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第五課時(shí)
采集振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)(1)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)采集(初級(jí))講師:XXX202X.XX.XX當(dāng)今社會(huì),傳感器已廣泛應(yīng)用到諸如日常生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航空航天、宇宙開發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、文物保護(hù)等人類文明的各個(gè)角落。從茫茫的太空到浩瀚的海洋,以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng),在高度發(fā)展的現(xiàn)代工業(yè)中,處處可見傳感器的身影。多樣的傳感網(wǎng)絡(luò)圖
常見的傳感樣式傳感器傳感器是能感受被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置,通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成;當(dāng)傳感器的輸出為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí),被稱為變送器,即將非標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)的儀器。由于傳感器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,產(chǎn)生的數(shù)據(jù)相對(duì)單一、明晰,是數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目實(shí)施的最基本單元之一。因此,本書以振動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)采集作為第一個(gè)實(shí)施項(xiàng)目。本章節(jié)從數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目的全流程著眼,通過選擇工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)、連接振動(dòng)傳感器和工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)、配置工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)基本參數(shù)、設(shè)置工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)采集參數(shù)、測(cè)試工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等五個(gè)步驟,掌握數(shù)據(jù)采集各個(gè)實(shí)施步驟中的知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)。最后,我們?cè)黾恿艘粋€(gè)針對(duì)電流傳感器的數(shù)據(jù)采集實(shí)施項(xiàng)目,幫助大家深化上述知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)。工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)選型01振動(dòng)傳感器的概念02CONTENTS目錄素質(zhì)目標(biāo):1.
養(yǎng)成科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度;2.
感受科技發(fā)展、樹立積極學(xué)習(xí)態(tài)度。知識(shí)目標(biāo):1.
理解設(shè)備信息收集的基本概念和方法;2.
理解采集對(duì)象數(shù)據(jù)信息的基本概念;3.
了解工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)選型涉及的其他信息。能力目標(biāo):1.
能夠準(zhǔn)確收集設(shè)備信息;2.
能夠準(zhǔn)確收集采集對(duì)象的數(shù)據(jù)信息;3.
能夠準(zhǔn)確收集其他相關(guān)信息;4.
能夠結(jié)合設(shè)備信息和數(shù)據(jù)信息選擇合適的工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)。請(qǐng)同學(xué)們仔細(xì)觀察,放在工作臺(tái)的中間的8臺(tái)不同型號(hào)的工業(yè)智能網(wǎng)關(guān),這就是今天要學(xué)習(xí)的對(duì)象,可以說一下對(duì)工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)的直觀感受和存在的疑惑。學(xué)習(xí)目標(biāo)創(chuàng)設(shè)情景1工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)選型PartOne1.1工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)選型概念學(xué)習(xí)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)采集工作臺(tái)配有工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)區(qū)域,是本實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的核心結(jié)構(gòu),由若干個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常見的工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)構(gòu)成,負(fù)責(zé)工業(yè)數(shù)據(jù)的采集工作。接下來,讓我們一起回顧一下工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)。圖
