郎慶陽(yáng)，黃志東，王 仲，趙 亮，張 磊，支 珊

（遼寧科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 本溪 117004）

在液壓或氣壓系統(tǒng)中， 需要有過(guò)濾裝置把工作中產(chǎn)生的雜質(zhì)去除， 才能保證系統(tǒng)正常工作。 過(guò)濾裝置一般由濾芯對(duì)液壓油或氣體進(jìn)行過(guò)濾， 濾芯需要定期更換， 常用的方法是依靠經(jīng)驗(yàn)估計(jì)或通過(guò)觀察來(lái)確定是否更換濾芯， 或者是定期更換。 濾芯已經(jīng)達(dá)到壽命卻沒(méi)有更換， 或?yàn)V芯還沒(méi)有達(dá)到壽命提前更換，都會(huì)影響系統(tǒng)性能、生產(chǎn)安全及成本［1］。 在更換濾芯的過(guò)程中，需要把液壓或氣壓系統(tǒng)暫停，會(huì)對(duì)需要連續(xù)工作的系統(tǒng)產(chǎn)生影響， 會(huì)降低工作效率或?qū)υO(shè)備產(chǎn)生損傷。針對(duì)上述問(wèn)題，文章研究和設(shè)計(jì)了一種可以自動(dòng)檢測(cè)濾芯壽命、 更換濾芯無(wú)需暫停系統(tǒng)、可以連續(xù)工作、具備物聯(lián)網(wǎng)功能的智能過(guò)濾裝置。

1 總體方案

在壓力系統(tǒng)的輸入接口和輸出接口之間連通有至少兩個(gè)并列的過(guò)濾通道， 每個(gè)過(guò)濾通道內(nèi)均設(shè)有過(guò)濾器， 每個(gè)所述過(guò)濾器連接于所述輸入接口和輸出接口之間。 該過(guò)濾裝置中的輸入接口壓力傳感器檢測(cè)輸入端壓力， 輸出接口壓力傳感器檢測(cè)輸出端壓力，控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)記錄端口壓力，并計(jì)算輸入端壓力和輸出端壓力的差值，當(dāng)差值達(dá)到預(yù)定閾值時(shí)，控制當(dāng)前過(guò)濾通道輸入輸出控制閥關(guān)閉過(guò)濾通道，同時(shí)開(kāi)啟所述至少兩個(gè)并列的過(guò)濾通道中的剩余任意一個(gè)過(guò)濾通道，并上傳相關(guān)信息和發(fā)出報(bào)警信號(hào)。這樣， 可通過(guò)壓力檢測(cè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)壓力系統(tǒng)中的過(guò)濾器濾芯壽命，且有多個(gè)過(guò)濾通道輪流切換使用，當(dāng)一個(gè)過(guò)濾通道無(wú)法工作時(shí)（即濾芯損壞或達(dá)到壽命），不影響壓力系統(tǒng)連續(xù)工作。 控制器可以與上位機(jī)相連，實(shí)時(shí)上傳監(jiān)控信息。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能過(guò)濾裝置的結(jié)構(gòu)如圖1 所示， 過(guò)濾裝置的輸入接口和輸出接口之間連通有至少兩個(gè)并列的過(guò)濾通道，每個(gè)過(guò)濾通道內(nèi)均設(shè)有過(guò)濾器，每個(gè)所述過(guò)濾器連接于所述輸入接口和輸出接口之間。

圖1 過(guò)濾裝置結(jié)構(gòu)

