（化工过程机械专业论文）嵌入式梳棉机状态在线监控系统.pdf

摘要 提高纺织设备的自动化程度和可靠性是我国纺织行业亟待解决的主要问题之一，研 究和开发适合于纺织设备的状态在线监控系统对于提高纺织设备的自动化水平、提高系 统运行的可靠性具有重要意义。本文以青岛某公司生产的f a 2 0 6 b 型梳棉机为模型，结 合嵌入式系统的特点，研究了一套嵌入式梳棉机状态在线监控系统。本论文选择带有丰 富外围模块的混合数字信号控制器m c 5 6 f 8 3 4 6 作为核心元件，选择数字式三轴加速度 传感器k x p 7 4 1 0 5 0 作为振动信号的测量和信号处理元件，完成嵌入式梳棉机状态在线 监控系统的软硬件的研究和设计。本文主要工作有： l 、阐述了课题的背景及研究意义；对设备监控系统及嵌入式系统的发展做了概括 性的描述。 2 、多次到青岛某公司实地测量具体的设备参数，采集相关数据。对测量的典型数 据进行全面分析，进而选择了所需要的传感器，并对监控系统的总体功能进行了详细的 规划。 3 、在对控制器m c 5 6 f 8 3 4 6 相应功能模块和传感器k x p 7 4 1 0 5 0 深入分析的基础上， 采用模块化设计思想，对在线监控系统硬件设计做了详细研究和设计，主要包括信号的 传输模块、键盘模块、显示模块、时钟模块等各部分硬件电路的研究、分析和设计。 4 、在完成各功能模块电路的研究、分析和设计后，使用专门的c o d e w a r r i o r 开发软 件和嵌入式c 语言编写了状态在线监控系统各功能模块的软件。 5 、对监控系统软硬件进行调试，分析了整个系统设计过程中为提高系统稳定性所 采取的措施。 6 、对本论文进行了全面总结，并对后续的研究工作进行了展望。 关键词：嵌入式系统，在线监控，m c 5 6 f 8 3 4 6 ，s p i e m b e d d e do n l i n es t a t u sm o n i t o r i n gs y s t e mo f c a r d i n gm a c h i n e s h a n gz h i l e i ( c h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a oy o n g r u i a b s t r a c t t oi m p r o v et h ea u t o m a t i cd e g r e ea n dd e p e n d a b i l i t yo ft h et e x t i l ee q u i p m e n ti so n eo ft h e s u b j e c tm a t t e r su r g e n t l yt ob es o l v e da tp r e s e n to ft e x t i l ei n d u s t r yo fo u rc o u n t r y t h eo n l i n e m o n i t o r i n gs y s t e mo fs t a t eo ft h et e x t i l ee q u i p m e n ti sa l li m p o r t a n ta p p l i c a t i o no ft h et e x t i l e m a n u f a c t u r i n gm a c h i n ef i e l d t or e s e a r c ha n dd e v e l o pt h eo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mi s s i g n i f i c a n tt oi m p r o v et h ea u t o m a t i o no ft h em e c h a n i c a le q u i p m e n ta n dd e p e n d a b i l i t yo ft h e s y s t e m t h i st h e s i sr e g a r d sf a 2 0 6 bt y p ec a r d i n gm a c h i n ef r o mo n ec o m p a n yi nq i n g d a oa s m o d e l s ，c o m b i n ec h a r a c t e r i s t i co ft h ee m b e d d e ds y s t e m ，h a ss t u d i e das e to fe m b e d d e do n l i n e m o n i t o r i n gs y s t e m so fc a r d i n gm a c h i n es t a t e t h eo n e st h a tc h o o s e 、析ma b u n d a n tp e r i p h e r a l m o d u l et oh y b r i dc o n t r o l l e rm c 5 6 f 8 3 4 6a st h ek e yc o m p o n e n t , c h o o s et r i - a x i sd i g i t a l a c c e l e r a