物聯(lián)網(wǎng)技術在伺服驅動器監(jiān)測中的應用

朱震曙，饒 彬，韓國慶，劉國輝，李鴻向

（江蘇金陵智造研究院有限公司，江蘇 南京 210022）

0 引言

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

伺服電機是AGV的重要動力源，也是伺服控制領域不可或缺的一環(huán)[1]。AGV在廠區(qū)行駛過程中，受到復雜路面狀態(tài)的影響，伺服電機的連接器接口處會出現(xiàn)松動，同時電機在某些場景下因異常過載造成繞組溫度超限。長此以往，會導致電機線圈老化，控制精度下降，影響AGV的穩(wěn)定運行。因此，對AGV中的伺服電機運行狀態(tài)和參數(shù)進行實時監(jiān)測并對產(chǎn)生的故障及時處理具有重要意義[2-4]。

1 伺服電機監(jiān)測技術介紹

傳統(tǒng)的電機監(jiān)測指利用傳感器測量電機運行過程中的轉速、電壓、電流、溫度等模擬量來判斷電機的運行狀態(tài)。采集的模擬量通常通過上位機或者交互面板展示，能否準確判斷電機的異常工作狀態(tài)依賴于技術人員的經(jīng)驗以及數(shù)據(jù)的準確性與實時性[5]。但是，這種監(jiān)測技術只能采集單臺電機的運行狀態(tài)，在電機數(shù)量較多的場合，依靠人工記錄無法及時發(fā)現(xiàn)異常的電機運行狀態(tài)。隨著總線技術的發(fā)展，通過總線協(xié)議將單個電機的運行參數(shù)匯集到終端中心，使用數(shù)據(jù)挖掘的方法進行故障檢測。但總線線纜的鋪設交錯復雜，對于AGV等移動設備，總線技術存在局限性。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，用GPRS、3G、4G模塊代替總線將伺服電機驅動器進行無線組網(wǎng)，能夠有效克服總線線纜的不可移動缺陷。但由于無線互聯(lián)網(wǎng)的公開性，電機的私有監(jiān)測數(shù)據(jù)存在保密性問題，容易被黑客竊取并影響正常的生產(chǎn)流程。同時運營商網(wǎng)絡在封閉空間與廠房中存在信號覆蓋問題。

鑒于此，將可接入終端數(shù)量多、實時性強、網(wǎng)絡穩(wěn)定、保密性好的物聯(lián)網(wǎng)技術應用于伺服電機運行狀態(tài)監(jiān)測領域能夠有效提高AGV運行的安全性和穩(wěn)定性，同時提高企業(yè)生產(chǎn)管理的智能化水平，為構建無人工廠奠定堅實基礎。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術介紹

物聯(lián)網(wǎng)技術的出現(xiàn)開始逐漸改變人們日常的生活方式，移動支付改變了出行需要錢包的習慣，共享模式提高了資源利用率，遠程醫(yī)療讓不同城市的人們享受同樣的醫(yī)療服務等。通過將各種現(xiàn)實世界的信息數(shù)字化，人們的生活變得越來越便捷。物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展水平及應用范圍已成為當今國家科技水平的主要標志之一，萬物互聯(lián)將是未來社會的必然趨勢。

2019年9月，江蘇無錫舉行了以“融合創(chuàng)新，萬物智聯(lián)”為主題的世界物聯(lián)網(wǎng)博覽會[6]，會中指出未來幾年我國的物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展將以國家層面為主導。目前我國的企業(yè)在無人工廠、智能家居、移動支付等多個領域都獲得了巨大發(fā)展。未來我國的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)需要擁有更多自主核心技術與專利，產(chǎn)業(yè)鏈需開放共享。國家政策的主導，給我國物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)、企業(yè)以及從業(yè)者帶來了更多的機遇。

