IoT開發(fā) | 基于機智云平臺的簡易升降機安全監(jiān)控信號采集與傳輸系統(tǒng)
本設計是由寧波特種設備檢測研究院王興等人開發(fā)完成。該簡易升降機安全監(jiān)控的信號采集與傳輸系統(tǒng)，是基于不改變簡易升降機 GLC-420A 控制邏輯和動作順序這一要求，提出了一種獲取重要繼電器開關量信號的方法。在 GLC-420A 單片機的輸入回路中重要地方串接一個繼電器，以電氣系統(tǒng)內(nèi)部信號如平層信號激活新增繼電器，即可將原始信號一分為二?；谛鑼⒎稚⒌亩嗑S感知信號傳輸至監(jiān)測平臺這一需求，設計了一種適用于簡易升降機的信號匯總傳輸箱。借助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，電腦端界面采用JavaScript 瀏覽器腳本語言編寫；為了保存設備的運行記錄和故障報警記錄開發(fā)一個數(shù)據(jù)庫。制作出信號匯總傳輸箱在工程現(xiàn)場進行為期一天的測試實驗，最后通過讀取監(jiān)測雙平臺的數(shù)據(jù)驗證了的信號采集與傳輸系統(tǒng)的可行性。
01
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(chǎn)物，我國將其納入特種起重設備范疇并進行監(jiān)管。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 ，采用智能物聯(lián)網(wǎng)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(nèi)關于電梯智能監(jiān)測方面的研究較多，其中就提出采用物聯(lián)網(wǎng)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?，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。
02
系統(tǒng)總體方案介紹
本簡易升降機在線監(jiān)測系統(tǒng)的 2 個研究內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(wǎng)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?；跈C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。03
電路改造升級
◆原控制器內(nèi)信號采集
由于現(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。
◆信號匯總傳輸模塊設計
信號匯總傳輸模塊內(nèi)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(nèi)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(nèi)部信號，進行匯總并用打包發(fā)送至云端。其內(nèi)部線路原理構成如圖 5 - 圖 7 所示。
圖5 PCL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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)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；最后解包轉(zhuǎn)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(diào)取歷史數(shù)據(jù)進行究因和追責等。
04
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05
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(nèi)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監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫
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。
06
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(nèi)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(wǎng)化提供了參考。
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原文標題：IoT開發(fā) | 基于機智云平臺的簡易升降機安全監(jiān)控信號采集與傳輸系統(tǒng)
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