t i o ns e n s o rt od e a lw i t l lt h ec o m p o n e n ta st h em e a s u r e m e n ta n ds i g n a lo ft h ev i b r a t i o n s i g r l a l ，f m i s ht h er e s e a r c ha n dd e s i g no ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h ee m b e d d e do n l i n e m o n i t o r i n gs y s t e mo fc a r d i n gm a c h i n es t a t e t h eg r o u n d w o r ko f t h i st h e s i sh a s ： 1 、t op r e s e n tt h eb a c k g r o u n do ft h i ss u b j e c ta n dt h er e s e a r c hm e a n i n g ；h a v ed o n et h e d e s c r i p t i o no fg e n e r a l i t yt ot h em o n i t o r i n gs y s t e mo ft h ee q u i p m e n ta n de m b e d d e ds y s t e m d e v e l o p m e n t 2 、w e n tt ot h er e l a t e dt e x t i l em a c h i n e r yg r o u pi nq i n g d a ot oi n v e s t i g a t eo nt h es p o t m a n yt i m e s ，g a t h e rt h er e l e v a n td a t a t oa n a l y z et h et y p i c a ld a t ao fm e a s u r e m e n ti nt h e s u b j e c t ，t h e nc h o i c et h es e n s o rt h a tt h es y s t e mn e e d e da n dc a r r i e do nd e t a i l e dp l a n n i n gt ot h e o v e r a l lf u n c t i o no ft h em o n i t o r i n gs y s t e m 3 、b a s eo nt h er e s e a r c ho fc o n t r o l l e rm c 5 6 f 8 3 4 6c o r r e s p o n d i n gf u n c t i o nm o d u l ea n d f o u n d a t i o n st h a ta n a l y s e so ft h es e n s o rk x p 7 4 - 10 5 0f u n c t i o nc h o s e nt ot h es y s t e m ，a d o p t m o d u l ed e s i g np h i l o s o p h y , d e t a i l e dr e s e a r c ha n dd e s i g nt ot h eo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m h a r d w a r e t h eh a r d w a r ei n c l u d e st h et r a n s m i s s i o nm o d u l eo ft h ev i b r a t i o ns i g n a l ，k e y b o a r d m o d u l e , d i s p l a ym o d u l ea n dd o c km o d u l e 1 1 4 、a f t e rf i n i s h i n gt h ea n a l y s i sa n dd e s i g no fe v e r yf u n c t i o nm o d u l ec i r c u i t , h a v eu s e d s p e c i a lc o d e w a r r i o ra sd e v e l o p i n gs o f t w a r ea n de m b e d d e dc l a n g u a g ew r i t et h es o f t w a r eo f o n l i n em o n i t o r i n gs y s t e me v e r yf u n c t i o nm o d u l e 5 、d e b u gt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo f t h em o n i t o r i n gs y s t e m ，a n di n t r o d u c em e a s u r e st o i