基于云端遠(yuǎn)程控制的積放輸送智能運動控制系統(tǒng)研究

文/蘇軍偉

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、信息技術(shù)、自動化控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物流技術(shù)，以及電商物流自動化、工廠輸送分揀自動化等的快速發(fā)展，對現(xiàn)代物流輸送技術(shù)提出了更高要求。目前的物流輸送、分揀系統(tǒng)中，無人化操控均采用PLC控制，或上位機(jī)采用工業(yè)計算機(jī)，以及I/O板卡采用主從集中控制方式控制電機(jī)驅(qū)動器輸送貨物，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的無人值守操作；一臺PLC造價幾千到幾萬元不等，一臺工業(yè)計算機(jī)加I/O驅(qū)動裝置價格超過上萬元，再加上PLC編程，以及工業(yè)計算機(jī)上位機(jī)軟件編寫的人力成本等，一套控制系統(tǒng)造價至少在幾萬甚至十幾萬元以上（不包括下游輸送設(shè)備）。不菲的購買成本，對行業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用形成制約。而且系統(tǒng)繁雜，設(shè)計邏輯不強(qiáng)，易引起系統(tǒng)故障，維護(hù)成本較高。在智能物流大規(guī)模實施應(yīng)用的今天，與智能、簡單高效、降低成本的趨勢背道而馳。

為適應(yīng)現(xiàn)代物流輸送系統(tǒng)向更智能的方向發(fā)展，并且使操作系統(tǒng)簡單、可靠、穩(wěn)定，需要設(shè)計出一種采用云端遠(yuǎn)程通訊、現(xiàn)場總線控制、具有積放功能的自動化智能輸送系統(tǒng)，不僅高效、節(jié)能、可靠，而且節(jié)約成本、維護(hù)簡單，能夠滿足智能物流系統(tǒng)的快速發(fā)展需要。而如何使輸送系統(tǒng)在大幅降低成本、滿足控制電機(jī)輸送積放傳輸?shù)耐瑫r，又使其具備智能識別、電機(jī)間相互控制等功能，成為整個輸送控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。

圖1：系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

一、系統(tǒng)設(shè)計特點及硬件組成

1.系統(tǒng)設(shè)計特點

本系統(tǒng)的設(shè)計是為了實現(xiàn)現(xiàn)場貨物輸送及遠(yuǎn)程監(jiān)視、數(shù)據(jù)統(tǒng)計的無人值守全自動化運行，達(dá)到貨物從上游向下游自動化輸送，貨來輸送、貨走停止的目的，具有以下特點：

（1）模塊化設(shè)計：系統(tǒng)采用模塊和現(xiàn)場總線相結(jié)合的設(shè)計思想，整個系統(tǒng)按照功能分成幾個獨立的單元模塊，各個模塊之間通過通訊及現(xiàn)場總線共享信息，各模塊獨立運轉(zhuǎn)，即使某模塊出現(xiàn)故障，其它模塊可以照常運轉(zhuǎn)，并實時上報故障模塊信息，方便檢修與維護(hù)，而不會出現(xiàn)一處故障致使整個系統(tǒng)癱瘓的情況。

（2）靈活的系統(tǒng)組網(wǎng)方式：驅(qū)動裝置作為系統(tǒng)的基本單元，根據(jù)輸送距離可方便擴(kuò)充或減少網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量，使輸送保持一致性，使系統(tǒng)適應(yīng)不同應(yīng)用場景的輸送網(wǎng)絡(luò)，不受系統(tǒng)升級和調(diào)整的影響，即插即用，方便靈活。

（3）全新的現(xiàn)場總線控制：國內(nèi)傳統(tǒng)方式采用PLC控制或上位機(jī)一主多從方式控制；歐美采用一主多從方式，每條輸送線有一個主設(shè)備控制整條線，還有多個從設(shè)備。本設(shè)計采用多主多從的控制方式，總線上每個驅(qū)動裝置既作為主設(shè)備又作為從設(shè)備，而不需要單獨的主設(shè)備去控制，設(shè)備之間可以相互控制，既節(jié)約成本又提高系統(tǒng)可靠性。

（4）全自動積放運行方式：根據(jù)貨物輸送流量，設(shè)置為積放控制方式的單件輸送或連續(xù)輸送模式。實現(xiàn)貨來輸送、貨走停止的全自動化無人值守運行。

