客運索道數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計

孫安國 陳 虎 馮顯宗 趙振邦 祝 賀

北京起重運輸機械設(shè)計研究院有限公司 北京 100007

0 引言

當前索道運行狀態(tài)的記錄還依賴手記或人工錄入電腦，對于數(shù)據(jù)量大、易遺漏的運行狀態(tài)信息，常存在錯記、漏記的情況，數(shù)據(jù)的正確性與時效性得不到保障[1]。人工記錄的數(shù)據(jù)還存在不易查看、統(tǒng)計繁瑣等問題，致使目標信息的提取困難，使實際工作中，工作人員對索道運行狀態(tài)的記錄工作積極性不高，更加進一步降低了記錄數(shù)據(jù)的有效性。因此，實現(xiàn)索道運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的自動記錄、增加數(shù)據(jù)檢索功能既可減少運維人員的工作量，可及時、準確地記錄索道運行數(shù)據(jù)，對于提高索道的信息化水平、保障索道的安全運營具有重要的意義。

1 索道數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)設(shè)計

索道數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)總體設(shè)計分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和數(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)按照既定報文格式打包，做好數(shù)據(jù)發(fā)送準備；按照上位機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。

數(shù)據(jù)接收存儲程序運行后，上位機與PLC建立連接，等待PLC 發(fā)送數(shù)據(jù)，當有程序設(shè)定的事件發(fā)生時，PLC按照報文格式打包，然后發(fā)送。上位機接收數(shù)據(jù)包后，按照報文格式解析數(shù)據(jù)包，解包后的數(shù)據(jù)按照存儲格式參數(shù)化寫入至數(shù)據(jù)庫中。上位機中需要編寫數(shù)據(jù)解析程序、調(diào)用存儲數(shù)據(jù)庫程序。

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)索道運營所采集到的數(shù)據(jù)，由設(shè)定的算法對索道的健康狀況做評估打分，使運維人員更有針對性地對設(shè)備維護保養(yǎng)。

2 數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送

2.1 采集數(shù)據(jù)分類

數(shù)據(jù)自動記錄系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)主要分為設(shè)備運行數(shù)據(jù)和事件數(shù)據(jù)。設(shè)備運行數(shù)據(jù)是索道長時間運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，這部分數(shù)據(jù)時間尺度大，采集時需要按照設(shè)定的時間間隔采集。該部分數(shù)據(jù)主要包括電動機電樞電壓、電樞電流、電動機轉(zhuǎn)速、大輪編碼器速度、主電動機溫度、潤滑油箱溫度、減速器軸溫度、蓄電池電量、張緊壓力等。

事件數(shù)據(jù)則對應(yīng)索道運行中設(shè)備一次性或短時間的動作狀態(tài)，該部分數(shù)據(jù)主要包括索道的各種停車故障信息（根據(jù)故障的嚴重程度及需要采用的停車方式可以分為緊急停車、安全停車、正常停車、報警4 類），張緊站電動機打壓工作過程、張緊站泄壓電磁閥泄壓工作過程、制動站電動機打壓工作過程、高速閘開合切換、低速閘開合切換、抱索力、離合器動作過程等。

2.2 數(shù)據(jù)采集

對于大部分的設(shè)備運行數(shù)據(jù)和事件數(shù)據(jù)，通過溫度傳感器、限位開關(guān)、接近開關(guān)、編碼器、設(shè)備模擬量輸出口等感知元件接入PLC 對應(yīng)的數(shù)字量輸入模塊、模擬量輸入模塊、高速計數(shù)模塊即可獲取。對于索道運行十分重要的驅(qū)動控制系統(tǒng)的故障信息，無法直接接入系統(tǒng)，在發(fā)生故障時，故障信息常被忽略，致使故障排查困難?？瓦\索道最常用的驅(qū)動設(shè)備為DCS 系列變流器，現(xiàn)以DCS880 與Logix5000 系列PLC 設(shè)置為例，簡述如何配置PLC 和DCS880 以獲取驅(qū)動控制系統(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)查找手冊通訊實例設(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)組信息讀取至對應(yīng)標簽，Ethernet 模塊設(shè)置如圖2 所示。