工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)模塊采集接口圖
工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)底部結(jié)構(gòu)1.2工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)功能說明名字本領(lǐng)采集功能采集端口管理口IP地址外觀VT-EDU-S001設(shè)備接口:雙串口采集接口;支持采集協(xié)議:RS-232/RS-422/RS-485(默認(rèn)RS422)波特率:最高支持1Mbps;上傳配置:工業(yè)以太網(wǎng);支持上傳協(xié)議:ModbusTCP、MQTT等。歐姆龍PLCCOM1192.168.1.204VT-EDU-S002設(shè)備接口:雙串口采集接口;支持采集協(xié)議:RS-232/RS-422/RS-485(默認(rèn)RS232)波特率:最高支持1Mbps;上傳配置:Wi-Fi、工業(yè)以太網(wǎng);支持上傳協(xié)議:ModbusTCP、MQTT等。三菱PLCCOM1192.168.1.205實(shí)訓(xùn)平臺(tái)工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)模組包含8臺(tái)數(shù)據(jù)采集智能網(wǎng)關(guān),它們功能介紹如下表所示。1.2工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)功能說明名字本領(lǐng)采集功能采集端口管理口IP地址外觀VT-EDU-N001設(shè)備接口:鳳凰端子接口,含1路RS-485接口、3路開關(guān)量采集接口、4路模擬量采集接口;支持采集協(xié)議:DC0~10V、DC4~20mA等多種標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)輸入;上傳配置:工業(yè)以太網(wǎng);支持上傳協(xié)議:ModbusTCP、MQTT等。工業(yè)傳感器4路開關(guān)量3路模擬量1路RS-485192.168.1.201192.168.1.202192.168.1.203VT-EDU-E001設(shè)備接口:雙網(wǎng)口采集接口;支持采集協(xié)議:PROFINET、EtherNet/IP、Powerlink、ModbusTCP等工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)接入;上傳接口:工業(yè)以太網(wǎng);支持上傳協(xié)議:ModbusTCP、MQTT等。西門子PLCETH3192.168.1.2051.2工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)功能說明名字本領(lǐng)采集功能采集端口管理口IP地址外觀VT-EDU-E002設(shè)備接口:雙網(wǎng)口采集接口;支持采集協(xié)議:PROFINET、EtherNet/IP、Powerlink、ModbusTCP等工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)接入;上傳接口:Wi-Fi、工業(yè)以太網(wǎng);支持上傳協(xié)議:ModbusTCP、MQTT、OPCUA等。發(fā)那科數(shù)控機(jī)床ETH3192.168.1.207VT-EDU-E003設(shè)備接口:雙網(wǎng)口采集接口;支持采集協(xié)議:PROFINET、EtherNet/IP、Powerlink、ModbusTCP等工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)接入;上傳接口:4G、工業(yè)以太網(wǎng);支持上傳協(xié)議:ModbusTCP、MQTT、OPCUA等。
ETH3192.168.1.2081.3智能網(wǎng)關(guān)上傳協(xié)議——ModbusTCP目前上述所說的網(wǎng)關(guān)都支持ModbusTCP及MQTT上傳協(xié)議,部分智能網(wǎng)關(guān)還支持OPCUA上傳協(xié)議。概念學(xué)習(xí)(1)ModbusTCP通信協(xié)議介紹1)ModbusTCP介紹Modbus由MODICON公司于1979年開發(fā),是一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。1996年施耐德公司推出基于以太網(wǎng)TCP/IP的Modbus協(xié)議:ModbusTCP。Modbus協(xié)議是一項(xiàng)應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議,包括ASCII、RTU、TCP三種報(bào)文類型。標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議物理層接口有RS232、RS422、RS485和以太網(wǎng)接口,采用master/slave方式通信。易于與各種系統(tǒng)互連:可用于管理網(wǎng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信高速的數(shù)據(jù):100M以太網(wǎng)的傳輸結(jié)果為:每秒4000個(gè)ModbusTCP報(bào)文,而每個(gè)報(bào)文可傳輸125個(gè)字TCP/IP已成為信息行業(yè)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn):只要在應(yīng)用層使用ModbusTCP,就可實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換用戶強(qiáng)烈要求:目前中國(guó)已把ModbusTCP作為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)之一,用戶可免費(fèi)獲得協(xié)議及樣板程序網(wǎng)絡(luò)實(shí)施價(jià)格低廉:可全部使用通用網(wǎng)絡(luò)部件2)ModbusTCP優(yōu)點(diǎn)1.3智能網(wǎng)關(guān)上傳協(xié)議——MQTT
