基于機(jī)智云平臺(tái)的簡(jiǎn)易升降機(jī)安全監(jiān)控信號(hào)采集與傳輸系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)是由寧波特種設(shè)備檢測(cè)研究院王興等人開(kāi)發(fā)完成。該簡(jiǎn)易升降機(jī)安全監(jiān)控的信號(hào)采集與傳輸系統(tǒng)，是基于不改變簡(jiǎn)易升降機(jī) GLC-420A 控制邏輯和動(dòng)作順序這一要求，提出了一種獲取重要繼電器開(kāi)關(guān)量信號(hào)的方法。在 GLC-420A 單片機(jī)的輸入回路中重要地方串接一個(gè)繼電器，以電氣系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)如平層信號(hào)激活新增繼電器，即可將原始信號(hào)一分為二?；谛鑼⒎稚⒌亩嗑S感知信號(hào)傳輸至監(jiān)測(cè)平臺(tái)這一需求，設(shè)計(jì)了一種適用于簡(jiǎn)易升降機(jī)的信號(hào)匯總傳輸箱。借助機(jī)智云提供的信號(hào)協(xié)議和模板進(jìn)行手機(jī) APP 功能的部署和界面設(shè)計(jì)，電腦端界面采用JavaScript 瀏覽器腳本語(yǔ)言編寫(xiě)；為了保存設(shè)備的運(yùn)行記錄和故障報(bào)警記錄開(kāi)發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。制作出信號(hào)匯總傳輸箱在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行為期一天的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，最后通過(guò)讀取監(jiān)測(cè)雙平臺(tái)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了的信號(hào)采集與傳輸系統(tǒng)的可行性。

01

引 言

簡(jiǎn)易升降機(jī)是順應(yīng)中小型制造企業(yè)發(fā)展趨勢(shì)而誕生的產(chǎn)物，我國(guó)將其納入特種起重設(shè)備范疇并進(jìn)行監(jiān)管。目前，簡(jiǎn)易升降機(jī)的安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)以人工定期維保的形式進(jìn)行 ，采用智能物聯(lián)網(wǎng)方法對(duì)其整體進(jìn)行監(jiān)測(cè)的成果或研究幾乎空白，故本文參考家用或辦公用標(biāo)準(zhǔn)電梯智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行后續(xù)設(shè)計(jì)。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)關(guān)于電梯智能監(jiān)測(cè)方面的研究較多，其中就提出采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)特種設(shè)備進(jìn)行管理，設(shè) 計(jì)并實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)電梯的智能信息化。信息化平臺(tái)可提供電梯登記、審批、監(jiān)控、管理、維保記錄等常用功能?，F(xiàn)有電梯的監(jiān)控系統(tǒng)在功能上能滿足基本需求，但存在信號(hào)采集傳輸方式不具有普適性的情況，借鑒這些方法用于簡(jiǎn)易升降機(jī)的監(jiān)控并不可行。針對(duì)這一問(wèn)題本文進(jìn)行了相應(yīng)的研究。

02

系統(tǒng)總體方案介紹

本簡(jiǎn)易升降機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的 2 個(gè)研究?jī)?nèi)容為信號(hào)的采集與傳輸和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)，其目的是為了將簡(jiǎn)易升降機(jī)分散的多維感知信號(hào)進(jìn)行匯總傳輸，能遠(yuǎn)程通過(guò)電腦或者手機(jī)方便且及時(shí)地了解機(jī)器的運(yùn)行狀況。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體構(gòu)成如圖 1 所示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體構(gòu)成

