客运索道数据系统设计

孙安国 陈 虎 冯显宗 赵振邦 祝 贺

北京起重运输机械设计研究院有限公司 北京 100007

0 引言

当前索道运行状态的记录还依赖手记或人工录入电脑，对于数据量大、易遗漏的运行状态信息，常存在错记、漏记的情况，数据的正确性与时效性得不到保障[1]。人工记录的数据还存在不易查看、统计繁琐等问题，致使目标信息的提取困难，使实际工作中，工作人员对索道运行状态的记录工作积极性不高，更加进一步降低了记录数据的有效性。因此，实现索道运行状态数据的自动记录、增加数据检索功能既可减少运维人员的工作量，可及时、准确地记录索道运行数据，对于提高索道的信息化水平、保障索道的安全运营具有重要的意义。

1 索道数据记录系统设计

索道数据记录系统总体设计分为数据采集、数据存储和数据检索3 部分，总体架构如图1 所示。

图1 数据记录系统总体架构

数据采集部分程序包括PLC 数据采集程序与上位机通信程序，PLC 数据采集程序中需要将采集到的状态数据按照既定报文格式打包，做好数据发送准备；按照上位机通信程序中需要按照采用的通讯协议，发送数据包至上位机。

数据接收存储程序运行后，上位机与PLC建立连接，等待PLC 发送数据，当有程序设定的事件发生时，PLC按照报文格式打包，然后发送。上位机接收数据包后，按照报文格式解析数据包，解包后的数据按照存储格式参数化写入至数据库中。上位机中需要编写数据解析程序、调用存储数据库程序。

数据检索程序需要按照设定的检索条件检索运行数据，提取出特征值，以图表等形式显示数据。根据索道运营所采集到的数据，由设定的算法对索道的健康状况做评估打分，使运维人员更有针对性地对设备维护保养。

2 数据的采集、发送

2.1 采集数据分类

数据自动记录系统记录的数据主要分为设备运行数据和事件数据。设备运行数据是索道长时间运转产生的数据，这部分数据时间尺度大，采集时需要按照设定的时间间隔采集。该部分数据主要包括电动机电枢电压、电枢电流、电动机转速、大轮编码器速度、主电动机温度、润滑油箱温度、减速器轴温度、蓄电池电量、张紧压力等。

事件数据则对应索道运行中设备一次性或短时间的动作状态，该部分数据主要包括索道的各种停车故障信息（根据故障的严重程度及需要采用的停车方式可以分为紧急停车、安全停车、正常停车、报警4 类），张紧站电动机打压工作过程、张紧站泄压电磁阀泄压工作过程、制动站电动机打压工作过程、高速闸开合切换、低速闸开合切换、抱索力、离合器动作过程等。

2.2 数据采集

对于大部分的设备运行数据和事件数据，通过温度传感器、限位开关、接近开关、编码器、设备模拟量输出口等感知元件接入PLC 对应的数字量输入模块、模拟量输入模块、高速计数模块即可获取。对于索道运行十分重要的驱动控制系统的故障信息，无法直接接入系统，在发生故障时，故障信息常被忽略，致使故障排查困难。客运索道最常用的驱动设备为DCS 系列变流器，现以DCS880 与Logix5000 系列PLC 设置为例，简述如何配置PLC 和DCS880 以获取驱动控制系统的故障代码等信息。

DCS880 需加装RETA-01 通讯模块，设置模块IP地址与PLC 同网段，PLC 需先导入DCS880 的Eds 文件，添加Ethernet 模块，按照需要读取的字节数查找手册通讯实例设置Ethernet 的Assembly Instance 属性，设置IP 地址与RENA-01 模块相同[2]。设置DCS880 参数组52，选择需要读取的故障字、报警字。在PLC 与DCS880 建立通讯连接后，即可将52 参数组信息读取至对应标签，Ethernet 模块设置如图2 所示。

图2 Ethernet 模块设置

对于其他通过以太网接入的设备，按照采用的通讯协议，在PLC 中配置对应协议的通讯程序，以实现数据的接入。

2.3 PLC 与上位机通信实现

PLC 作为索道的控制中心，可以监测站内传感器、支架、电动机、吊箱等设备的状态信息，但要将采集的数据存储在PLC 内，通过触摸屏显示，程序复杂且存储能力有限，效果不佳。因此，要实现数据的自动存储，首先要实现PLC 与上位机的通讯，借由上位机软件存储数据[3]。实现的方式一般为OPC 通讯[4]，通过配置标签读取PLC 中参数信息，采用OPC 通讯方式，可以实时读取PLC 中的标签值[5]，但需要采集的数据大部分为事件数据不需要实时读取，设置固定的读取时间会造成事件数据的遗漏，且上位机与PLC 采取OPC 通讯方式可能会与触摸屏发生冲突，影响触摸屏的正常使用。因此，采用PLC 发送数据，上位机接收然后存储的模式更为适合。本文采用的与上位机的通讯协议为TCP/IP 协议，通过TCP／IP 协议(传输控制／网际协议)建立PLC 与上位机之间的端对端通讯，将PLC 采集的数据传输至上位机。

