基于机智云平台的升降机安全监控信号采集与传输采集

Kara

基于机智云AIoT平台的简易升降机安全监控信号采集与传输系统

本设计是由宁波特种设备检测研究院王兴等人开发完成。该简易升降机安全监控的信号采集与传输系统。基于不改变简易升降机 GLC-420A 控制逻辑和动作顺序这一要求，提出了一种获取重要继电器开关量信号的方法。

在 GLC-420A 单片机的输入回路中重要地方串接一个继电器，以电气系统内部信号如平层信号激活新增继电器，即可将原始信号一分为二。基于需将分散的多维感知信号传输至监测平台这一需求，设计了一种适用于简易升降机的信号汇总传输箱。

借助机智云提供的信号协议和模板进行手机 APP 功能的部署和界面设计，电脑端界面采用JavaScript 浏览器脚本语言编写；为了保存设备的运行记录和故障报警记录，开发了一个数据库。制作出信号汇总传输箱在工程现场进行为期一天的测试实验，最后通过读取监测双平台的数据验证了的信号采集与传输系统的可行性。

一、引言

简易升降机是顺应中小型制造企业发展趋势而诞生的产物，我国将其纳入特种起重设备范畴并进行监管。目前，简易升降机的安全状态监测以人工定期维保的形式进行 ，采用智能物联网方法对其整体进行监测的成果或研究几乎空白，故本文参考家用或办公用标准电梯智能监测系统的研究现状进行后续设计。

近年来国内关于电梯智能监测方面的研究较多，其中就提出采用物联网技术对特种设备进行管理，设计并实现了传统电梯的智能信息化。信息化平台可提供 电梯登记、审批、监控、管理、维保记录等常用功能。现有电梯的监控系统在功能上能满足基本需求，但存在信号采集传输方式不具有普适性的情 况，借鉴这些方法用于简易升降机的监控并不可行。针对这一问题本文进行了相应的研究。

二、系统总体方案介绍

本文简易升降机在线监测系统的 2 个研究内容为信号的采集与传输和远程实时监测平台设计，其目的是为了将简易升降机分散的多维感知信号进行汇总传输，能远程通过电脑或者手机方便且及时地了解机器的运行状况。监测系统整体构成如图 1 所示。

图 1 监测系统整体构成

信号的采集与传输主要包括2 个工作：读取升降机内部电信号和信号汇总传输箱的设计。本文将对型号为 SQ1.0 的简易升降机进行电路改造，以读取出入 GLC-420A 主控控制箱内部重要的继电器通断等信号；增加一个以 CPU1215 和 4G 无线通讯模块的为核心的信号汇总传输箱，以控制现场的语音警报系统、维护保养提醒等语音系统，并将简易升降机的内部信号和新增的钢丝绳监测信号、红外人员监测信号打包发送至云端，然后推送至手机 APP 或 PC 网页端进行展示保存。

实时监测平台设计主要包括 2 个工作：简易升降机实时运行状况监测的双平台界面设计和电脑端系统数据库设计。基于机智云提供的信号协议和模板进行手机 APP 功能的部署和界面设计 [6]，电脑端界面采用 JavaScript 浏览器脚本语言编写，兼容性强。此外，电脑端平台基于Microsoft Access Database 开发了数据库，来保存简易升降机的操作和运行日志，便于分析改进。

三、电路改造升级

3.1 原控制器内信号采集

因为现场使用的 GLC-420A 的控制器没有 RS485接口，现场无法从直接控制器中读取升降机的各种状态信号，故需在如单片机输入回路中的重要开关后串接一个继电器，用外接的例如平层信号来直接激活新增的继电器合闸，继电器的触点即可分出同样的信号分别输出到 GLC-420A 控制器和新增的 PLC CPU1215。

对简易升降机电气结构的进行分析，选取数个重要信号的继电器进行改造以获取其开关量信号。需在 X11-14 的1 楼、2 楼、3 楼、4 楼平层信号前、CZ 超载处、 X25 检修 / 运行处新增总计 6 个继电器；接触器信号可直接增加 2 个辅助触点即可获得，故不用增加继电器；层门连锁信号也可从现有 KDL 获得。

关于新增继电器在原 GLC-420A 控制回路中的接线方式，以X11-14 平层信号为例，KA1-4 为新增继电器。 CZ 超载处和 X25 检修 / 运行处接线同理。新增的继电器接线如图 2、图 3 所示。

图 2 继电器逻辑接线

图 3 继电器供电接线

图 4 为控制箱的电路改造前和改造后的布线图。进行简易升降机在线监测系统设计的前提是监测系统不能干预原有控制系统和执行系统，本文目前的功能只是监测异常情况并发出警报；若要进行干预需待特种设备监管部门颁布简易升降机的相关标准后，在现有的基本线路上进行更改即可。故本次线路改造后，并未改动简易升降机原有的控制逻辑和动作顺序，也不会影响其正常 工作。在硬件上仅增加了 2 个辅助触点（改动 1）和 6 个继电器（改动 3），和 485 四芯通讯线缆 3 根（改动 2）。 改造完成后即可获得各重要继电器的开关量信号，使得简易升降机内部重要电信号获取的设计在实际工程上完全可行。