信號(hào)的采集與傳輸主要包括2 個(gè)工作：讀取升降機(jī)內(nèi)部電信號(hào)和信號(hào)匯總傳輸箱的設(shè)計(jì)。本文將對(duì)型號(hào)為 SQ1.0 的簡(jiǎn)易升降機(jī)進(jìn)行電路改造，以讀取出入 GLC-420A 主控控制箱內(nèi)部重要的繼電器通斷等信號(hào)；增加一個(gè)以 CPU1215 和 4G 無(wú)線通訊模塊的為核心的信號(hào)匯總傳輸箱，以控制現(xiàn)場(chǎng)的語(yǔ)音警報(bào)系統(tǒng)、維護(hù)保養(yǎng)提醒等語(yǔ)音系統(tǒng)，并將簡(jiǎn)易升降機(jī)的內(nèi)部信號(hào)和新增的鋼絲繩監(jiān)測(cè)信號(hào)、紅外人員監(jiān)測(cè)信號(hào)打包發(fā)送至云端，然后推送至手機(jī) APP 或 PC 網(wǎng)頁(yè)端進(jìn)行展示保存。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)主要包括 2 個(gè)工作：簡(jiǎn)易升降機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)的雙平臺(tái)界面設(shè)計(jì)和電腦端系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)?；跈C(jī)智云提供的信號(hào)協(xié)議和模板進(jìn)行手機(jī) APP 功能的部署和界面設(shè)計(jì) [6]，電腦端界面采用 JavaScript 瀏覽器腳本語(yǔ)言編寫(xiě)，兼容性強(qiáng)。此外，電腦端平臺(tái)基于Microsoft Access Database 開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)庫(kù)，來(lái)保存簡(jiǎn)易升降機(jī)的操作和運(yùn)行日志，便于分析改進(jìn)。

03

電路改造升級(jí)

◆原控制器內(nèi)信號(hào)采集

由于現(xiàn)場(chǎng)使用的 GLC-420A 的控制器沒(méi)有 RS485接口，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法從直接控制器中讀取升降機(jī)的各種狀態(tài)信號(hào)，故需在如單片機(jī)輸入回路中的重要開(kāi)關(guān)后串接一個(gè)繼電器，用外接的例如平層信號(hào)來(lái)直接激活新增的繼電器合閘，繼電器的觸點(diǎn)即可分出同樣的信號(hào)分別輸出到 GLC-420A 控制器和新增的 PLC CPU1215。對(duì)簡(jiǎn)易升降機(jī)電氣結(jié)構(gòu)的進(jìn)行分析，選取數(shù)個(gè)重要信號(hào)的繼電器進(jìn)行改造以獲取其開(kāi)關(guān)量信號(hào)。需在 X11-14 的1 樓、2 樓、3 樓、4 樓平層信號(hào)前、CZ 超載處、 X25 檢修 / 運(yùn)行處新增總計(jì) 6 個(gè)繼電器；接觸器信號(hào)可直接增加 2 個(gè)輔助觸點(diǎn)即可獲得，故不用增加繼電器；層門(mén)連鎖信號(hào)也可從現(xiàn)有 KDL 獲得。關(guān)于新增繼電器在原 GLC-420A 控制回路中的接線方式，以X11-14 平層信號(hào)為例，KA1-4 為新增繼電器。CZ 超載處和 X25 檢修 / 運(yùn)行處接線同理。新增的繼電器接線如圖 2、圖 3 所示。

圖2繼電器邏輯接線

圖3繼電器供電接線

圖 4 為控制箱的電路改造前和改造后的布線圖。進(jìn)行簡(jiǎn)易升降機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不能干預(yù)原有控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)，本文目前的功能只是監(jiān)測(cè)異常情況并發(fā)出警報(bào)；若要進(jìn)行干預(yù)需待特種設(shè)備監(jiān)管部門(mén)頒布簡(jiǎn)易升降機(jī)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后，在現(xiàn)有的基本線路上進(jìn)行更改即可。

圖4電路改造前和改造后的布線對(duì)比故本次線路改造后，并未改動(dòng)簡(jiǎn)易升降機(jī)原有的控制邏輯和動(dòng)作順序，也不會(huì)影響其正常 工作。在硬件上僅增加了 2 個(gè)輔助觸點(diǎn)（改動(dòng) 1）和 6 個(gè)繼電器（改動(dòng) 3），和 485 四芯通訊線纜 3 根（改動(dòng) 2）。改造完成后即可獲得各重要繼電器的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，使得簡(jiǎn)易升降機(jī)內(nèi)部重要電信號(hào)獲取的設(shè)計(jì)在實(shí)際工程上完全可行。

