CN111432038A - 一种基于工业以太网的高精度转速测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于旋转机械转速监控技术领域，尤其涉及一种基于工业以太网的高精度转速测量系统。包括转速测量模块；以及可安装于PC机或触摸屏的转速主控程序；转速测量模块和转速主控程序之间通过ModbusTCP/IP工业以太网通信协议进行通讯；转速测量模块包括微控制器电路、转速测量电路、以太网通信电路、电源电路；转速主控程序由组态软件设计开发并至少支持PC、触摸屏两种安装方式；本发明的基于工业以太网的高精度转速测量系统通过工业以太网进行组网，数据传输速率高、可靠性强、网络开放易于扩展，能够方便的实现远程数据的通信具有分布式运行、远程监测、网络化故障诊断等功能。
Description
技术领域
本发明属于旋转机械转速监控技术领域，尤其涉及一种基于工业以太网的高精度转速测量系统。
背景技术
在工业车间、厂矿、陆地交通、航海等应用旋转机械的领域，机器转速反映了旋转机械的运行状况是重要的监测参数，同时在旋转机械控制系统中，转速也是重要的被控量，高精度的转速测量对于保障旋转机械的正常运行和安全具有重要的意义。目前传统的旋转机械转速测量系统存在的问题有：组网方式落后通常采用RS232、RS485、CAN等串行通信协议存在传输速率低，传输距离短传输信号易受外界干扰等缺点，当监测目标比较分散、测点较多、需要远程诊断时通过以上通信方式组网就难以实现；转速测量基准频率信号固定不变，在低频段和高频段测速精度下降；转速测量往往没有配套的上位机转速主控软件。
发明内容
本发明创造的目的在于，提供一种采用工业以太网分布式结构，把转速测量模块和转速主控PC机或触摸屏作为网络节点，通过双绞线进行组网，可以更方便的实现远程数据的通信、分布式运行、远程监测、网络化故障诊断等功能的基于工业以太网的高精度转速测量系统。
为实现上述目的，本发明创造采用如下技术方案。
一种基于工业以太网的高精度转速测量系统，包括转速测量模块；以及可安装于PC机或触摸屏的转速主控程序；转速测量模块和转速主控程序之间通过ModbusTCP/IP工业以太网通信协议进行通讯；
转速测量模块包括微控制器电路、转速测量电路、以太网通信电路、电源电路；转速主控程序由组态软件设计开发并至少支持PC、触摸屏两种安装方式；微控制器电路包括微控制器、跳线内部功能设置单元、联合测试行为组织调试端口和功能设定存储单元；转速测量电路包括滤波电路、放大整形电路、光耦隔离电路、施密特触发电路；以太网通信电路，包括以太网控制器单元、RJ45网络接口单元，以太网控制器单元通过移植LWIPTCP/IP协议栈来实现网络通信功能；RJ45网络接口单元，与以太网控制器单元相连，内置集成网络隔离变压器支持100BASE-T网络通信；
对前述基于工业以太网的高精度转速测量系统的进一步改进，微控制器与以太网通信电路和转速测量电路相连，用于接收并处理采集的转速原始数据并向以太网通信电路传送处理好的转速数字信号；跳线内部功能设置单元与微控制器相连，用于设置测速模块的网络地址；联合测试行为组织调试端口与微控制器相连，外部调试设备通过联合测试行为组织调试端口对转速测量模块进行外部调试；功能设定存储单元与微控制器相连，功能设定存储单元存储模块自定义的通信协议解析程序和模块的功能设定值。
对前述基于工业以太网的高精度转速测量系统的进一步改进，滤波单元包括由电阻、电容网络构成的低通滤波通道；放大整形电路与滤波单元相连，并将滤波后的信号通过LM224构成的比较器和74HC04反向器进行信号的放大和整形；光耦隔离电路由2SD1007小功率三极管和TLP2362高速光电耦合器来实现；施密特触发电路与光耦隔离电路相连，施密特触发电路由74HC04反向器组成，防止噪声输入在触发点产生多次翻转；通过转速测量电路处理后原始转速传感器输入信号变为标准方波信号，然后通过微控制器定时器输入捕获功能进行频率测量。
