№3 / 2019 / статья 5

Предотвращаем аварии: датчик контроля вибрации мотора с передачей данных на смартфон по BLE

Александр Калачев (г. Барнаул)

Типовая схема датчика мониторинга вибраций мотора, разработанная Texas Instruments, базируется на трехосевом аналоговом акселерометре, малошумящем усилителе, программируемом микроконтроллерном блоке с АЦП и беспроводном контроллере с BLE-интерфейсом. Схема может автономно работать от полугода до 25 лет (в зависимости от режима работы и задействования беспроводной части) и позволяет отслеживать состояние систем кондиционирования, холодильных установок насосов, бытовых и промышленных конструкций и сооружений для ранней профилактики аварийных ситуаций.

Основное предназначение датчиков в системах автоматизации – это индикация текущего состояния объекта управления, своевременное обнаружение и оповещение о внештатных ситуациях.

Развитие и миниатюризация вычислительной техники, а также удешевление датчиков позволяет внедрять предиктивные (предсказательные) методы технического обслуживания. Данные методы предназначены для определения состояния оборудования без вывода из эксплуатации. Их основная задача – предсказать, когда будет нужно провести то или иное техническое обслуживание, чтобы предотвратить приближающийся отказ оборудования.

Линейка поставок компании Texas Instruments содержит все необходимые компоненты для построения систем предиктивного обслуживания:

  • аналоговые и цифровые датчики физических величин;
  • микроконтроллеры, имеющие ультрамалое значение потребления, в том числе и с энергонезависимой оперативной памятью (серии FRAM-контроллеров);
  • энергоэффективные беспроводные системы-на-кристалле (СнК) диапазона 2,4 ГГц и субгигагерцевого диапазона;
  • примеры опорных решений, включающие в себя документацию (электрические принципиальные схемы, топология печатных плат, списки компонентов).
В феврале 2019 года TI объявил о начале выпуска нового представителя большой беспроводной семьи – CC2652BR. Это чип 2,4 ГГц со встроенным объемным резонатором (BAW) на 48 МГц. Он поддерживает Bluetooth LE, Thread, Zigbee и другие популярные протоколы. Встроенный BAW-генератор позволяет сэкономить время на поиске качественного и довольно экзотического кварцевого резонатора 48 МГц (с большими сроками поставки).
Уже доступна отладочная плата серии LunchPad.

Помимо аппаратных решений, компания предоставляет и программные ресурсы:

  • средства разработки программного обеспечения;
  • стеки протоколов;
  • примеры приложений.

Структурная схема датчика вибрации

Одним из опорных решений TI является проект TIDA-01575 [1, 2], представляющий собой датчик мониторинга вибраций мотора. В данном решении задействован аналоговый трехосевой акселерометр, малошумящий усилитель, программируемый микроконтроллерный блок с АЦП и беспроводной контроллер с BLE-интерфейсом. Задача представленного решения – анализировать уровень и характер вибраций, возникающих при работе мотора, чтобы определить момент его технического обслуживания, не дожидаясь выхода мотора из строя.

Главные особенности предлагаемого решения:

  • отслеживание вибраций МЭМС-акселерометром с тремя осями измерения;
  • точность определения вибраций по всех трем осям до 0,01 g;
  • Фурье-анализ уровня вибрации (используется быстрое преобразование Фурье, БПФ);
  • оптимизация энергопотребления для длительной автономной работы;
  • модульное исполнение в виде платы расширения BoosterPack™ с возможностью интеграции с платами серии LaunchPad™;
  • возможность легкой адаптации программного обеспечения для работы устройства в сетях Wi-Fi, Sub1GHz SimpleLink, Bluetooth5 или просто для передачи результатов по UART-интерфейсу.

Структурная схема датчика вибраций мотора TIDA-01575 представлена на рисунке 1. В нее входят:

  • аналоговая часть (AFE) в виде платы с акселерометром, схемой усиления сигналов на сдвоенном операционном усилителе LMP7702 и ключом управления питанием;
  • плата аналого-цифрового преобразователя на базе микроконтроллера MSP432P401R;
  • плата LaunchPad с СнК CC2650 для организации беспроводного интерфейса.
Рис. 1. Структурная схема датчика вибраций мотора

Рис. 1. Структурная схема датчика вибраций мотора

Принцип работы

Центральным элементом датчика является микроконтроллер MSP432P401R, выполняющий задачи по приему и обработке сигналов акселерометра, спектральному анализу сигналов, выдаче результатов по UART или передаче их сетевому процессору CC2650.

Сбор первичных данных, обработка измерений и выдача результатов разделены логически в коде приложения и представлены различными программными задачами в рамках операционной системы TI RTOS.

