基于云端远程控制的积放输送智能运动控制系统研究

文/苏军伟

随着现代电子技术、信息技术、自动化控制技术、物联网技术、物流技术，以及电商物流自动化、工厂输送分拣自动化等的快速发展，对现代物流输送技术提出了更高要求。目前的物流输送、分拣系统中，无人化操控均采用PLC控制，或上位机采用工业计算机，以及I/O板卡采用主从集中控制方式控制电机驱动器输送货物，实现整个系统的无人值守操作；一台PLC造价几千到几万元不等，一台工业计算机加I/O驱动装置价格超过上万元，再加上PLC编程，以及工业计算机上位机软件编写的人力成本等，一套控制系统造价至少在几万甚至十几万元以上（不包括下游输送设备）。不菲的购买成本，对行业的大规模应用形成制约。而且系统繁杂，设计逻辑不强，易引起系统故障，维护成本较高。在智能物流大规模实施应用的今天，与智能、简单高效、降低成本的趋势背道而驰。

为适应现代物流输送系统向更智能的方向发展，并且使操作系统简单、可靠、稳定，需要设计出一种采用云端远程通讯、现场总线控制、具有积放功能的自动化智能输送系统，不仅高效、节能、可靠，而且节约成本、维护简单，能够满足智能物流系统的快速发展需要。而如何使输送系统在大幅降低成本、满足控制电机输送积放传输的同时，又使其具备智能识别、电机间相互控制等功能，成为整个输送控制系统的关键。

图1：系统架构示意图

一、系统设计特点及硬件组成

1.系统设计特点

本系统的设计是为了实现现场货物输送及远程监视、数据统计的无人值守全自动化运行，达到货物从上游向下游自动化输送，货来输送、货走停止的目的，具有以下特点：

（1）模块化设计：系统采用模块和现场总线相结合的设计思想，整个系统按照功能分成几个独立的单元模块，各个模块之间通过通讯及现场总线共享信息，各模块独立运转，即使某模块出现故障，其它模块可以照常运转，并实时上报故障模块信息，方便检修与维护，而不会出现一处故障致使整个系统瘫痪的情况。

（2）灵活的系统组网方式：驱动装置作为系统的基本单元，根据输送距离可方便扩充或减少网络设备数量，使输送保持一致性，使系统适应不同应用场景的输送网络，不受系统升级和调整的影响，即插即用，方便灵活。

（3）全新的现场总线控制：国内传统方式采用PLC控制或上位机一主多从方式控制；欧美采用一主多从方式，每条输送线有一个主设备控制整条线，还有多个从设备。本设计采用多主多从的控制方式，总线上每个驱动装置既作为主设备又作为从设备，而不需要单独的主设备去控制，设备之间可以相互控制，既节约成本又提高系统可靠性。

（4）全自动积放运行方式：根据货物输送流量，设置为积放控制方式的单件输送或连续输送模式。实现货来输送、货走停止的全自动化无人值守运行。

（5）云端物联网（IOT）远程通讯：驱动装置把电机的运行状态、货物信息等上传到云服务器及远程终端（智能手机或ipad移动设备等），云服务器对现场信息进行大数据管理、分析和查询；并可通过远程终端对现场进行操作管理等，实现远程无线解决方案。

2.系统硬件架构组成

本系统硬件主要由三部分组成：电机驱动控制、远程控制、联网输送控制。

其主要组成模块包括：（1）MCU电机驱动模块；（2）远程终端模块；（3）云服务器模块；（4）识别模块；（5）远程通讯模块；（6）总线通讯模块。其中（1）、（4）、（5）、（6）组成驱动装置硬件的核心部分。如图1所示。

3.系统硬件间连接

系统驱动装置通过识别模块实现对传感器信号采集，以及通过MCU电机驱动模块实现对输送线控制，各驱动装置之间通过总线通讯模块联网，相互通讯控制；远程终端模块通过云服务器模块与驱动装置远程通讯。

