙、潤(rùn)滑是否良好；通過(guò)輸出軸的轉(zhuǎn)速和電機(jī)電流，可以知道是否過(guò)載。子站的主要功能是監(jiān)測(cè)、處理，數(shù)據(jù)上傳，超限報(bào)警。

　　1.總體結(jié)構(gòu)

　　分布式監(jiān)控系統(tǒng)一般是在監(jiān)控中心布置主站，在各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)布置子站，通過(guò)總線結(jié)構(gòu)將主站和子站連接起來(lái)（圖 1）。子站將各個(gè)傳感器的信息采集處理后，將一部分重要數(shù)據(jù)顯示在子站的顯示設(shè)備上，同時(shí)將所有數(shù)據(jù)通過(guò)總線上傳給主站，主站將各個(gè)子站上傳的信息分析處理后顯示給運(yùn)行監(jiān)控人員，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大范圍運(yùn)行設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)。

　　圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)采用德州儀器的MSP430F149作為控制器，通過(guò)SIMENS公司的SPC3芯片實(shí)現(xiàn)與PROFIBUS-DP總線連接。選用標(biāo)準(zhǔn)4～20mA電流信號(hào)輸出的振動(dòng)傳感器，電機(jī)的電流、電壓通過(guò)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)0～3V輸出。在軸承位置安裝DS18B20溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸溫的監(jiān)控（減速機(jī)工作的正常溫度為50～60℃，一般滾動(dòng)軸承工作不能超過(guò)95℃）。輸出軸上安裝脈沖輸出的轉(zhuǎn)速傳感器。MSP430F149 將以上運(yùn)行信號(hào)采集處理后，通過(guò)LCD顯示，同時(shí)上傳到總線，向主站報(bào)告該子站的運(yùn)行狀況。

　　2. 相關(guān)介紹

　　2．1 MSP430F149微控制器

　　MSP430F149是TI公司生產(chǎn)的一種超低功耗、混合信號(hào)16位控制器，工作電壓1.8~3.6V。該單片機(jī)具有豐富的外圍功能，內(nèi)部集成多通道12位A/D轉(zhuǎn)換器、硬件乘法器、60KB的Flash和2KB的RAM，運(yùn)行環(huán)境溫度范圍為-40℃～+85℃,可以適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，非常適合作為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的終端控制器。

　　2．2 PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線

　　PROFIBUS是一種不依賴生產(chǎn)廠家的、開(kāi)放式的現(xiàn)場(chǎng)總線，是目前際上通用的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一，以其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)、嚴(yán)格的認(rèn)證規(guī)范、開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī)，已被納入現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170,并于2001年被定為我國(guó)的國(guó)標(biāo)JB/T10308.3-2001。PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery，分布式外圍設(shè)備）主要用于自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)控制系統(tǒng)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(jiǎn)的結(jié)構(gòu)確保了高速數(shù)據(jù)傳輸。

　　2．3SPC3協(xié)議專用芯片

　　PROFIBUS-DP物理層是RS-485，但通信協(xié)議比較復(fù)雜。SPC3是SIEMENS公司的專用協(xié)議芯片，使用該芯片后可以將復(fù)雜的協(xié)議撇開(kāi)。SPC3集成了DP協(xié)議中的FDL層，因?yàn)镾PC3集成了完整的DP總線協(xié)議，所以在與主站通信時(shí)，單片機(jī)使用SPC3芯片就像操作內(nèi)部RAM，使從站控制器的編程工作量大為減輕。SPC3保障報(bào)文的有效性，可滿足整個(gè)報(bào)文的一致性數(shù)據(jù)交換。總線接口是個(gè)可參數(shù)化的同步/異步8位接口，內(nèi)部集成了1.5K的雙口RAM，整個(gè)RAM采用8字節(jié)的段結(jié)構(gòu)方式，所有需要分配地址的BUF指針，必須指向段的開(kāi)頭。DP通信的服務(wù)存取點(diǎn)由SPC3自動(dòng)建立，各種報(bào)文信息呈現(xiàn)在用戶面前的是不同BUF的內(nèi)部數(shù)據(jù)。

　　3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的硬件主要由鍵盤(pán)、顯示模塊、通信模塊、系統(tǒng)測(cè)量模塊組成（圖2）。采用3×3行列掃描鍵盤(pán)可以大大節(jié)省I/O口的占用。128×64點(diǎn)陣圖形LCD可以顯示大量信息。為了保存一些設(shè)定的參數(shù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，選用Microchip公司生產(chǎn)的串行存儲(chǔ)器芯片24LC02B，它采用I2C總線接口，以256個(gè)字節(jié)為單位組成一塊，頁(yè)寫(xiě)緩沖區(qū)高達(dá)8個(gè)字節(jié)，1百萬(wàn)次擦寫(xiě)。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(shè)計(jì)中要考慮3.3V邏輯系統(tǒng)和5V邏輯系統(tǒng)共存，器件對(duì)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(shù)據(jù)的丟失，采用專用的電平轉(zhuǎn)換器SN74LVCC4245A芯片，它是一個(gè)8bit寬度的雙向I/O電平轉(zhuǎn)換器，BUS B為3.3V數(shù)據(jù)，BUS A為5V數(shù)據(jù)連接SPC3芯片，其中DIR決定數(shù)據(jù)方向。SPC3中斷信號(hào)X/INT通過(guò)電平轉(zhuǎn)換后送入P1.6，為單片機(jī)提拱通信中斷信號(hào)。為了提高通信的抗干擾性，SPC3的內(nèi)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(fā)器保障了PROFIBUS總線通信的高可靠性。