Устройство анализа механических вибраций для промышленной автоматизации
Устройство, совместимое со стандартными датчиками ускорения, которые устанавливаются на различном промышленном оборудовании. Переводит данные с датчика в значения скорости, ускорения и перемещения.
КЕДР Solutions разрабатывает электронику и ПО для различных отраслей, в том числе для промышленности. Такие задачи часто требуют нестандартного подхода и позволяют команде применять свои глубокие профессиональные знания.
В последнее время предприятия стараются переходить с аналоговых устройств на их цифровые версии. В рамках одного из недавних проектов мы разработали цифровое устройство анализа механических вибраций для промышленного оборудования, в котором мы применили весь наш опыт в области анализа цифровых сигналов.
В последнее время предприятия стараются переходить с аналоговых устройств на их цифровые версии. В рамках одного из недавних проектов мы разработали цифровое устройство анализа механических вибраций для промышленного оборудования, в котором мы применили весь наш опыт в области анализа цифровых сигналов.
Запрос
Заказчик, занимающийся решениями для автоматизации производства, решил создать устройство, способное считывать параметры вибрации со стандартных промышленных датчиков, преобразовывать их в другие значения (ускорение, скорость и перемещение) и передавать эти значения на выход. Устройство необходимо было разработать с нуля.
Решение
Мы разработали устройство для анализа механических вибраций, которое получает данные с датчика ускорения, устанавливаемого на промышленном оборудовании: на коробках передач, вентиляторах, насосах и пр. Устройство переводит данные в необходимые значения (ускорение, скорость и перемещение) с выходом по напряжению 0-10 В или токовым выходом 4-20 мА.
Устройство снабжено светодиодом, который сигнализирует о том, что входной сигнал с датчика поступает нормально. Устройство также оборудовано дополнительным выходным каналом, который дублирует входной сигнал либо как есть, либо без постоянной составляющей.
Создавая встроенное ПО для микроконтроллера, мы использовали высокочастотные и низкочастотные фильтры Баттерворта с максимально плоской амплитудно-частотной характеристикой. Для высоких частот мы также применили фильтр с бесконечной импульсной характеристикой.
Эти алгоритмы фильтрования обеспечивают плавное интегрирование сигналов. Чтобы увеличить скорость обработки у фильтров, мы использовали процессор с набором инструкций для цифровой обработки сигналов (DSP).
Мы смогли выполнить требования к значениям как входных, так и выходных сигналов. Наше решение позволяет корректно преобразовывать входные вибрационные сигналы даже с минимальной частотой и обеспечивает требуемую точность.
Устройство снабжено светодиодом, который сигнализирует о том, что входной сигнал с датчика поступает нормально. Устройство также оборудовано дополнительным выходным каналом, который дублирует входной сигнал либо как есть, либо без постоянной составляющей.
Создавая встроенное ПО для микроконтроллера, мы использовали высокочастотные и низкочастотные фильтры Баттерворта с максимально плоской амплитудно-частотной характеристикой. Для высоких частот мы также применили фильтр с бесконечной импульсной характеристикой.
Эти алгоритмы фильтрования обеспечивают плавное интегрирование сигналов. Чтобы увеличить скорость обработки у фильтров, мы использовали процессор с набором инструкций для цифровой обработки сигналов (DSP).
Мы смогли выполнить требования к значениям как входных, так и выходных сигналов. Наше решение позволяет корректно преобразовывать входные вибрационные сигналы даже с минимальной частотой и обеспечивает требуемую точность.
Семейство графиков зависимости коэффициента усиления от частоты для разных скоростей перемещения.
Разрешенные сложности проекта
Одна из основных сложностей, связанных с разработкой аппаратного обеспечения, заключалась в создании источника тока на 4 мА для питания датчика ускорения. Это требовалось на случай отсутствия внешнего источника питания. Мы опробовали несколько схем, прежде чем нашли решение, которое обеспечивает стабильное питание без шумов, мешающих работе датчика.
Остальные сложности проекта были связаны с удобством эксплуатации устройства. Оно должно было быть простым и понятным. Например, мы добавили функцию автокалибровки, которая значительно упрощает калибровку устройства.
Мы также оптимизировали переключение режима вывода сигнала для силы тока и напряжения. Режим можно выставить через консольный интерфейс, не затрагивая аппаратную часть.
Остальные сложности проекта были связаны с удобством эксплуатации устройства. Оно должно было быть простым и понятным. Например, мы добавили функцию автокалибровки, которая значительно упрощает калибровку устройства.
