客運(yùn)索道數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫安國(guó) 陳 虎 馮顯宗 趙振邦 祝 賀

北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100007

0 引言

當(dāng)前索道運(yùn)行狀態(tài)的記錄還依賴(lài)手記或人工錄入電腦，對(duì)于數(shù)據(jù)量大、易遺漏的運(yùn)行狀態(tài)信息，常存在錯(cuò)記、漏記的情況，數(shù)據(jù)的正確性與時(shí)效性得不到保障[1]。人工記錄的數(shù)據(jù)還存在不易查看、統(tǒng)計(jì)繁瑣等問(wèn)題，致使目標(biāo)信息的提取困難，使實(shí)際工作中，工作人員對(duì)索道運(yùn)行狀態(tài)的記錄工作積極性不高，更加進(jìn)一步降低了記錄數(shù)據(jù)的有效性。因此，實(shí)現(xiàn)索道運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄、增加數(shù)據(jù)檢索功能既可減少運(yùn)維人員的工作量，可及時(shí)、準(zhǔn)確地記錄索道運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)于提高索道的信息化水平、保障索道的安全運(yùn)營(yíng)具有重要的意義。

1 索道數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)

索道數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)檢索3 部分，總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)總體架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集部分程序包括PLC 數(shù)據(jù)采集程序與上位機(jī)通信程序，PLC 數(shù)據(jù)采集程序中需要將采集到的狀態(tài)數(shù)據(jù)按照既定報(bào)文格式打包，做好數(shù)據(jù)發(fā)送準(zhǔn)備；按照上位機(jī)通信程序中需要按照采用的通訊協(xié)議，發(fā)送數(shù)據(jù)包至上位機(jī)。

數(shù)據(jù)接收存儲(chǔ)程序運(yùn)行后，上位機(jī)與PLC建立連接，等待PLC 發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)有程序設(shè)定的事件發(fā)生時(shí)，PLC按照?qǐng)?bào)文格式打包，然后發(fā)送。上位機(jī)接收數(shù)據(jù)包后，按照?qǐng)?bào)文格式解析數(shù)據(jù)包，解包后的數(shù)據(jù)按照存儲(chǔ)格式參數(shù)化寫(xiě)入至數(shù)據(jù)庫(kù)中。上位機(jī)中需要編寫(xiě)數(shù)據(jù)解析程序、調(diào)用存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)程序。

數(shù)據(jù)檢索程序需要按照設(shè)定的檢索條件檢索運(yùn)行數(shù)據(jù)，提取出特征值，以圖表等形式顯示數(shù)據(jù)。根據(jù)索道運(yùn)營(yíng)所采集到的數(shù)據(jù)，由設(shè)定的算法對(duì)索道的健康狀況做評(píng)估打分，使運(yùn)維人員更有針對(duì)性地對(duì)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)。

2 數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送

2.1 采集數(shù)據(jù)分類(lèi)

數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)主要分為設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和事件數(shù)據(jù)。設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)是索道長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)間尺度大，采集時(shí)需要按照設(shè)定的時(shí)間間隔采集。該部分?jǐn)?shù)據(jù)主要包括電動(dòng)機(jī)電樞電壓、電樞電流、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、大輪編碼器速度、主電動(dòng)機(jī)溫度、潤(rùn)滑油箱溫度、減速器軸溫度、蓄電池電量、張緊壓力等。

事件數(shù)據(jù)則對(duì)應(yīng)索道運(yùn)行中設(shè)備一次性或短時(shí)間的動(dòng)作狀態(tài)，該部分?jǐn)?shù)據(jù)主要包括索道的各種停車(chē)故障信息（根據(jù)故障的嚴(yán)重程度及需要采用的停車(chē)方式可以分為緊急停車(chē)、安全停車(chē)、正常停車(chē)、報(bào)警4 類(lèi)），張緊站電動(dòng)機(jī)打壓工作過(guò)程、張緊站泄壓電磁閥泄壓工作過(guò)程、制動(dòng)站電動(dòng)機(jī)打壓工作過(guò)程、高速閘開(kāi)合切換、低速閘開(kāi)合切換、抱索力、離合器動(dòng)作過(guò)程等。