Работой с сигналами акселерометра ведает задача vibration Task. Она запускает АЦП на опрос каналов по прерываниям таймера с частотой 74 кГц и 14-битным разрешением. Благодаря этому каждый из трех каналов акселерометра опрашивается с частотой 24 кГц. По завершении фазы опроса вызывается функция частотного анализа – по полученным данным для каждого канала (каждой оси вибрации).

При работе без сетевого процессора данные контроллером передаются по интерфейсу UART при помощи задачи comms Task. UART настраивается на режим 8-N-1 при скорости 460,8 кбит/с, и при помощи любого программного обеспечения, способного работать с виртуальным COM-портом, возможен прием или визуализация этих данных.

Когда MSP432P401R является хост-контроллером для BLE-процессора, запускается задача AP_create Task, вызывающая функции SimpleLink SDK Bluetooth для установки связи с BLE-процессором на основе СнК CC2650. На рисунке 2 представлено взаимодействие задач опроса акселерометра и передачи обработанных данных по Bluetooth.

Рис. 2. Схема работы приложения в связке «хост-контроллер + сетевой процессор» (BLE-процессор)

Рис. 2. Схема работы приложения в связке «хост-контроллер + сетевой процессор» (BLE-процессор)

При неустановленном соединении (то есть когда нет подключения к конкретному смартфону) устройство рассылает adv-пакеты определенного формата (рисунок 3). В широковещательных данных пакета после небольшого заголовка последовательно идут скомпонованные данные по всем трем осям. В данных для каждой оси указываются параметры преобразования Фурье, номер гармоники с максимальной энергией и значение ее энергии.

Рис. 3. Структура широковещательных данных датчика вибрации

Рис. 3. Структура широковещательных данных датчика вибрации

Зная формат adv-пакетов, можно в фоновом режиме отслеживать состояние мотора даже без подключения смартфона к датчику вибраций.

После подключения датчик предоставляет подключенному устройству набор сервисов и характеристик в соответствии со специализированным профилем, и приложение уже может считывать сами спектры вибраций по любой из осей.

Так как датчик может быть расположен в труднодоступном месте (под защитными кожухами или внутри корпуса станка) возможна проблема с его обеспечением стационарным питанием. В связи с этим актуально подключение возможностей режимов пониженного энергопотребления MSP432P401R для продления времени работы без замены батареи. Приложение управляет питанием элементов системы, синхронизируя работы программных компонентов и аппаратной части.

Сам акселерометр и схема обработки его сигналов в процессе измерений потребляют довольно большой ток, поэтому в промежутках между сериями измерений необходимо их отключать.

Управление питанием разделено программой на две части.

В периоды между измерениями, – а это относительно длительные промежутки простоя, – контроллер переходит на уровень LPM3. Длительность данных промежутков определяется функцией pretive_maintenance_setWakeTime (uint8_t Hours, uint8_t Minutes), описанной в файле vibCapture.c. Аргументами функции являются значения длительности интервала, заданные в часах и минутах.

Во время самих измерений, когда требуются промежутки ожидания, например, для стабилизации питания и сигналов в аналоговой части, контроллер переходит в режим потребления LPM0.

Этими мерами минимизируется время нахождения контроллера в активном режиме и, следовательно, дополнительно снижается среднее энергопотребление всего датчика.

Схема профиля энергопотребления приведена на рисунке 4.

Рис. 4. Профиль энергопотребления датчика вибрации

Рис. 4. Профиль энергопотребления датчика вибрации

Тестирование приложения

Для тестирования опорного программно-аппаратного проекта был собран небольшой макет (рисунок 5). В его состав входит:

  • бесколлекторный мотор постоянного тока, который при тестировании вращается с частотой 3600 об/мин (60 об/с);
  • датчик вибраций в сборе с пластиной-резонатором на тестируемом моторе;
  • нагрузка мотора в виде другого аналогичного мотора.
Рис. 5. Тестовый макет для опорного решения датчика уровня вибраций

Рис. 5. Тестовый макет для опорного решения датчика уровня вибраций

Симуляция неисправности проводилась путем неполного затягивания креплений ведущего мотора, вследствие чего характер его вибраций изменялся.

Взаимодействие с датчиком по BLE производилось при помощи приложения для смартфона SimpleLink SDK Explorer, которое доступно в соответствующих магазинах приложений для платформ Android и IOS.

При неустановленном соединении из adv-пакетов, рассылаемых датчиком, извлекается информация о доминирующих гармониках в спектре колебаний и их энергии (рисунок 6).