m p r o v et h es y s t e m a t i cs t a b i l i t yo fi n t h ed e s i g np r o c e s so ft h ew h o l es y s t e m 6 、s u m m a r i z et h i st h e s i si na l l - r o u n dw a y , a n df o l l o w - u pr e s e a r c hw o r kh a sl o o k e d f o r w a r dt oc o r r e c t l y k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，c o n t r o lo n l i n e ，m c 5 6 f 8 3 4 6 ，s p i 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：百玄委 日期：舻年r 月务e l 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：豳 指导教师签名： 矿一。 日期：如j7 年歹月弘e t ， e t 期：9 4 - o | ) 年r 月e t 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题研究的意义 第一章绪论 棉纺织行业是一个典型的规模型行业，即企业必须有较大的规模，才能使企业具有 获利空间，企业才具备发展的条件。而同时，棉纺织行业也是一个能源消耗比较大的行 业，节能降耗也是棉纺织企业获得良好经济利益的重要举措。梳棉机是棉纺企业的关键 设备之一。近2 0 多年来，梳棉机的发展一直以高速高产提高梳理度为核心，进入2 1 世 纪，梳棉机的产量更是有突破性的提高【1 】。随着纺织机械的单机产量的不断提高，机械 设备的工作可靠性和机电一体化水平( 表现在自动化、连续化、高速化、数字化) 也越 来越被各大梳棉机生产厂家所重视。 梳棉机是棉纺工业的重要支柱设备之一，梳棉机的工作状况直接影响棉纺行业的效 益，其性能的优劣直接关系棉纺织行业的生存。因此众多的纺织机械厂商竞相对梳棉机 的控制技术进行创新。在国际上，以德国特吕茨勒( t r i 几z s c h l e r ) 公司、意大利马 佐里( 东台) ( m 舢屹o l i ) 、瑞士立达( 砒e t e r ) 公司、日本津田驹为代表的主流企业， 在其大部分产品上，驱动部分采用了变频调速技术，整机已基本实现了在线监控和现场 总线控制系统，代表了国际上的发展方向和潮流。 提高梳棉机单机产量的方式有两种，一种是增加梳棉机的工作宽度，另外一种是增 加梳棉机锡林的转速。这两种方式都将对系统各支撑部分的稳定性提出更高的要求。而 且由于梳棉机在棉纺织机械中的核心地位，对其系统稳定性要求更加严格。这就需要一 种在线监控系统来监控系统的运行状况，并以之来指导设备的维护和检修，从而减少不 必要的停机。 对在线监控与诊断系统的研究，国内采用的研究方法大多数是现场监测设备的振动 情况，然后采用仿真软件进行模态分析和应力分析，在此基础上，提出整机的优化设计 方案，但专门针对纺织机械尤其是梳棉机的在线监控研究尚未见报道。因此，研究一种 梳棉机状态在线监控系统对于提高梳棉机的工作稳定性及机电一体化水平有重要意义。 1 2 梳棉机系统国内外相关技术的研究、开发现状及分析 近2 0 多年来，梳棉机的发展一直以高速高产、提高梳理度为核心。我国在上世纪8 0 年代引进的c 4 、d k 7 4 0 、m k 4 、c x 3 0 0 等梳棉机，产量为3 5 4 5 k g l l ；到了9 0 年代初 第一章绪论 的d k 7 6 0 、c 1 0 、m k 5 、c x 4 0 0 等梳棉机，产量为5 0 - 6 4 k g h ：而在c i t m e 9 6 上展出 的d k 8 0 3 ，其产量可达7 0 k g h 。进入2 l 世纪，梳棉机的产量更是有了突破性的提高，2 0 0 1 年德国特吕茨勒d k 9 0 3 型最高产量可达1 4 0 k g h ，立达c 5 1 型及意大利马佐里c 5 0 1 、英 国克罗斯罗尔m k 5 d 均为1 2 0k g h ；2 0 0 2 年瑞士立达最新推出的c 6 0 以及德国特吕茨 勒t c 0 3 产量可达1 5 0 k g h ，国产郑州纺织机械股份有限公司的f a 2 2 5 a b 型、青岛纺织 机械厂的f a 2 3 2 型均可达1 0 0 k g h 。梳棉机产量由原来5 7 年上一个台阶，缩短到目前 2 3 年便有一个较大的突破【1 1 。 但根据在企业内调研所得到的信息来看，随着梳棉机单机产量的不断提高，对机械 设备的工作可靠性和机电一体化水平( 表现在自动化、连续化、高速化、数字化) 提出 了越来越高的要求。 在机电一体化水平方面，国际棉纺设备都是围绕提高综合性能和市场的需求进行。 其技术内容包括单机的机电一体化、自动化水平、在线质量监控，以及信息技术的应用； 高效、高质、扩大适纺性能和范围；设备的可靠、稳定、节省，操作简便等。其设备广 泛应用电子、质量在线检测和信息处理等高科技先进技术，更好地实现在线、单机自动 化、生产工序连续化、管理网络化等；设备简单，操作维护方便，工艺适应性强，质量 可靠稳定，车间管理方便；纺织产品达到高产、优质、高效和节省的效果【2 】。 