2.2 數(shù)據(jù)采集

對(duì)于大部分的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和事件數(shù)據(jù)，通過(guò)溫度傳感器、限位開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、編碼器、設(shè)備模擬量輸出口等感知元件接入PLC 對(duì)應(yīng)的數(shù)字量輸入模塊、模擬量輸入模塊、高速計(jì)數(shù)模塊即可獲取。對(duì)于索道運(yùn)行十分重要的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的故障信息，無(wú)法直接接入系統(tǒng)，在發(fā)生故障時(shí)，故障信息常被忽略，致使故障排查困難。客運(yùn)索道最常用的驅(qū)動(dòng)設(shè)備為DCS 系列變流器，現(xiàn)以DCS880 與Logix5000 系列PLC 設(shè)置為例，簡(jiǎn)述如何配置PLC 和DCS880 以獲取驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的故障代碼等信息。

DCS880 需加裝RETA-01 通訊模塊，設(shè)置模塊IP地址與PLC 同網(wǎng)段，PLC 需先導(dǎo)入DCS880 的Eds 文件，添加Ethernet 模塊，按照需要讀取的字節(jié)數(shù)查找手冊(cè)通訊實(shí)例設(shè)置Ethernet 的Assembly Instance 屬性，設(shè)置IP 地址與RENA-01 模塊相同[2]。設(shè)置DCS880 參數(shù)組52，選擇需要讀取的故障字、報(bào)警字。在PLC 與DCS880 建立通訊連接后，即可將52 參數(shù)組信息讀取至對(duì)應(yīng)標(biāo)簽，Ethernet 模塊設(shè)置如圖2 所示。

圖2 Ethernet 模塊設(shè)置

對(duì)于其他通過(guò)以太網(wǎng)接入的設(shè)備，按照采用的通訊協(xié)議，在PLC 中配置對(duì)應(yīng)協(xié)議的通訊程序，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接入。

2.3 PLC 與上位機(jī)通信實(shí)現(xiàn)

PLC 作為索道的控制中心，可以監(jiān)測(cè)站內(nèi)傳感器、支架、電動(dòng)機(jī)、吊箱等設(shè)備的狀態(tài)信息，但要將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在PLC 內(nèi)，通過(guò)觸摸屏顯示，程序復(fù)雜且存儲(chǔ)能力有限，效果不佳。因此，要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲(chǔ)，首先要實(shí)現(xiàn)PLC 與上位機(jī)的通訊，借由上位機(jī)軟件存儲(chǔ)數(shù)據(jù)[3]。實(shí)現(xiàn)的方式一般為OPC 通訊[4]，通過(guò)配置標(biāo)簽讀取PLC 中參數(shù)信息，采用OPC 通訊方式，可以實(shí)時(shí)讀取PLC 中的標(biāo)簽值[5]，但需要采集的數(shù)據(jù)大部分為事件數(shù)據(jù)不需要實(shí)時(shí)讀取，設(shè)置固定的讀取時(shí)間會(huì)造成事件數(shù)據(jù)的遺漏，且上位機(jī)與PLC 采取OPC 通訊方式可能會(huì)與觸摸屏發(fā)生沖突，影響觸摸屏的正常使用。因此，采用PLC 發(fā)送數(shù)據(jù)，上位機(jī)接收然后存儲(chǔ)的模式更為適合。本文采用的與上位機(jī)的通訊協(xié)議為T(mén)CP/IP 協(xié)議，通過(guò)TCP／IP 協(xié)議(傳輸控制／網(wǎng)際協(xié)議)建立PLC 與上位機(jī)之間的端對(duì)端通訊，將PLC 采集的數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。

