AGV 小車電池診斷系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

王冠華，蔡榮忠，唐敬方，徐彩珠

紅云紅河煙草（集團）有限責任公司會澤卷煙廠，云南省曲靖市會澤縣金鐘鎮(zhèn)東郊 654200

AGV 小車是卷煙企業(yè)生產(chǎn)中使用的主要物流搬運設備，其核心驅(qū)動部件鎘鎳蓄電池組［1-2］的使用壽命及維護效果對于小車運行效率起到重要作用。蓄電池組通常采用跨接板將40只單體電池串聯(lián)后并列兩排置于組合框內(nèi)，由于缺少動力檢測裝置，蓄電池組的維護保養(yǎng)工作耗時費力，影響設備工作效率。針對此，舒澤芳等［3］提出一種基于LIN（Local Interconnect Network，局域互聯(lián)網(wǎng)絡）總線的多個蓄電池單體電壓電流檢測系統(tǒng)，用于對蓄電池單體狀態(tài)進行檢測；丁聰?shù)龋?］采用蓄電池電壓巡檢技術(shù)對其性能及運行狀態(tài)進行判斷；鮑慧［5］利用傳感和光電耦合技術(shù)采集蓄電池電壓電流等數(shù)據(jù)，對蓄電池組的運行情況進行監(jiān)測。近年來，隨著A/D 轉(zhuǎn)換［6］、ModBus［7-8］車輛定位、ZigBee（紫蜂）無線物聯(lián)網(wǎng)絡傳輸［9-12］和計算機Visual Studio 編程［13］等技術(shù)的廣泛應用，通過無線網(wǎng)絡實現(xiàn)蓄電池在線監(jiān)控與遠程診斷成為研究熱點。為此，基于計算機和無線網(wǎng)絡技術(shù)設計了一種AGV 小車電池診斷系統(tǒng)，以期實現(xiàn)AGV小車動力裝置的在線監(jiān)控與遠程診斷，提高設備運行效率。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

AGV 小車電池診斷系統(tǒng)由下至上分為采集層、網(wǎng)絡傳輸層和應用層，信息采用雙向傳輸方式，上層發(fā)出指令，下層返回數(shù)據(jù)。由圖1可見：①采集層用于提取蓄電池組每一個單元格的實時電壓值。在AGV 小車上加裝A/D 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，將各電池單元格的模擬電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字格式；然后對查詢的AGV小車進行車輛地址追蹤與鎖定，根據(jù)ModBus協(xié)議生成地址內(nèi)容不同、長度相同的呼叫指令并傳輸發(fā)送。②網(wǎng)絡傳輸層主要采用ZigBee無線網(wǎng)絡協(xié)議傳輸管理指令以及反饋數(shù)據(jù)。ZigBee無線網(wǎng)絡依據(jù)網(wǎng)絡號和地址尋址方式進行主從站點編址，即在計算機所在的監(jiān)控室設置一個主站點，在下層各中間站點和AGV小車車體分別設置從站點，各從站點的網(wǎng)絡地址不同，與主站點共同組成聯(lián)網(wǎng)部署。③應用層采用令牌調(diào)度算法［14］進行模塊化編程，包括單機監(jiān)控和令牌循環(huán)分時輪流監(jiān)控。當AGV 小車收到ModBus指令信息且驗證結(jié)果與呼叫地址相同時，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并通過ZigBee無線網(wǎng)絡上傳至計算機的監(jiān)控軟件，監(jiān)控軟件處于被觸發(fā)監(jiān)聽狀態(tài)，當收到監(jiān)控數(shù)據(jù)時立即轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)運算處理并在數(shù)據(jù)異常時提示報警。

圖1 AGV小車電池診斷系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture of diagnosis system for batteries in AGV

