簡易升降機安全監(jiān)控的信號采集與傳輸系統(tǒng)

王 興 徐勇鋼 項科忠 李金輝 魏 斌

寧波特種設備檢測研究院 寧波 315048

0 引言

簡易升降機是順應中小型制造企業(yè)發(fā)展趨勢而誕生的產物，我國將其納入特種起重設備范疇并進行監(jiān)管[1]。目前，簡易升降機的安全狀態(tài)監(jiān)測以人工定期維保的形式進行[2]，采用智能物聯(lián)網方法對其整體進行監(jiān)測的成果或研究幾乎空白，故本文參考家用或辦公用標準電梯智能監(jiān)測系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進行后續(xù)設計。

近年來國內關于電梯智能監(jiān)測方面的研究較多，黃嘉慧[3]提出采用物聯(lián)網技術對特種設備進行管理，設計并實現(xiàn)了傳統(tǒng)電梯的智能信息化。信息化平臺可提供電梯登記、審批、監(jiān)控、管理、維保記錄等常用功能。

國外在電梯產業(yè)的起步與應用普及上都早于國內，相應的研究也略顯前沿。德國和美國某電梯公司研發(fā)的電梯監(jiān)控系統(tǒng)功能相近，不僅能實時了解運行情況，還能實時分析，對誤操作或者本體故障進行判別最后做出預警[4]。日本某公司研發(fā)的電梯監(jiān)測系統(tǒng)將若干臺電梯歸入一個區(qū)域，并為每臺電梯都配備一個監(jiān)測數(shù)據(jù)的本地庫，當電梯發(fā)生故障時，能將數(shù)據(jù)傳輸至中心進行究因分析[5]。

總體而言，國內外電梯的監(jiān)控系統(tǒng)在功能上能滿足基本需求，但存在信號采集傳輸方式不具有普適性的情況，借鑒這些方法用于簡易升降機的監(jiān)控并不可行。針對這一問題本文進行了相應的研究。

1 系統(tǒng)總體方案介紹

本文簡易升降機在線監(jiān)測系統(tǒng)的2個研究內容為信號的采集與傳輸和遠程實時監(jiān)測平臺設計，其目的是為了將簡易升降機分散的多維感知信號進行匯總傳輸，能遠程通過電腦或者手機方便且及時地了解機器的運行狀況。監(jiān)測系統(tǒng)整體構成如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)整體構成

信號的采集與傳輸主要包括2個工作：讀取升降機內部電信號和信號匯總傳輸箱的設計。本文將對型號為SQ1.0的簡易升降機進行電路改造，以讀取出入GLC-420A主控控制箱內部重要的繼電器通斷等信號；增加一個以CPU1215和4G無線通訊模塊的為核心的信號匯總傳輸箱，以控制現(xiàn)場的語音警報系統(tǒng)、維護保養(yǎng)提醒等語音系統(tǒng)，并將簡易升降機的內部信號和新增的鋼絲繩監(jiān)測信號、紅外人員監(jiān)測信號打包發(fā)送至云端，然后推送至手機APP或PC網頁端進行展示保存。

實時監(jiān)測平臺設計主要包括2個工作：簡易升降機實時運行狀況監(jiān)測的雙平臺界面設計和電腦端系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計。基于機智云提供的信號協(xié)議和模板進行手機APP功能的部署和界面設計[6]，電腦端界面采用JavaScript瀏覽器腳本語言編寫，兼容性強。此外，電腦端平臺基于Microsoft Access Database開發(fā)了數(shù)據(jù)庫，來保存簡易升降機的操作和運行日志，便于分析改進。

2 電路改造升級

2.1 原控制器內信號采集

因為現(xiàn)場使用的GLC-420A的控制器沒有RS485接口，現(xiàn)場無法從直接控制器中讀取升降機的各種狀態(tài)信號，故需在如單片機輸入回路中的重要開關后串接一個繼電器，用外接的例如平層信號來直接激活新增的繼電器合閘，繼電器的觸點即可分出同樣的信號分別輸出到GLC-420A控制器和新增的PLC CPU1215。

對簡易升降機電氣結構的進行分析，選取數(shù)個重要信號的繼電器進行改造以獲取其開關量信號。需在X11-14的1樓、2樓、3樓、4樓平層信號前、CZ超載處、X25檢修/運行處新增總計6個繼電器；接觸器信號可直接增加2個輔助觸點即可獲得，故不用增加繼電器；層門連鎖信號也可從現(xiàn)有KDL獲得。

關于新增繼電器在原GLC-420A控制回路中的接線方式，以X11-14平層信號為例，KA1-4為新增繼電器。CZ超載處和X25檢修/運行處接線同理。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。進行簡易升降機在線監(jiān)測系統(tǒng)設計的前提是監(jiān)測系統(tǒng)不能干預原有控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)，本文目前的功能只是監(jiān)測異常情況并發(fā)出警報；若要進行干預需待特種設備監(jiān)管部門頒布簡易升降機的相關標準后，在現(xiàn)有的基本線路上進行更改即可。故本次線路改造后，并未改動簡易升降機原有的控制邏輯和動作順序，也不會影響其正常工作。在硬件上僅增加了2個輔助觸點（改動1）和6個繼電器（改動3），和485四芯通訊線纜3根（改動2）。改造完成后即可獲得各重要繼電器的開關量信號，使得簡易升降機內部重要電信號獲取的設計在實際工程上完全可行。