Мы также оптимизировали переключение режима вывода сигнала для силы тока и напряжения. Режим можно выставить через консольный интерфейс, не затрагивая аппаратную часть.
Для данного проекта мы разработали аппаратную часть и встроенное программное обеспечение.
Выполненные работы
В рамках разработки встроенного аппаратного обеспечения:
В рамках разработки встроенного ПО:
В рамках разработки встроенного аппаратного обеспечения:
- создание принципиальной схемы;
- разработка печатной платы;
- подготовка технической документации и производственных файлов для изготовителя;
- сборка прототипа;
- испытание аппаратной части;
- выявление и устранение неполадок.
В рамках разработки встроенного ПО:
- получение данных;
- цифровая фильтрация;
- обработка данных;
- генерирование выходного сигнала;
- автокалибровка;
- настройка UART-интерфейса.
Использованные технологии
- Проект тесно связан с технологией цифровой обработки сигналов (ЦОС).
- В качестве микроконтроллера для устройства мы использовали STM32F4.
- Устройство имеет аналоговые и цифровые фильтры.
- Устройство позволяет конфигурировать его через консоль.
- Изделие имеет стандартные промышленные выходы: 0-10 В и 4-20 мА.
- В устройстве реализована функция автокалибровки.
- Устройство работает со стандартными датчиками ускорения.
- Датчик ускорения может питаться как от внешнего источника энергии, так и от стабильного встроенного источника тока на 4 мA.
- Значительная часть проекта была связана с измерением напряжения/тока.
- Устройство оборудовано USB-разъемом для подключения к настроечной консоли, которая запускается на ПК.
- Для разработки прошивки мы использовали Microsoft Visual Studio и Eclipse IDE.
- Прошивка была написана на C/C++.
Итоги
Мы разработали комплексное аппаратно-программное решение, полностью соответствующее требованиям заказчика. Прототипы были испытаны заказчиком и нашим отделом тестирования ПО и показали отличные результаты.
При необходимости устройство обеспечивает датчик ускорения стабильным электропитанием. Сигнал от датчика проходит через несколько аналоговых и цифровых фильтров. Благодаря этому на выходе получается плавный сигнал, полностью соответствующий измерениям датчика.
Выходные каналы устройства можно настраивать с помощью консоли. Они могут преобразовывать входной сигнал в значения ускорения, скорости и перемещения (среднее квадратическое значение, размах, амплитуда) в форме стандартного сигнала с выходом по напряжению 0-10 В или токовым выходом 4-20 мА.
За состоянием входного сигнала легко следить: зеленый светодиод указывает, что все в порядке. При возникновении неполадок, например, повреждении проводки, светодиод загорится красным.
Устройство помещено в корпус с DIN-рейкой от компании Phoenix Contact, являющийся отраслевым стандартом.
При необходимости устройство обеспечивает датчик ускорения стабильным электропитанием. Сигнал от датчика проходит через несколько аналоговых и цифровых фильтров. Благодаря этому на выходе получается плавный сигнал, полностью соответствующий измерениям датчика.
Выходные каналы устройства можно настраивать с помощью консоли. Они могут преобразовывать входной сигнал в значения ускорения, скорости и перемещения (среднее квадратическое значение, размах, амплитуда) в форме стандартного сигнала с выходом по напряжению 0-10 В или токовым выходом 4-20 мА.
За состоянием входного сигнала легко следить: зеленый светодиод указывает, что все в порядке. При возникновении неполадок, например, повреждении проводки, светодиод загорится красным.
Устройство помещено в корпус с DIN-рейкой от компании Phoenix Contact, являющийся отраслевым стандартом.
Устройство для анализа вибраций помещено в корпус Phoenix Contact.
После успешного завершения проекта мы продолжили сотрудничество с заказчиком и создали низкозатратную легкую версию устройства с ограниченным функционалом.
Выходные сигналы, генерируемые устройством:
0-10 В
4-20 мА
Соответствие выходного сигнала измерениям датчика:
100%
Выходные сигналы, генерируемые устройством:
0-10 В
4-20 мА
Соответствие выходного сигнала измерениям датчика:
100%
“
"КЕДР Solutions выполняет работу по высшему стандарту. Это касается не только разработки, но также коммуникации и ведения документации. Команда намного превысила наши ожидания. Чтобы лучше понять наши цели, ее специалисты тщательно изучили проект – это нас очень впечатлило".