◆信號(hào)匯總傳輸模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)匯總傳輸模塊內(nèi)的主要組成部件為 PLC CPU1215、R300 工業(yè)級(jí)路由器、EDR-150-24 電源、4 路語(yǔ)音控制器、內(nèi)部通訊板、語(yǔ)音警報(bào)喇叭、接線端子排等。信號(hào)匯總傳輸模塊是除簡(jiǎn)易升降原有控制箱外額外設(shè)計(jì)的一個(gè)模塊，該模塊的功能是接收來(lái)至鋼絲繩監(jiān)測(cè)模塊和紅外人員監(jiān)測(cè)模塊這類(lèi)附加監(jiān)測(cè)信號(hào)和 GLC-420A 控制箱內(nèi)部信號(hào)，進(jìn)行匯總并用打包發(fā)送至云端。其內(nèi)部線路原理構(gòu)成如圖 5 - 圖 7 所示。

圖5 PCL點(diǎn)位

圖6語(yǔ)音模塊原理

圖7端子圖

其中預(yù)留了若干個(gè)接口，可采集除本文所選取的 GLC-420A 控制箱內(nèi)部重要信號(hào)之外的次重要信號(hào)，也可接入例如鋼絲繩監(jiān)測(cè)模塊等類(lèi)似的附加模塊的信號(hào)，方便后續(xù)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行升級(jí)或者選配。圖 8 為信號(hào)匯總傳輸模塊箱體的面板設(shè)計(jì)圖和面板實(shí)物圖。該箱體可以采用掛式安裝，防護(hù)等級(jí)為 IP44，可一定程度上防水防塵，箱體外殼與鋼絲繩信號(hào)采集處理箱一致，焊接了接地螺絲，除去靜電干擾。面板上布置有電源接通指示燈用于顯示供電是否正常；系統(tǒng)運(yùn)行指示燈用于顯示系統(tǒng)是否正常運(yùn)行；系統(tǒng)啟停開(kāi)關(guān)用于控制系統(tǒng)開(kāi)關(guān)機(jī)；故障報(bào)警部件用于現(xiàn)場(chǎng)語(yǔ)音加閃光燈提醒；消音按鈕用于臨時(shí)消除故障報(bào)警。刷卡器是監(jiān)管部門(mén)在對(duì)簡(jiǎn)易升降機(jī)進(jìn)行年檢合格后，用加密卡進(jìn)行復(fù)位的監(jiān)管手段，能督促設(shè)備使用者注意維保，確保簡(jiǎn)易升降機(jī)有良好的運(yùn)行狀態(tài)。

主要工作流程為：首先通過(guò) RS485 串口等采集簡(jiǎn)易升降機(jī) GLC-420A 主控制箱信號(hào)、貨廂內(nèi)是否違規(guī) 載人的信號(hào)和鋼絲繩在線監(jiān)測(cè)信號(hào)并進(jìn)行匯總，轉(zhuǎn)碼處理過(guò)后傳至 4G 模塊；然后采用 TCP/IP 傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)包送至用戶(hù)端的 4G 接收模塊；最后解包轉(zhuǎn)碼即可在移動(dòng)端或電腦端的監(jiān)測(cè)平臺(tái)上展現(xiàn)簡(jiǎn)易升降機(jī)的可視化運(yùn)行狀態(tài)；并將所得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都保存在數(shù)據(jù)庫(kù)里，必要時(shí)還可對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息的進(jìn)行查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)和分析等工作。當(dāng)監(jiān)測(cè)到故障時(shí)可推送給簡(jiǎn)易升降機(jī)的監(jiān)管者和使用者；當(dāng)出現(xiàn)安全事故時(shí)還可通過(guò)調(diào)取歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行究因和追責(zé)等。