图 4 电路改造前和改造后的布线对比

2.2 信号汇总传输模块设计

信号汇总传输模块内的主要组成部件为 PLC CPU1215、R300 工业级路由器、EDR-150-24 电源、4 路语音控制器、内部通讯板、语音警报喇叭、接线端子排等。信号汇总传输模块是除简易升降原有控制箱外额外设计的一个模块，该模块的功能是接收来至钢丝绳监测模块和红外人员监测模块这类附加监测信号和 GLC-420A 控制箱内部信号，进行汇总并用打包发送至云端。其内部线路原理构成如图 5 ～图 7 所示。

图5 PLC点位

图 6 语音模块原理

图7  端子图

其中预留了若干个接口，可采集除本文所选取的 GLC-420A 控制箱内部重要信号之外的次重要信号，也 可接入例如钢丝绳监测模块等类似的附加模块的信号，方便后续根据实际情况进行升级或者选配。

图 8 为信号汇总传输模块箱体的面板设计图和面板实物图。该箱体可以采用挂式安装，防护等级为 IP44，可一定程度上防水防尘，箱体外壳与钢丝绳信号采集处理箱一致，焊接了接地螺丝，除去静电干扰。面板上布置有电源接通指示灯用于显示供电是否正常；系统运行指示灯用于显示系统是否正常运行；系统启停开关用于控制系统开关机；故障报警部件用于现场语音加闪光灯提醒；消音按钮用于临时消除故障报警。刷卡器是监管部门在对简易升降机进行年检合格后，用加密卡进行复位的监管手段，能督促设备使用者注意维保，确保简易升降机有良好的运行状态。

图 8 信号汇总传输箱内部和外部实物图

主要工作流程为：首先通过 RS485 串口等采集简易升降机 GLC-420A 主控制箱信号、货厢内是否违规 载人的信号和钢丝绳在线监测信号并进行汇总，转码处理过后传至 4G 模块；然后采用 TCP/IP 传输协议将数据包送至用户端的 4G 接收模块 [7]；最后解包转码即可在移动端或电脑端的监测平台上展现简易升降机的可视化运行状态；并将所得的监测数据都保存在数据库里，必要时还可对监测数据信息的进行查询、统计和分析等工作。当监测到故障时可推送给简易升降机的监管者和使用者；当出现安全事故时还可通过调取历史数据进行究因和追责等。

四、远程实时监测平台设计

远程实时监控的平台有电脑端和移动端双平台。手机 APP 平台基于机智云提供的信号协议和模板进行部署和界面设计，电脑端界面采用 JavaScript 浏览器脚本语言编写，兼容性强。双平台均采用可视化的界面和操作逻辑，都具有登录界面、GLC-420A 控制箱重要输入输出开关量状态显示、智能检测模块检测结果状态显示。简易升降机在线监测平台工作流程如图 9 所示。

图 9 在线监测平台工作流程

简易升降机运行状态及其监测数据具有可视化的特点。为了使设备的监管者或使用者能更加直观地了解情况，双监测平台的各类信号都单独以块或条显示，更便于操作。电脑端界面和移动端界面分别如图 10 和图 11所示。

图 10 电脑端监测平台

图 11 移动端 APP 监测平台

五、数据库设计

在获取到简易升降机的各类重要信号后需将实时的 数据保存到数据库管理。必要时可定期将数据导出成表格或做成报表。电脑端数据库的开发的基于 Microsoft Access Database，能保存简易升降机实时状态的多维数据和运行日志。数据库的字段表主要有序号、设备信息和保存时间 3 类数据。

其中，序号是每次接收到的多维数据包的序号，保存时间为接收并保存的时间。设备状态则包含了 1 ～ 4 楼的平层信号、内门和外门的平层信号、超载信号、上行和下行启动信号、运行检修信号、货厢违规载人监测信号、钢丝绳状态检测信号等多维信号。 图 12 所示为某天实验中监测系统记录到的历史数据，数据记录周期设定为 10 s，通过对比监测数据和实际运行情况可知，该系统能稳定地采集并传输简易升降机的重要运行状态信号到监测平台进行展示并保存。

图 12 监测系统数据库

六、总结

为了采集简易升降机分散的多维感知信号并进行汇总、传输和展示。本文对其进行电路改造升级工作和远程实时监测平台的设计。

1）提出了一种采集简易升降机内部电气系统的重要继电器和接触器开关量信号的方法，以此来对原电路 进行改造升级。并设计了以 PLC CPU1215、R300 工业级路由器等为核心的信号汇总和传输模块。

2）完成了双平台在线监测系统的设计和电脑端数据库的设计，最后在实地运行测试了整套系统 24 h，验 证了本文所设计的简易升降机在线监测系统的可行性，为类似传统的特种设备物联网化提供了参考。