隨著物聯(lián)網(wǎng)終端設備的種類和數(shù)量不斷增加，對網(wǎng)絡傳輸?shù)乃俾?、穩(wěn)定性和安全性提出了更高的要求，這就需要有線網(wǎng)絡、移動互聯(lián)、近距離無線通信等多種通信技術的發(fā)展。無線傳輸技術具有組網(wǎng)簡單、支持終端數(shù)量多等優(yōu)點，已逐漸成為物聯(lián)網(wǎng)設備通信的主要傳輸手段?，F(xiàn)階段針對不同的應用場景，具有不同的無線傳輸方案，針對遠距離的4G、5G技術，針對小范圍傳輸?shù)腤i-Fi、藍牙、ZigBee等，針對低功耗需求的LoRa、NB-IoT等。隨著不同類型終端對網(wǎng)絡容量和傳輸速率的需求不斷增加，各種無線網(wǎng)絡技術間也需要實現(xiàn)兼容與共存。

基本的物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)從體系結構由下往上可分為感知層、網(wǎng)絡層和應用層[7]。

（1）感知層。感知層負責將現(xiàn)實世界的物理量數(shù)字化。感知層采集的信息包括視頻采集卡、紅外感應器、加速度計等設備的模擬信號，也包括直接從NFC標簽、二維碼條形碼識別器等數(shù)字設備中采集到的數(shù)字信號，模擬信號和數(shù)字信號通過專用芯片以數(shù)據(jù)的形式記錄。最終所有的數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊集中傳輸?shù)骄W(wǎng)絡層中的對應網(wǎng)關，由網(wǎng)絡層對數(shù)據(jù)進一步處理。

（2）網(wǎng)絡層。網(wǎng)絡層負責完成接收感知層收集的數(shù)據(jù)，同時對數(shù)據(jù)進行有效存儲與深度處理。網(wǎng)絡層中傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡類型包括有線網(wǎng)絡、移動互聯(lián)網(wǎng)、各類專用網(wǎng)絡等。網(wǎng)絡層中的業(yè)務處理模塊為應用層提供算法處理過的數(shù)據(jù)組合，提供的數(shù)據(jù)組合包括數(shù)據(jù)分類、趨勢預測、數(shù)據(jù)排序等。

（3）應用層。應用層是將數(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)絡層提供的數(shù)據(jù)服務針對不同行業(yè)的數(shù)據(jù)模型和不同用戶需要的業(yè)務類型提供相應的信息服務平臺，如電機監(jiān)控平臺、停車調度平臺、電網(wǎng)負荷預測平臺等。

3 平臺應用前景

將AGV中伺服電機的狀態(tài)監(jiān)測與高速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術相結合，使原本獨立運行的單個伺服電機成為數(shù)據(jù)信息化的可聯(lián)網(wǎng)終端，將多電機數(shù)據(jù)和AGV狀態(tài)集中管理[8]。多個電機的運行數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡匯聚到中心網(wǎng)關，并通過專用網(wǎng)絡傳輸?shù)街付ǖ臄?shù)據(jù)處理中心，運行數(shù)據(jù)經(jīng)過人工智能、數(shù)據(jù)挖掘與專家系統(tǒng)等技術處理之后，轉化為狀態(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)測人員。當系統(tǒng)判定電機出現(xiàn)故障或者AGV行駛狀態(tài)異常時，迅速為監(jiān)測人員提供警示信息，使其及時處理故障態(tài)以避免更大的生產(chǎn)事故。此外，通過深度學習技術對電機及AGV運行的歷史數(shù)據(jù)與電機關鍵部件狀態(tài)的相互關系進行匹配，從而提前預測電機運行故障，使伺服電機長期保持較高的性能，進而為企業(yè)節(jié)省大量的故障處理費用，為以AGV為主的產(chǎn)品線提供了穩(wěn)定的保障。

AGV伺服電機監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構設計對伺服電機在不同場景中運行狀態(tài)監(jiān)測的需求進行分析并結合物聯(lián)網(wǎng)技術理論。

監(jiān)測系統(tǒng)的采集層由伺服電機、智能驅動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)議進行通信，智能驅動器采集的信息通過無線網(wǎng)絡上傳，經(jīng)采集節(jié)點處理后發(fā)送至網(wǎng)絡層的中心網(wǎng)關。

監(jiān)測系統(tǒng)的用戶層主要為終端用戶提供監(jiān)測信息展示平臺，用戶同時可以按照不同的需求定制不同的功能，平臺具備電機實時狀態(tài)監(jiān)測、電機損耗預測、故障報警、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)測系統(tǒng)采集層的智能伺服驅動器實現(xiàn)方案。