近几年，我国国产纺织机械飞速发展，但美中不足的是：大多数型号机器的核心技 术，或者说关键技术，几乎都是出于不受保护的范畴中。由于资金的趋利性，当这类设 备有较大获利空间时，便会引来更多制造厂家，形成无序竞争。机器若具有受国家保护 的核心技术，将会形成有序竞争的局面。加入w t o 以后，开发受国家保护有核心技术 的纺织机械，已成为非常迫切的课题【引。 1 3 旋转机械状态在线监测的研究现状 1 3 1 旋转机械状态监测技术 状态监测是在设备运行中，对特定的特征信号进行检测、变换、记录、分析处理并 显示、存储，是对设备进行故障诊断的基础工作。检测的信号主要是机组或零部件在运 行中的各种信息( 振动、噪声、转速、温度、压力、流量等) ，通过传感器把这些信息 转换为电信号或其他物理量信号，送入信号处理系统中进行处理，以便得到能反映设备 运行状态的特征参数，从而实现对设备运行状态的监测【4 】。实施有效的状态监测，是预 防事故发生、最大限度地提高设备利用率和提高企业经济效益的关键【5 】。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 如今，国内外较典型的状态监测方式主要有三种：( 1 ) 离线定期监测方式。测试人 员定期到现场用一个传感器依次对各测点进行测试，并用磁带机或其他存储设备记录信 号，数据处理在专用计算机上或便携式内置微机的仪器上完成。采用该方式，系统较简 单，但工作较繁琐，需要专门的测试人员，且由于是离线定期监测，不能及时避免突发 性故障。( 2 ) 在线检测离线分析的监测方式( 也称主从机监测方式) 。在设备上的多个 测点均安装传感器，由现场微处理器从机系统进行各测点的数据采集和处理，在主机系 统上由专业人员进行分析和判断。这种方式是近年在大型旋转机械上比较多采用的方 式。相对第一种方式，该方式免去了更换测点的麻烦，并能在线进行监测和报警，但是 该方式需要离线进行数据分析和判断，而且分析和判断需要专业技术人员参与。( 3 ) 自 动在线监测方式。该方式不仅能实现自动在线监测设备的工作状态，及时进行故障预报， 而且能在线进行数据处理和分析判断；由于能根据专家经验和有关准则进行智能化的比 较和判断，具有一定文化水平的值班工作人员经过短期培训后就能使用。该方式技术最 先进，不需要人为更换测点，不需要专门的测试人员，也不需要专业技术人员参与分析 和判断；但是软硬件的研制工作量很大。本课题研究的就是这种方式。 1 3 2 国外旋转机械振动状态监测系统的发展概况 美国是最早开展设备状态监测与故障诊断工作的国家之一。1 9 6 1 年开始执行阿波罗 计划后，发生了一系列由设备故障酿成的悲剧，引起了美国军方和政府有关部门的重视。 1 9 6 7 年4 月，在美国宇航局( n a s a ) 的倡导下，由美国海军研究室( o n r ) 主持，召 开了美国机械故障预防小组( m f p g ) 成立大会。会议的中心议题是：组织问题和明确 课题的演绎，有组织地开发检测与诊断技术。英国以r a c o l l a c o t t 为首的机器保健中心 于2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初开始研究状态监测与故障诊断技术。设备状态监测与故 障诊断技术在欧洲其它国家的研究和应用虽然不如英美开展的广泛，但都在某一方面具 有特色或占有领先地位，如瑞典s p m 仪器公司的轴承监测技术，丹麦b & k 公司的传感 器制造技术等。英、美各国在军事、航空等方面的状态监控与故障诊断技术占有领先地 位，日本则在民用工业，如钢铁、化工、铁路等行业发展的较快，占有明显的优势。日 本采取的策略是密切注视世界各国的发展动向，积极引进和消化最新技术，努力发展自 己的诊断技术 4 1 。 2 0 世纪5 0 年代，各种类型和性能的传感器和测振仪相继研制成功，并开始应用于 科学研究和工程实际。2 0 世纪6 0 - - 7 0 年代，数字电路、电子计算机技术的发展、“信号 3 第一章绪论 数字分析处理技术的形成，推动了振动监测技术在机械设备上的应用。2 0 世纪7 0 8 0 年代，随着电子计算机技术、现代测试技术、信号处理技术、信号识别技术与故障诊断 技术等现代科学技术的发展，机械设备的监测研究进入系统化阶段，并把实验室的研究 成果逐步推广到核能设备、动力设备以及其他各种大型的成套机械设备中去，进入了快 速发展的阶段。例如：日本三菱公司的“旋转机械健康管理系统 ( m a c h i n e r yh e a l t h m o n i t o r i n g ，简称m h m ) ，美国西屋公司的“可移动诊断中心( m o b i l ed i a g n o s i sc e n t e r ， 简称坳c ) ，丹麦b & k 公司的2 5 0 0 型振动监测系统等，都具备了机组信号数据的采集、 分析、计算、显示、打印、绘图等功能，并配有专门的诊断软件。先进的状态监测系统 把体现机械动态特性的振动、噪声作为主要的监测和分析内容。2 0 世纪9 0 年代以来， 高档微机不断更新且价格迅速下降，适合数字信号处理的计算方法不断优化，使数据处 理速度大为提高，为工业现场直接应用状态监测技术创造了条件。