圖4 電路改造前和改造后的布線對比

2.2 信號匯總傳輸模塊設計

信號匯總傳輸模塊內的主要組成部件為PLC CPU1215、R300工業(yè)級路由器、EDR-150-24電源、4路語音控制器、內部通訊板、語音警報喇叭、接線端子排等。信號匯總傳輸模塊是除簡易升降原有控制箱外額外設計的一個模塊，該模塊的功能是接收來至鋼絲繩監(jiān)測模塊和紅外人員監(jiān)測模塊這類附加監(jiān)測信號和GLC-420A控制箱內部信號，進行匯總并用打包發(fā)送至云端。其內部線路原理構成如圖5～圖7所示。

圖5 PLC點位

圖6 語音模塊原理

圖7 端子圖

其中預留了若干個接口，可采集除本文所選取的GLC-420A控制箱內部重要信號之外的次重要信號，也可接入例如鋼絲繩監(jiān)測模塊等類似的附加模塊的信號，方便后續(xù)根據(jù)實際情況進行升級或者選配。

圖8為信號匯總傳輸模塊箱體的面板設計圖和面板實物圖。該箱體可以采用掛式安裝，防護等級為IP44，可一定程度上防水防塵，箱體外殼與鋼絲繩信號采集處理箱一致，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)運行指示燈用于顯示系統(tǒng)是否正常運行；系統(tǒng)啟停開關用于控制系統(tǒng)開關機；故障報警部件用于現(xiàn)場語音加閃光燈提醒；消音按鈕用于臨時消除故障報警。刷卡器是監(jiān)管部門在對簡易升降機進行年檢合格后，用加密卡進行復位的監(jiān)管手段，能督促設備使用者注意維保，確保簡易升降機有良好的運行狀態(tài)。

圖8 信號匯總傳輸箱內部和外部實物圖

主要工作流程為：首先通過RS485串口等采集簡易升降機GLC-420A主控制箱信號、貨廂內是否違規(guī)載人的信號和鋼絲繩在線監(jiān)測信號并進行匯總，轉碼處理過后傳至4G模塊；然后采用TCP/IP傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)包送至用戶端的4G接收模塊[7]；最后解包轉碼即可在移動端或電腦端的監(jiān)測平臺上展現(xiàn)簡易升降機的可視化運行狀態(tài)；并將所得的監(jiān)測數(shù)據(jù)都保存在數(shù)據(jù)庫里，必要時還可對監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的進行查詢、統(tǒng)計和分析等工作。當監(jiān)測到故障時可推送給簡易升降機的監(jiān)管者和使用者；當出現(xiàn)安全事故時還可通過調取歷史數(shù)據(jù)進行究因和追責等。

3 遠程實時監(jiān)測平臺設計

遠程實時監(jiān)控的平臺有電腦端和移動端雙平臺。手機APP平臺基于機智云提供的信號協(xié)議和模板進行部署和界面設計，電腦端界面采用JavaScript瀏覽器腳本語言編寫，兼容性強。雙平臺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關量狀態(tài)顯示、智能檢測模塊檢測結果狀態(tài)顯示。簡易升降機在線監(jiān)測平臺工作流程如圖9所示。

圖9 在線監(jiān)測平臺工作流程

簡易升降機運行狀態(tài)及其監(jiān)測數(shù)據(jù)具有可視化的特點。為了使設備的監(jiān)管者或使用者能更加直觀地了解情況，雙監(jiān)測平臺的各類信號都單獨以塊或條顯示，更便于操作。電腦端界面和移動端界面分別如圖10和圖11所示。

圖10 電腦端監(jiān)測平臺

圖11 移動端APP監(jiān)測平臺

4 數(shù)據(jù)庫設計

在獲取到簡易升降機的各類重要信號后需將實時的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫管理。必要時可定期將數(shù)據(jù)導出成表格或做成報表。

電腦端數(shù)據(jù)庫的開發(fā)的基于Microsoft Access Database，能保存簡易升降機實時狀態(tài)的多維數(shù)據(jù)和運行日志。數(shù)據(jù)庫的字段表主要有序號、設備信息和保存時間3類數(shù)據(jù)。其中，序號是每次接收到的多維數(shù)據(jù)包的序號，保存時間為接收并保存的時間。設備狀態(tài)則包含了1～4樓的平層信號、內門和外門的平層信號、超載信號、上行和下行啟動信號、運行檢修信號、貨廂違規(guī)載人監(jiān)測信號、鋼絲繩狀態(tài)檢測信號等多維信號。

圖12所示為某天實驗中監(jiān)測系統(tǒng)記錄到的歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄周期設定為10 s，通過對比監(jiān)測數(shù)據(jù)和實際運行情況可知，該系統(tǒng)能穩(wěn)定地采集并傳輸簡易升降機的重要運行狀態(tài)信號到監(jiān)測平臺進行展示并保存。

圖12 監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

5 總結

為了采集簡易升降機分散的多維感知信號并進行匯總、傳輸和展示。本文對其進行電路改造升級工作和遠程實時監(jiān)測平臺的設計。

1）提出了一種采集簡易升降機內部電氣系統(tǒng)的重要繼電器和接觸器開關量信號的方法，以此來對原電路進行改造升級。并設計了以PLC CPU1215、R300工業(yè)級路由器等為核心的信號匯總和傳輸模塊。

2）完成了雙平臺在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計和電腦端數(shù)據(jù)庫的設計，最后在實地運行測試了整套系統(tǒng)24 h，驗證了本文所設計的簡易升降機在線監(jiān)測系統(tǒng)的可行性，為類似傳統(tǒng)的特種設備物聯(lián)網化提供了參考。