劉 輝，李慧敏

（東華大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 201620）

轉(zhuǎn)子不平衡是指轉(zhuǎn)子質(zhì)心和幾何中心線不重合所導(dǎo)致的一種故障狀態(tài)，全自動平衡機通過在轉(zhuǎn)子的特定位置做加重或去重操作，使得轉(zhuǎn)子質(zhì)心盡可能與旋轉(zhuǎn)軸重合，從而減少轉(zhuǎn)子不平衡量。目前，市售全自動平衡機主要采用 “PLC+觸摸屏+若干單片機”架構(gòu)[1]，這種架構(gòu)的全自動平衡機以PLC作為主控器，若干單片機進行測控去重，PLC和單片機通過485總線相互通訊協(xié)調(diào)，但對于平衡過程中的產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子不平衡量等相關(guān)信息并未進行數(shù)據(jù)存儲和分析。為了適應(yīng)生產(chǎn)管理和控制的需要，將全自動平衡機與企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)連接來實現(xiàn)工廠管理遠程監(jiān)控的需求日漸顯現(xiàn)[2]；隨著物聯(lián)網(wǎng)、無線通訊和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，利用無線技術(shù)實時地將平衡機工作中的相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至公司指定服務(wù)器從而進行大數(shù)據(jù)分析，也是未來全自動平衡機的發(fā)展趨勢。

在此，在現(xiàn)有四工位全自動平衡機的架構(gòu)基礎(chǔ)上搭建實驗平臺，使用GPRS模塊并設(shè)計了一種智能型四工位全自動平衡機的主控系統(tǒng)。該系統(tǒng)目前處于在研階段。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

文中所設(shè)計的主控系統(tǒng)基于四工位平衡機，這4個工位分別為待機工位、初測工位、去重工位和復(fù)測工位。其中，待機工位負責(zé)轉(zhuǎn)子的抓?。怀鯗y和復(fù)測工位是獨立的單片機系統(tǒng)，負責(zé)不平衡量的測量；去重工位根據(jù)初測工位測得的結(jié)果進行去重。該四工位平衡機為 “主控器+若干單片機系統(tǒng)+GPRS模塊”架構(gòu)，主控系統(tǒng)主要負責(zé)業(yè)務(wù)邏輯處理以及調(diào)度多個單片機進行多機通訊。系統(tǒng)的總體設(shè)計原理如圖1。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計原理Fig.1 System overall design schematic

STM32作為整個系統(tǒng)的主控器，負責(zé)協(xié)調(diào)和控制各個模塊。觸摸屏用于人機交互，可以查看當(dāng)前系統(tǒng)的運行狀態(tài)，也可以修改系統(tǒng)參數(shù)，STM32通過FSMC（靈活靜態(tài)存儲控制器）接口進行控制。蜂鳴器用于現(xiàn)場報警，當(dāng)平衡機去重效果不佳或系統(tǒng)運行異常時報警提醒現(xiàn)場人員及時處理。無線傳輸模塊使用SIM800A，負責(zé)上傳數(shù)據(jù)至服務(wù)器和發(fā)送報警短信[3]，STM32通過AT指令控制。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖Fig.2 System network topology

圖中，主控器通過TCP與服務(wù)器建立連接，將平衡結(jié)束轉(zhuǎn)子的相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。平衡機故障時系統(tǒng)發(fā)送短信給用戶，用戶可通過固定格式的短信對平衡機的參數(shù)進行設(shè)置，故障也會上傳至服務(wù)器，用戶也可通過上位機給系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)包來進行控制，現(xiàn)場操作人員也可以通過觸摸屏來對平衡機進行操作。

2 硬件實驗平臺搭建

文中所搭建四工位全自動平衡機的硬件平臺以模擬平衡機的工作過程，主要采用“STM32+觸摸屏+8052從機+GPRS模塊”結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。