丹麦、美国、德国、 日本等发达国家的专家学者对旋转机械工作状态监测技术进行了深入研究，研制出不同 的系统【6 】。该类系统以丹麦b & k 公司的2 5 2 0 型振动监测系统、美国b e n t l y 公司的 3 3 0 0 系列振动监测系统、美国亚特兰大公司的m 6 0 0 0 系统为代表，已经达到较高水平。 在功能上比较典型的系统是丹麦b & k 公司的2 5 2 0 型振动监测系统( v i b m t i o n m o n i t o r - t y p e2 5 2 0 ) ，主要功能有：自动谱比较并进行故障预警报警；对6 和2 3 恒百分比带 宽谱进行速度补偿；幅值增长趋势图显示；三维图显示；振动总均方根值( 振动烈度) 计算；支持局域网等。 1 3 3国内旋转机械振动状态监测系统的发展概况及不足 我国在工业部门中开展状态监测技术研究的工作起步于1 9 8 6 年，在此之前从国外 引进的大型机组，一般都配备了监测系统。而在自行研制的国产设备上，如选用国外的 监测系统，由于价格异常昂贵而难以接受。2 0 世纪8 0 年代后期以来，我国有关的科研 院所、高等院校和企业，如西安交通大学、浙江大学、北京理工大学、北京机械工业学 院等 7 1 ，开始自行或合作研究旋转机械状态监测技术，无论在理论研究、测试技术和仪 器研制方面，都取得了优异的成果，开发出相应的旋转机械状态监测系统。比较典型的 系统有：1 9 8 5 年l o 月通过鉴定的由哈尔滨工业大学等单位联合研制的3 m d i “汽轮 发电机组振动监测与故障诊断系统 ，以及后来进一步开发的汽轮机故障诊断专家系统 3 m d i i 、3 m d ；1 9 8 7 年通过鉴定的由西安交通大学机械故障诊断研究室研制的 r m m d s 化肥五大机组“微机状态监测与故障诊断系统 等。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 国内对大型旋转机械开展状态监测与故障诊断技术只有二十几年的时间，从简易诊 断到精密诊断，从一般诊断到智能诊断，从单机诊断到网络诊断，发展的速度是相当快 的，已摸索出一套适合我国国情的发展道路。但发展过程中也出现一些问题，值得注意 与总结【8 】。最主要的问题是稳定性问题，因为如果监测诊断系统本身不能保证可靠性， 则无法去诊断设备的故障。 稳定性问题体现在硬件和软件两个方面。硬件方面： ( 1 ) 硬件系统往往只考虑先进性，而对可靠性、先进性和实用性等综合考虑的不 够。在系统设计过程中稳定性才是最重要的。 ( 2 ) 主要研究放在了创新上，使用并不成熟的国内外模型，导致了系统的适应能 力差，稳定性差。 ( 3 ) 功能追求复杂化，设计时对使用维护和实际操作的简便性考虑较少，如一些 装置往往因键相信号不灵而使整个系统失灵。 ( 4 ) 元器件的选择往往达不到系统要求，不能够在线长期连续运行。 软件方面： ( 1 ) 软件系统强壮性不够，容易出现“死机 ，在满足功能和良好的界面及使用方 便上常有取舍。 ( 2 ) 组态设计思想不强，软件的设计不能规范化和模块化。导致系统开发周期较 长，且产品仍然存在许多“b u g ( 缺陷) 。 1 4 嵌入式系统概述 进入2 l 世纪以来，我国对嵌入式系统的研发非常关注，巨大的市场需求加速了嵌 入式系统产业化的进程，嵌入式系统的研究和应用是中国企业从“中国制造 向“中国 创造转变的最佳契机。 1 4 1 嵌入式系统的定义 关于嵌入式系统的定义，国际上以及国内有不同的表达f 9 】。国际上较通用的定义是： 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是功能比通用计算机专业化，具有通用计算机所不具 备的针对某个方面特别设计的、合适的运算速度、高可靠性和较低成本的专用计算机系 统。 英国电机工程师协会定义为：嵌入式系统为控制、监控或辅助设备、机器甚至工厂 5 第一章绪论 运作的装置。它具备了下列特性：通常执行特定功能；以微电脑与外围电路构成核心； 严格的时序与稳定度的要求；全自动操作循环。 国内定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁减，适用于应 用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专门计算机系统。它一般由嵌 入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等几个部分组成， 用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 1 4 2 嵌入式系统的特征 相对于传统的p c 机而言，嵌入式系统有着比较明显的特征【1 0 1 1 】： ( 1 ) 系统内核小 由于嵌入式系统资源相对有限，一般具有低功耗、小体积、高集成度等特点，把许 多由通用c p u 中板卡完成的任务集成在单芯片内部，使系统设计趋于小型化，其内核 较之传统的操作系统要小得多。比如e n e a 公司的o s e 分布式系统，内核只有5 k ，而 w m d o w s 的内核要上百兆甚至更大。 ( 2 ) 专用性强 嵌入式系统都是面向特定对象的，嵌入式芯片大多工作在为特定用户设计的系统之 中。