二、系统各模块电路功能选型设计

1.MCU电机驱动模块：用于直接控制电机的启停、正反转、转速、工作频率等，包含MCU控制器、电机驱动与控制电路、电机驱以及三电阻采样电路，采用霍尔或编码器传感器对电机的转速进行采样、电机故障信息反馈等。

2.识别模块：用于接收传感器信号，判断其上是否有货物；由于传感器输入市场上有NPN和PNP输出类型，设计NPN与PNP自动识别电路进行采样，通用性高。

3.总线通讯模块：如何对总线通讯模块设计，对整个系统的成败起着决定性作用。驱动装置之间通过总线连接，目前工业常用以下几种方式：

（1）工业RS485通讯方式：差分信号抗干扰能力强，通讯距离远，最远可达10Km；弱点是每个节点设备不能超过32个，联网设备少，若再增加，需增加中继设备。另外，设备访问采用轮询的方式，控制设备周期长，实时性差。

（2）工业以太网方式：需加网络交换机，增加成本，另外驱动控制卡本身采用低成本的控制方式，增加网络，须有PHY功能的MCU支持，还要增加网络驱动控制芯片，成本较高；虽然比PLC方式成本低很多，但对输送、分拣系统来说不是最优控制方式。

（3）PLC或工业计算机+I/O卡：目前输送线采用此种方式控制，控制成本高，控制系统复杂，维护成本高。

（4）CAN总线：汽车电子普遍采用，总线采用2线制，差分信号抗干扰能力强，最远可达10Km。成本低，现设计采用此种方式拨码开关设置CAN通讯地址，根据地址设备优先级进行控制，不同的优先级决定了驱动装置的不同地址，设备节点点数增加或减少可任意设置，可以进行一发一收或多发多收等多种控制方式，从而实现设备之间的联网。输送线总线采用显性电平和隐性进行数据传输。根据物流输送的特点和使用效率考虑,设计为一条总线可以连接128个不同优先级的驱动装置（优先级可以相同），传输速率125KBPS，可达距离500m，满足输送线积放功能需求。超过128个设备或距离超过500m采用级联的方式继续传输使用。

4.远程通讯模块：为WIFI模块或蜂窝网络通讯模块，采用WIFI控制的方式，现场驱动装置通过WIFI连接现场路由器，路由器连接外网Internet,数据通过路由器不仅实现局域网的驱动装置与远程终端模块之间通讯，而且通过路由器实现驱动装置与远程终端模块、云服务器模块之间的通讯，架起数据通讯的桥梁。

5.远程终端模块：为搭载控制用APP的移动终端(智能手机或ipad移动设备)，远程终端模块通过云端服务器模块获取电机驱动装置工作状态信息，并对驱动装置进行工作参数调整，以使电机在用户的需求参数范围内工作。

6.云端服务器模块：物联网（IOT）云服务器平台，用于接收并存储驱动装置发送的工作状态信息，工作状态信息包括整个输送线或所有项目的电机启停时间、运行时长、当前PWM值、当前电流、当前转速以及其它关系到电机运行稳定性、安全性的信息，云端服务器模块可通过电机的货物流量统计等大数据进行统计，为科学决策提供数据支撑。

三、系统功能实现

本系统功能由三大部分功能组成:驱动装置本体基本功能、总线联网积放控制、远程控制与监视功能。

1.驱动装置本体基本功能

驱动装置采集本地传感器信号，探测其上是否有货物输送，对货物流量进行统计技术，控制本地电机的启动、停止、转速以及正反转、堵转、过压、过流及信号异常处理。

2.总线联网积放控制

驱动装置之间通过总线控制模块以总线的方式进行物理连接,积放控制分为单件输送模式和连续释放模式。

（1）单件释放模式：如图2所示，输送过程中，货物与货物之间有隔开一个区域（一个电辊筒和所带被动辊）的空间。（备注：work1、work2为纸箱，S为传感器，红色辊筒为电机驱动的电动动辊筒，灰色辊筒为被带动辊筒。）

