AGV 小車電池診斷系統的設計與實現

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東郊 654200

AGV 小車是卷煙企業生產中使用的主要物流搬運設備，其核心驅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只單體電池串聯后并列兩排置于組合框內，由于缺少動力檢測裝置，蓄電池組的維護保養工作耗時費力，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，局域互聯網絡）總線的多個蓄電池單體電壓電流檢測系統，用于對蓄電池單體狀態進行檢測；丁聰等［4］采用蓄電池電壓巡檢技術對其性能及運行狀態進行判斷；鮑慧［5］利用傳感和光電耦合技術采集蓄電池電壓電流等數據，對蓄電池組的運行情況進行監測。近年來，隨著A/D 轉換［6］、ModBus［7-8］車輛定位、ZigBee（紫蜂）無線物聯網絡傳輸［9-12］和計算機Visual Studio 編程［13］等技術的廣泛應用，通過無線網絡實現蓄電池在線監控與遠程診斷成為研究熱點。為此，基于計算機和無線網絡技術設計了一種AGV 小車電池診斷系統，以期實現AGV小車動力裝置的在線監控與遠程診斷，提高設備運行效率。

1 系統設計

1.1 系統架構

AGV 小車電池診斷系統由下至上分為采集層、網絡傳輸層和應用層，信息采用雙向傳輸方式，上層發出指令，下層返回數據。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 數據轉換模塊，將各電池單元格的模擬電壓轉化為數字格式；然后對查詢的AGV小車進行車輛地址追蹤與鎖定，根據ModBus協議生成地址內容不同、長度相同的呼叫指令并傳輸發送。②網絡傳輸層主要采用ZigBee無線網絡協議傳輸管理指令以及反饋數據。ZigBee無線網絡依據網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，各從站點的網絡地址不同，與主站點共同組成聯網部署。③應用層采用令牌調度算法［14］進行模塊化編程，包括單機監控和令牌循環分時輪流監控。當AGV 小車收到ModBus指令信息且驗證結果與呼叫地址相同時，系統采集數據并通過ZigBee無線網絡上傳至計算機的監控軟件，監控軟件處于被觸發監聽狀態，當收到監控數據時立即轉入數據運算處理并在數據異常時提示報警。

圖1 AGV小車電池診斷系統架構圖Fig.1 Architecture of diagnosis system for batteries in AGV

1.2 診斷系統硬件設計

系統硬件由計算機（PC）、無線物聯網絡以及車載數據采集裝置組成，其核心技術包括車載數據采集、車輛定位以及物聯網絡的搭建。由圖2可見：①計算機安裝有監控軟件，發出的監控指令（如地址等）為RS232 網絡接口信號，經串口轉換器轉換成RS485 信號后傳送至ZigBee 無線網絡主站點。②無線路由網絡模塊將主站點接收的RS485 信號，經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車載數據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 網絡輸出接口發送至小車從站點，經該站點及后續中間從站點自動計算后，選擇最近線路傳送至計算機監控軟件進行換算處理并同步顯示結果。

圖2 AGV小車電池診斷系統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 車載數據采集裝置

由于單體電池的實時電壓信號為模擬信號，需要采用A/D轉換器將其轉換為數字信號后再進行數據采集。由圖3a 可見，數據采集裝置主要由A/D 轉換器（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個單體電池的節點，8位數字量輸出端（D0～D7）連接單片機的P2口（P2.0～P2.7）。各單體電池電壓信號經轉換后存入寄存器，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，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。物聯網絡接口與AGV小車從站點連接，并與中間從站點、監控主站點共同聯網，實現指令和數據的快速傳輸。

圖3 車載數據采集裝置線路圖Fig.3 Circuit diagram of mobile data acquisition device

1.2.2 車輛定位技術

為了同時對多臺AGV小車電池進行實時監控，計算機監控軟件需根據協議對AGV 小車建立車輛識別代碼，進而實現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協議實時傳輸采集數據，按地址尋址方式進行被訪問與應答，實現數據傳輸。②計算機發送指令，由每臺AGV 小車接收并解碼，符合編號要求的AGV小車采集數據并回傳，其他小車保持靜默，不采集數據也不響應回答，實現AGV 小車的準確定位。③每臺AGV小車的電池電壓完成A/D轉換后，依據ModBus協議按地址編號以報文格式發送定位數據指令，并訪問AGV小車的設備地址以及各單元格數據區寄存器地址，從而精確定位AGV小車。

