基于STM32F4的集中润滑系统的设计

 

针对传统机械润滑设备存在的高能耗、劳动强度大、结构复杂及智能化程度低等问题，本文设计了一款基于STM32F407控制核心、esp8266无线Wi-Fi通信模块和KQ330电力载波模块的集中润滑系统。

 

该系统集成了润滑供电电路、人机交互界面、无线通信电路、通信协议及手机APP等设计。实验结果表明，该润滑系统具备移动端APP监控、润滑可靠性高、润滑精确度高及操作简便等优点，能够有效满足现代机械的润滑需求。

 

引言

 

机械设备的润滑是一项重要工作，合理地应用润滑技术，保障设备正常运行，是钢铁冶金、大型矿山、电力等大型工业设备正常运行的基础。

 

目前国内使用的集中干油润滑系统多采用双线式集中涧滑系统和单线递进式集中润滑系统。双线式润滑系统结构复杂，系统一旦出现故障，故障点不易判断，维修较困难；而单线润滑系统供油量有限，只适用于小型的润滑系统，不能满足结构复杂、润滑精度要求高、润滑点较多、通信要求高的大型机械设备的润滑要求。

 

随着电子、微机技术以及物联网技术的飞速发展，不仅为集中润滑系统提供了新的思路，同时也对集中润滑系统提出了新的要求。本文采用电力线作为现场通信介质，结合嵌入式和物联网技术，设计了一套智能集中润滑系统。

 

 系统总体设计

 

 

本系统总体框架结构如图1所示，主要包括四大部分，分别是底层、中间层、网络层、云端应用层。

 

底层

 

该层为润滑系统的最底层，主要由供油终端控制器STM32F407和执行机构及各种传感器组成。供油终端控制器通过电力载波模块接收并处理主控制器发送的命令，控制执行机构的动作，并将运行状态反馈到主控制器。

 

由于终端控制器的存在，使得每个润滑节点都具有独立运算、控制的能力，减轻了主控制器的负担，提高了系统的可靠性。同时供油终端控制器能够通过各种传感器监测节点的运行状态，当出现某种故障的情况下，能够发出声光警报，并向主控器发送故障信息。

 

 

图1 控制系统总体框架结构图

 

 

中间层

 

主要由STM32F407和ESP8266 WiFi模块组成，STM32F407作为控制核心，通过ESP8266WiFi模块进行联网。主控制器接受上层和底层润滑节点的数据，主控制器通过WiFi模块与智能手机通信，通过电力载波模块与终端控制器通信，主控制器的主要作用是：给各个带有载波通信芯片的终端控制器发出控制指令，查询检测数据，按照要求生成各种数据报表，通过触摸屏监控润滑系统运行状态，将润滑系统中的信息上传到上位机，并能通过触摸屏调整工作参数、切换工作模式等。

 

网络层

 

通过WiFi把数据上传到机智云平台。

 

云端应用层。

 

云平台采用免费的机智云平台，使用机智云平台能够大大缩短开发周期。使用前WiFi模组需烧写GAgent固件（机智云为硬件接入提供的运行于通信模组等环境的嵌入式固件系统），使得WiFi模块主动连接机智云服务器，实现与云端的TCP/UDP通信。同时通过GAgent还能实现设备与手机APP进行通信，可以实时监测整个系统的运行状况。

 

硬件设计

 

硬件系统主要包括电源电路、中央处理器电路、电力载波控制电路、无线控制电路、数据存储电路和终端显控电路等。电路控制系统采用模块化设计，便于设计和检测各个模块的功能。系统硬件结构框图如图2所示。

 

STM32F407ZGT6控制模块

 

本文采用基于ARM-Cortex-M4的STM32F407Z GT6微控器作为主控芯片设计开发集中润滑系统，其中主控制器和供油终端控制器均采用STM32F407ZGT6。

 

该控制器是意法半导体公司（STMicroelectronics）开发的一款高性能微控制器，具有功耗低、存储空间内存大、处理速度快等优点。STM32F407微控器支持FPU(Floating Point Unit）和DSP(Digital Signal Processing）指令，极大地提高了浮点数运行能力，可以较为轻松地处理复杂的大型控制算法。

 

供电模块

 

稳定的电源输入是系统正常工作的基本保障。尤其是在工业现场干扰因素较多，对供电模块的可靠性和稳定性要求更为严格。对整个系统而言，由于各个模块所需的电压不尽相同，STM32控制器供电电压为3.3 V，通信模块需要的供电电压为5 V，继电器需要24 V的电压，因此需要供电模块能同时提供这3种电压。

 