1.2 診斷系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件由計算機（PC）、無線物聯(lián)網(wǎng)絡以及車載數(shù)據(jù)采集裝置組成，其核心技術(shù)包括車載數(shù)據(jù)采集、車輛定位以及物聯(lián)網(wǎng)絡的搭建。由圖2可見：①計算機安裝有監(jiān)控軟件，發(fā)出的監(jiān)控指令（如地址等）為RS232 網(wǎng)絡接口信號，經(jīng)串口轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成RS485 信號后傳送至ZigBee 無線網(wǎng)絡主站點。②無線路由網(wǎng)絡模塊將主站點接收的RS485 信號，經(jīng)中間從站點傳輸至各AGV 小車的從站點，即將指令傳遞給AGV 小車。③車載數(shù)據(jù)采集裝置接收到指令后開始采集蓄電池組各單元格的A/D 電壓值，并通過RS485 網(wǎng)絡輸出接口發(fā)送至小車從站點，經(jīng)該站點及后續(xù)中間從站點自動計算后，選擇最近線路傳送至計算機監(jiān)控軟件進行換算處理并同步顯示結(jié)果。

圖2 AGV小車電池診斷系統(tǒng)硬件設備連接示意圖Fig.2 Schematic diagram of hardware connection of diagnosis system for battery in AGV

1.2.1 車載數(shù)據(jù)采集裝置

由于單體電池的實時電壓信號為模擬信號，需要采用A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后再進行數(shù)據(jù)采集。由圖3a 可見，數(shù)據(jù)采集裝置主要由A/D 轉(zhuǎn)換器（ADC0809 芯片，美國國家半導體公司）和微處理器（80C51 單片機，美國英特爾公司）組成。芯片的8路模擬量輸入端（IN0～IN7）連接8個單體電池的節(jié)點，8位數(shù)字量輸出端（D0～D7）連接單片機的P2口（P2.0～P2.7）。各單體電池電壓信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后存入寄存器，等待ModBus 指令回傳。蓄電池組由40 只單體電池組成，因此采用5組芯片和單片機進行電路組合并封裝為一體。由圖3b可見，根據(jù)單體電池的排列方式確定采集線路的接線方式，工作電源為直流電（電壓24 V），從AGV小車電源模塊引入。40只單體電池正負極首尾串聯(lián)，每兩個單體電池組成一個單元格以簡化采集線路。單元格1的負極作為電池組的整體負極，線路1～20連接電池組相應單元格的正極。物聯(lián)網(wǎng)絡接口與AGV小車從站點連接，并與中間從站點、監(jiān)控主站點共同聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)指令和數(shù)據(jù)的快速傳輸。

圖3 車載數(shù)據(jù)采集裝置線路圖Fig.3 Circuit diagram of mobile data acquisition device

1.2.2 車輛定位技術(shù)

為了同時對多臺AGV小車電池進行實時監(jiān)控，計算機監(jiān)控軟件需根據(jù)協(xié)議對AGV 小車建立車輛識別代碼，進而實現(xiàn)車輛的準確定位與響應。①將每臺AGV 小車排序編號（即AGV 小車呼叫的地址編碼），通過ModBus協(xié)議實時傳輸采集數(shù)據(jù)，按地址尋址方式進行被訪問與應答，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。②計算機發(fā)送指令，由每臺AGV 小車接收并解碼，符合編號要求的AGV小車采集數(shù)據(jù)并回傳，其他小車保持靜默，不采集數(shù)據(jù)也不響應回答，實現(xiàn)AGV 小車的準確定位。③每臺AGV小車的電池電壓完成A/D轉(zhuǎn)換后，依據(jù)ModBus協(xié)議按地址編號以報文格式發(fā)送定位數(shù)據(jù)指令，并訪問AGV小車的設備地址以及各單元格數(shù)據(jù)區(qū)寄存器地址，從而精確定位AGV小車。

1.2.3 物聯(lián)網(wǎng)絡的搭建

AGV 小車在送料過程中一直保持運動狀態(tài)，因此對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求較高，而采用固定線路網(wǎng)絡無法滿足傳輸要求，故選擇ZigBee 無線網(wǎng)絡搭建物聯(lián)網(wǎng)。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場確定路由站點的安裝位置及數(shù)量，遵循ZigBee技術(shù)原理選用ZigBee專用模塊分區(qū)域布置，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的橋接通信。本設計中ZigBee工作頻段為2.4 GHz，最高傳輸速率為250 kb/s，傳輸距離10～75 m，具有傳輸過程透明、功耗低、延時短、網(wǎng)絡容量大等特點，保證了管理指令和反饋數(shù)據(jù)的傳輸、溝通與交換且安全可靠。ZigBee無線網(wǎng)絡由一個主站點以及N個從站點構(gòu)成，同一網(wǎng)絡內(nèi)所有站點均具有相同頻段及網(wǎng)絡ID（PAN ID）。主站點發(fā)出的數(shù)據(jù)可全部透明傳輸至所有從站點，但從站點發(fā)出的數(shù)據(jù)只能透明傳輸至主站點。中間從站點的路由模塊數(shù)量可根據(jù)需要自行設置，若A、B 模塊之間因距離較遠而無法通信，可在A、B 之間增加一個模塊C，由C充當A、B之間的中間站點，即可實現(xiàn)A、C 和B、C 之間通信。模塊C 不需特別設置，只需加入網(wǎng)絡即可。

1.3 診斷系統(tǒng)軟件設計

根據(jù)AGV小車電池監(jiān)控要求，采用令牌調(diào)度算法進行模塊化編程，實現(xiàn)單機監(jiān)控與令牌循環(huán)分時輪流監(jiān)控功能。采用Visual Studio軟件（美國微軟公司）開發(fā)電池診斷系統(tǒng)，以5 臺AGV 小車為例，診斷系統(tǒng)流程見圖4。

圖4 診斷程序流程圖Fig.4 Flow chart of diagnostic program

1.3.1 系統(tǒng)初始化

①定義系統(tǒng)應用的變量、下拉列表框、功能按鈕；②定義計算機通信端口號、車輛地址指令長度、AGV小車返回單元格數(shù)據(jù)報文長度；③設置車輛的初始調(diào)度模式，調(diào)度算法按照1、2、3、4、5、1間隔進行循環(huán)，周而復始，預置采集AGV小車編號為1。

1.3.2 小車呼叫與數(shù)據(jù)采集

采用時鐘定時器驅(qū)動數(shù)據(jù)采集，間隔時間為10 s，根據(jù)選擇的調(diào)度模式確定發(fā)出的采集指令。①間隔循環(huán)調(diào)度算法。若選擇輪詢?nèi)緼GV小車，首先確定默認為1 號的AGV 小車，定時器從0 開始計時，按1 s遞加，當定時器計時10 s時，計算機發(fā)出包含數(shù)字1的十六進制字節(jié)采集指令，并將指令通過無線物聯(lián)網(wǎng)絡路由器在30 ms 內(nèi)傳達至所有AGV 小車。只有車輛編號為1 的AGV 小車驗證相符，才能進行數(shù)據(jù)采集（其他AGV 小車均保持靜默狀態(tài)）并在100 ms 內(nèi)將數(shù)據(jù)返回至計算機，由計算機完成處理并顯示結(jié)果。然后定時器再次從0開始計時，當計時10 s 時，車輛編號加1 轉(zhuǎn)變?yōu)?，計算機發(fā)出包含數(shù)字2 的采集指令，指示2 號AGV 小車采集數(shù)據(jù)。依次循環(huán)往復，計算機按照3、4、5、1 的機制采集數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)令牌循環(huán)分時輪流監(jiān)控功能。②指定調(diào)度算法。若選擇指定單臺AGV小車，當定時器計時10 s 時，計算機反復發(fā)出該AGV 小車的采集指令，從而實現(xiàn)單機監(jiān)控功能。

1.3.3 數(shù)據(jù)接收與信號處理

AGV 小車采集的數(shù)據(jù)為固定長度格式的十六進制字節(jié)，由計算機接收并存儲至內(nèi)存空間。如表1所示，內(nèi)存空間中的固定長度數(shù)據(jù)依次按單元格序號由十六進制轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)據(jù)后進行提取，并存儲至一維數(shù)組A（a1，a2，…，a19，a20），將一維數(shù)組A 的數(shù)據(jù)由低到高排序后存儲至另一個元素大小相同的一維數(shù)組B（b1，b2，…，b19，b20），計算一維數(shù)組B中間6個數(shù)據(jù)的平均值（b），判斷各單元格電池是否發(fā)生故障的判定值Kx的計算公式為：