过程1：纸箱1和纸箱2都处于停止状态，纸箱1的下游区域为空闲状态，此时纸箱1将要被输送到下游区。

图2：单件释放模式

过程2：纸箱1正在被传送，当纸箱1离开本区域时（传感器不再被触发），纸箱2开始被输送。

过程3：纸箱1停止输送，当纸箱2到达纸箱1的上游区时也会停止。

（2）连续释放模式：如图3所示，在输送过程中，输送线上的货物成链式输送。（备注：work1,work2为纸箱，S为传感器，红色辊筒为电机驱动的电动动辊筒，灰色辊筒为被带动辊筒。）

过程1：纸箱1和纸箱2都处于停止状态，纸箱1的下游区域为空闲状态，此时纸箱1和纸箱2将要同时被输送。

过程2：纸箱1和纸箱2同时被输送。

过程3：纸箱1和纸箱2停止在区域上。

3.云端远程管理功能

如何利用现代网络技术实现远程数据管理、控制以及信息的交换和共享呢？

（1）自动收集输送线信息：远程通讯模块与驱动装置的MCU全双工通讯，远程通讯模块向MCU发送指令或从MCU读取数据，远程通讯模块把当前的输送线状态，即启停、正反转、转速、货物通过数量等数据经过TCP/IP协议转换,通过Internet上传云端服务器模块保存，以备查阅。

（2）云服务器实现大数据管理：客户管理层可通过云端服务器模块对数据进行管理，对存储数据库中记录数据进行统计、分析以及数据挖掘，如运行时长、货物流量等统计输送线输送效率，为科学决策提供数据支撑。

（3）远程终端对现场远程操作与监视：可使用智能手机或ipad移动设备，打开流量或无线网络，无论在输送现场、家里或车上，通过APP软件、Internet链接云端服务器模块，通过绑定的IP地址或MAC地址，把控制指令发给现场控制的驱动装置，控制输送线上的任意一台电机的启动、停止、方向或调节电机的转速；可实时查看现场电机的运行状况，为及时解决问题、发现问题提供物联网远程解决方案。

图4：网络配置

图5：网络配置成功后显示界面

（4）云服务器对现场远程操作与监视：实时查看整个输送线或所有项目的驱动装置的运行状态、转速等，并对某条输送线进行远程控制及操作，对发现的异常情况及时进行干预。

（5）远程终端对现场遥控调试：在实际生产线的输送过程中，生产线的自动化程度越高，所需要控制的电机也就越多，需要调试的设备越多，在强弱电交错的复杂现场，容易导致调试人员进入到生产线内部进行实际调试极为危险，所以远程终端可以通过Internet云服务器模块及局域网远程调试，有效提升调试效率、降低调试风险。

4.远程控制及服务器数据管理操作

（1）首先配置网络，轻松远程管理，通过手机等远程终端等来配置网络（如图4）。

（2）配置成功后显示界面（如图5）。

（3）可远程登录服务器进行大数据查看、设备日志查看以及数据统计等。

（4）云服务器具有跨平台的远程通讯功能，可实现全球信息的快速传递及消费体验。利用已部署的云服务器平台，如中国服务器、美洲服务器、欧洲服务器等，使销往海外的物流输送产品，以及电商的海外仓储系统，能更好地体验云平台带来的便利性，从而延长了产品的使用区域，扩大产品的适用性。

四、结束语

系统经过现场安装和调试，各模块实现无缝对接，运行可靠稳定，满足物流输送要求，具有良好的通用性与实用性，安装调试方便、不需要类似PLC与上位机那样专业编程，不仅应用到电商仓储物流自动化、工厂输送自动化，而且可扩展应用到其它物流输送平台，具有大规模推广与应用价值，具有很好的应用前景，可以更好地服务国民经济的发展，为我国当前物流装备制造业升级换代、提高物流综合竞争力、抢占技术制高点和现代物流技术产业应用与发展提供有力的技术手段。