主控器選用STM32F103ZET6負責(zé)系統(tǒng)的調(diào)度和數(shù)據(jù)處理；初測工位和復(fù)測工位選用AT89C52作為其控制器。AT89C52內(nèi)含8 kB Flash和256 B RAM，兼容MCS-51指令系統(tǒng)，在電子行業(yè)有著廣泛應(yīng)用；能夠滿足本系統(tǒng)對于初測工位和復(fù)測工位的性能需求。

主控器STM32與初測單片機和復(fù)測單片機進行數(shù)據(jù)交換，這涉及到一主多從的通訊問題，在此選用RS-485總線連接。STM32和AT89C52單片機的通訊方式為基于TTL的全雙工，文中將其改為RS485的半雙工方式，主控器STM32和從機AT89C52均采用美信公司的MAX485芯片[4]。多機通訊電路原理如圖3所示。

圖3 多機通訊原理Fig.3 Multi-machine communication schematic

將RE和DE引腳連接至1個I/O口，通過該I/O口控制其收發(fā)，RX和TX為收發(fā)信道。其中120 Ω電阻為匹配電阻，其作用是使傳輸過程中電纜的阻抗連續(xù)，保證RS-485總線的穩(wěn)定性。

由于系統(tǒng)需要定時將一些狀態(tài)信息和平衡轉(zhuǎn)子的信息上傳至服務(wù)器，因此無線傳輸模塊需要具有聯(lián)網(wǎng)功能。文中采用SIM800A物聯(lián)模塊實現(xiàn)無線傳輸功能，其硬件原理如圖4所示。SIM800A功能完善，適用于需要語音/短信/GPRS數(shù)據(jù)服務(wù)的各種領(lǐng)域，性能穩(wěn)定，外觀小巧，性價比高，能滿足多種需求，正越來越多地應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。它內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，拓展的AT指令便于用戶進行操作。STM32的串口3與SIM800A串口引腳相連，并給與5 V/1 A穩(wěn)定供電。

圖4 GPRS模塊引腳Fig.4 GPRS module pin

3 軟件設(shè)計

文中所設(shè)計的智能型四工位平衡機主控系統(tǒng)，在Keil MDK ARM集成開發(fā)環(huán)境下采用C語言進行開發(fā)。四工位平衡機的主控系統(tǒng)較為復(fù)雜，在此僅介紹其中關(guān)鍵的3個部分，即主程序設(shè)計、多機通訊協(xié)議設(shè)計、GPRS數(shù)據(jù)上傳設(shè)計。

3.1 主程序設(shè)計

由于本系統(tǒng)較為復(fù)雜，為提高系統(tǒng)的實時性，在程序中加入μC/OS-II實時操作系統(tǒng)。開源嵌入式系統(tǒng)μC/OS-II的優(yōu)勢是可裁剪、多任務(wù)、搶占式和實時性，適合嵌入式開發(fā)。主程序流程如圖5所示。先進行時鐘配置并進行硬件初始化，隨后調(diào)用μC/OS-II中的OSTaskCreate（）函數(shù)創(chuàng)建起始任務(wù)，在起始任務(wù)中分別創(chuàng)建主任務(wù)、系統(tǒng)監(jiān)控任務(wù)、數(shù)據(jù)上傳任務(wù)和看門狗任務(wù)，分配各個任務(wù)優(yōu)先級和堆棧，最后掛起起始任務(wù)，并啟動操作系統(tǒng)。

圖5 主程序流程Fig.5 Main program flow

主任務(wù)是整個系統(tǒng)的核心部分，主要功能有進入監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整和平衡質(zhì)量管理；系統(tǒng)監(jiān)控任務(wù)實時監(jiān)控平衡機的狀態(tài)參數(shù)、GPRS連接狀態(tài)以及環(huán)境溫度。若GPRS斷開連接，則會掛起其它任務(wù)并重新連接，連接成功后恢復(fù)其它任務(wù)；數(shù)據(jù)上傳任務(wù)負責(zé)將轉(zhuǎn)子平衡信息和系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)上傳至服務(wù)器；看門狗任務(wù)通過計數(shù)復(fù)位次數(shù)來評估系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3.2 機通訊協(xié)議設(shè)計

