AGV 小車(chē)電池診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王冠華，蔡榮忠，唐敬方，徐彩珠

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

AGV 小車(chē)是卷煙企業(yè)生產(chǎn)中使用的主要物流搬運(yùn)設(shè)備，其核心驅(qū)動(dòng)部件鎘鎳蓄電池組［1-2］的使用壽命及維護(hù)效果對(duì)于小車(chē)運(yùn)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(dòng)力檢測(cè)裝置，蓄電池組的維護(hù)保養(yǎng)工作耗時(shí)費(fèi)力，影響設(shè)備工作效率。針對(duì)此，舒澤芳等［3］提出一種基于LIN（Local Interconnect Network，局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)）總線的多個(gè)蓄電池單體電壓電流檢測(cè)系統(tǒng)，用于對(duì)蓄電池單體狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)；丁聰?shù)龋?］采用蓄電池電壓巡檢技術(shù)對(duì)其性能及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)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(duì)蓄電池組的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。近年來(lái)，隨著A/D 轉(zhuǎn)換［6］、ModBus［7-8］車(chē)輛定位、ZigBee（紫蜂）無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳輸［9-12］和計(jì)算機(jī)Visual Studio 編程［13］等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)蓄電池在線監(jiān)控與遠(yuǎn)程診斷成為研究熱點(diǎn)。為此，基于計(jì)算機(jī)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種AGV 小車(chē)電池診斷系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)AGV小車(chē)動(dòng)力裝置的在線監(jiān)控與遠(yuǎn)程診斷，提高設(shè)備運(yùn)行效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

AGV 小車(chē)電池診斷系統(tǒng)由下至上分為采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用層，信息采用雙向傳輸方式，上層發(fā)出指令，下層返回?cái)?shù)據(jù)。由圖1可見(jiàn)：①采集層用于提取蓄電池組每一個(gè)單元格的實(shí)時(shí)電壓值。在AGV 小車(chē)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(duì)查詢的AGV小車(chē)進(jìn)行車(chē)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(zhǎng)度相同的呼叫指令并傳輸發(fā)送。②網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸管理指令以及反饋數(shù)據(jù)。ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)依據(jù)網(wǎng)絡(luò)號(hào)和地址尋址方式進(jìn)行主從站點(diǎn)編址，即在計(jì)算機(jī)所在的監(jiān)控室設(shè)置一個(gè)主站點(diǎn)，在下層各中間站點(diǎn)和AGV小車(chē)車(chē)體分別設(shè)置從站點(diǎn)，各從站點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址不同，與主站點(diǎn)共同組成聯(lián)網(wǎng)部署。③應(yīng)用層采用令牌調(diào)度算法［14］進(jìn)行模塊化編程，包括單機(jī)監(jiān)控和令牌循環(huán)分時(shí)輪流監(jiān)控。當(dāng)AGV 小車(chē)收到ModBus指令信息且驗(yàn)證結(jié)果與呼叫地址相同時(shí)，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳至計(jì)算機(jī)的監(jiān)控軟件，監(jiān)控軟件處于被觸發(fā)監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，當(dāng)收到監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)時(shí)立即轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)運(yùn)算處理并在數(shù)據(jù)異常時(shí)提示報(bào)警。

圖1 AGV小車(chē)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由計(jì)算機(jī)（PC）、無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)以及車(chē)載數(shù)據(jù)采集裝置組成，其核心技術(shù)包括車(chē)載數(shù)據(jù)采集、車(chē)輛定位以及物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的搭建。由圖2可見(jiàn)：①計(jì)算機(jī)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(luò)接口信號(hào)，經(jīng)串口轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成RS485 信號(hào)后傳送至ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主站點(diǎn)。②無(wú)線路由網(wǎng)絡(luò)模塊將主站點(diǎn)接收的RS485 信號(hào)，經(jīng)中間從站點(diǎn)傳輸至各AGV 小車(chē)的從站點(diǎn)，即將指令傳遞給AGV 小車(chē)。③車(chē)載數(shù)據(jù)采集裝置接收到指令后開(kāi)始采集蓄電池組各單元格的A/D 電壓值，并通過(guò)RS485 網(wǎng)絡(luò)輸出接口發(fā)送至小車(chē)從站點(diǎn)，經(jīng)該站點(diǎn)及后續(xù)中間從站點(diǎn)自動(dòng)計(jì)算后，選擇最近線路傳送至計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件進(jìn)行換算處理并同步顯示結(jié)果。

