IoT開發 | 基于機智云平臺的簡易升降機安全監控信號采集與傳輸系統
本設計是由寧波特種設備檢測研究院王興等人開發完成。該簡易升降機安全監控的信號采集與傳輸系統，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，以電氣系統內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。基于需將分散的多維感知信號傳輸至監測平臺這一需求，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一個數據庫。制作出信號匯總傳輸箱在工程現場進行為期一天的測試實驗，最后通過讀取監測雙平臺的數據驗證了的信號采集與傳輸系統的可行性。
01
引 言
簡易升降機是順應中小型制造企業發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管。目前，簡易升降機的安全狀態監測以人工定期維保的形式進行 ，采用智能物聯網方法對其整體進行監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測系統的研究現狀進行后續設計。近年來國內關于電梯智能監測方面的研究較多，其中就提出采用物聯網技術對特種設備進行管理，設 計并實現了傳統電梯的智能信息化。信息化平臺可提供電梯登記、審批、監控、管理、維保記錄等常用功能。現有電梯的監控系統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控并不可行。針對這一問題本文進行了相應的研究。
02
系統總體方案介紹
本簡易升降機在線監測系統的 2 個研究內容為信號的采集與傳輸和遠程實時監測平臺設計，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。監測系統整體構成如圖 1 所示。
圖1 監測系統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，以控制現場的語音警報系統、維護保養提醒等語音系統，并將簡易升降機的內部信號和新增的鋼絲繩監測信號、紅外人員監測信號打包發送至云端，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測的雙平臺界面設計和電腦端系統數據庫設計。基于機智云提供的信號協議和模板進行手機 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 開發了數據庫，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
◆原控制器內信號采集
由于現場使用的 GLC-420A 的控制器沒有 RS485接口，現場無法從直接控制器中讀取升降機的各種狀態信號，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測系統設計的前提是監測系統不能干預原有控制系統和執行系統，本文目前的功能只是監測異常情況并發出警報；若要進行干預需待特種設備監管部門頒布簡易升降機的相關標準后，在現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的主要組成部件為 PLC CPU1215、R300 工業級路由器、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測模塊和紅外人員監測模塊這類附加監測信號和 GLC-420A 控制箱內部信號，進行匯總并用打包發送至云端。其內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 控制箱內部重要信號之外的次重要信號，也可接入例如鋼絲繩監測模塊等類似的附加模塊的信號，方便后續根據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；系統運行指示燈用于顯示系統是否正常運行；系統啟停開關用于控制系統開關機；故障報警部件用于現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。
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 載人的信號和鋼絲繩在線監測信號并進行匯總，轉碼處理過后傳至 4G 模塊；然后采用 TCP/IP 傳輸協議將數據包送至用戶端的 4G 接收模塊；最后解包轉碼即可在移動端或電腦端的監測平臺上展現簡易升降機的可視化運行狀態；并將所得的監測數據都保存在數據庫里，必要時還可對監測數據信息的進行查詢、統計和分析等工作。當監測到故障時可推送給簡易升降機的監管者和使用者；當出現安全事故時還可通過調取歷史數據進行究因和追責等。
04
遠程實時監測平臺設計遠程實時監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顯示、智能檢測模塊檢測結果狀態顯示。簡易升降機在線監測平臺工作流程如圖 9 所示。
圖9在線監測平臺工作流程簡易升降機運行狀態及其監測數據具有可視化的特點。為了使設備的監管者或使用者能更加直觀地了解情況，雙監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電腦端監測平臺
圖11移動端APP監測平臺05
數據庫設計 在獲取到簡易升降機的各類重要信號后需將實時的 數據保存到數據庫管理。必要時可定期將數據導出成表格或做成報表。電腦端數據庫的開發的基于 Microsoft Access Database，能保存簡易升降機實時狀態的多維數據和運行日志。數據庫的字段表主要有序號、設備信息和保存時間 3 類數據。其中，序號是每次接收到的多維數據包的序號，保存時間為接收并保存的時間。設備狀態則包含了 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、貨廂違規載人監測信號、鋼絲繩狀態檢測信號等多維信號。
圖12監測系統數據庫
圖 12 所示為某天實驗中監測系統記錄到的歷史數據，數據記錄周期設定為 10 s，通過對比監測數據和實際運行情況可知，該系統能穩定地采集并傳輸簡易升降機的重要運行狀態信號到監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測系統的設計和電腦端數據庫的設計，最后在實地運行測試了整套系統 24 h，驗 證了本文所設計的簡易升降機在線監測系統的可行性，為類似傳統的特種設備物聯網化提供了參考。
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