圖VT-EDU-N001智能網(wǎng)關(guān)ModbusTCP寄存器定義智能網(wǎng)關(guān)采集實(shí)訓(xùn)平臺(tái)模組數(shù)據(jù),通過ModbusTCP協(xié)議上傳數(shù)據(jù)至Web客戶端顯示。智能網(wǎng)關(guān)采集傳感器模組上傳數(shù)據(jù)通信地址及寄存器定義如下圖所示:(2)MQTT通信協(xié)議介紹1)MQTT協(xié)議簡(jiǎn)介及協(xié)議原理MQTT(MessageQueuingTelemetryTransport,消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議),是一種基于發(fā)布/訂閱(publish/subscribe)模式的“輕量級(jí)”通訊協(xié)議,該協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議上,由IBM在1999年發(fā)布。1.3智能網(wǎng)關(guān)上傳協(xié)議MQTT最大優(yōu)點(diǎn)在于,可以以極少的代碼和有限的帶寬,為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)。概念學(xué)習(xí)作為一種低開銷、低帶寬占用的即時(shí)通訊協(xié)議,使其在物聯(lián)網(wǎng)、小型設(shè)備、移動(dòng)應(yīng)用等方面有較廣泛的應(yīng)用。MQTT是一個(gè)基于客戶端-服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議。MQTT協(xié)議是輕量、簡(jiǎn)單、開放和易于實(shí)現(xiàn)的,這些特點(diǎn)使它適用范圍非常廣泛。在很多情況下,包括受限的環(huán)境中,如:機(jī)器與機(jī)器(M2M)通信和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)。其在,通過衛(wèi)星鏈路通信傳感器、偶爾撥號(hào)的醫(yī)療設(shè)備、智能家居、及一些小型化設(shè)備中已廣泛使用。2)MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)MQTT協(xié)議需要客戶端和服務(wù)器端通訊完成,在通訊過程中,MQTT協(xié)議中有三種身份:發(fā)布者(Publish)、代理(Broker)(服務(wù)器)、訂閱者(Subscribe)。其中,消息的發(fā)布者和訂閱者都是客戶端,消息代理是服務(wù)器,消息發(fā)布者可以同時(shí)是訂閱者。圖
MQTT消息1.3智能網(wǎng)關(guān)上傳協(xié)議——OPCUAOPC是自動(dòng)化行業(yè)及其他行業(yè)用于數(shù)據(jù)安全交換時(shí)的互操作性標(biāo)準(zhǔn)。它獨(dú)立于平臺(tái),并確保來自多個(gè)廠商的設(shè)備之間信息的無縫傳輸。概念學(xué)習(xí)OPC標(biāo)準(zhǔn)定義了客戶端與服務(wù)器之間以及服務(wù)器與服務(wù)器之間的接口,比如訪問實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、監(jiān)控報(bào)警和事件、訪問歷史數(shù)據(jù)和其他應(yīng)用程序等,都需要OPC標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)。OPC標(biāo)準(zhǔn)于1996年首次發(fā)布,其目的是把PLC特定的協(xié)議(如Modbus,Profibus等)抽象成為標(biāo)準(zhǔn)化的接口,作為“中間人”的角色把其通用的“讀寫”要求轉(zhuǎn)換成具體的設(shè)備協(xié)議。2008年發(fā)布的OPC統(tǒng)一架構(gòu)(UA)將各個(gè)OPCClassic規(guī)范的所有功能集成到一個(gè)可擴(kuò)展的框架中,獨(dú)立于平臺(tái)并且面向服務(wù)。2008年發(fā)布的OPC統(tǒng)一架構(gòu)(UA)將各個(gè)OPCClassic規(guī)范的所有功能集成到一個(gè)可擴(kuò)展的框架中,獨(dú)立于平臺(tái)并且面向服務(wù)。這種多層方法實(shí)現(xiàn)了最初設(shè)計(jì)UA規(guī)范時(shí)的目標(biāo):1)功能對(duì)等性:所有COMOPCClassic規(guī)范都映射到UA;2)平臺(tái)獨(dú)立性:從嵌入式微控制器到基于云的基礎(chǔ)設(shè)施;3)安全性:信息加密、身份驗(yàn)證和審核;4)可擴(kuò)展性:添加新功能而不影響現(xiàn)有應(yīng)用程序的能力;5)綜合信息建模:用于定義復(fù)雜信息。2振動(dòng)傳感器概念PartTwo2.1振動(dòng)傳感器——定義&主要類型概念學(xué)習(xí)2.主要類型按振動(dòng)傳感器功能可有以下幾種分類方法:按機(jī)械接收原理分:相對(duì)式、慣性式;按機(jī)電變換原理分:電動(dòng)式、壓電式、電渦流式、電感式、電容式、電阻式、光電式;按所測(cè)機(jī)械量分:位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、應(yīng)變傳感器、扭振傳感器、扭矩傳感器。