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

1.2.1 車(chē)載數(shù)據(jù)采集裝置

由于單體電池的實(shí)時(shí)電壓信號(hào)為模擬信號(hào)，需要采用A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。由圖3a 可見(jiàn)，數(shù)據(jù)采集裝置主要由A/D 轉(zhuǎn)換器（ADC0809 芯片，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司）和微處理器（80C51 單片機(jī)，美國(guó)英特爾公司）組成。芯片的8路模擬量輸入端（IN0～I(xiàn)N7）連接8個(gè)單體電池的節(jié)點(diǎn)，8位數(shù)字量輸出端（D0～D7）連接單片機(jī)的P2口（P2.0～P2.7）。各單體電池電壓信號(hào)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(jī)進(jìn)行電路組合并封裝為一體。由圖3b可見(jiàn)，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(chē)電源模塊引入。40只單體電池正負(fù)極首尾串聯(lián)，每?jī)蓚€(gè)單體電池組成一個(gè)單元格以簡(jiǎn)化采集線路。單元格1的負(fù)極作為電池組的整體負(fù)極，線路1～20連接電池組相應(yīng)單元格的正極。物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)接口與AGV小車(chē)從站點(diǎn)連接，并與中間從站點(diǎn)、監(jiān)控主站點(diǎn)共同聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)指令和數(shù)據(jù)的快速傳輸。

圖3 車(chē)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(chē)輛定位技術(shù)

為了同時(shí)對(duì)多臺(tái)AGV小車(chē)電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件需根據(jù)協(xié)議對(duì)AGV 小車(chē)建立車(chē)輛識(shí)別代碼，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的準(zhǔn)確定位與響應(yīng)。①將每臺(tái)AGV 小車(chē)排序編號(hào)（即AGV 小車(chē)呼叫的地址編碼），通過(guò)ModBus協(xié)議實(shí)時(shí)傳輸采集數(shù)據(jù)，按地址尋址方式進(jìn)行被訪問(wèn)與應(yīng)答，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。②計(jì)算機(jī)發(fā)送指令，由每臺(tái)AGV 小車(chē)接收并解碼，符合編號(hào)要求的AGV小車(chē)采集數(shù)據(jù)并回傳，其他小車(chē)保持靜默，不采集數(shù)據(jù)也不響應(yīng)回答，實(shí)現(xiàn)AGV 小車(chē)的準(zhǔn)確定位。③每臺(tái)AGV小車(chē)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(hào)以報(bào)文格式發(fā)送定位數(shù)據(jù)指令，并訪問(wèn)AGV小車(chē)的設(shè)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(chē)。

1.2.3 物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的搭建

AGV 小車(chē)在送料過(guò)程中一直保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求較高，而采用固定線路網(wǎng)絡(luò)無(wú)法滿足傳輸要求，故選擇ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)搭建物聯(lián)網(wǎng)。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)確定路由站點(diǎn)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(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的橋接通信。本設(shè)計(jì)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(guò)程透明、功耗低、延時(shí)短、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)，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(wú)線網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)主站點(diǎn)以及N個(gè)從站點(diǎn)構(gòu)成，同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有站點(diǎn)均具有相同頻段及網(wǎng)絡(luò)ID（PAN ID）。主站點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)可全部透明傳輸至所有從站點(diǎn)，但從站點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)只能透明傳輸至主站點(diǎn)。中間從站點(diǎn)的路由模塊數(shù)量可根據(jù)需要自行設(shè)置，若A、B 模塊之間因距離較遠(yuǎn)而無(wú)法通信，可在A、B 之間增加一個(gè)模塊C，由C充當(dāng)A、B之間的中間站點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)A、C 和B、C 之間通信。模塊C 不需特別設(shè)置，只需加入網(wǎng)絡(luò)即可。

1.3 診斷系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)AGV小車(chē)電池監(jiān)控要求，采用令牌調(diào)度算法進(jìn)行模塊化編程，實(shí)現(xiàn)單機(jī)監(jiān)控與令牌循環(huán)分時(shí)輪流監(jiān)控功能。采用Visual Studio軟件（美國(guó)微軟公司）開(kāi)發(fā)電池診斷系統(tǒng)，以5 臺(tái)AGV 小車(chē)為例，診斷系統(tǒng)流程見(jiàn)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(yīng)用的變量、下拉列表框、功能按鈕；②定義計(jì)算機(jī)通信端口號(hào)、車(chē)輛地址指令長(zhǎng)度、AGV小車(chē)返回單元格數(shù)據(jù)報(bào)文長(zhǎng)度；③設(shè)置車(chē)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(jìn)行循環(huán)，周而復(fù)始，預(yù)置采集AGV小車(chē)編號(hào)為1。

1.3.2 小車(chē)呼叫與數(shù)據(jù)采集

采用時(shí)鐘定時(shí)器驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集，間隔時(shí)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(chē)，首先確定默認(rèn)為1 號(hào)的AGV 小車(chē)，定時(shí)器從0 開(kāi)始計(jì)時(shí)，按1 s遞加，當(dāng)定時(shí)器計(jì)時(shí)10 s時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)出包含數(shù)字1的十六進(jìn)制字節(jié)采集指令，并將指令通過(guò)無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)路由器在30 ms 內(nèi)傳達(dá)至所有AGV 小車(chē)。只有車(chē)輛編號(hào)為1 的AGV 小車(chē)驗(yàn)證相符，才能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集（其他AGV 小車(chē)均保持靜默狀態(tài)）并在100 ms 內(nèi)將數(shù)據(jù)返回至計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)完成處理并顯示結(jié)果。然后定時(shí)器再次從0開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)10 s 時(shí)，車(chē)輛編號(hào)加1 轉(zhuǎn)變?yōu)?，計(jì)算機(jī)發(fā)出包含數(shù)字2 的采集指令，指示2 號(hào)AGV 小車(chē)采集數(shù)據(jù)。依次循環(huán)往復(fù)，計(jì)算機(jī)按照3、4、5、1 的機(jī)制采集數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)令牌循環(huán)分時(shí)輪流監(jiān)控功能。②指定調(diào)度算法。若選擇指定單臺(tái)AGV小車(chē)，當(dāng)定時(shí)器計(jì)時(shí)10 s 時(shí)，計(jì)算機(jī)反復(fù)發(fā)出該AGV 小車(chē)的采集指令，從而實(shí)現(xiàn)單機(jī)監(jiān)控功能。