文中初測工位和復(fù)測工位均通過8052單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)，主要負責(zé)振動信號數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理及步進電機的驅(qū)動工作。而作為主控器的STM32需要通過與其通訊來交換數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)主機和從機之間發(fā)送數(shù)據(jù)種類較多，制定出明確而合理的通訊協(xié)議非常關(guān)鍵。原則上多機通訊時采用通用開放的Modbus協(xié)議來傳遞數(shù)據(jù)，但考慮開發(fā)單片機的Modbus協(xié)議模塊的工作量較大，且協(xié)議執(zhí)行耗時長，故在參考了Modbus協(xié)議下，設(shè)計了基于RS485接口的多機自定義自由通訊協(xié)議，數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送，數(shù)據(jù)幀定義見表1。其中，CRC16校驗用于驗證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院蜏蚀_性。

多機通訊中主機和從機的流程如圖6所示。系統(tǒng)規(guī)定：主機STM32地址為0x01，初測工位單片機地址為0x02，復(fù)測工位單片機地址為0x03，轉(zhuǎn)向單片機地址為0x04。在系統(tǒng)中，只有主機（STM32）有主動發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸請求的權(quán)利，每個從機都有對應(yīng)的地址，主機發(fā)起請求后，所有從機通過解析收到的數(shù)據(jù)包中的目標(biāo)地址判斷是否發(fā)給本機，如果目標(biāo)地址是本機并且校驗碼無誤，則通過功能碼做出響應(yīng)，否則忽略該數(shù)據(jù)包。

表1 多機通訊數(shù)據(jù)幀格式Tab.1 Multicomputer communication data frame format

圖6 主機和從機流程Fig.6 Host and slave flow chart

3.3 數(shù)據(jù)上傳服務(wù)

數(shù)據(jù)上傳流程如圖7所示。先檢測SIM卡是否就位，然后進行SIM800A模塊短信服務(wù)初始化和GPRS通信初始化，通過發(fā)送AT指令A(yù)T+CIPSTART=“TCP”，“IP 地址”，“端口號”來建立與服務(wù)器之間的TCP連接[5]。其間各初始化過程和連接過程最多進行3次，超過3次后則將結(jié)果寫入后備寄存器再進行，并掛起看門狗任務(wù)等待系統(tǒng)復(fù)位。

當(dāng)連接成功后，平衡機會定時將環(huán)境溫度和信號質(zhì)量上傳至服務(wù)器，每當(dāng)有一個轉(zhuǎn)子完成平衡，也會將其相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。為了便于服務(wù)器解析上傳數(shù)據(jù)的類型，需要對上傳的數(shù)據(jù)進行格式的設(shè)定。上傳的數(shù)據(jù)主要分為兩部分：

信號質(zhì)量和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)上傳間隔5 min一次，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式為“STATUS：信號質(zhì)量；環(huán)境溫度”。

圖7 數(shù)據(jù)上傳流程Fig.7 Data upload flow chart

轉(zhuǎn)子狀態(tài)信息每當(dāng)一個轉(zhuǎn)子完成平衡之后，就將該轉(zhuǎn)子的一些平衡信息通過GPRS數(shù)據(jù)服務(wù)上傳至服務(wù)器，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式為“ROTOR：轉(zhuǎn)子編號；狀態(tài)；初始不平衡量；初始不平衡相位；最終不平衡量；最終相位；平衡次數(shù)；每次去重結(jié)果”，其中每次去重結(jié)果的數(shù)據(jù)個數(shù)取決于平衡次數(shù)。此外，SIM32也會定時檢測收到的GPRS數(shù)據(jù)或短信，進行解析并做相應(yīng)的操作。

本系統(tǒng)采用TCP連接，長時間不通信會斷開連接，因此系統(tǒng)會每過5 min向服務(wù)器發(fā)送內(nèi)容為“HT”的心跳包。

4 系統(tǒng)測試

在完成硬件實驗平臺的搭建以及程序的調(diào)試以后，進行系統(tǒng)的測試。系統(tǒng)測試主要針對多機通訊及系統(tǒng)邏輯準確性測試、GPRS數(shù)據(jù)上傳功能測試、用戶遠程控制3個部分。