（5）云端物聯(lián)網(wǎng)（IOT）遠(yuǎn)程通訊：驅(qū)動裝置把電機(jī)的運行狀態(tài)、貨物信息等上傳到云服務(wù)器及遠(yuǎn)程終端（智能手機(jī)或ipad移動設(shè)備等），云服務(wù)器對現(xiàn)場信息進(jìn)行大數(shù)據(jù)管理、分析和查詢；并可通過遠(yuǎn)程終端對現(xiàn)場進(jìn)行操作管理等，實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線解決方案。

2.系統(tǒng)硬件架構(gòu)組成

本系統(tǒng)硬件主要由三部分組成：電機(jī)驅(qū)動控制、遠(yuǎn)程控制、聯(lián)網(wǎng)輸送控制。

其主要組成模塊包括：（1）MCU電機(jī)驅(qū)動模塊；（2）遠(yuǎn)程終端模塊；（3）云服務(wù)器模塊；（4）識別模塊；（5）遠(yuǎn)程通訊模塊；（6）總線通訊模塊。其中（1）、（4）、（5）、（6）組成驅(qū)動裝置硬件的核心部分。如圖1所示。

3.系統(tǒng)硬件間連接

系統(tǒng)驅(qū)動裝置通過識別模塊實現(xiàn)對傳感器信號采集，以及通過MCU電機(jī)驅(qū)動模塊實現(xiàn)對輸送線控制，各驅(qū)動裝置之間通過總線通訊模塊聯(lián)網(wǎng)，相互通訊控制；遠(yuǎn)程終端模塊通過云服務(wù)器模塊與驅(qū)動裝置遠(yuǎn)程通訊。

二、系統(tǒng)各模塊電路功能選型設(shè)計

1.MCU電機(jī)驅(qū)動模塊：用于直接控制電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速、工作頻率等，包含MCU控制器、電機(jī)驅(qū)動與控制電路、電機(jī)驅(qū)以及三電阻采樣電路，采用霍爾或編碼器傳感器對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行采樣、電機(jī)故障信息反饋等。

2.識別模塊：用于接收傳感器信號，判斷其上是否有貨物；由于傳感器輸入市場上有NPN和PNP輸出類型，設(shè)計NPN與PNP自動識別電路進(jìn)行采樣，通用性高。

3.總線通訊模塊：如何對總線通訊模塊設(shè)計，對整個系統(tǒng)的成敗起著決定性作用。驅(qū)動裝置之間通過總線連接，目前工業(yè)常用以下幾種方式：

（1）工業(yè)RS485通訊方式：差分信號抗干擾能力強(qiáng)，通訊距離遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)可達(dá)10Km；弱點是每個節(jié)點設(shè)備不能超過32個，聯(lián)網(wǎng)設(shè)備少，若再增加，需增加中繼設(shè)備。另外，設(shè)備訪問采用輪詢的方式，控制設(shè)備周期長，實時性差。

（2）工業(yè)以太網(wǎng)方式：需加網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，增加成本，另外驅(qū)動控制卡本身采用低成本的控制方式，增加網(wǎng)絡(luò)，須有PHY功能的MCU支持，還要增加網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動控制芯片，成本較高；雖然比PLC方式成本低很多，但對輸送、分揀系統(tǒng)來說不是最優(yōu)控制方式。

（3）PLC或工業(yè)計算機(jī)+I/O卡：目前輸送線采用此種方式控制，控制成本高，控制系統(tǒng)復(fù)雜，維護(hù)成本高。

（4）CAN總線：汽車電子普遍采用，總線采用2線制，差分信號抗干擾能力強(qiáng)，最遠(yuǎn)可達(dá)10Km。成本低，現(xiàn)設(shè)計采用此種方式撥碼開關(guān)設(shè)置CAN通訊地址，根據(jù)地址設(shè)備優(yōu)先級進(jìn)行控制，不同的優(yōu)先級決定了驅(qū)動裝置的不同地址，設(shè)備節(jié)點點數(shù)增加或減少可任意設(shè)置，可以進(jìn)行一發(fā)一收或多發(fā)多收等多種控制方式，從而實現(xiàn)設(shè)備之間的聯(lián)網(wǎng)。輸送線總線采用顯性電平和隱性進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)物流輸送的特點和使用效率考慮,設(shè)計為一條總線可以連接128個不同優(yōu)先級的驅(qū)動裝置（優(yōu)先級可以相同），傳輸速率125KBPS，可達(dá)距離500m，滿足輸送線積放功能需求。超過128個設(shè)備或距離超過500m采用級聯(lián)的方式繼續(xù)傳輸使用。