過(guò)濾裝置的主體框架結(jié)構(gòu)由控制器、 輸入接口及連接在其上的輸入壓力傳感器、 輸出接口及連接在其上的輸出壓力傳感器構(gòu)成。 輸入接口和輸出接口對(duì)外連接壓力系統(tǒng)管路，在其間為過(guò)濾通道，以兩路過(guò)濾通道為例， 其中一路過(guò)濾通道為當(dāng)前工作過(guò)濾通道，另一路為備用過(guò)濾通道。每一路過(guò)濾通道均包括輸入控制閥、 過(guò)濾器（具有殼體和其內(nèi)部的濾芯）、輸出控制閥。 液壓油或氣體由輸入接口流入過(guò)濾裝置，由輸出接口流出過(guò)濾裝置，輸入壓力傳感器與輸入接口連接，測(cè)量輸入的液壓油或氣體的壓力，輸出壓力傳感器與輸出接口連接， 測(cè)量輸出的液壓油或氣體的壓力， 輸入接口和輸出接口之間為兩條過(guò)濾通道，分別是第一過(guò)濾通道和第二過(guò)濾通道。

對(duì)于輸入輸出控制閥，可以采用電磁閥，也可以采用電機(jī)控制的機(jī)械閥。 在新建系統(tǒng)管路或管路修改比較方便的情況下， 可以選用電磁閥或電機(jī)控制的機(jī)械閥。 對(duì)于不易修改的已成型管路可以對(duì)現(xiàn)有機(jī)械閥進(jìn)行改造，改成電機(jī)控制的機(jī)械閥。電機(jī)控制機(jī)械閥，可以選用直流電機(jī)加限位的形式，也可以選擇步進(jìn)電機(jī)的形式，并根據(jù)實(shí)際情況加裝減速結(jié)構(gòu)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能過(guò)濾裝置的控制系統(tǒng)由單片機(jī)作為主控制器，配以各類功能模塊和驅(qū)動(dòng)模塊，如圖2 所示。

圖2 過(guò)濾裝置控制系統(tǒng)

單片機(jī)有多種方案選擇，方案一為低成本應(yīng)用，可采用51 單片機(jī)，并簡(jiǎn)化外圍配件，實(shí)現(xiàn)基本功能；方案二采用Arduino 控制器，可以選擇Arduino Uno、Arduino Nano、Arduino Mega 2560 中的一種；方案三可采用ESP32 控制器，其具有雙核32 位CPU，集成了2.4 GHz Wi-Fi 和藍(lán)牙功能［2］；方案四可以采用STM32 系列單片機(jī)，其工作頻率高，接口豐富，功能強(qiáng)大，適合于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

輸入壓力傳感器接口和輸出壓力傳感器接口與單片機(jī)相連， 其中包括必要的AD 轉(zhuǎn)換電路等數(shù)據(jù)處理電路， 將輸入輸出壓力傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)處理。當(dāng)然，如果選用數(shù)據(jù)輸出的壓力傳感器，則可以直連單片機(jī)。

輸入輸出控制閥驅(qū)動(dòng)器由單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)過(guò)濾裝置中輸入輸出控制閥的開(kāi)閉。對(duì)于電磁閥，可以選用普通繼電器模塊或固態(tài)繼電器模塊， 以及其他半導(dǎo)體功率元件。對(duì)于電機(jī)控制的機(jī)械閥，如果采用直流電機(jī)加限位的形式， 可以選擇繼電器模塊或者L298N 等直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊； 如果采用步進(jìn)電機(jī)的形式， 可以結(jié)合功率情況選用A4988、DRV8825、TB6560、TB6600 等步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊［3］。

顯示屏用來(lái)顯示過(guò)濾裝置的基本參數(shù)和工作狀態(tài)，可以采用簡(jiǎn)單實(shí)用的數(shù)碼管，也可以選用OLED等液晶顯示模塊， 對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)， 也可以選用觸控屏。 需要注意的是，對(duì)于簡(jiǎn)單人機(jī)交互接口，還需要按鍵輸入模塊，用來(lái)輸入數(shù)據(jù)設(shè)定閾值等基本參數(shù)。