圖2 Ethernet 模塊設(shè)置

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

2.3 PLC 與上位機通信實現(xiàn)

PLC 作為索道的控制中心，可以監(jiān)測站內(nèi)傳感器、支架、電動機、吊箱等設(shè)備的狀態(tài)信息，但要將采集的數(shù)據(jù)存儲在PLC 內(nèi)，通過觸摸屏顯示，程序復(fù)雜且存儲能力有限，效果不佳。因此，要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動存儲，首先要實現(xiàn)PLC 與上位機的通訊，借由上位機軟件存儲數(shù)據(jù)[3]。實現(xiàn)的方式一般為OPC 通訊[4]，通過配置標簽讀取PLC 中參數(shù)信息，采用OPC 通訊方式，可以實時讀取PLC 中的標簽值[5]，但需要采集的數(shù)據(jù)大部分為事件數(shù)據(jù)不需要實時讀取，設(shè)置固定的讀取時間會造成事件數(shù)據(jù)的遺漏，且上位機與PLC 采取OPC 通訊方式可能會與觸摸屏發(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)，上位機接收然后存儲的模式更為適合。本文采用的與上位機的通訊協(xié)議為TCP/IP 協(xié)議，通過TCP／IP 協(xié)議(傳輸控制／網(wǎng)際協(xié)議)建立PLC 與上位機之間的端對端通訊，將PLC 采集的數(shù)據(jù)傳輸至上位機。

PLC 以太網(wǎng)模塊型號為1756-EN2T，通過對MSG指令的設(shè)置編程可以實現(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)置偵聽端口號，超時時間，設(shè)置如圖3a 所示。上位機作為客戶端，需要配置服務(wù)器的IP 地址和端口號，設(shè)置如圖3b 所示。PLC 與上位機建立連接后，按照約定的報文格式發(fā)送數(shù)據(jù)包即可實現(xiàn)上位機與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。設(shè)備運行數(shù)據(jù)為定時發(fā)送，時間間隔為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)備運行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字符串格式，按照報文格式統(tǒng)一存放至標簽String_to_Send 中，將Send_Ready 置1，發(fā)送數(shù)據(jù)包至上位機，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)為事件完成時發(fā)送，不同事件對應(yīng)的報文格式不同，以張緊電動機動作過程為例，報文格式為“01字節(jié)數(shù)打壓開始時間B 持續(xù)時間C 打壓計數(shù)”，報文頭為01，數(shù)據(jù)包內(nèi)容包括字節(jié)數(shù)、打壓開始時間、持續(xù)時間、打壓記數(shù)。事件數(shù)據(jù)發(fā)送過程與設(shè)備運行數(shù)據(jù)相同，標簽值有所改變。

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)動站PLC、迂回站PLC、張緊系統(tǒng)PLC，驅(qū)動站PLC 與迂回站PLC通過通信光纖、光端機連接，張緊PLC 與迂回PLC 通過網(wǎng)線連接，PLC 的IP 地址處于同一網(wǎng)段，上位機與驅(qū)動站PLC 通過交換機連接。上位機與各PLC 通信時采用不同的端口，站內(nèi)PLC 與電池監(jiān)測設(shè)備、電動機驅(qū)動設(shè)備通過交換機連接，Ethernet 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有設(shè)備處于同一網(wǎng)段內(nèi)。上位機程序中應(yīng)有4 個端口分別接收驅(qū)動站、迂回站的設(shè)備運行數(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、檢索

上位機系統(tǒng)軟件設(shè)計使用LabVIEW。LabVIEW 是一種G 語言編程軟件，內(nèi)置函數(shù)功能強大，包含數(shù)據(jù)采集存儲所需的TCP 通信函數(shù)、數(shù)據(jù)庫函數(shù)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的接收、數(shù)據(jù)庫的調(diào)用[5]。在程序運行后，上位機與PLC 建立連接，等待PLC 發(fā)送數(shù)據(jù)，當有程序設(shè)定的事件發(fā)生時，PLC 按照報文格式打包并發(fā)送。上位機接收數(shù)據(jù)包后，按照報文格式解析數(shù)據(jù)包，解包后的數(shù)據(jù)按照存儲格式參數(shù)化寫入至數(shù)據(jù)庫中，整個流程如圖6 所示。

圖6 存儲、檢索流程圖

3.1 狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲

對于狀態(tài)數(shù)據(jù)的存儲，在接收到數(shù)據(jù)包后，上位機系統(tǒng)軟件解包然后將電動機電樞電壓、電樞電流、電動機轉(zhuǎn)速、大輪編碼器速度、主電動機溫度、潤滑油箱溫度、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)庫中的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)表，并插入記錄時間。

3.2 事件數(shù)據(jù)存儲

張緊站電動機打壓等設(shè)備動作的事件數(shù)據(jù)，按照各自的報文協(xié)議解析數(shù)據(jù)包后存儲至對應(yīng)的表中，對于索道中停車故障事件數(shù)據(jù)，由于停車故障事件很多，按照每個事件單獨觸發(fā)并發(fā)送數(shù)據(jù)包的方式程序會很繁瑣，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)字進行異或運算，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、存儲數(shù)據(jù)后，可設(shè)定時間范圍檢索數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型，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。