本系统的电力载波通信介质为220 V电力线，为了得到24 V电压，这里我们选用市场上较为成熟的开关电源来实现220 V到24 V电压的转换，然后利用LM2596V-5.0 V得到稳定的5 V电压。使用AMS1117-3.3稳压芯片为STM32F407提供稳定的3.3V电压，该芯片内部集成过热保护电路和限流电路确保电压的稳定性。供电电路设计如图3和图4所示。

 

图2 系统硬件结构框图

 

图3 24V-5V电压电路

 

图4 5 V-3.3V电压电路

 

 串口WiFi模块

 

ESP8266串口WiFi模块具有体积小、功耗低、使用灵活等特点。内置的TCP/IP协议栈能把串口信号通过WiFi无线发射。ESP8266无线串口模块通过烧写GAgent固件可以实现与手机APP的通信。串口WiFi与主控芯片接口电路如图5所示。

 

0R20、R21可以避免误触发，减小高频干扰信号。RT9193-33可以接收2.5～5.5 V宽电压输入，通过该稳压芯片可以为ESP8266模块提供稳定的电压。

 

电力载波模块

 

电力载波模块电路主要包括：电力载波核心处理器KQ300、过零检测电路、功率放大电路、滤波电路和载波耦合电路等。KQ330F模块的供电电压为5 V，与单片机连接比较简单，只需将RX、TX脚与单片机TX、RX脚相连。工作时RX接收单片机串口发送过来的数据经过内部调制AC脚发出，加载到电力线上。从电力线上传过来的载波信号经过解调从TX发送到单片机上，从而实现了信号在电力线上的传送。KQ330**电路图如图6所示。

 

软件设计

 

手机APP的设计主要利用机智云提供的较为完善的APP框架，通过Android Studio平台运用Java语言进行开发整合，添加和修改所需的功能。而主控模块和终端控制器程序的编写主要用Keil5软件完成。

 

 通信协议设计

 

采用电力载波模块KQ130F进行工业现场润滑节点的组网。根据载波模块用户手册可知，KQ130F模块的主要功能是实现数据转发，没有自己的通信协议，为了实现各模块间数据的交互，要对通信协议进行设计。

 

本系统设计通信协议包括起始标记、目的地址、源地址、命令、数据、校验码、结束标志7个部分，帧信息为14个字节，其通信协议格式如表1所示。为了实现网络通信，每一个供油终端控制器都被分配了唯一8位地址，同时供油终端下的每一个润滑点也分配了唯一8位地址，主控器地址被分配为0地址。

本系统设计的通信协议能够实现润滑系统的单播、组播和广播。当主机向从机发送命令时，把字节2的最高位设为单/广标志和单/组播标志，1为广播或组播，0位单播。

 

 

0+目标润滑点所在供油终端控制器地址+供油终端控制器下润滑点的地址，从而实现目标节点的单播。

 

1+000000+00000000，实现所有润滑点的广播。

1+供油终端控制器地址+00000000，实现某一供油终端控制器下所有润滑点的组播。

 

实验及分析

 

本实验主要测定当润滑系统在手动模式下，观察设定润滑点的润滑油量是否与实际流出的油量一致，同时也对整个系统进行了测试。测试平台如图7所示，现场交互界面如图8所示，手机监控界面如图9所示。本实验测定主管道压力为12 MPa，通过触摸屏设置某一润滑点的油量，实验结果如表2所示。

 

从表1可以看出，实际出油的量均比设定值的量要大，平均每次大约多出2 mL左右，观察给油过程，此种现象的出现是由于电磁阀的延时关闭造成的。经过进一步分析，此值的大小与润滑点处的压力也有很大的关系，当润滑点的压力接近设定值的上限时，这个值会变大。

 

当润滑点的压力接近 设定值压力的下限时此值会变小，在实际应用中可以将此影响因素考虑进去。总体来说，本系统达到了预期目标，可以满足现代设备润滑的需求。

 

图5 串口WiFi接口电路

 

图6 电路原理图

 

 

表1 通信协议格式

 

图7 测试平台图

 

图8 现场交互界

 

图9 APP监控界面

 

 

表2 油量测试

 

 结语

 

本文研发了一套智能集中润滑系统，完成了系统硬件和软件的设计，同时制定了通信协议并实现了系统组网。该系统支持移动端手机APP监控、触摸操控和精确定量等功能。

 

友好的移动端和现场交互界面方便了工作人员的操作。随后，对整个系统及润滑点的油量进行了测试。实验结果表明，该系统具有较高的可靠性和润滑精度，具备良好的实用价值。