对前述基于工业以太网的高精度转速测量系统的进一步改进，以太网控制器单元由DM9000B芯片U2组成，DM9000B与微控制器相连两者之间的通信是通过单片机的FSMC接口实现，DM9000B当成SRAM进行控制，其中片选信号CS管脚由FSMC_NE2来控制，访问类型管脚CMD由FSMC_A7来控制，处理器读命令管脚IOR由FSMC_NOE控制，处理器写命令管脚IOW由FSMC_NEW控制，中断使能管脚INT连接至PA6，数据总线SD0-SD15连接至FSMC_D0-FSMC_D15；
DM9000B数据的发送和接受都是通过中断机制来实现；RJ45网络接口单元由插座HR911105AJP3组成，网络插座HR911105A内置集成网络隔离变压器支持100BASE-T网络通信，DM9000B芯片和网络插座HR911105A之间的数据交互主要是通过物理层接受端正极RD+、物理层接受端负极RD-、物理层发送端口正极TX+、物理层发送端口负极TX-，四个端口进行连接。
对前述基于工业以太网的高精度转速测量系统的进一步改进，上位转速主控软件通过ModbusTCP/IP协议与转速测量模块进行通信，通信协议以字符的形式定义功能设定命令；上位转速主控软件通过功能设定命令设定模块节点地址、测速齿轮齿数、零转速延时判断时间、转速上下限报警值、测速间隔。
对前述基于工业以太网的高精度转速测量系统的进一步改进，转速主控程序至少用于完成以下步骤：参数设置的步骤：包括完成转速测量模块节点地址设置、零转速延时判断时间、转速上下限报警值设置、零转速延时判断时间、测速间隔的参数；转速显示的步骤：包括按照所设定的定时间隔顺序读取各测速通道的转速值进行数码实时显示并存入历史数据库，同时将其与上下限进行比较发出报警信息；趋势曲线输出步骤：包括以曲线的方式显示历史转速数据方便查看各点转速的变化趋势；报表打印的步骤：根据设定时间查找历史数据库自动生成临时数据文件，然后将其以报表的形式打印输出。
其有益效果在于：
本发明的基于工业以太网的高精度转速测量系统通过工业以太网进行组网，数据传输速率高、可靠性强、网络开放易于扩展，能够方便的实现远程数据的通信具有分布式运行、远程监测、网络化故障诊断等功能。
多通道高精度的转速测量模块的测量基准频率信号可调，具有自适应匹配外部转速信号的功能，使的在低频至高频全范围内转速测量精度很高，同时可以通过功能设定命令可以在线远程设定模块节点地址、测速齿轮齿数、零转速延时判断时间、转速上下限报警值、测速间隔等。
转速主控程序采用组态软件设计开发，支持PC、触摸屏两种安装方式，具有参数设置、转速显示、趋势曲线、报表打印等功能，可方便地推广至工业各类旋转机械转速测量场合。
附图说明
图1为转速测量系统组成示意图；
图2为上位机转速主控软件组成结构图；
图3为下位多通道高精度的转速测量模块组成结构图；
图4为下位多通道高精度的转速测量模块电路原理图一；
图5为下位多通道高精度的转速测量模块电路原理图二；
图6为下位多通道高精度的转速测量模块电路原理图三。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明创造作详细说明。
本发明涉及一种基于工业以太网的高精度转速测量系统，主要用于工业设备的高精度转速测量，其基本组成结构如图1，基于工业以太网的高精度转速测量系统包括下位转速测量模块和装有转速主控程序的上位PC机或触摸屏。
如图1、图2、图3所示，在具体实施过程中，下位多通道高精度的转速测量模块和装有转速主控程序的上位PC机或触摸屏作为网络节点通过交换机、路由器共同构成星形工业以太网网络。在使用时，直接将磁电式或霍尔式转速传感器输入信号的正负端通过接线端子接入测速模块，在转速测量模块中，通过低频滤波、信号放大整形、光电隔离后输入微控器高速定时器的输入捕捉通道，通过软件实现频率自适应实时计算，转速测量模块和转速主控程序之间通过ModbusTCP/IP工业以太网通信协议进行通讯；所述转速测量模块包括微控制器电路、转速测量电路、以太网通信电路、电源电路。