4.遠(yuǎn)程通訊模塊：為WIFI模塊或蜂窩網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，采用WIFI控制的方式，現(xiàn)場驅(qū)動裝置通過WIFI連接現(xiàn)場路由器，路由器連接外網(wǎng)Internet,數(shù)據(jù)通過路由器不僅實現(xiàn)局域網(wǎng)的驅(qū)動裝置與遠(yuǎn)程終端模塊之間通訊，而且通過路由器實現(xiàn)驅(qū)動裝置與遠(yuǎn)程終端模塊、云服務(wù)器模塊之間的通訊，架起數(shù)據(jù)通訊的橋梁。

5.遠(yuǎn)程終端模塊：為搭載控制用APP的移動終端(智能手機(jī)或ipad移動設(shè)備)，遠(yuǎn)程終端模塊通過云端服務(wù)器模塊獲取電機(jī)驅(qū)動裝置工作狀態(tài)信息，并對驅(qū)動裝置進(jìn)行工作參數(shù)調(diào)整，以使電機(jī)在用戶的需求參數(shù)范圍內(nèi)工作。

6.云端服務(wù)器模塊：物聯(lián)網(wǎng)（IOT）云服務(wù)器平臺，用于接收并存儲驅(qū)動裝置發(fā)送的工作狀態(tài)信息，工作狀態(tài)信息包括整個輸送線或所有項目的電機(jī)啟停時間、運行時長、當(dāng)前PWM值、當(dāng)前電流、當(dāng)前轉(zhuǎn)速以及其它關(guān)系到電機(jī)運行穩(wěn)定性、安全性的信息，云端服務(wù)器模塊可通過電機(jī)的貨物流量統(tǒng)計等大數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，為科學(xué)決策提供數(shù)據(jù)支撐。

三、系統(tǒng)功能實現(xiàn)

本系統(tǒng)功能由三大部分功能組成:驅(qū)動裝置本體基本功能、總線聯(lián)網(wǎng)積放控制、遠(yuǎn)程控制與監(jiān)視功能。

1.驅(qū)動裝置本體基本功能

驅(qū)動裝置采集本地傳感器信號，探測其上是否有貨物輸送，對貨物流量進(jìn)行統(tǒng)計技術(shù)，控制本地電機(jī)的啟動、停止、轉(zhuǎn)速以及正反轉(zhuǎn)、堵轉(zhuǎn)、過壓、過流及信號異常處理。

2.總線聯(lián)網(wǎng)積放控制

驅(qū)動裝置之間通過總線控制模塊以總線的方式進(jìn)行物理連接,積放控制分為單件輸送模式和連續(xù)釋放模式。

（1）單件釋放模式：如圖2所示，輸送過程中，貨物與貨物之間有隔開一個區(qū)域（一個電輥筒和所帶被動輥）的空間。（備注：work1、work2為紙箱，S為傳感器，紅色輥筒為電機(jī)驅(qū)動的電動動輥筒，灰色輥筒為被帶動輥筒。）

過程1：紙箱1和紙箱2都處于停止?fàn)顟B(tài)，紙箱1的下游區(qū)域為空閑狀態(tài)，此時紙箱1將要被輸送到下游區(qū)。

圖2：單件釋放模式

過程2：紙箱1正在被傳送，當(dāng)紙箱1離開本區(qū)域時（傳感器不再被觸發(fā)），紙箱2開始被輸送。

過程3：紙箱1停止輸送，當(dāng)紙箱2到達(dá)紙箱1的上游區(qū)時也會停止。

（2）連續(xù)釋放模式：如圖3所示，在輸送過程中，輸送線上的貨物成鏈?zhǔn)捷斔?。（備注：work1,work2為紙箱，S為傳感器，紅色輥筒為電機(jī)驅(qū)動的電動動輥筒，灰色輥筒為被帶動輥筒。）

過程1：紙箱1和紙箱2都處于停止?fàn)顟B(tài)，紙箱1的下游區(qū)域為空閑狀態(tài)，此時紙箱1和紙箱2將要同時被輸送。

過程2：紙箱1和紙箱2同時被輸送。

過程3：紙箱1和紙箱2停止在區(qū)域上。

3.云端遠(yuǎn)程管理功能

如何利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理、控制以及信息的交換和共享呢？

（1）自動收集輸送線信息：遠(yuǎn)程通訊模塊與驅(qū)動裝置的MCU全雙工通訊，遠(yuǎn)程通訊模塊向MCU發(fā)送指令或從MCU讀取數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程通訊模塊把當(dāng)前的輸送線狀態(tài)，即啟停、正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速、貨物通過數(shù)量等數(shù)據(jù)經(jīng)過TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換,通過Internet上傳云端服務(wù)器模塊保存，以備查閱。