1.3.3 數(shù)據(jù)接收與信號(hào)處理

AGV 小車(chē)采集的數(shù)據(jù)為固定長(zhǎng)度格式的十六進(jìn)制字節(jié)，由計(jì)算機(jī)接收并存儲(chǔ)至內(nèi)存空間。如表1所示，內(nèi)存空間中的固定長(zhǎng)度數(shù)據(jù)依次按單元格序號(hào)由十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)據(jù)后進(jìn)行提取，并存儲(chǔ)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(chǔ)至另一個(gè)元素大小相同的一維數(shù)組B（b1，b2，…，b19，b20），計(jì)算一維數(shù)組B中間6個(gè)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(jì)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(bào)警信號(hào)；若故障判定值Kx≥1.0 V，表明此單元格存在嚴(yán)重問(wèn)題，需檢查電池極板并發(fā)出紅色報(bào)警信號(hào)。任一個(gè)單元格發(fā)出報(bào)警即可判斷此單元格電池電壓不合格；若所有單元格均無(wú)黃色或紅色報(bào)警，且所有單元格累計(jì)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(jìn)制數(shù)據(jù)格式，顯示在監(jiān)控界面對(duì)應(yīng)的單元格文本框內(nèi)，見(jiàn)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(bào)警時(shí)對(duì)應(yīng)單元格文本框的背景顏色變?yōu)辄S色或紅色，同時(shí)報(bào)警框警示提醒。根據(jù)后臺(tái)的程序算法，監(jiān)控界面可動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前呼叫的小車(chē)編號(hào)、診斷時(shí)間等信息。

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

2 應(yīng)用效果

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)備：ALS104 型AGV 小車(chē)5 臺(tái)（昆明船舶設(shè)備集團(tuán)有限公司）。

方法：5 臺(tái)AGV 小車(chē)應(yīng)用于紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司會(huì)澤卷煙廠輔料高架庫(kù)，將車(chē)載數(shù)據(jù)采集裝置安裝在AGV小車(chē)電池門(mén)板處，并與蓄電池組之間的采集線路對(duì)接，同時(shí)進(jìn)行分布式組網(wǎng)；在輔料中控室（作為監(jiān)控室）、配盤(pán)入庫(kù)區(qū)、輔料出庫(kù)區(qū)以及AGV小車(chē)車(chē)體上均安裝路由站點(diǎn)，確保數(shù)據(jù)采集裝置與編址從站點(diǎn)對(duì)接，各編址從站點(diǎn)之間以及其與主站點(diǎn)之間進(jìn)行透明式互聯(lián)互通；將計(jì)算機(jī)安裝在輔料中控室，對(duì)AGV小車(chē)電池進(jìn)行在線監(jiān)控與遠(yuǎn)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(duì)AGV 小車(chē)電池診斷系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤記錄，驗(yàn)證其能否準(zhǔn)確反映電池動(dòng)力情況。

2.2 數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠，既可自動(dòng)輪詢?nèi)緼GV 小車(chē)，也可指定呼叫單臺(tái)AGV小車(chē)，通過(guò)監(jiān)控界面可以準(zhǔn)確地顯示5 臺(tái)AGV 小車(chē)各單元格的電池電壓，并在電池發(fā)生故障時(shí)及時(shí)報(bào)警和快速定位故障單元格。由表2 可見(jiàn)，2019—2021 年間電池診斷系統(tǒng)共發(fā)出故障報(bào)警15次，經(jīng)核實(shí)無(wú)誤報(bào)和漏報(bào)，并可準(zhǔn)確定位到故障單體電池，系統(tǒng)故障診斷率和定位精準(zhǔn)率均達(dá)到100%。

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

3 結(jié)論

采用A/D 轉(zhuǎn)換、ModBus 車(chē)輛定位、ZigBee 無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)燃夹g(shù)設(shè)計(jì)了一種AGV 小車(chē)電池診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小車(chē)蓄電池組的在線監(jiān)控與遠(yuǎn)程診斷，提高了對(duì)動(dòng)力裝置故障判斷的精準(zhǔn)度。以紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司會(huì)澤卷煙廠輔料高架庫(kù)的5臺(tái)AGV小車(chē)為對(duì)象進(jìn)行測(cè)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(yùn)行狀態(tài)，準(zhǔn)確定位電池故障單元，故障診斷率和定位精準(zhǔn)率均達(dá)到100%，有效提升了AGV 小車(chē)動(dòng)力裝置的維護(hù)效率。