其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使同 一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统的变化和增减不断进行修改。 ( 3 ) 系统精简， 由于内存极其有限，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效地设计，去除不必要的附 件，在同样的硅片面积上实现更高的性能。这样一方面利于控制系统成本，同时提高系 统的安全性。 ( 4 ) 软件的高实时性 嵌入式系统都和基层设备直接相连，所以对实时性要求非常高，而且软件要求固化 存储以提高速度，软件代码要求高质量和高可靠性、实时性好。 1 4 3 嵌入式系统的组成 一般来讲，整个嵌入式系统由4 部分组成：嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入 式操作系统和嵌入式应用软件f 1 2 1 ，如图1 1 所示。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 软件系统 硬件系统 图1 - x 嵌入式系统的构成 f i g1 - 1c o m p o s i t i o no ft h ee m b e d d e ds y s t e m 1 4 3 1 嵌入式系统处理器 嵌入式系统的核心是各种类型的嵌入式处理器，与通用处理器不同，嵌入式c p u 大多工作在为特定对象所专门设计的系统中1 3 】【1 4 1 1 5 1 。嵌入式系统处理器有以下几种： ( 1 ) 微控制器m c u 也就是我们平常所说的单片机( s i n g l ec h i pc o m p u t e r ) 。在c p u 基础上，将输入输 出( i o ) 接口电路、时钟发生器及一定容量的存储器等部件集成在一个芯片上，即形 成了早期的单片机。在此基础上，外部再加上晶体振荡器、a d 、d a 及光电隔离等外围 器件就构成计算机系统，主要广泛应用于工业控制、智能化仪表家用电器等方面。具有 体积小、个性突出、价格低廉等优点。 现在的m c u 集成度已大大提高，c p u 、r a m 、f l a s h 、i o 、s c i 、s p i 、c a n 、 t u n e r 、a d 、d a 及时钟发生器等已经全部被集成在一个芯片上，功能明显增强。 ( 2 ) 数字信号处理器d s p 与m c u 注重控制功能不同，d s p 采用双哈佛结构，注重快速数字处理能力专门用 来对离散事件信号进行极快速处理计算，提高编译效率和运行速度。广泛应用于需要大 量复杂运算的数据处理设备如移动电话、便携式声音视频播放器等。近年，以f r e e s c a l e 公司为首的芯片厂商，推出了具有控制功能的数字信号处理器d s c ( 数字信号控制器) ， 应用于既需要大量数字信号处理，又需要控制的领域，如数据信号采集分析控制系统。 本文拟采用这种d s c 来实现设计系统所需要的功能。 ( 3 ) 片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 7 第一章绪论 随着e d a 的推广和v s l i 设计的普及化，以及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片 上实现更为复杂系统的时代已经到来，这就是s o c 。各种通用处理器内核将作为s o c 的 标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为v s l i 设计中一种标准器件，用标准语 言描述，存储在器件库中。用户只需要定义出其整个应用系统，仿真后就可以将设计图 文交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件外，应用系统电路板将变得更 简洁，对于减少体积和功耗、提高可靠性都非常有利。 1 4 3 2 嵌入式外围设备 嵌入式外围设备硬件系统中，除了中心控制部件( m c u 、d s p 、d s c 、s o c ) 以外， 用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其它部件都可以看作嵌入式外围设备。 目前常用的按功能可以分为存储设备、通信设备和显示设备三类。 1 4 3 3 嵌入式操作系统 许多的嵌入式系统都不用操作系统，因为系统只是为了实现某些特定功能，使用简 单的循环、中断控制对外界控制请求进行处理。随着计算机技术的发展，计算机系统的 硬件、软件资源也越来越丰富，嵌入式系统所需要的操作越来越多，因而进一步发展形 成了操作系统( o s ) 。发展到现在，广泛适用的有三种操作系统，即多通道批处理操作 系统、分时操作系统以及实时操作系统。国际上知名的嵌入式操作系统包括：v x w o r k s 、 p c o s - u 、p a l m o s 、w i n d o w sc e 、q n x 、l i n u x 等。 1 4 3 4 嵌入式应用软件 在完成硬件系统设计完成之后，根据硬件系统和应用需求开始软件的功能和结构设 计。应用软件是嵌入式系统针对特定的实际专业对象，基于相应的嵌入式硬件平台，并 能完成用户给定任务的计算机软件。