杜石雷 趙磊 穆蔚偉 胡雙喜

1.天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院；2.天津光電安辰信息技術(shù)股份有限公司

通過檢測油液中的顆粒直徑和數(shù)量，可有效評估油液污染情況，為機械結(jié)構(gòu)件狀態(tài)評估提供依據(jù)。本文采用兆易創(chuàng)新公司生產(chǎn)的GD32 單片機作為核心進行開發(fā)，以激光顆粒計數(shù)器為傳感器，同時與觸摸屏、熱敏打印機等外圍設(shè)備進行連接，開發(fā)了便攜式油液污染度等級在線檢測系統(tǒng)?；贕D32 開發(fā)的顆粒計數(shù)控制器實際運行結(jié)果表明，在不同標(biāo)準(zhǔn)下油液污染度指標(biāo)檢測準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)記錄完備，完成了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)和任務(wù)，具備實用性和推廣價值。

統(tǒng)計資料顯示，液壓系統(tǒng)的故障約有70%是由油液污染造成的，而固體顆粒物是其中最為普遍、危害作用最大的污染物。通過檢測油液中的顆粒數(shù)，可有效評估油液污染度等級，顯著提高成套系統(tǒng)可靠性，延長設(shè)備使用壽命。在線式檢測系統(tǒng)可及時檢測油液中顆粒數(shù)含量，幫助工作人員正確分析系統(tǒng)中油液污染情況，預(yù)判機械零部件的工作狀況。市場上生產(chǎn)的同類產(chǎn)品在支持在線檢測方面，有相當(dāng)?shù)牟罹?，多為離線檢測系統(tǒng)，實時性響應(yīng)不夠迅速，人機交互友好性不足。另外，污染度顯示標(biāo)準(zhǔn)比較單一，支持等級類型不夠豐富，操作不夠便捷。

本系統(tǒng)基于GD32 單片機開發(fā)顆粒計數(shù)控制器，能夠有效實現(xiàn)傳感器、觸摸屏、打印機等的驅(qū)動，可達到油液生產(chǎn)、使用的全過程數(shù)字化監(jiān)控，最終實現(xiàn)溯源管理、產(chǎn)品優(yōu)化、預(yù)知維修等目標(biāo)。

1 整體方案

該系統(tǒng)采用模塊化思路進行設(shè)計，總體遵循“傳感、控制、執(zhí)行”的思路?？刂坪诵臑镚D32 控制器，協(xié)調(diào)各個部分的工作流程。首先通過觸摸屏上的操作按鈕啟動電機工作，保證測量油路處于穩(wěn)定流量和壓力工況下；然后通過傳感器進行在線數(shù)據(jù)的讀取，如有需要，可在不同顯示標(biāo)準(zhǔn)下進行切換；正常讀數(shù)后，系統(tǒng)按照每隔5min的頻率進行數(shù)據(jù)備份，如有需要可打印關(guān)鍵測量結(jié)果。

2 硬件部分

2.1 MCU

該系統(tǒng)選用GD32F103RCT6 單片機作為控制器，采用LQFP-64 封裝，主頻可達108MHz，板載Flash 容量為256KB，SRAM 容量為48KB，均可支持?jǐn)U展，提供標(biāo)準(zhǔn)的JTAG/SWD 調(diào)試下載接口。其性能優(yōu)異、外設(shè)豐富、功能強大，可滿足傳感器測量的實時性要求以及多個功能部件相互配合的復(fù)雜性要求。值得一提的是，控制器可同時支持5 路串口工作，這就為傳感器接入、觸摸屏交互、打印機驅(qū)動、調(diào)試信息輸出提供了極大的便利。MCU 工作原理圖如圖1 所示。

圖1 MCU 系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of MCU system

2.2 傳感器接口

傳感器采用德國PAMAS 公司生產(chǎn)的S50 型顆粒計數(shù)傳感器，該公司是研究生產(chǎn)顆粒技術(shù)產(chǎn)品的世界著名公司，主要致力于固體、液體和氣體樣品顆粒技術(shù)器的開發(fā)和生產(chǎn)，應(yīng)用范圍涉及工業(yè)和環(huán)境保護等領(lǐng)域。S50傳感器輸出為RS485 形式，GD32 單片機需擴展RS485芯片，同時進行通訊系統(tǒng)的EMC 設(shè)計。該部分電路設(shè)計如圖2 所示。

由圖2 可以看出，RS485 通訊采用SP3485 芯片，與GD32 單片機的UART3 連接。前端采用通流量大的GDT陶瓷氣體放電管，泄放大電流，后端采用反應(yīng)時間快的TVS 瞬變抑制二極管，殘壓低，有效保護RS485 芯片，中間采用PTC 自恢復(fù)保險絲做退藕，讓前端GDT 陶瓷氣體放電管更容易動作，達到泄放電流作用。本設(shè)計滿足IEC61000-4-2、GBT17626.2 等靜電標(biāo)準(zhǔn)，IEC61000-4-5、GBT17626.5 等浪涌標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 RS485 電路設(shè)計（含EMC）Fig.2 RS485 circuit design (including EMC)

2.3 打印機與觸摸屏接口

選配的打印機和觸摸屏均為RS232 接口，采用SP3232芯片進行接口電平轉(zhuǎn)換，從而將GD32 的串口TTL 電平轉(zhuǎn)換為RS232 電平，為打印機和觸摸屏的驅(qū)動提供硬件支撐。轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖3 所示。