存儲(chǔ)器用來(lái)存放壓力差閾值數(shù)據(jù)和濾芯信息，時(shí)鐘模塊用來(lái)產(chǎn)生時(shí)間數(shù)據(jù)，GSM 模塊用來(lái)向用戶手機(jī)發(fā)送短信，報(bào)警器模塊用來(lái)發(fā)出聲音報(bào)警信號(hào)。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)采集與設(shè)備監(jiān)控，可以優(yōu)化生產(chǎn)流程提高效率。物聯(lián)網(wǎng)功能模塊也可以有多種形式?？梢曰跓o(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，將一定范圍內(nèi)單個(gè)或多個(gè)過(guò)濾裝置與上位機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)， 如選用無(wú)線串口透?jìng)髂K，其內(nèi)置單片機(jī)射頻芯片，可以支持不同信道、速率和功率，使用簡(jiǎn)單，無(wú)需關(guān)心其復(fù)雜的無(wú)線相關(guān)參數(shù)，只需通過(guò)串口發(fā)送、接收需要處理的數(shù)據(jù)。

可以采用基于CC2530 芯片方案的ZigBee 自組網(wǎng)模塊，其內(nèi)置ZigBee 協(xié)議棧、32.768 Hz 時(shí)鐘晶體振蕩器、PA+LNA， 支持ADC、PWM、GPIO 等外設(shè)直驅(qū)。 ZigBee 是一種低功耗、低速率的無(wú)線通信技術(shù)，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。 ZigBee 技術(shù)采用自組織網(wǎng)絡(luò)，無(wú)需中心控制器，能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn)并連接設(shè)備，具有網(wǎng)絡(luò)容量大、安全性高、低功耗等優(yōu)點(diǎn)［4］。

在具有Wi-Fi 信號(hào)的工作場(chǎng)景中， 可以選用ESP8266 串口無(wú)線Wi-Fi 模塊進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。 ESP8266是一款低成本、低功耗的Wi-Fi 微控制器，集成了Wi-Fi 和TCP/IP 協(xié)議棧， 支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ESP8266 支持多種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議， 如TCP/IP、UDP、HTTP、DHCP、DNS、ARP、TFTP 等。 ESP8266 還具有豐富的GPIO 接口， 可實(shí)現(xiàn)多種功能， 如串口通信、PWM、ADC、DAC 等。 ESP8266 體積小巧，可嵌入各種設(shè)備中，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、無(wú)線監(jiān)控、智能城市等領(lǐng)域。ESP8266 支持多種天線類型，可以選擇內(nèi)置天線、外置天線等，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景［5］。

對(duì)于遠(yuǎn)程監(jiān)控，4G DTU 模塊。 4G DTU， 即4G Data Transfer Unit，是一種基于4G（LTE/3G/2G）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸終端，它能將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP 數(shù)據(jù)或?qū)P 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)，通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。 4G DTU 廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)，如物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、工業(yè)自動(dòng)化、氣象、環(huán)保、水利等。 4G DTU模塊均支持遠(yuǎn)程管理平臺(tái)， 可對(duì)常用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化，支持百度云、華為云、OneNET 等物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，方便用戶進(jìn)行設(shè)備管理和監(jiān)控。

機(jī)械結(jié)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)元件， 由繼電器等標(biāo)準(zhǔn)功能模塊控制， 其實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證較為簡(jiǎn)單。 文章針對(duì)控制系統(tǒng)基本功能， 進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證， 搭建了基礎(chǔ)測(cè)試環(huán)境，采用ATmega16 單片機(jī)為控制核心，采用輸出信號(hào)為4 mA～20 mA 的壓力傳感器結(jié)合IV 轉(zhuǎn)換電路作為測(cè)量信號(hào)輸入，采用單片機(jī)內(nèi)部AD 轉(zhuǎn)換模塊。采用數(shù)碼管模塊顯示壓力信息，采用ZigBee 通信模塊實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)通信功能。 經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)， 各項(xiàng)基本功能均可以實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)智能過(guò)濾裝置進(jìn)行了研究和分析， 提出了一種具有自動(dòng)檢測(cè)濾芯壽命，可以連續(xù)工作，具有物聯(lián)網(wǎng)功能的智能過(guò)濾裝置的設(shè)計(jì)方案。 通過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，各項(xiàng)基本功能均可以實(shí)現(xiàn)。該方案具有可行性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。