在本实施例中，如图5～图6所示，微控制器电路包括微控制器、跳线内部功能设置单元、联合测试行为组织调试端口和功能设定存储单元，微控制器包括STM32F103ZET6芯片U1、时钟电路、复位电路、工作指示灯组成，以上构成基于STM32的最小系统；跳线内部功能设定单元由拨码开关J7和移位寄存器U9组成，通过拨码开关来设定模块的网络地址；联合测试行为组织调试端口与微控制器相连，外部调试设备通过联合测试行为组织调试端口对多通道热电偶网络转速测量模块进行外部调试；功能设定存储单元，与微控制器相连，由ATMEL24C08存储芯片U9构成，主要存储模块自定义的通信协议解析程序和模块的功能设定值。
其中，转速测量电路包括滤波电路、放大整形电路、光耦隔离电路、施密特触发电路，如图4所示，滤波电路由电阻、电容网络实现低通滤波，放大整形电路由LM224芯片和74HC14芯片U21、U22组成实现信号的放大和整形，U21用做比较器，本质上做高增益的差分放大器用，比较器的门限电压由连接于其正相端的两个电阻分压决定，U22用做反相施密特触发器用减少信号在门限电压附近频繁翻转，光耦隔离电路由2SD1007小功率三极管Q5和TLP2362高速光电耦合器U23组成，整形后的转速信号经Q5功率放大后驱动U23的输入端，光耦隔离后经外部上拉电阻输出，施密特触发电路由74HC14芯片U27组成，经过进一步迟滞、反相输出与原始转速信号同相位的理想方波信号。
在具体实施过程中，理想方波信号最后送入微控制器的高速定时器通道利用输入捕获功能进行频率计算，首先设定为上升沿触发，当进入中断之后记录与上次中断之间的间隔即周期，其倒数就是频率，为了提高计算精度，根据测量的方波频率自适应调整基准频率信号的分频系数，实现在低频和高频段都能实现高精转速测量。
以太网通信电路包括以太网控制器单元、RJ45网络接口单元，其结构示意如图5所示，以太网控制器单元由DM9000B芯片U2组成，DM9000B与微控制器相连两者之间的通信是通过单片机的FSMC接口实现的，将DM9000B当成SRAM进行控制，其中片选信号CS管脚由FSMC_NE2来控制，访问类型管脚CMD由FSMC_A7来控制，处理器读命令管脚IOR由FSMC_NOE控制，处理器写命令管脚IOW由FSMC_NEW控制，中断使能管脚INT连接至PA6，数据总线SD0-SD15连接至FSMC_D0-FSMC_D15。DM9000B数据的发送和接受都是通过中断机制来实现；RJ45网络接口单元由插座HR911105AJP3组成，网络插座HR911105A内置集成网络隔离变压器支持100BASE-T网络通信，DM9000B芯片和网络插座HR911105A之间的数据交互主要是通过物理层接受端正极RD+、物理层接受端负极RD-、物理层发送端口正极TX+、物理层发送端口负极TX-，四个端口进行连接。为了减少对RAM的占用，通过移植LWIP轻量级IP协议栈来实现网络通信功能。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。
Claims (6)
1.一种基于工业以太网的高精度转速测量系统，其特征在于，包括转速测量模块；以及可安装于PC机或触摸屏的转速主控程序；
转速测量模块和转速主控程序之间通过ModbusTCP/IP工业以太网通信协议进行通讯；
所述转速测量模块包括微控制器电路、转速测量电路、以太网通信电路、电源电路；
所述转速主控程序由组态软件设计开发并至少支持PC、触摸屏两种安装方式；
所述微控制器电路包括微控制器、跳线内部功能设置单元、联合测试行为组织调试端口和功能设定存储单元；