主頁顯示索道的基本信息，張緊站、制動站界面在選擇時間檢索數(shù)據(jù)后，表格中顯示此工作日內(nèi)的所有電動機打壓數(shù)據(jù)，根據(jù)檢索的數(shù)據(jù)可以提取出打壓時間最長的記錄，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，可以選擇時間尺度繪制折線圖或柱形圖。抱索力界面以報索力XY圖展示，橫坐標為記錄次數(shù)，縱坐標為抱索力值，超限的數(shù)據(jù)點以紅點標注?？梢园凑諘r間范圍和報索力值區(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作記錄，統(tǒng)計各離合器最長動作時間、平均動作時間、動作次數(shù)，界面如圖7 所示。故障記錄界面按照報警、正常停車、安全停車、緊急停車分別顯示記錄，可以統(tǒng)計時間段內(nèi)發(fā)生次數(shù)最多的故障。健康評估界面可以對索道的健康狀況打分。

圖7 離合器數(shù)據(jù)顯示界面

3.4 客運索道系統(tǒng)健康評分

在采集、存儲索道的狀態(tài)數(shù)據(jù)后，可以借助評價體系來為索道的健康狀況評分，為索道的檢修提供輔助參考?？瓦\索道是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其健康狀況評分需要結(jié)合各部件的健康診斷，采用模糊綜合評價法最終計算得到系統(tǒng)的健康狀態(tài)[6]。模糊綜合評價法是應(yīng)用模糊系統(tǒng)的原理，從多個因素對被評判事物的隸屬度等級狀況進行綜合評判的方法。采用綜合模糊評價法先建立索道健康系統(tǒng)評價因素集，影響客運索道健康診斷的因素包括驅(qū)動控制系統(tǒng)、減速器、抱索器、制動液壓站、張緊液壓站、離合器、鋼絲繩、站內(nèi)開關(guān)設(shè)備、區(qū)域檢測、高速閘、低速閘。因素集用U表示，U=(u1，u2…um)，其中ui為影響評價索道健康狀況的第i個因素。

設(shè)索道健康狀況的評價集為V=(v1v2v3v4)，v1為設(shè)備狀況優(yōu)秀，指標符合標準，可以繼續(xù)使用；v2為設(shè)備狀況良好，指標與標準偏差較小，可以繼續(xù)使用；v3為設(shè)備狀況及格，指標與標準偏差較大，但仍在安全閾值內(nèi)；v4表示設(shè)備狀況差，無法繼續(xù)使用。因素集U中第i個元素對評價集V中第1 個元素的隸屬度為ri1，對第i個元素單因素評價的結(jié)果用模糊集合表示為Ri=(ri1ri2ri3ri4)，各因素的評價集由專家評分給出，專家評分時可以參照設(shè)備在完成維保后一定時間內(nèi)的設(shè)備運行數(shù)據(jù)，對設(shè)備健康狀況做出評價，得到單因素評價向量，生成模糊綜合評價矩陣R。

通過層次分析法AHP 的成對比較陣來構(gòu)造權(quán)向量A=(a1a2…am)，各評價指標權(quán)重滿足

各評價指標結(jié)果如表1 所示。

評價結(jié)果S=AR=(s1s2s3s4)，若s4=0，則系統(tǒng)無法繼續(xù)運營，必須處理對應(yīng)故障點；s4≠0，系統(tǒng)健康狀態(tài)為

式中：Hsys為客運索道健康診斷結(jié)果。

若最大值為s1，則索道健康狀況為優(yōu)。

3.5 實驗驗證

實驗平臺CPU 型號為Logix5000 系列，以太網(wǎng)模塊型號為1756-ENT，與實際工程應(yīng)用相同，按照報文協(xié)議編寫了實驗程序，按照手動置位、定時發(fā)送2 種方式發(fā)送數(shù)據(jù)包來模擬事件數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)的發(fā)送進行驗證。經(jīng)實驗，數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)可以準確記錄發(fā)送的數(shù)據(jù)，存儲在數(shù)據(jù)庫中。自由設(shè)定需要讀取數(shù)據(jù)的范圍，可以讀取相應(yīng)的實驗驗結(jié)果數(shù)據(jù)，提取特征值，生成圖表，按照專家打分結(jié)果得到索道系統(tǒng)健康狀態(tài)。

4 結(jié)語

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