Рис. 6. Окно приложения до установки BLE-соединения с датчиком вибраций

Рис. 6. Окно приложения до установки BLE-соединения с датчиком вибраций

После установки соединения приложению доступна детальная информация о спектре колебаний по каждой из осей.

На рисунке 7 представлены спектры вибраций по оси Х для случая нормально закрепленного мотора (отмечен как «Passing motor») и случая, когда крепления мотора были ослаблены («Failing motor»).

Рис. 7. Спектры вибраций по оси Х для случая нормально закрепленного мотора (а) и мотора с ослабленными креплениями (б)

Рис. 7. Спектры вибраций по оси Х для случая нормально закрепленного мотора (а) и мотора с ослабленными креплениями (б)

По характеру спектров видно, что в первом случае преобладают вибрации на основной частоте работы мотора (60 Гц), а при ослаблении спектр начинает размываться и появляются дополнительные гармоники, при этом мощность основной гармоники падает. Аналогичные графики доступны и для осей Y и Z.

Диаграмма потребления тока системой во время работы представлена на рисунке 8. Из него видим, что длительность активной фазы работы составляет порядка 65…70 мс, средние токи в активной фазе не превышают нескольких миллиампер (6…9 мА в среднем, с пиками – до 10…12 мА).

Рис. 8. Профиль потребления тока датчиком вибраций на различных этапах работы

Рис. 8. Профиль потребления тока датчиком вибраций на различных этапах работы

Рекомендованным для данного проекта источником автономного питания является батарея типа CR123A с емкостью порядка 1470 мА⋅ч. Неизбежный саморазряд батареи несколько снизит ее емкость: для дальнейших расчетов принято снижение полной емкости на 5%, что даст эффективную емкости батареи 1396 мА⋅ч.

В случае, если хост-контроллер датчика работает автономно (без беспроводного сетевого процессора), основным фактором, влияющим на длительность автономной работы, будет период измерений. В таблице 1 приведены оценки среднего тока потребления и длительности работы датчика вибраций без задействованного BLE-процессора в зависимости от периода измерений.

Таблица 1. Оценки среднего тока потребления и длительности работы датчика вибраций без задействованного BLE-процессора

Период измерений, ч Средний ток потребления, мкА Время автономной работы, часы/годы
1 31,7 44037/5
2 16,5 84606/9,65
4 8,8 158636/18,1
6 6,2 225161/25,7

Добавление BLE-процессора в датчик несколько увеличивает энергопотребление. Поскольку события подключения к датчику по BLE пользователем достаточно редки, основной вклад в увеличение среднего тока потребления будет давать рассылка беспроводным контроллером adv-пакетов, а точнее – интервал между их рассылкой.

Увеличение интервала между рассылкой adv-пакетов снижает среднее энергопотребление (таблица 2), но, с другой стороны, несколько затрудняет обнаружение устройства, рассылающего пакеты (по крайней мере, стандартными средствами или при настройках поиска близлежащих устройств «по умолчанию»).

Таблица 2. Средний ток потребления и длительность работы датчика вибраций при подключенном BLE-процессоре в зависимости от интервала рассылки adv-пакетов

Интервал рассылки, с Средний ток потребления, мкА Время автономной работы, часы/годы
0,1 303,4 4601/0,5
1 56,6 24665/2,8
2 41,7 33506/3,82
5 31,17 44789/5,1

Дальнейшим усовершенствованием проекта в плане энергопотребления может быть применение внешнего нанотаймера/супервизора для отключения питания на время паузы между замерами. Также можно использовать adv-пакеты для фоновой трансляции результатов измерений – не просто максимальных значений и их частот, а полного спектра. Конечно, такое решение потребует некоторых дополнительных изменений программного обеспечения на смартфоне: режим рассылки adv-пакетов не предусматривает подтверждения их приема и какого-либо протокола обмена данными, рассылка идет в одностороннем порядке.

Заключение

Опорный проект датчика вибраций является прекрасным примером системы с беспроводным BLE-интерфейсом, реализованным на микроконтроллере и беспроводном сетевом процессоре. Отдельного упоминания достойны задействованные в проекте меры по оптимизации энергопотребления как на стороне аналогово-измерительной части, так и на стороне микроконтроллеров.

Напрямую проект может быть применен в таких задачах, как:

  • мониторинг систем вентиляции и кондиционирования;
  • мониторинг холодильных установок;
  • отслеживание состояния насосов;
  • датчик вибрации конструкций и сооружений.

Литература

  1. Reference Design for Wireless Condition Monitor for Motors and Pumps using Multi-Axis Vibration;
  2. Приложение “SimpleLink SDK Explorer”.

Наши информационные каналы

Рубрики:
Применения: , , , , , ,
Группы товаров: , ,

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее