物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在伺服驅(qū)動(dòng)器監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

朱震曙，饒 彬，韓國(guó)慶，劉國(guó)輝，李鴻向

（江蘇金陵智造研究院有限公司，江蘇 南京 210022）

0 引言

自主導(dǎo)航車（Automated Guided Vehicle，AGV）是指能夠按照規(guī)劃的路徑移動(dòng)，具備負(fù)載、搬運(yùn)等功能的地面智能機(jī)器人。AGV有著智能化程度高、任務(wù)處理量大、作業(yè)可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。在智慧工廠中，AGV可與各類產(chǎn)品流水線、零部件裝配線、運(yùn)輸線、全自動(dòng)操作終端有機(jī)地結(jié)合在一起，有效地縮短物料運(yùn)輸與管理周期，提高產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品的合格率。

伺服電機(jī)是AGV的重要?jiǎng)恿υ矗彩撬欧刂祁I(lǐng)域不可或缺的一環(huán)[1]。AGV在廠區(qū)行駛過(guò)程中，受到復(fù)雜路面狀態(tài)的影響，伺服電機(jī)的連接器接口處會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)，同時(shí)電機(jī)在某些場(chǎng)景下因異常過(guò)載造成繞組溫度超限。長(zhǎng)此以往，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)線圈老化，控制精度下降，影響AGV的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，對(duì)AGV中的伺服電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并對(duì)產(chǎn)生的故障及時(shí)處理具有重要意義[2-4]。

1 伺服電機(jī)監(jiān)測(cè)技術(shù)介紹

傳統(tǒng)的電機(jī)監(jiān)測(cè)指利用傳感器測(cè)量電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的轉(zhuǎn)速、電壓、電流、溫度等模擬量來(lái)判斷電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。采集的模擬量通常通過(guò)上位機(jī)或者交互面板展示，能否準(zhǔn)確判斷電機(jī)的異常工作狀態(tài)依賴于技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)以及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性[5]。但是，這種監(jiān)測(cè)技術(shù)只能采集單臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，在電機(jī)數(shù)量較多的場(chǎng)合，依靠人工記錄無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。隨著總線技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)總線協(xié)議將單個(gè)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)匯集到終端中心，使用數(shù)據(jù)挖掘的方法進(jìn)行故障檢測(cè)。但總線線纜的鋪設(shè)交錯(cuò)復(fù)雜，對(duì)于AGV等移動(dòng)設(shè)備，總線技術(shù)存在局限性。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，用GPRS、3G、4G模塊代替總線將伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行無(wú)線組網(wǎng)，能夠有效克服總線線纜的不可移動(dòng)缺陷。但由于無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)的公開(kāi)性，電機(jī)的私有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在保密性問(wèn)題，容易被黑客竊取并影響正常的生產(chǎn)流程。同時(shí)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)在封閉空間與廠房中存在信號(hào)覆蓋問(wèn)題。

鑒于此，將可接入終端數(shù)量多、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、保密性好的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于伺服電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域能夠有效提高AGV運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，同時(shí)提高企業(yè)生產(chǎn)管理的智能化水平，為構(gòu)建無(wú)人工廠奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)介紹

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)開(kāi)始逐漸改變?nèi)藗內(nèi)粘５纳罘绞剑苿?dòng)支付改變了出行需要錢包的習(xí)慣，共享模式提高了資源利用率，遠(yuǎn)程醫(yī)療讓不同城市的人們享受同樣的醫(yī)療服務(wù)等。通過(guò)將各種現(xiàn)實(shí)世界的信息數(shù)字化，人們的生活變得越來(lái)越便捷。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展水平及應(yīng)用范圍已成為當(dāng)今國(guó)家科技水平的主要標(biāo)志之一，萬(wàn)物互聯(lián)將是未來(lái)社會(huì)的必然趨勢(shì)。

2019年9月，江蘇無(wú)錫舉行了以“融合創(chuàng)新，萬(wàn)物智聯(lián)”為主題的世界物聯(lián)網(wǎng)博覽會(huì)[6]，會(huì)中指出未來(lái)幾年我國(guó)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展將以國(guó)家層面為主導(dǎo)。目前我國(guó)的企業(yè)在無(wú)人工廠、智能家居、移動(dòng)支付等多個(gè)領(lǐng)域都獲得了巨大發(fā)展。未來(lái)我國(guó)的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)需要擁有更多自主核心技術(shù)與專利，產(chǎn)業(yè)鏈需開(kāi)放共享。國(guó)家政策的主導(dǎo)，給我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)、企業(yè)以及從業(yè)者帶來(lái)了更多的機(jī)遇。

隨著物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的種類和數(shù)量不斷增加，對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俾省⒎€(wěn)定性和安全性提出了更高的要求，這就需要有線網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)互聯(lián)、近距離無(wú)線通信等多種通信技術(shù)的發(fā)展。無(wú)線傳輸技術(shù)具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、支持終端數(shù)量多等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通信的主要傳輸手段。現(xiàn)階段針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，具有不同的無(wú)線傳輸方案，針對(duì)遠(yuǎn)距離的4G、5G技術(shù)，針對(duì)小范圍傳輸?shù)腤i-Fi、藍(lán)牙、ZigBee等，針對(duì)低功耗需求的LoRa、NB-IoT等。隨著不同類型終端對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量和傳輸速率的需求不斷增加，各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)間也需要實(shí)現(xiàn)兼容與共存。

基本的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)從體系結(jié)構(gòu)由下往上可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[7]。

（1）感知層。感知層負(fù)責(zé)將現(xiàn)實(shí)世界的物理量數(shù)字化。感知層采集的信息包括視頻采集卡、紅外感應(yīng)器、加速度計(jì)等設(shè)備的模擬信號(hào)，也包括直接從NFC標(biāo)簽、二維碼條形碼識(shí)別器等數(shù)字設(shè)備中采集到的數(shù)字信號(hào)，模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)通過(guò)專用芯片以數(shù)據(jù)的形式記錄。最終所有的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊集中傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)層中的對(duì)應(yīng)網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)絡(luò)層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理。

（2）網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)完成接收感知層收集的數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效存儲(chǔ)與深度處理。網(wǎng)絡(luò)層中傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)類型包括有線網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、各類專用網(wǎng)絡(luò)等。網(wǎng)絡(luò)層中的業(yè)務(wù)處理模塊為應(yīng)用層提供算法處理過(guò)的數(shù)據(jù)組合，提供的數(shù)據(jù)組合包括數(shù)據(jù)分類、趨勢(shì)預(yù)測(cè)、數(shù)據(jù)排序等。

（3）應(yīng)用層。應(yīng)用層是將數(shù)據(jù)組合以可視化的形式呈現(xiàn)給用戶，并接收用戶的輸入信息。它將網(wǎng)絡(luò)層提供的數(shù)據(jù)服務(wù)針對(duì)不同行業(yè)的數(shù)據(jù)模型和不同用戶需要的業(yè)務(wù)類型提供相應(yīng)的信息服務(wù)平臺(tái)，如電機(jī)監(jiān)控平臺(tái)、停車調(diào)度平臺(tái)、電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)平臺(tái)等。

3 平臺(tái)應(yīng)用前景

將AGV中伺服電機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與高速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，使原本獨(dú)立運(yùn)行的單個(gè)伺服電機(jī)成為數(shù)據(jù)信息化的可聯(lián)網(wǎng)終端，將多電機(jī)數(shù)據(jù)和AGV狀態(tài)集中管理[8]。多個(gè)電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)匯聚到中心網(wǎng)關(guān)，并通過(guò)專用網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街付ǖ臄?shù)據(jù)處理中心，運(yùn)行數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)人工智能、數(shù)據(jù)挖掘與專家系統(tǒng)等技術(shù)處理之后，轉(zhuǎn)化為狀態(tài)與故障處理信息，最終以可視化的方式直觀展現(xiàn)給監(jiān)測(cè)人員。當(dāng)系統(tǒng)判定電機(jī)出現(xiàn)故障或者AGV行駛狀態(tài)異常時(shí)，迅速為監(jiān)測(cè)人員提供警示信息，使其及時(shí)處理故障態(tài)以避免更大的生產(chǎn)事故。此外，通過(guò)深度學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)電機(jī)及AGV運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)與電機(jī)關(guān)鍵部件狀態(tài)的相互關(guān)系進(jìn)行匹配，從而提前預(yù)測(cè)電機(jī)運(yùn)行故障，使伺服電機(jī)長(zhǎng)期保持較高的性能，進(jìn)而為企業(yè)節(jié)省大量的故障處理費(fèi)用，為以AGV為主的產(chǎn)品線提供了穩(wěn)定的保障。

AGV伺服電機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)伺服電機(jī)在不同場(chǎng)景中運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的需求進(jìn)行分析并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)理論。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采集層由伺服電機(jī)、智能驅(qū)動(dòng)器和不同模擬量傳感器組成。不同傳感器之間以電氣特性相同的硬件接口和規(guī)定的通信協(xié)議進(jìn)行通信，智能驅(qū)動(dòng)器采集的信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳，經(jīng)采集節(jié)點(diǎn)處理后發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)層的中心網(wǎng)關(guān)。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的用戶層主要為終端用戶提供監(jiān)測(cè)信息展示平臺(tái)，用戶同時(shí)可以按照不同的需求定制不同的功能，平臺(tái)具備電機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、電機(jī)損耗預(yù)測(cè)、故障報(bào)警、AGV信息管理、歷史數(shù)據(jù)查詢等基本功能。