所述转速测量电路包括滤波电路、放大整形电路、光耦隔离电路、施密特触发电路；
所述以太网通信电路，包括以太网控制器单元、RJ45网络接口单元，以太网控制器单元通过移植LWIP TCP/IP协议栈来实现网络通信功能；所述RJ45网络接口单元，与以太网控制器单元相连，内置集成网络隔离变压器支持100BASE-T网络通信。
2.根据权利要求1所述一种基于工业以太网的高精度转速测量系统，其特征在于，所述微控制器与以太网通信电路和转速测量电路相连，用于接收并处理采集的转速原始数据并向以太网通信电路传送处理好的转速数字信号；所述跳线内部功能设置单元与微控制器相连，用于设置测速模块的网络地址；所述联合测试行为组织调试端口与微控制器相连，外部调试设备通过联合测试行为组织调试端口对转速测量模块进行外部调试；所述功能设定存储单元与微控制器相连，功能设定存储单元存储模块自定义的通信协议解析程序和模块的功能设定值。
3.根据权利要求1所述一种基于工业以太网的高精度转速测量系统，其特征在于，
所述滤波单元包括由电阻、电容网络构成的低通滤波通道；所述放大整形电路与滤波单元相连，并将滤波后的信号通过LM224构成的比较器和74HC04反向器进行信号的放大和整形；所述光耦隔离电路由2SD1007小功率三极管和TLP2362高速光电耦合器来实现；所述施密特触发电路与光耦隔离电路相连，施密特触发电路由74HC04反向器组成，防止噪声输入在触发点产生多次翻转；通过转速测量电路处理后原始转速传感器输入信号变为标准方波信号，然后通过微控制器定时器输入捕获功能进行频率测量。
4.根据权利要求1所述一种基于工业以太网的高精度转速测量系统，其特征在于，所述以太网控制器单元由DM9000B芯片U2组成，DM9000B与微控制器相连两者之间的通信是通过单片机的FSMC接口实现，DM9000B当成SRAM进行控制，其中片选信号CS管脚由FSMC_NE2来控制，访问类型管脚CMD由FSMC_A7来控制，处理器读命令管脚IOR由FSMC_NOE控制，处理器写命令管脚IOW由FSMC_NEW控制，中断使能管脚INT连接至PA6，数据总线SD0-SD15连接至FSMC_D0-FSMC_D15；
DM9000B数据的发送和接受都是通过中断机制来实现；所述RJ45网络接口单元由插座HR911105A JP3组成，网络插座HR911105A内置集成网络隔离变压器支持100BASE-T网络通信，DM9000B芯片和网络插座HR911105A之间的数据交互主要是通过物理层接受端正极RD+、物理层接受端负极RD-、物理层发送端口正极TX+、物理层发送端口负极TX-，四个端口进行连接。
5.根据权利要求1所述一种基于工业以太网的高精度转速测量系统，其特征在于，所述上位转速主控软件通过ModbusTCP/IP协议与转速测量模块进行通信，通信协议以字符的形式定义功能设定命令；上位转速主控软件通过功能设定命令设定模块节点地址、测速齿轮齿数、零转速延时判断时间、转速上下限报警值、测速间隔。
6.根据权利要求1所述一种基于工业以太网的高精度转速测量系统，其特征在于，所述转速主控程序至少用于完成以下步骤：
参数设置的步骤：包括完成转速测量模块节点地址设置、零转速延时判断时间、转速上下限报警值设置、零转速延时判断时间、测速间隔的参数；
转速显示的步骤：包括按照所设定的定时间隔顺序读取各测速通道的转速值进行数码实时显示并存入历史数据库，同时将其与上下限进行比较发出报警信息；
趋势曲线输出步骤：包括以曲线的方式显示历史转速数据方便查看各点转速的变化趋势；
报表打印的步骤：根据设定时间查找历史数据库自动生成临时数据文件，然后将其以报表的形式打印输出。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200717 |
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