圖3 RS232 電平轉(zhuǎn)換接口電路原理圖Fig.3 The schematic diagram of the RS232 level conversion interface circuit

3 軟件程序

3.1 程序流程

控制器上的運行程序采用C 語言編程，編程軟件為MDK5，編程思路采用模塊化編程，將各個外圍部件分別做相應(yīng)處理。通過串口接收數(shù)據(jù)和發(fā)送指令，其中，發(fā)送指令部分采用輪詢工作方式，而接收數(shù)據(jù)采用中斷方式，可極大地提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，達到實時性的要求。控制器上的運行軟件整體流程圖如圖4 所示。

圖4 程序執(zhí)行流程圖Fig.4 Flowchart of program execution

3.2 數(shù)據(jù)接收

S50 傳感器本身提供ISO 4406 標(biāo)準(zhǔn)下的清潔度級別顯示，等級范圍為：0/0/0 ～24/23/22。系統(tǒng)控制器為了在線獲取實時檢測數(shù)據(jù)，通過RS485 接口與S50 傳感器進行通信，控制器作為主站運行，S50 作為從站，兩者采用請求/應(yīng)答協(xié)議進行通信。數(shù)據(jù)包格式如表1 所示。

表1 S50 傳感器數(shù)據(jù)包格式Tab.1 S50 sensor data packet format

串口中斷接收程序中，采用GD32 UART 的RBNE中斷類型，逐字符接收S50 返回數(shù)據(jù)，在中斷程序中接收到ETX 結(jié)束符之后，置位標(biāo)志位。通過應(yīng)用程序中判斷校驗位，然后將完整的數(shù)據(jù)幀交由應(yīng)用程序uart3_pamas_data_handle()函數(shù)進行處理，主要是涉及到字符轉(zhuǎn)換為數(shù)值，以及不同污染度等級下的數(shù)據(jù)切換等。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)切換

油液污染度等級指單位體積油液中固體顆粒污染物的含量，一般采用顆粒污染度表示，顆粒尺寸范圍可用區(qū)間表示。按照檢測儀使用場合，控制器需要支持三類污染度等級劃分方法：GJB 420B、NAS 1638、ISO 4406。而S50 傳感器原始輸出數(shù)據(jù)為ISO 4406 標(biāo)準(zhǔn)，需要將其切換為GJB 420B、NAS 1638 兩種規(guī)范，并且按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進行顆粒污染等級認(rèn)定。

以NAS 1638 標(biāo)準(zhǔn)為例，首先需要通過S50 傳感器計算得到4um、14um、25um、38um、70um 不同顆粒直徑下的個數(shù)；然后通過對照標(biāo)準(zhǔn)進行轉(zhuǎn)換，切換為NAS 1638 標(biāo)準(zhǔn)下使用區(qū)間表達的顆粒個數(shù)，即5 ～15um、15 ～25um、25 ～50um、50 ～100um、100+um，然后通過查表確定各尺寸范圍的顆粒數(shù)所屬的等級，一般取其中最高一級作為油液污染度等級。

4 總結(jié)與展望

通過觸摸屏啟動伺服電機，視負(fù)載情況調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速旋鈕，使液壓油流量穩(wěn)定控制在25mL/min 左右，此時可通過S50 傳感器LED 界面上讀出3 個通道的顆粒數(shù)，也可通過觸摸屏觀察實時數(shù)據(jù)。在實時數(shù)據(jù)更新界面上，可通過轉(zhuǎn)換顯示標(biāo)準(zhǔn)，分別通過GJB 420B、NAS 1638、ISO 4406 三種劃分方法顯示當(dāng)前各個通道顆粒計數(shù)值以及對應(yīng)的污染度等級。可以看到，觸摸屏上的實時數(shù)據(jù)與LED 界面保持一致。

實踐表明，提高基礎(chǔ)檢測儀表的自動化、信息化水平，可以顯著提高成套裝備的可靠性和可維護性等級。油液顆粒計數(shù)控制系統(tǒng)就是一個典型代表，通過智能化、網(wǎng)絡(luò)化的控制技術(shù)，增強檢測系統(tǒng)的便攜性、可維護性，進一步實現(xiàn)成套裝備系統(tǒng)中油液回路的實時檢測和可視化顯示、操作?，F(xiàn)場運行結(jié)果表明，本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，不同標(biāo)準(zhǔn)下油液污染度指標(biāo)檢測準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)記錄完備，完成了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)和任務(wù)，為油液污染程度檢測系統(tǒng)信息化和智能化提供了技術(shù)支持。

引用

[1] 王培凌,易艷彤,韓波,等.航空油液污染度檢測技術(shù)研究及應(yīng)用[J].科技資訊,2019,17(2):103-104.

[2] 韓瑞欣,姜澤坤,魏坤,等.基于STM32的油液顆粒污染度檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].首都師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2018,39(6):35-40.

[3] 陳彬,韓超,劉閣,等.顆粒物對變壓器油表面張力的影響研究[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報,2018,35(1):191-196+237.

[4] 居高峰,李鈺龍,周敏,等.基于GD32的通信鐵塔監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].軟件,2021,42(6):1-5+44.

[5] 栗克國,李志飛,倪文軍,等.基于GD32F103的多參數(shù)碼頭安全監(jiān)控終端設(shè)計[J].自動化與儀表,2018,33(5):61-64+74.

[6] 王用鑫,彭華.基于GD32 F107的電鍍參數(shù)智能監(jiān)控系統(tǒng)[J].電鍍與環(huán)保,2017,37(1):55-57.