PLC 以太網(wǎng)模塊型號(hào)為1756-EN2T，通過(guò)對(duì)MSG指令的設(shè)置編程可以實(shí)現(xiàn)基于TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸。PLC 作為服務(wù)器，需要設(shè)置偵聽(tīng)端口號(hào)，超時(shí)時(shí)間，設(shè)置如圖3a 所示。上位機(jī)作為客戶(hù)端，需要配置服務(wù)器的IP 地址和端口號(hào)，設(shè)置如圖3b 所示。PLC 與上位機(jī)建立連接后，按照約定的報(bào)文格式發(fā)送數(shù)據(jù)包即可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與PLC 的通訊。

圖3 通信設(shè)置示意圖

2.4 數(shù)據(jù)發(fā)送

設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和事件數(shù)據(jù)采用不同的端口發(fā)送至上位機(jī)。設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)為定時(shí)發(fā)送，時(shí)間間隔為30 s，數(shù)據(jù)大小為40 bt。在發(fā)送數(shù)據(jù)包之前，將所有的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字符串格式，按照?qǐng)?bào)文格式統(tǒng)一存放至標(biāo)簽String_to_Send 中，將Send_Ready 置1，發(fā)送數(shù)據(jù)包至上位機(jī)，數(shù)據(jù)包發(fā)送完成后Server_AOI.WD 置0 等待下一次發(fā)送。發(fā)送程序如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)發(fā)送程序

事件數(shù)據(jù)為事件完成時(shí)發(fā)送，不同事件對(duì)應(yīng)的報(bào)文格式不同，以張緊電動(dòng)機(jī)動(dòng)作過(guò)程為例，報(bào)文格式為“01字節(jié)數(shù)打壓開(kāi)始時(shí)間B 持續(xù)時(shí)間C 打壓計(jì)數(shù)”，報(bào)文頭為01，數(shù)據(jù)包內(nèi)容包括字節(jié)數(shù)、打壓開(kāi)始時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、打壓記數(shù)。事件數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程與設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)相同，標(biāo)簽值有所改變。

2.5 通訊系統(tǒng)架構(gòu)

脫掛索道使用的PLC 按用途分為驅(qū)動(dòng)站PLC、迂回站PLC、張緊系統(tǒng)PLC，驅(qū)動(dòng)站PLC 與迂回站PLC通過(guò)通信光纖、光端機(jī)連接，張緊PLC 與迂回PLC 通過(guò)網(wǎng)線連接，PLC 的IP 地址處于同一網(wǎng)段，上位機(jī)與驅(qū)動(dòng)站PLC 通過(guò)交換機(jī)連接。上位機(jī)與各PLC 通信時(shí)采用不同的端口，站內(nèi)PLC 與電池監(jiān)測(cè)設(shè)備、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備通過(guò)交換機(jī)連接，Ethernet 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有設(shè)備處于同一網(wǎng)段內(nèi)。上位機(jī)程序中應(yīng)有4 個(gè)端口分別接收驅(qū)動(dòng)站、迂回站的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和事件數(shù)據(jù)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、檢索

上位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)使用LabVIEW。LabVIEW 是一種G 語(yǔ)言編程軟件，內(nèi)置函數(shù)功能強(qiáng)大，包含數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)所需的TCP 通信函數(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的接收、數(shù)據(jù)庫(kù)的調(diào)用[5]。在程序運(yùn)行后，上位機(jī)與PLC 建立連接，等待PLC 發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)有程序設(shè)定的事件發(fā)生時(shí)，PLC 按照?qǐng)?bào)文格式打包并發(fā)送。上位機(jī)接收數(shù)據(jù)包后，按照?qǐng)?bào)文格式解析數(shù)據(jù)包，解包后的數(shù)據(jù)按照存儲(chǔ)格式參數(shù)化寫(xiě)入至數(shù)據(jù)庫(kù)中，整個(gè)流程如圖6 所示。