4.1 多機通訊及調(diào)度邏輯準確性測試

所設(shè)計的四工位平衡機的主控系統(tǒng)，不涉及從機8052單片機系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子不平衡量的測控以及去重工作，因此多機通訊測試方法如下：

主控器生成1個轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)體，并賦予編號，將該轉(zhuǎn)子數(shù)據(jù)發(fā)送給初測工位單片機，初測工位單片機判斷該轉(zhuǎn)子是否做過平衡，若是新轉(zhuǎn)子，則生成1個不平衡量值以及待切除不平衡量，否則僅生成1個不平衡量。主控器收到該數(shù)據(jù)包后將該轉(zhuǎn)子不平衡量減去待切除數(shù)值，再將其發(fā)送給復(fù)測工位，復(fù)測工位收到數(shù)據(jù)后進行是否合格的判斷（不平衡量是否小于最大允許不平衡量），并將結(jié)果發(fā)送給主控器。主控器根據(jù)復(fù)測結(jié)果判斷是否要進一步去重平衡，若需要，則再將其發(fā)送給初測工位重復(fù)上述步驟，否則重新生成轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)體進行上述步驟。

測試中，最大允許不平衡量設(shè)置為25 mg，最多允許平衡次數(shù)設(shè)置為3，初測單片機生成的待切除不平衡量始終為當(dāng)前不平衡量的1/2。測試中通過軟件控制初測單片機中賦予的初始不平衡量，將最終平衡結(jié)果通過觸摸屏顯示出來并記錄，觸摸屏如圖8所示，測試結(jié)果見表2。

圖8 觸摸屏工作狀態(tài)Fig.8 Touch screen working state

表2 多機通訊功能測試結(jié)果Tab.2 Multicomputer communication function test result

由表可知，理論與實際的最終不平衡量相對誤差在3%以內(nèi)。說明485多機通訊協(xié)議以及整個系統(tǒng)調(diào)度邏輯沒有問題，滿足預(yù)期效果。

4.2 GPRS數(shù)據(jù)上傳功能測試

驗證數(shù)據(jù)上傳功能開啟系統(tǒng)和上位機，在上位機通過TCP/UDP Socket調(diào)試工具接收GPRS數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)如圖9所示。上位機每過10 s接收內(nèi)容為“HT”的心跳數(shù)據(jù)包來保證TCP連接，平衡機每過20 s發(fā)送環(huán)境溫度和信號質(zhì)量，內(nèi)容為“STATUS：信號質(zhì)量；環(huán)境溫度”每完成1個轉(zhuǎn)子的平衡，會接收到該轉(zhuǎn)子的平衡信息，信息內(nèi)容為“ROTOR：轉(zhuǎn)子編號；狀態(tài)；初始不平衡量；初始不平衡相位；最終不平衡量；最終相位；平衡次數(shù)；每次去重結(jié)果”。

圖9 數(shù)據(jù)上傳功能測試Fig.9 Data upload function test

4.3 最后測試遠程控制

將報警觸發(fā)條件設(shè)置為環(huán)境溫度高于40℃時報警。通過加熱器將傳感器加熱至40℃，手機收到報警短信，如圖10所示；通過編輯短信內(nèi)容為“SET：EXIT SYSTEM”令平衡機退出工作狀態(tài)。之后，收到平衡機內(nèi)容為“EXIT SYSTEM-OK”的短信，平衡機退出工作狀態(tài)，符合要求。

圖10 遠程控制測試Fig.10 Remote control test

5 結(jié)語

該系統(tǒng)針對目前全自動平衡機信息化程度較低以及未來工廠信息化的發(fā)展趨勢，將平衡機工作過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以GPRS數(shù)據(jù)的形式上傳至服務(wù)器，管理人員能夠?qū)崟r監(jiān)控工廠中平衡機的工作狀態(tài)并在必要情況下支持遠程監(jiān)控和報警功能。該系統(tǒng)能夠與公司服務(wù)器進行互聯(lián)，從而利于完成動平衡生產(chǎn)管理的一體化。