（2）云服務(wù)器實現(xiàn)大數(shù)據(jù)管理：客戶管理層可通過云端服務(wù)器模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，對存儲數(shù)據(jù)庫中記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、分析以及數(shù)據(jù)挖掘，如運行時長、貨物流量等統(tǒng)計輸送線輸送效率，為科學(xué)決策提供數(shù)據(jù)支撐。

（3）遠(yuǎn)程終端對現(xiàn)場遠(yuǎn)程操作與監(jiān)視：可使用智能手機(jī)或ipad移動設(shè)備，打開流量或無線網(wǎng)絡(luò)，無論在輸送現(xiàn)場、家里或車上，通過APP軟件、Internet鏈接云端服務(wù)器模塊，通過綁定的IP地址或MAC地址，把控制指令發(fā)給現(xiàn)場控制的驅(qū)動裝置，控制輸送線上的任意一臺電機(jī)的啟動、停止、方向或調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；可實時查看現(xiàn)場電機(jī)的運行狀況，為及時解決問題、發(fā)現(xiàn)問題提供物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程解決方案。

圖4：網(wǎng)絡(luò)配置

圖5：網(wǎng)絡(luò)配置成功后顯示界面

（4）云服務(wù)器對現(xiàn)場遠(yuǎn)程操作與監(jiān)視：實時查看整個輸送線或所有項目的驅(qū)動裝置的運行狀態(tài)、轉(zhuǎn)速等，并對某條輸送線進(jìn)行遠(yuǎn)程控制及操作，對發(fā)現(xiàn)的異常情況及時進(jìn)行干預(yù)。

（5）遠(yuǎn)程終端對現(xiàn)場遙控調(diào)試：在實際生產(chǎn)線的輸送過程中，生產(chǎn)線的自動化程度越高，所需要控制的電機(jī)也就越多，需要調(diào)試的設(shè)備越多，在強(qiáng)弱電交錯的復(fù)雜現(xiàn)場，容易導(dǎo)致調(diào)試人員進(jìn)入到生產(chǎn)線內(nèi)部進(jìn)行實際調(diào)試極為危險，所以遠(yuǎn)程終端可以通過Internet云服務(wù)器模塊及局域網(wǎng)遠(yuǎn)程調(diào)試，有效提升調(diào)試效率、降低調(diào)試風(fēng)險。

4.遠(yuǎn)程控制及服務(wù)器數(shù)據(jù)管理操作

（1）首先配置網(wǎng)絡(luò)，輕松遠(yuǎn)程管理，通過手機(jī)等遠(yuǎn)程終端等來配置網(wǎng)絡(luò)（如圖4）。

（2）配置成功后顯示界面（如圖5）。

（3）可遠(yuǎn)程登錄服務(wù)器進(jìn)行大數(shù)據(jù)查看、設(shè)備日志查看以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計等。

（4）云服務(wù)器具有跨平臺的遠(yuǎn)程通訊功能，可實現(xiàn)全球信息的快速傳遞及消費體驗。利用已部署的云服務(wù)器平臺，如中國服務(wù)器、美洲服務(wù)器、歐洲服務(wù)器等，使銷往海外的物流輸送產(chǎn)品，以及電商的海外倉儲系統(tǒng)，能更好地體驗云平臺帶來的便利性，從而延長了產(chǎn)品的使用區(qū)域，擴(kuò)大產(chǎn)品的適用性。

四、結(jié)束語

系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場安裝和調(diào)試，各模塊實現(xiàn)無縫對接，運行可靠穩(wěn)定，滿足物流輸送要求，具有良好的通用性與實用性，安裝調(diào)試方便、不需要類似PLC與上位機(jī)那樣專業(yè)編程，不僅應(yīng)用到電商倉儲物流自動化、工廠輸送自動化，而且可擴(kuò)展應(yīng)用到其它物流輸送平臺，具有大規(guī)模推廣與應(yīng)用價值，具有很好的應(yīng)用前景，可以更好地服務(wù)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為我國當(dāng)前物流裝備制造業(yè)升級換代、提高物流綜合競爭力、搶占技術(shù)制高點和現(xiàn)代物流技術(shù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用與發(fā)展提供有力的技術(shù)手段。