圖6 存儲(chǔ)、檢索流程圖

3.1 狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

對(duì)于狀態(tài)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，在接收到數(shù)據(jù)包后，上位機(jī)系統(tǒng)軟件解包然后將電動(dòng)機(jī)電樞電壓、電樞電流、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、大輪編碼器速度、主電動(dòng)機(jī)溫度、潤(rùn)滑油箱溫度、減速器軸溫度、蓄電池電量、張緊壓力等狀態(tài)數(shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)庫(kù)中的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)表，并插入記錄時(shí)間。

3.2 事件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

張緊站電動(dòng)機(jī)打壓等設(shè)備動(dòng)作的事件數(shù)據(jù)，按照各自的報(bào)文協(xié)議解析數(shù)據(jù)包后存儲(chǔ)至對(duì)應(yīng)的表中，對(duì)于索道中停車(chē)故障事件數(shù)據(jù)，由于停車(chē)故障事件很多，按照每個(gè)事件單獨(dú)觸發(fā)并發(fā)送數(shù)據(jù)包的方式程序會(huì)很繁瑣，采用事件狀態(tài)字方式發(fā)送。每次有故障事件發(fā)生，就將所有故障事件狀態(tài)統(tǒng)一發(fā)送，在接收到事件狀態(tài)字后，與上一次接收的事件狀態(tài)字進(jìn)行異或運(yùn)算，值改變的，原值為1 則記錄故障消除，原值為0 則記錄故障發(fā)生。

3.3 數(shù)據(jù)顯示

在采集、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)后，可設(shè)定時(shí)間范圍檢索數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型，提取能夠反映設(shè)備健康狀況的特征值。檢索的數(shù)據(jù)采用表格、圖表等方式分界面顯示。

主頁(yè)顯示索道的基本信息，張緊站、制動(dòng)站界面在選擇時(shí)間檢索數(shù)據(jù)后，表格中顯示此工作日內(nèi)的所有電動(dòng)機(jī)打壓數(shù)據(jù)，根據(jù)檢索的數(shù)據(jù)可以提取出打壓時(shí)間最長(zhǎng)的記錄，2 次打壓相隔最短的2 次數(shù)據(jù)記錄，依據(jù)特征值判斷設(shè)備狀態(tài)。為了直觀顯示打壓記錄，可以選擇時(shí)間尺度繪制折線圖或柱形圖。抱索力界面以報(bào)索力XY圖展示，橫坐標(biāo)為記錄次數(shù)，縱坐標(biāo)為抱索力值，超限的數(shù)據(jù)點(diǎn)以紅點(diǎn)標(biāo)注。可以按照時(shí)間范圍和報(bào)索力值區(qū)間檢索數(shù)據(jù)，顯示最大抱索力值。離合器界面可以顯示各離合器的動(dòng)作記錄，統(tǒng)計(jì)各離合器最長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間、平均動(dòng)作時(shí)間、動(dòng)作次數(shù)，界面如圖7 所示。故障記錄界面按照?qǐng)?bào)警、正常停車(chē)、安全停車(chē)、緊急停車(chē)分別顯示記錄，可以統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)發(fā)生次數(shù)最多的故障。健康評(píng)估界面可以對(duì)索道的健康狀況打分。