1.2.3 物聯網絡的搭建

AGV 小車在送料過程中一直保持運動狀態，因此對于數據傳輸的實時性要求較高，而采用固定線路網絡無法滿足傳輸要求，故選擇ZigBee 無線網絡搭建物聯網。根據生產現場確定路由站點的安裝位置及數量，遵循ZigBee技術原理選用ZigBee專用模塊分區域布置，實現整個系統的橋接通信。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、網絡容量大等特點，保證了管理指令和反饋數據的傳輸、溝通與交換且安全可靠。ZigBee無線網絡由一個主站點以及N個從站點構成，同一網絡內所有站點均具有相同頻段及網絡ID（PAN ID）。主站點發出的數據可全部透明傳輸至所有從站點，但從站點發出的數據只能透明傳輸至主站點。中間從站點的路由模塊數量可根據需要自行設置，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A、C 和B、C 之間通信。模塊C 不需特別設置，只需加入網絡即可。

1.3 診斷系統軟件設計

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

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

1.3.1 系統初始化

①定義系統應用的變量、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小車返回單元格數據報文長度；③設置車輛的初始調度模式，調度算法按照1、2、3、4、5、1間隔進行循環，周而復始，預置采集AGV小車編號為1。

1.3.2 小車呼叫與數據采集

采用時鐘定時器驅動數據采集，間隔時間為10 s，根據選擇的調度模式確定發出的采集指令。①間隔循環調度算法。若選擇輪詢全部AGV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，計算機發出包含數字1的十六進制字節采集指令，并將指令通過無線物聯網絡路由器在30 ms 內傳達至所有AGV 小車。只有車輛編號為1 的AGV 小車驗證相符，才能進行數據采集（其他AGV 小車均保持靜默狀態）并在100 ms 內將數據返回至計算機，由計算機完成處理并顯示結果。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 轉變為2，計算機發出包含數字2 的采集指令，指示2 號AGV 小車采集數據。依次循環往復，計算機按照3、4、5、1 的機制采集數據，從而實現令牌循環分時輪流監控功能。②指定調度算法。若選擇指定單臺AGV小車，當定時器計時10 s 時，計算機反復發出該AGV 小車的采集指令，從而實現單機監控功能。

1.3.3 數據接收與信號處理

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

表1 電池故障判斷數據分析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，表明此單元格不符合正常值，需檢查電壓并發出黃色報警信號；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出紅色報警信號。任一個單元格發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 監控界面與顯示

采集的單元格電池電壓為十進制數據格式，顯示在監控界面對應的單元格文本框內，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的顏色），報警時對應單元格文本框的背景顏色變為黃色或紅色，同時報警框警示提醒。根據后臺的程序算法，監控界面可動態顯示當前呼叫的小車編號、診斷時間等信息。

圖5 監控界面示意圖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，將車載數據采集裝置安裝在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；在輔料中控室（作為監控室）、配盤入庫區、輔料出庫區以及AGV小車車體上均安裝路由站點，確保數據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控與遠程診斷。系統安裝調試完畢后投入使用，于2019—2021 年分別對AGV 小車電池診斷系統進行跟蹤記錄，驗證其能否準確反映電池動力情況。

2.2 數據分析

現場觀察發現，系統底層數據采集準確，無線物聯網絡穩定可靠，既可自動輪詢全部AGV 小車，也可指定呼叫單臺AGV小車，通過監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 年間電池診斷系統共發出故障報警15次，經核實無誤報和漏報，并可準確定位到故障單體電池，系統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計表Tab.2 Statistics table of battery fault diagnosis for AGV

3 結論

采用A/D 轉換、ModBus 車輛定位、ZigBee 無線物聯網絡傳輸等技術設計了一種AGV 小車電池診斷系統，實現了對小車蓄電池組的在線監控與遠程診斷，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，結果表明：電池診斷系統可以在線監控電池性能及運行狀態，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。