04

遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的平臺(tái)有電腦端和移動(dòng)端雙平臺(tái)。手機(jī) APP 平臺(tái)基于機(jī)智云提供的信號(hào)協(xié)議和模板進(jìn)行部署和界面設(shè)計(jì)，電腦端界面采用 JavaScript 瀏覽器腳本語(yǔ)言編寫(xiě)，兼容性強(qiáng)。

雙平臺(tái)均采用可視化的界面和操作邏輯，都具有登錄界面、GLC-420A 控制箱重要輸入輸出開(kāi)關(guān)量狀態(tài)顯示、智能檢測(cè)模塊檢測(cè)結(jié)果狀態(tài)顯示。簡(jiǎn)易升降機(jī)在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)工作流程如圖 9 所示。

圖9在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)工作流程

簡(jiǎn)易升降機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有可視化的特點(diǎn)。為了使設(shè)備的監(jiān)管者或使用者能更加直觀地了解情況，雙監(jiān)測(cè)平臺(tái)的各類(lèi)信號(hào)都單獨(dú)以塊或條顯示，更便于操作。電腦端界面和移動(dòng)端界面分別如圖 10 和圖 11所示。圖10電腦端監(jiān)測(cè)平臺(tái)

圖11移動(dòng)端APP監(jiān)測(cè)平臺(tái)

05

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)在獲取到簡(jiǎn)易升降機(jī)的各類(lèi)重要信號(hào)后需將實(shí)時(shí)的 數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)管理。必要時(shí)可定期將數(shù)據(jù)導(dǎo)出成表格或做成報(bào)表。電腦端數(shù)據(jù)庫(kù)的開(kāi)發(fā)的基于 Microsoft Access Database，能保存簡(jiǎn)易升降機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)的多維數(shù)據(jù)和運(yùn)行日志。數(shù)據(jù)庫(kù)的字段表主要有序號(hào)、設(shè)備信息和保存時(shí)間 3 類(lèi)數(shù)據(jù)。其中，序號(hào)是每次接收到的多維數(shù)據(jù)包的序號(hào)，保存時(shí)間為接收并保存的時(shí)間。設(shè)備狀態(tài)則包含了 1 ～ 4 樓的平層信號(hào)、內(nèi)門(mén)和外門(mén)的平層信號(hào)、超載信號(hào)、上行和下行啟動(dòng)信號(hào)、運(yùn)行檢修信號(hào)、貨廂違規(guī)載人監(jiān)測(cè)信號(hào)、鋼絲繩狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)等多維信號(hào)。

圖12監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)

圖 12 所示為某天實(shí)驗(yàn)中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄到的歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄周期設(shè)定為 10 s，通過(guò)對(duì)比監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)際運(yùn)行情況可知，該系統(tǒng)能穩(wěn)定地采集并傳輸簡(jiǎn)易升降機(jī)的重要運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)到監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行展示并保存。

06

總 結(jié)

為了采集簡(jiǎn)易升降機(jī)分散的多維感知信號(hào)并進(jìn)行匯總、傳輸和展示。本文對(duì)其進(jìn)行電路改造升級(jí)工作和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)。 1）提出了一種采集簡(jiǎn)易升降機(jī)內(nèi)部電氣系統(tǒng)的重要繼電器和接觸器開(kāi)關(guān)量信號(hào)的方法，以此來(lái)對(duì)原電路 進(jìn)行改造升級(jí)。并設(shè)計(jì)了以 PLC CPU1215、R300 工業(yè)級(jí)路由器等為核心的信號(hào)匯總和傳輸模塊。 2）完成了雙平臺(tái)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和電腦端數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)，最后在實(shí)地運(yùn)行測(cè)試了整套系統(tǒng) 24 h，驗(yàn) 證了本文所設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易升降機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性，為類(lèi)似傳統(tǒng)的特種設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)化提供了參考。