圖7 離合器數(shù)據(jù)顯示界面

3.4 客運(yùn)索道系統(tǒng)健康評(píng)分

在采集、存儲(chǔ)索道的狀態(tài)數(shù)據(jù)后，可以借助評(píng)價(jià)體系來(lái)為索道的健康狀況評(píng)分，為索道的檢修提供輔助參考。客運(yùn)索道是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其健康狀況評(píng)分需要結(jié)合各部件的健康診斷，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法最終計(jì)算得到系統(tǒng)的健康狀態(tài)[6]。模糊綜合評(píng)價(jià)法是應(yīng)用模糊系統(tǒng)的原理，從多個(gè)因素對(duì)被評(píng)判事物的隸屬度等級(jí)狀況進(jìn)行綜合評(píng)判的方法。采用綜合模糊評(píng)價(jià)法先建立索道健康系統(tǒng)評(píng)價(jià)因素集，影響客運(yùn)索道健康診斷的因素包括驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、減速器、抱索器、制動(dòng)液壓站、張緊液壓站、離合器、鋼絲繩、站內(nèi)開(kāi)關(guān)設(shè)備、區(qū)域檢測(cè)、高速閘、低速閘。因素集用U表示，U=(u1，u2…um)，其中ui為影響評(píng)價(jià)索道健康狀況的第i個(gè)因素。

設(shè)索道健康狀況的評(píng)價(jià)集為V=(v1v2v3v4)，v1為設(shè)備狀況優(yōu)秀，指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)，可以繼續(xù)使用；v2為設(shè)備狀況良好，指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，可以繼續(xù)使用；v3為設(shè)備狀況及格，指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，但仍在安全閾值內(nèi)；v4表示設(shè)備狀況差，無(wú)法繼續(xù)使用。因素集U中第i個(gè)元素對(duì)評(píng)價(jià)集V中第1 個(gè)元素的隸屬度為ri1，對(duì)第i個(gè)元素單因素評(píng)價(jià)的結(jié)果用模糊集合表示為Ri=(ri1ri2ri3ri4)，各因素的評(píng)價(jià)集由專(zhuān)家評(píng)分給出，專(zhuān)家評(píng)分時(shí)可以參照設(shè)備在完成維保后一定時(shí)間內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)備健康狀況做出評(píng)價(jià)，得到單因素評(píng)價(jià)向量，生成模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣R。

通過(guò)層次分析法AHP 的成對(duì)比較陣來(lái)構(gòu)造權(quán)向量A=(a1a2…am)，各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重滿(mǎn)足

各評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果如表1 所示。

評(píng)價(jià)結(jié)果S=AR=(s1s2s3s4)，若s4=0，則系統(tǒng)無(wú)法繼續(xù)運(yùn)營(yíng)，必須處理對(duì)應(yīng)故障點(diǎn)；s4≠0，系統(tǒng)健康狀態(tài)為

式中：Hsys為客運(yùn)索道健康診斷結(jié)果。

若最大值為s1，則索道健康狀況為優(yōu)。

3.5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)CPU 型號(hào)為L(zhǎng)ogix5000 系列，以太網(wǎng)模塊型號(hào)為1756-ENT，與實(shí)際工程應(yīng)用相同，按照?qǐng)?bào)文協(xié)議編寫(xiě)了實(shí)驗(yàn)程序，按照手動(dòng)置位、定時(shí)發(fā)送2 種方式發(fā)送數(shù)據(jù)包來(lái)模擬事件數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)的發(fā)送進(jìn)行驗(yàn)證。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)可以準(zhǔn)確記錄發(fā)送的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。自由設(shè)定需要讀取數(shù)據(jù)的范圍，可以讀取相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，提取特征值，生成圖表，按照專(zhuān)家打分結(jié)果得到索道系統(tǒng)健康狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種客運(yùn)索道數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式，硬件結(jié)構(gòu)為傳感器、PLC 加上位機(jī)，編程軟件使用LabVIEW，可以實(shí)現(xiàn)索道狀態(tài)數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲(chǔ)、檢索、提取特征值、健康狀態(tài)評(píng)分，使用此系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地記錄索道的運(yùn)行數(shù)據(jù)，方便地檢索數(shù)據(jù)，索道健康評(píng)分系統(tǒng)可以幫助索道運(yùn)維人員判斷索道設(shè)備的健康狀況，減少了運(yùn)維人員的工作量。此系統(tǒng)的功能有助于實(shí)現(xiàn)索道迂回站的無(wú)人值守以及為索道數(shù)字化提升提供數(shù)據(jù)支持。