表1 電池故障判斷數(shù)據(jù)分析Tab.1 Data analysis for battery fault judgement

已知單只電池電壓約為1.3 V，若故障判定值Kx在0.2～1.0 V 范圍內(nèi)，表明此單元格不符合正常值，需檢查電壓并發(fā)出黃色報警信號；若故障判定值Kx≥1.0 V，表明此單元格存在嚴重問題，需檢查電池極板并發(fā)出紅色報警信號。任一個單元格發(fā)出報警即可判斷此單元格電池電壓不合格；若所有單元格均無黃色或紅色報警，且所有單元格累計總電壓（a1+a2+…+a19+a20）在40～70 V之間，可判斷電池組總電壓正常，否則判斷為不正常。

1.3.4 監(jiān)控界面與顯示

采集的單元格電池電壓為十進制數(shù)據(jù)格式，顯示在監(jiān)控界面對應的單元格文本框內(nèi)，見圖5。文本框初始化背景顏色為灰色（即單元格電池電壓處于正常狀態(tài)的顏色），報警時對應單元格文本框的背景顏色變?yōu)辄S色或紅色，同時報警框警示提醒。根據(jù)后臺的程序算法，監(jiān)控界面可動態(tài)顯示當前呼叫的小車編號、診斷時間等信息。

圖5 監(jiān)控界面示意圖Fig.5 Schematic diagram of monitoring interface

2 應用效果

2.1 實驗設計

設備：ALS104 型AGV 小車5 臺（昆明船舶設備集團有限公司）。

方法：5 臺AGV 小車應用于紅云紅河煙草（集團）有限責任公司會澤卷煙廠輔料高架庫，將車載數(shù)據(jù)采集裝置安裝在AGV小車電池門板處，并與蓄電池組之間的采集線路對接，同時進行分布式組網(wǎng)；在輔料中控室（作為監(jiān)控室）、配盤入庫區(qū)、輔料出庫區(qū)以及AGV小車車體上均安裝路由站點，確保數(shù)據(jù)采集裝置與編址從站點對接，各編址從站點之間以及其與主站點之間進行透明式互聯(lián)互通；將計算機安裝在輔料中控室，對AGV小車電池進行在線監(jiān)控與遠程診斷。系統(tǒng)安裝調(diào)試完畢后投入使用，于2019—2021 年分別對AGV 小車電池診斷系統(tǒng)進行跟蹤記錄，驗證其能否準確反映電池動力情況。

2.2 數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)采集準確，無線物聯(lián)網(wǎng)絡穩(wěn)定可靠，既可自動輪詢?nèi)緼GV 小車，也可指定呼叫單臺AGV小車，通過監(jiān)控界面可以準確地顯示5 臺AGV 小車各單元格的電池電壓，并在電池發(fā)生故障時及時報警和快速定位故障單元格。由表2 可見，2019—2021 年間電池診斷系統(tǒng)共發(fā)出故障報警15次，經(jīng)核實無誤報和漏報，并可準確定位到故障單體電池，系統(tǒng)故障診斷率和定位精準率均達到100%。

表2 AGV小車電池故障診斷情況統(tǒng)計表Tab.2 Statistics table of battery fault diagnosis for AGV

3 結(jié)論

采用A/D 轉(zhuǎn)換、ModBus 車輛定位、ZigBee 無線物聯(lián)網(wǎng)絡傳輸?shù)燃夹g(shù)設計了一種AGV 小車電池診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)了對小車蓄電池組的在線監(jiān)控與遠程診斷，提高了對動力裝置故障判斷的精準度。以紅云紅河煙草（集團）有限責任公司會澤卷煙廠輔料高架庫的5臺AGV小車為對象進行測試，結(jié)果表明：電池診斷系統(tǒng)可以在線監(jiān)控電池性能及運行狀態(tài)，準確定位電池故障單元，故障診斷率和定位精準率均達到100%，有效提升了AGV 小車動力裝置的維護效率。