基于工业物联网的预防性维护系统设计

孔繁斌

（一汽解放汽车有限公司，吉林 长春 130000）

预防性维护（Preventive Maintenance）是使设备保持正常的功能状态，在故障发生之前所进行的各种类型维护保养活动的统称。本质是通过对设备的日常点检、巡查，发现故障发生的预兆或防止故障的发生，从而达到预防故障的目的。预防性维护作为防止设备故障发生的有效措施之一，在现代制造企业的设备管理维护中得到了普遍应用。

随着无线通信技术和总线技术的不断发展，工业领域迫切需要将机器、原材料、控制系统、信息系统、产品以及人之间互联，这是工业物联网（简称IIoT）产生的基础。企业利用IIoT采集实时数据，通过分析这些数据，更快地发现异常和问题，在设备出现故障之前，对设备进行维护，避免突然停机，在一定程度上节约时间和金钱，这是实现预防性维护的一种重要途径。

1 系统总体设计

预防性维护的成功与否，关键在于对设备关键参数和状态数据掌握的是否及时，为此设计了一种基于工业物联网的数据无线采集装置，实现设备传感器数据的实时采集与传输。该系统采用模块化设计，以ESP8266芯片为核心，包括用于采集传感器信号的模拟量模块、实现ESP8266芯片ModBus通信的TTL转RS485模块、用来显示数据的OLED显示模块和为所有模块供电的降压模块等。一方面，该传感器数据远程采集装置通过模拟量采集模块将传感器数据转换为ModBus协议格式，ESP8266芯片通过TTL转RS485模块与模拟量采集模块的串口进行通信，ESP8266芯片有特定程序不断向串口发送十六位问询帧，读取串口返回报文中寄存器的数据。另一方面，ESP8266芯片通过I2C总线通讯将数据传输到OLED显示模块，对传感器数据进行实时显示。ESP8266芯片连接无线网络通过HTTP协议将传感器数据以JASON数据格式传递至云服务器，用户在手机或浏览器上通过调用数据库中的数据流来实现远程监，系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

2 硬件设计

系统硬件主要由四大部分构成，分别为数据采集模块、信号转换模块、降压模块和数据传输模块。

2.1 数据采集模块

系统的数据采集模块为常见的工业用传感器，该类传感器采集到的数据为模拟量，需要在工业现场对其读取和显示。由于现场电磁场会影响模拟量信号的传递，为了保证信号稳定，工业中常将其转化为标准电流信号，并通过模拟量采集模块将传感器信号以ModBus协议输出，成功规避了单片机读取模拟量信号的局限性和不稳定的问题。

2.2 信号转换模块

系统的信号转换模块采用RS485电路，该模块实现了串口信号与RS485信号的互转。RS485通信为半双工通信，可以实现双向通信，但不能在两个方向上同时进行，只能交替地进行通信，换句话说，通道的每侧都可以是发送端，也可以是接收端，但在同一时刻，信息只能朝一个方向传输。

转换电路模块的主要作用是保证数据传输的安全性和稳定性，因此，本模块考虑了485总线的防雷设计和抗干扰设计，使用了隔离型芯片，实现了电源与信号的隔离，具有隔离及总线保护功能、极高的EMC（电磁兼容）和EMI（电磁抗干扰）性能。

2.3 降压模块

为了方便现场取电，该系统的降压模块采用交流220V供电。如图2所示，通过降压电路将交流220V交流电转换为直流24V、直流5V和直流3.3V。直流24V为采集模块及传感器供电，直流5V为TTL转RS485模块供电，AMS1117-3.3V降压芯片的OUT引脚与ESP8266芯片和OLED显示模块连接，为两模块供电。与AMS1117-3.3V降压芯片连接的电容C1为输入电容，其作用是防止断电后电路出现电压倒置，C2为输出滤波电容，其作用是抑制电路自激振荡和稳定输出电压。

发光二极管通过电阻R3连接到AMS1117-3.3V降压芯片用作电源指示灯，电阻R3起到分压的作用，由于二极管的工作电压较低，串联一个分压电阻能提高发光二极管的使用寿命。降压电路如图2所示。

2.4 数据传输模块

系统的数据无线传输部分使用ESP8266芯片，ESP8266作为WIFI芯片，广泛应用于各种物联网场景，该系统用的是ESP8266-01s系列。如图3所示，由于ESP8266-01s可用引脚较少，在程序中将ESP8266芯片的IO0和IO2引脚设置为软串口RXD和TXD，并分别与TTL转RS485模块的TXD和RXD引脚连接进行串口通信。

复位电路在微控制器电路设计中具有重要作用，复位电路可以使微控制器在上电的瞬间，从初始状态开始工作。如果微控制器在上电后不经复位就开始工作，可能会造成微控制器因程序报错而不能正常工作，因此，在设计微控制器电路时，需要设计复位电路。该系统将ESP8266芯片的RST引脚与复位按键1号引脚连接，该复位按键先并联电容C3后串联电阻R2，电阻端接+3.3V电源，电容端接地组成复位电路。当按下复位键时电容放电，RST端由高电平变为低电平，实现对芯片的复位。

该系统采用了0.96寸的OLED显示屏来进行传感器数据的显示，将ESP8266芯片的硬串口RXD和TXD分别与OLED显示模块的SDA和SCL引脚连接，通电后ESP8266芯片与OLED显示模块通过I2C通信，实时传递传感器信息，数据传输电路如图3所示。

3 软件设计

3.1 主程序设计

系统程序采用Arduino IDE软件编写，Arduino使用C/C++编写程序，在系统上电后，将Wi-Fi模式设置为AP（access point）+STA（station）模式，同时初始化串口、WIFI及OLED显示屏。尝试连入设置好的Wi-Fi，连接成功后，在串口打印IP地址，随后进入主程序，向串口发送8位16进制问询帧，在ModBus协议中，通过发送不同功能码问询帧可以实现读/写等功能，通过程序读取串口数据，并返回传感器的数值，通过内部程序将传感器数值处理后在OLED液晶屏上实时显示。

图3 数据传输电路

系统采用HTTP协议进行无线传输，向服务器请求传输数据服务时，只需传送数据请求命令和路径，常用的数据请求命令有HEAD、GET和POST。由于该系统只传输数据，软件设计只向服务器发送POST命令。本系统采用JASON数据格式将接口密钥、服务器地址、数据长度和数据值传输至云服务器，延时后循环执行主程序。

3.2 应用程序设计

本设计在服务器端调用数据库中的数据流信息，通过图表或仪表盘等形式对传感器数据进行展示，在手机端也能进行查看，使维修人员能随时随地掌握设备状态。此外，在服务器中可以设置报警信息，当某参数超过或低于设定值时，向维修人员发送报警信息，通知进行现场检查。

4 结语

目前，工业物联网多采用有线的方式解决数据的采集和传输，但由于工作环境和工作内容的制约，有线方式不再适用，例如，一些特殊环境不适合采用有线的方式传输，而且遇到数据采集点较远的情况，采用有线的方式进行数据传输成本很高。由此可见，基于工业物联网的预防性维护系统在工业生产中具有重要的应用价值。

基于工业物联网的数据无线采集系统的推广应用，在企业预防性维护方面发挥了重要的作用，使得设备故障停机前，维修人员能及时发现异常情况，提前进行维修或保养，减少了突发故障的情况，进而降低了设备故障停机时间，提高了MTBF(平均故障间隔时间)和设备的可动率及完好率。同时，该系统的推广应用减少了设备点检的人力浪费，加强了设备状态的监视，推动设备管理向智能化、科学化和数字化发展。