4 智能伺服驅動器設計

智能伺服驅動器是AGV伺服電機監(jiān)測系統(tǒng)的基礎，為故障智能診斷和AGV穩(wěn)定運行提供了數(shù)據(jù)支撐。智能驅動器由驅動模塊、電機數(shù)據(jù)采集模塊和無線通信模塊三部分組成。

4.1 驅動模塊

驅動模塊是智能伺服驅動器的核心模塊，主要功能為控制電機穩(wěn)定運行，保證AGV按照指定的速度在廠區(qū)移動。為了保證伺服電機控制的實時性和穩(wěn)定性，驅動模塊的核心采用28335系列電機控制專用DSP。驅動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、電機控制參數(shù)采集單元。

驅動模塊通過RS-485接口實現(xiàn)與采集模塊、無線通信模塊的雙向通信。模塊的軟件部分包括DSP系統(tǒng)底層驅動、伺服電機三環(huán)控制算法以及與其他模塊通信的應用程序。

4.2 電機數(shù)據(jù)采集模塊

采集模塊主要收集電機的狀態(tài)信息與AGV的運行參數(shù)，包括電源供電電流與電壓、電機溫度、驅動器溫度、AGV行駛速度與方向等。為了保證在采集模塊的實時穩(wěn)定工作的同時不影響電機控制，使用單獨的STM32系列低功耗芯片作為整個采集模塊的控制核心，控制各個高精度傳感器的采集時序，依次獲取供電電壓、電流、設備溫度、AGV速度、加速度、角速度等模擬量，隨后對這些數(shù)據(jù)進行濾波、類型轉換等處理，保證數(shù)據(jù)的準確性。

4.3 無線通信模塊

無線通信傳輸技術按數(shù)據(jù)傳輸距離可分為短距離通信和廣域網(wǎng)通信技術兩類。一是短距離通信技術，主要包括廣泛使用的Wi-Fi、手機中常用的Bluetooth、低功耗的Zigbee等。其優(yōu)點是底層節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸無須額外的網(wǎng)絡設備中轉，設備具有通用的通信協(xié)議；缺點為網(wǎng)絡覆蓋范圍有限、傳輸速率受限于終端數(shù)量、傳輸數(shù)據(jù)安全性無法保證。二是廣域網(wǎng)通信技術，主要有NB-IoT、LoRa、SigFox等，其優(yōu)點是信號覆蓋廣、傳輸距離遠、傳輸安全性高、組網(wǎng)的終端數(shù)量大；缺點是不能應用于終端高速移動的場景。

LoRa技術具有抗干擾性強、網(wǎng)絡負載容量大，同時LoRa的終端節(jié)點開發(fā)簡單，這意味著用戶可以在較大的范圍內使用簡單的方式部署網(wǎng)絡。與其他技術相比，LoRa不依賴運營商的蜂窩網(wǎng)絡，企業(yè)可以構建網(wǎng)絡，自主把控網(wǎng)絡質量，自主運行，運營數(shù)據(jù)掌握在自己手中，安全性高。廠區(qū)內的AGV移動速度較慢，能有效克服LoRa的缺點，適合分散式作業(yè)的場景。

無線通信模塊采用LoRa通信技術，能有夠效解決其他技術組網(wǎng)復雜、設備成本高等問題，同時可保證數(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無線射頻芯片的LoRa模塊，將采集到的電機運行數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端數(shù)據(jù)中心，利用大數(shù)據(jù)平臺與故障專家系統(tǒng)進行電機工況和AGV運行狀態(tài)分析。

5 結束語

綜上所述，本文全面闡述了物聯(lián)網(wǎng)以及伺服電機監(jiān)測技術的基礎概念，并對其兩種技術進行融合的應用前景進行了分析，最后提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的一種智能伺服驅動器。將物聯(lián)網(wǎng)技術應用于伺服電機監(jiān)測中，能夠對我國電機數(shù)據(jù)監(jiān)測領域的智能化水平提升起到重要推動作用，能夠不斷提升物聯(lián)網(wǎng)技術在傳統(tǒng)制造業(yè)中的適用性?！?/p>