用户的软件有时间和精度的要求，故有些应用软件 需要嵌入式操作系统的支持，但在简单应用场合一般不需要专门操作系统。 1 5 本课题研究的主要内容 根据在纺织机械生产厂家调研的情况，许多国产的纺织机械的机电一体化程度比较 低，导致有些设备故障不能尽早的被发现，而故障发生后又造成纺织厂长时间停工。由 于没有数据的收集存储，导致纺织机械生产厂家很多技术参数都无法根据实际情况修改 制定。在这种情况下，研究一套嵌入式梳棉机状态在线监控系统以及后续的系统。这套 系统技术成熟后，不仅能够应用在梳棉机上，而且能够大量应用于在其它纺织机械。 论文的主要研究内容如下： 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 、首先概括了课题研究的意义，并简要回顾了梳棉机系统的国内外相关技术的研 究。由于本课题主要研究对梳棉机设备大转动件锡林和道夫的参数的采集和处理，因此 本课题第一章也分别对国内外旋转机械状态在线检测系统的研制状况和嵌入式系统的 研究做了分析。 2 、为满足在线监控系统的稳定性、精确度的要求，本课题选用了f r e e s c a l e 公司的 m c 5 6 f 8 3 4 6 既具有d s p 信号高速处理功能又具有m c u 控制功能的混合控制器作为控 制器，同时选择k i o n i x 公司的k x p 7 4 1 0 5 0 数字输出的三轴加速度传感器作为信号采 集单元。 3 、完成监控系统的硬件设计，内容包括d s c 系统设计、加速度传感器与d s c 之 间的s p i 数字信号通信接口设计、l e d 显示电路设计、键盘接口设计等。 4 、监控系统的软件设计。主要是采用f r e e s c a l e 的d s c 专用系统集成开发工具 c o d e w a r r i o r 软件，设计调试包括系统初始化、s p i 通讯接口、键盘等的应用程序。 5 、为了提高系统可靠性所采取的一些措施，包括在总体设计、硬件设计和软件设 计的措施。 6 、最后对课题进行总结并对后续研发提出了一些建议。 9 第二章嵌入式振动状态在线监控系统的总体概述 第二章嵌入式振动状态在线监控系统的总体概述 2 1 监控系统对象描述 本文选择青岛市某公司的f a 2 0 6 b 型梳棉机作为监控对象，来完成一系列的设计。 通过嵌入式振动状态在线监控系统的开发，来实现系统尽量少的停机，保证产品的高质 量。图2 1 为f a 2 0 6 b 结构示意图，其中锡林和道夫为两个大转动部件，为本课题主要 的监控对象。 图2 - 1f a 2 0 6 b 型梳棉机的基本结构示意图 f i g2 - 1 b a s i cs t r u c t u r es k e t c hm a p o ft h ec a r d i n gm a c h i n eo fm o d e lf a 2 0 6 b f a 2 0 6 b 型梳棉机的锡林转速为3 5 0 4 5 0 转分，通过变频电机进行转速调整【1 9 1 。锡 林为一大直径圆柱体( 如图2 2 所示) ，直径为1 2 8 9 m m ，采用锡林两端堵头与锡林简体 一体铸造的整体式结构，具有较大的转动惯量。图2 2 和图2 3 分别为锡林和道夫的结 构图及安装位置图。 1 0 中国i 太学( 华东) 碗学位论女 圉2 - 2 锡林和道夫 f i 9 2 - 2c y l l u d e r a n d t l o l t e r 图2 - 3 锡韩在梳棉机上的安装位置 f i 9 2 - 3 i n s t a l l a t i o ns i t e o r t l a ee a r d i n g m a c h i n e o f e y l i u d e r 22 现场测量数据的分析 2 0 0 8 年秋季，课题组到青岛某梳棉机制造公司梳棉机组装现场考察，并利用p l 3 0 2 机械振动分析仪采集相关振动及噪卢数据然后扣日j 所测数据并进行分析，进而为传感 器的选择以及测量的方案要求提供依据。振动测点分布如表2 1 所示。 此外，我们还进行了环境及运行过程中各位置噪声的测量。 由于系统运行环境噪声比较大，而且厂房内的低频振源较多，对振动的测量产生了 影响。图2 4 为环境振动，图2 5 为锡林后轴承座轴向方向在采样频率为5 0 0 h z 时候所 测数据。由两图可以看出，设备的采样频率为5 0 0 h z ，分辨率为1 2 5 0 h z ，测量线数为 第= $ 嵌 式振状态在线拉系统的总体概述 5 0 0 12 5 c 一4 0 0 线。锡林此时的转速为3 3 0 转，基频为55 h z ，受环境振动的影响比较大。 系统的振动频率在高于1 7 5 h z 时，受环境影响较小。而在55 1 - 1 z 与1 75 1 4 i 之间，系统 振动与环境振动叠加。 表2 i 测点分布表 t a b l e2 - 1 t h e d i s t r i b u t i o n t a b l e o f m e a s u r i n gp o i n t 附注1 ：在此设定设备的动力输入端为系统的前端，而另一端为系统的后端。 