基于以上分析，本文主要提出一種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集層的智能伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)方案。

4 智能伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

智能伺服驅(qū)動(dòng)器是AGV伺服電機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，為故障智能診斷和AGV穩(wěn)定運(yùn)行提供了數(shù)據(jù)支撐。智能驅(qū)動(dòng)器由驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊和無(wú)線通信模塊三部分組成。

4.1 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊是智能伺服驅(qū)動(dòng)器的核心模塊，主要功能為控制電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，保證AGV按照指定的速度在廠區(qū)移動(dòng)。為了保證伺服電機(jī)控制的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，驅(qū)動(dòng)模塊的核心采用28335系列電機(jī)控制專用DSP。驅(qū)動(dòng)模塊硬件主要包括控制單元、電源管理單元、CAN、RS-485通信單元、三相全橋逆變單元、電機(jī)控制參數(shù)采集單元。

驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)RS-485接口實(shí)現(xiàn)與采集模塊、無(wú)線通信模塊的雙向通信。模塊的軟件部分包括DSP系統(tǒng)底層驅(qū)動(dòng)、伺服電機(jī)三環(huán)控制算法以及與其他模塊通信的應(yīng)用程序。

4.2 電機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊

采集模塊主要收集電機(jī)的狀態(tài)信息與AGV的運(yùn)行參數(shù)，包括電源供電電流與電壓、電機(jī)溫度、驅(qū)動(dòng)器溫度、AGV行駛速度與方向等。為了保證在采集模塊的實(shí)時(shí)穩(wěn)定工作的同時(shí)不影響電機(jī)控制，使用單獨(dú)的STM32系列低功耗芯片作為整個(gè)采集模塊的控制核心，控制各個(gè)高精度傳感器的采集時(shí)序，依次獲取供電電壓、電流、設(shè)備溫度、AGV速度、加速度、角速度等模擬量，隨后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、類型轉(zhuǎn)換等處理，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4.3 無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信傳輸技術(shù)按數(shù)據(jù)傳輸距離可分為短距離通信和廣域網(wǎng)通信技術(shù)兩類。一是短距離通信技術(shù)，主要包括廣泛使用的Wi-Fi、手機(jī)中常用的Bluetooth、低功耗的Zigbee等。其優(yōu)點(diǎn)是底層節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸無(wú)須額外的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中轉(zhuǎn)，設(shè)備具有通用的通信協(xié)議；缺點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍有限、傳輸速率受限于終端數(shù)量、傳輸數(shù)據(jù)安全性無(wú)法保證。二是廣域網(wǎng)通信技術(shù)，主要有NB-IoT、LoRa、SigFox等，其優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)覆蓋廣、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸安全性高、組網(wǎng)的終端數(shù)量大；缺點(diǎn)是不能應(yīng)用于終端高速移動(dòng)的場(chǎng)景。

LoRa技術(shù)具有抗干擾性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載容量大，同時(shí)LoRa的終端節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，這意味著用戶可以在較大的范圍內(nèi)使用簡(jiǎn)單的方式部署網(wǎng)絡(luò)。與其他技術(shù)相比，LoRa不依賴運(yùn)營(yíng)商的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，企業(yè)可以構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，自主把控網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，自主運(yùn)行，運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)掌握在自己手中，安全性高。廠區(qū)內(nèi)的AGV移動(dòng)速度較慢，能有效克服LoRa的缺點(diǎn)，適合分散式作業(yè)的場(chǎng)景。

無(wú)線通信模塊采用LoRa通信技術(shù)，能有夠效解決其他技術(shù)組網(wǎng)復(fù)雜、設(shè)備成本高等問(wèn)題，同時(shí)可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴？紤]芯片模塊的數(shù)據(jù)傳輸類型、兼容性與支持的協(xié)議，采用了搭載SX1262無(wú)線射頻芯片的LoRa模塊，將采集到的電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端數(shù)據(jù)中心，利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)與故障專家系統(tǒng)進(jìn)行電機(jī)工況和AGV運(yùn)行狀態(tài)分析。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文全面闡述了物聯(lián)網(wǎng)以及伺服電機(jī)監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)概念，并對(duì)其兩種技術(shù)進(jìn)行融合的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析，最后提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一種智能伺服驅(qū)動(dòng)器。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于伺服電機(jī)監(jiān)測(cè)中，能夠?qū)ξ覈?guó)電機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的智能化水平提升起到重要推動(dòng)作用，能夠不斷提升物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在傳統(tǒng)制造業(yè)中的適用性。■