基于STM32F4的集中潤滑系統(tǒng)的設(shè)計

針對傳統(tǒng)機械潤滑設(shè)備存在的高能耗、勞動強度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜及智能化程度低等問題，本文設(shè)計了一款基于STM32F407控制核心、esp8266無線Wi-Fi通信模塊和KQ330電力載波模塊的集中潤滑系統(tǒng)。

該系統(tǒng)集成了潤滑供電電路、人機交互界面、無線通信電路、通信協(xié)議及手機APP等設(shè)計。實驗結(jié)果表明，該潤滑系統(tǒng)具備移動端APP監(jiān)控、潤滑可靠性高、潤滑精確度高及操作簡便等優(yōu)點，能夠有效滿足現(xiàn)代機械的潤滑需求。

引言

機械設(shè)備的潤滑是一項重要工作，合理地應(yīng)用潤滑技術(shù)，保障設(shè)備正常運行，是鋼鐵冶金、大型礦山、電力等大型工業(yè)設(shè)備正常運行的基礎(chǔ)。

目前國內(nèi)使用的集中干油潤滑系統(tǒng)多采用雙線式集中澗滑系統(tǒng)和單線遞進(jìn)式集中潤滑系統(tǒng)。雙線式潤滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，故障點不易判斷，維修較困難；而單線潤滑系統(tǒng)供油量有限，只適用于小型的潤滑系統(tǒng)，不能滿足結(jié)構(gòu)復(fù)雜、潤滑精度要求高、潤滑點較多、通信要求高的大型機械設(shè)備的潤滑要求。

隨著電子、微機技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，不僅為集中潤滑系統(tǒng)提供了新的思路，同時也對集中潤滑系統(tǒng)提出了新的要求。本文采用電力線作為現(xiàn)場通信介質(zhì)，結(jié)合嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了一套智能集中潤滑系統(tǒng)。

系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括四大部分，分別是底層、中間層、網(wǎng)絡(luò)層、云端應(yīng)用層。

底層

該層為潤滑系統(tǒng)的最底層，主要由供油終端控制器STM32F407和執(zhí)行機構(gòu)及各種傳感器組成。供油終端控制器通過電力載波模塊接收并處理主控制器發(fā)送的命令，控制執(zhí)行機構(gòu)的動作，并將運行狀態(tài)反饋到主控制器。

由于終端控制器的存在，使得每個潤滑節(jié)點都具有獨立運算、控制的能力，減輕了主控制器的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)的可靠性。同時供油終端控制器能夠通過各種傳感器監(jiān)測節(jié)點的運行狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)某種故障的情況下，能夠發(fā)出聲光警報，并向主控器發(fā)送故障信息。

圖1 控制系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)圖

中間層

主要由STM32F407和ESP8266 WiFi模塊組成，STM32F407作為控制核心，通過ESP8266WiFi模塊進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。主控制器接受上層和底層潤滑節(jié)點的數(shù)據(jù)，主控制器通過WiFi模塊與智能手機通信，通過電力載波模塊與終端控制器通信，主控制器的主要作用是：給各個帶有載波通信芯片的終端控制器發(fā)出控制指令，查詢檢測數(shù)據(jù)，按照要求生成各種數(shù)據(jù)報表，通過觸摸屏監(jiān)控潤滑系統(tǒng)運行狀態(tài)，將潤滑系統(tǒng)中的信息上傳到上位機，并能通過觸摸屏調(diào)整工作參數(shù)、切換工作模式等。

網(wǎng)絡(luò)層

通過WiFi把數(shù)據(jù)上傳到機智云平臺。

云端應(yīng)用層。

云平臺采用免費的機智云平臺，使用機智云平臺能夠大大縮短開發(fā)周期。使用前WiFi模組需燒寫GAgent固件（機智云為硬件接入提供的運行于通信模組等環(huán)境的嵌入式固件系統(tǒng)），使得WiFi模塊主動連接機智云服務(wù)器，實現(xiàn)與云端的TCP/UDP通信。同時通過GAgent還能實現(xiàn)設(shè)備與手機APP進(jìn)行通信，可以實時監(jiān)測整個系統(tǒng)的運行狀況。

硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)主要包括電源電路、中央處理器電路、電力載波控制電路、無線控制電路、數(shù)據(jù)存儲電路和終端顯控電路等。電路控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，便于設(shè)計和檢測各個模塊的功能。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

STM32F407ZGT6控制模塊

本文采用基于ARM-Cortex-M4的STM32F407Z GT6微控器作為主控芯片設(shè)計開發(fā)集中潤滑系統(tǒng)，其中主控制器和供油終端控制器均采用STM32F407ZGT6。

該控制器是意法半導(dǎo)體公司（STMicroelectronics）開發(fā)的一款高性能微控制器，具有功耗低、存儲空間內(nèi)存大、處理速度快等優(yōu)點。STM32F407微控器支持FPU(Floating Point Unit）和DSP(Digital Signal Processing）指令，極大地提高了浮點數(shù)運行能力，可以較為輕松地處理復(fù)雜的大型控制算法。

供電模塊

穩(wěn)定的電源輸入是系統(tǒng)正常工作的基本保障。尤其是在工業(yè)現(xiàn)場干擾因素較多，對供電模塊的可靠性和穩(wěn)定性要求更為嚴(yán)格。對整個系統(tǒng)而言，由于各個模塊所需的電壓不盡相同，STM32控制器供電電壓為3.3 V，通信模塊需要的供電電壓為5 V，繼電器需要24 V的電壓，因此需要供電模塊能同時提供這3種電壓。