圈2 4 环境振动频谱图 f i g2 - 4t h e p i e t a r e o f r u m b l es p e c t r u mo f a m b i e n te n v i m m e a t 中国石油大学( 华束) 磺士学位论文 图2 - 5 振动频谱圈1 f 蟾2 - 5t h e p i c t a r e o f r u m b l es p e c t r u m l 图2 - 6 和图2 - 7 分别是锡林前轴承座z 轴方向的频谱图和锡林前轴承座上方z 轴方向的频谱图。对比可以看出，两图在低频段基本相同，而在高频段，在轴承座 上测的数据有两个明显的峰值，这可能分别是锡林轴承的外圈故障频率和内圈故障 频率。根据经验公式，轴承的外圈频率为0 4 n ( n 为锡林转速) ，内圈故障频率为 06 n 。转速为3 9 7 r r a i n ，也就是两个峰值的频率为1 6 0 h z 和2 4 0 h z 左右。在这里， 轴承出现外圈和内圈频率比较高的情况，并不一定说系统轴承存在问题，也有可能 是装配问题。另外锡林的转动惯量比较大，质量比较大，这对轴承的要求也比较高。 l 删岫也岫i “山 图2 石振动频谱图2 f i 9 2 - 6t h e p i e t u m o f r u m b l es p e c t r u m2 第= 章嵌入式振动状卷在线监控系统的总# 概述 二 圈2 - 7 振动频谱图3 2 0 0 9 年初，该集团一批型号为f a 2 0 6 b 型梳棉机试车，课题组再次到公司考察，使 用手持式测振设备测得一些数据如表2 - 2 所示： 表2 - 2 梳棉机振动参敦测量值 t a b l e 2 - 2v i b r a t i o np t r a m e t e r m e s s u r e m e n t v a l u e o f t h ec s r d l n g m a c h i n e 由这些数据我们可以基本确定系统加速度、速度、位移的大小，这为系统的参数的 确定提供了帮助，同时也为传感器的选择提供了依据。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 3 振动在线监测系统的选择 随着计算机技术的发展，旋转机械在线监测系统在近二三十年来得到日益广泛的开 发和应用，世界各国竞相开展研究工作，不断推出新产品。世界各国开发的振动在线监 测系统各不相同，大体分为基于p c 技术的监测系统和基于嵌入式的监测系统两个方面。 2 3 1 基于p c 技术的监测系统 包括中国在内的大量知名振动监测系统生产设计厂家使用这种方式，它包括多通道 的传感器系统和p c 系统。通过多通道的传感器系统将现场信号采集转换传送到p c 机， 通过p c 机系统强大的软件来实现振动监测及故障诊断等功能。这种系统对信号传输的 稳定性、p c 软件的功能有非常严格的要求，软件功能比较多，维护多，使用繁琐且需 要专门培训，价格高。 图2 - 8d m 2 0 0 0 的系统配置示意图 f i g2 - 8t h es y s t e mc o n f i g u r a t i o ns c h e m a t i cd i a g r a mo fd m 2 0 0 0 这方面的国外产品包括美国b e n t l yn e v a d ac o r p o r a t i o n ( 本特利) 的系列产品、 w e s t i n g h o u s e 公司的p d s 系统、i r d 与e n t e k 公司( 现r o c k w e l l 公司) 联合开发 1 5 第二章嵌入式振动状态在线监控系统的总体概述 的5 9 11 系统、s c i e n t i f i ca t l a n t a 公司的m 6 0 0 0 系统以及日本三菱公司的m h m 系列等。 国内产品包括郑州大学工学院的m m d s 2 0 0 0 系统、北京英华达公司的e n 8 0 0 0 系统、 深圳创为实的$ 8 0 0 0 系统、西北工业大学的m d 3 9 0 5 系统、西安交通大学的r m d s 系 统及重庆大学的c d m s 8 9 0 0 系统等。图2 8 为b e n t l y 公司研制的d m 2 0 0 0 的系统配置 示意图。 另一种基于p c 的监测系统为以美国n i 公司为代表开发的虚拟仪器技术( v m u a l i n s t r u m e n t s ，v i ) 的应用。所谓虚拟仪器，就是在通用计算机为核心的硬件平台上，由 用户自己设计定义具有虚拟的操作面板，测试功能由测试软件来实现的一种计算机仪器 系统。虚拟仪器只有同时拥有高效的软件、模块化i o 硬件和用于集成的软硬件平台这 三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间短、以及出色 集成这四大优势。软件系统是虚拟仪器的核心，虚拟仪器使用相同的硬件系统，通过不 同的软件就可以实现功能完全不同的各种测量仪器，利用软件可以定义各种仪器【1 6 1 ，结 构框图如图2 - 9 所示，其具有性能高、扩展性强、开发时间短、无缝集成优点，但也存 在系统较复杂、成本比较高的问题。国内许多高校和检测系统厂家对此有很深的研究。 代表为重庆大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、西安电子科技大学、中科泛华电子 科技公司等，在研究和开发虚拟仪器设计平