一般來說,振動(dòng)傳感器在機(jī)械接收原理方面,只有相對(duì)式、慣性式兩種,但在機(jī)電變換方面,由于變換方法和性質(zhì)不同,其種類繁多,應(yīng)用范圍也極其廣泛,此處做簡(jiǎn)單了解掌握即可。1.定義能感受機(jī)械運(yùn)動(dòng)振動(dòng)參量(機(jī)械振動(dòng)速度、頻率、加速度等)并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。2.2振動(dòng)傳感器——常見使用場(chǎng)景3.常見使用場(chǎng)景振動(dòng)傳感器多用于機(jī)械中的振動(dòng)和位移的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),生產(chǎn)線的在線自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制,科學(xué)研究中的多種微小距離和微小運(yùn)動(dòng)的測(cè)量等。振動(dòng)傳感器可廣泛應(yīng)用于能源、化工、醫(yī)學(xué)、汽車、冶金、機(jī)器制造、軍工及科研教學(xué)等諸多領(lǐng)域。我們以振動(dòng)傳感器在泵房機(jī)組設(shè)備中的應(yīng)用為例,對(duì)振動(dòng)傳感器進(jìn)行說明講解。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,機(jī)械工業(yè)化程度飛速提高,現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械設(shè)備正逐步走向復(fù)雜化、高速化、自動(dòng)化。為了掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),避免發(fā)生事故,對(duì)生產(chǎn)中的關(guān)鍵機(jī)組實(shí)行在線監(jiān)測(cè)和故障診斷,越來越引起人們的重視。振動(dòng)傳感器承擔(dān)了這一重要任務(wù),保證了設(shè)備的正常運(yùn)行。圖
泵房實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)2.3振動(dòng)傳感器——故障判斷應(yīng)用振動(dòng)傳感器主要安裝在各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置的軸承蓋上(例如,汽輪機(jī)、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)和泵),泵房機(jī)組設(shè)備中的振動(dòng)傳感器一般安裝在機(jī)組外壁上。當(dāng)泵房或機(jī)組發(fā)生振動(dòng)時(shí),應(yīng)針具體情況,用振動(dòng)傳感器測(cè)量并逐一分析可能造成的振動(dòng)原因,找出問題的癥結(jié)后,再采取有效技術(shù)措施加以消除。工業(yè)振動(dòng)分析技術(shù)是確定、預(yù)測(cè)和預(yù)防旋轉(zhuǎn)型設(shè)備故障的一種檢測(cè)手段。實(shí)施設(shè)備振動(dòng)分析將會(huì)提高設(shè)備的可靠性和工作效率,減少停機(jī)時(shí)間,消除機(jī)電故障。振動(dòng)分析技術(shù)是全球通用的用于確定設(shè)備故障的工具,使用該技術(shù)后,可制訂設(shè)備維修計(jì)劃,使設(shè)備盡可能長(zhǎng)時(shí)間正常工作。圖
設(shè)備旋轉(zhuǎn)機(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的旋轉(zhuǎn)組件都有各自特定的振動(dòng)頻率,而其振動(dòng)幅度則代表該設(shè)備的工作情況或工作質(zhì)量。振幅的擴(kuò)大直接表示旋轉(zhuǎn)組件(例如,軸承或齒輪)發(fā)生了故障。對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械來說,目前主要的分析信號(hào)來自振動(dòng)信號(hào)。對(duì)于泵來說,泵發(fā)生重要故障的特征是機(jī)器伴有異常的振動(dòng)和噪聲。振動(dòng)信號(hào)能夠?qū)崟r(shí)反映水泵故障信息,應(yīng)用振動(dòng)傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泵的運(yùn)行狀態(tài),以便第一時(shí)間檢測(cè)到故障信息,通知檢修人員采取措施,保證泵正常工作,提高工作效率,同時(shí)消除安全隱患。設(shè)備旋轉(zhuǎn)機(jī)械如右圖所示。2.4本任務(wù)中所使用的振動(dòng)傳感器可以通過觸摸屏控制電機(jī)啟動(dòng)、停止,進(jìn)而使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)源,以供振動(dòng)傳感器采集數(shù)據(jù)。觸摸屏控制界面如上圖所示,根據(jù)界面提示控制電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、停止。圖
觸控可編程控制器運(yùn)行狀態(tài)概念學(xué)習(xí)該款傳感器可安裝在機(jī)器的軸承座或機(jī)殼上,對(duì)同時(shí)兩線制輸出DC4~20mA的電流信號(hào),可直接供給控制室里的PLC或集散控系統(tǒng)(DCS)監(jiān)視器、采集器、記錄儀或其他監(jiān)控設(shè)備。振動(dòng)傳感器在實(shí)訓(xùn)模組中的位置如下圖所示。本任務(wù)采用的是HJ-9002系列一體化振動(dòng)變送器(以下簡(jiǎn)稱振動(dòng)傳感器),對(duì)電機(jī)的絕對(duì)振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量、機(jī)器
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