本系統(tǒng)的電力載波通信介質(zhì)為220 V電力線，為了得到24 V電壓，這里我們選用市場上較為成熟的開關(guān)電源來實現(xiàn)220 V到24 V電壓的轉(zhuǎn)換，然后利用LM2596V-5.0 V得到穩(wěn)定的5 V電壓。使用AMS1117-3.3穩(wěn)壓芯片為STM32F407提供穩(wěn)定的3.3V電壓，該芯片內(nèi)部集成過熱保護(hù)電路和限流電路確保電壓的穩(wěn)定性。供電電路設(shè)計如圖3和圖4所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖3 24V-5V電壓電路

圖4 5 V-3.3V電壓電路

串口WiFi模塊

ESP8266串口WiFi模塊具有體積小、功耗低、使用靈活等特點。內(nèi)置的TCP/IP協(xié)議棧能把串口信號通過WiFi無線發(fā)射。ESP8266無線串口模塊通過燒寫GAgent固件可以實現(xiàn)與手機APP的通信。串口WiFi與主控芯片接口電路如圖5所示。

0R20、R21可以避免誤觸發(fā)，減小高頻干擾信號。RT9193-33可以接收2.5～5.5 V寬電壓輸入，通過該穩(wěn)壓芯片可以為ESP8266模塊提供穩(wěn)定的電壓。

電力載波模塊

電力載波模塊電路主要包括：電力載波核心處理器KQ300、過零檢測電路、功率放大電路、濾波電路和載波耦合電路等。KQ330F模塊的供電電壓為5 V，與單片機連接比較簡單，只需將RX、TX腳與單片機TX、RX腳相連。工作時RX接收單片機串口發(fā)送過來的數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部調(diào)制AC腳發(fā)出，加載到電力線上。從電力線上傳過來的載波信號經(jīng)過解調(diào)從TX發(fā)送到單片機上，從而實現(xiàn)了信號在電力線上的傳送。KQ330**電路圖如圖6所示。

軟件設(shè)計

手機APP的設(shè)計主要利用機智云提供的較為完善的APP框架，通過Android Studio平臺運用Java語言進(jìn)行開發(fā)整合，添加和修改所需的功能。而主控模塊和終端控制器程序的編寫主要用Keil5軟件完成。

通信協(xié)議設(shè)計

采用電力載波模塊KQ130F進(jìn)行工業(yè)現(xiàn)場潤滑節(jié)點的組網(wǎng)。根據(jù)載波模塊用戶手冊可知，KQ130F模塊的主要功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，沒有自己的通信協(xié)議，為了實現(xiàn)各模塊間數(shù)據(jù)的交互，要對通信協(xié)議進(jìn)行設(shè)計。

本系統(tǒng)設(shè)計通信協(xié)議包括起始標(biāo)記、目的地址、源地址、命令、數(shù)據(jù)、校驗碼、結(jié)束標(biāo)志7個部分，幀信息為14個字節(jié)，其通信協(xié)議格式如表1所示。為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，每一個供油終端控制器都被分配了唯一8位地址，同時供油終端下的每一個潤滑點也分配了唯一8位地址，主控器地址被分配為0地址。

本系統(tǒng)設(shè)計的通信協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)潤滑系統(tǒng)的單播、組播和廣播。當(dāng)主機向從機發(fā)送命令時，把字節(jié)2的最高位設(shè)為單/廣標(biāo)志和單/組播標(biāo)志，1為廣播或組播，0位單播。

0+目標(biāo)潤滑點所在供油終端控制器地址+供油終端控制器下潤滑點的地址，從而實現(xiàn)目標(biāo)節(jié)點的單播。

1+000000+00000000，實現(xiàn)所有潤滑點的廣播。

1+供油終端控制器地址+00000000，實現(xiàn)某一供油終端控制器下所有潤滑點的組播。

實驗及分析

本實驗主要測定當(dāng)潤滑系統(tǒng)在手動模式下，觀察設(shè)定潤滑點的潤滑油量是否與實際流出的油量一致，同時也對整個系統(tǒng)進(jìn)行了測試。測試平臺如圖7所示，現(xiàn)場交互界面如圖8所示，手機監(jiān)控界面如圖9所示。本實驗測定主管道壓力為12 MPa，通過觸摸屏設(shè)置某一潤滑點的油量，實驗結(jié)果如表2所示。

從表1可以看出，實際出油的量均比設(shè)定值的量要大，平均每次大約多出2 mL左右，觀察給油過程，此種現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于電磁閥的延時關(guān)閉造成的。經(jīng)過進(jìn)一步分析，此值的大小與潤滑點處的壓力也有很大的關(guān)系，當(dāng)潤滑點的壓力接近設(shè)定值的上限時，這個值會變大。

當(dāng)潤滑點的壓力接近 設(shè)定值壓力的下限時此值會變小，在實際應(yīng)用中可以將此影響因素考慮進(jìn)去?？傮w來說，本系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，可以滿足現(xiàn)代設(shè)備潤滑的需求。

圖5 串口WiFi接口電路

圖6 電路原理圖

表1 通信協(xié)議格式

圖7 測試平臺圖

圖8 現(xiàn)場交互界

圖9 APP監(jiān)控界面

表2 油量測試

結(jié)語

本文研發(fā)了一套智能集中潤滑系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計，同時制定了通信協(xié)議并實現(xiàn)了系統(tǒng)組網(wǎng)。該系統(tǒng)支持移動端手機APP監(jiān)控、觸摸操控和精確定量等功能。

友好的移動端和現(xiàn)場交互界面方便了工作人員的操作。隨后，對整個系統(tǒng)及潤滑點的油量進(jìn)行了測試。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的可靠性和潤滑精度，具備良好的實用價值。