PLC 以太网模块型号为1756-EN2T，通过对MSG指令的设置编程可以实现基于TCP/IP协议的数据传输。PLC 作为服务器，需要设置侦听端口号，超时时间，设置如图3a 所示。上位机作为客户端，需要配置服务器的IP 地址和端口号，设置如图3b 所示。PLC 与上位机建立连接后，按照约定的报文格式发送数据包即可实现上位机与PLC 的通讯。

图3 通信设置示意图

2.4 数据发送

设备运行数据和事件数据采用不同的端口发送至上位机。设备运行数据为定时发送，时间间隔为30 s，数据大小为40 bt。在发送数据包之前，将所有的设备运行数据转换为字符串格式，按照报文格式统一存放至标签String_to_Send 中，将Send_Ready 置1，发送数据包至上位机，数据包发送完成后Server_AOI.WD 置0 等待下一次发送。发送程序如图4 所示。

图4 数据发送程序

事件数据为事件完成时发送，不同事件对应的报文格式不同，以张紧电动机动作过程为例，报文格式为“01字节数打压开始时间B 持续时间C 打压计数”，报文头为01，数据包内容包括字节数、打压开始时间、持续时间、打压记数。事件数据发送过程与设备运行数据相同，标签值有所改变。

2.5 通讯系统架构

脱挂索道使用的PLC 按用途分为驱动站PLC、迂回站PLC、张紧系统PLC，驱动站PLC 与迂回站PLC通过通信光纤、光端机连接，张紧PLC 与迂回PLC 通过网线连接，PLC 的IP 地址处于同一网段，上位机与驱动站PLC 通过交换机连接。上位机与各PLC 通信时采用不同的端口，站内PLC 与电池监测设备、电动机驱动设备通过交换机连接，Ethernet 网络内的所有设备处于同一网段内。上位机程序中应有4 个端口分别接收驱动站、迂回站的设备运行数据和事件数据，系统架构如图5 所示。

图5 系统架构示意图

3 数据存储、检索

上位机系统软件设计使用LabVIEW。LabVIEW 是一种G 语言编程软件，内置函数功能强大，包含数据采集存储所需的TCP 通信函数、数据库函数，可实现数据包的接收、数据库的调用[5]。在程序运行后，上位机与PLC 建立连接，等待PLC 发送数据，当有程序设定的事件发生时，PLC 按照报文格式打包并发送。上位机接收数据包后，按照报文格式解析数据包，解包后的数据按照存储格式参数化写入至数据库中，整个流程如图6 所示。

图6 存储、检索流程图

3.1 状态数据存储

对于状态数据的存储，在接收到数据包后，上位机系统软件解包然后将电动机电枢电压、电枢电流、电动机转速、大轮编码器速度、主电动机温度、润滑油箱温度、减速器轴温度、蓄电池电量、张紧压力等状态数据插入数据库中的设备状态数据表，并插入记录时间。

3.2 事件数据存储

张紧站电动机打压等设备动作的事件数据，按照各自的报文协议解析数据包后存储至对应的表中，对于索道中停车故障事件数据，由于停车故障事件很多，按照每个事件单独触发并发送数据包的方式程序会很繁琐，采用事件状态字方式发送。每次有故障事件发生，就将所有故障事件状态统一发送，在接收到事件状态字后，与上一次接收的事件状态字进行异或运算，值改变的，原值为1 则记录故障消除，原值为0 则记录故障发生。

3.3 数据显示

在采集、存储数据后，可设定时间范围检索数据，根据不同的数据类型，提取能够反映设备健康状况的特征值。检索的数据采用表格、图表等方式分界面显示。

主页显示索道的基本信息，张紧站、制动站界面在选择时间检索数据后，表格中显示此工作日内的所有电动机打压数据，根据检索的数据可以提取出打压时间最长的记录，2 次打压相隔最短的2 次数据记录，依据特征值判断设备状态。为了直观显示打压记录，可以选择时间尺度绘制折线图或柱形图。抱索力界面以报索力XY图展示，横坐标为记录次数，纵坐标为抱索力值，超限的数据点以红点标注。可以按照时间范围和报索力值区间检索数据，显示最大抱索力值。离合器界面可以显示各离合器的动作记录，统计各离合器最长动作时间、平均动作时间、动作次数，界面如图7 所示。故障记录界面按照报警、正常停车、安全停车、紧急停车分别显示记录，可以统计时间段内发生次数最多的故障。健康评估界面可以对索道的健康状况打分。

图7 离合器数据显示界面

3.4 客运索道系统健康评分

在采集、存储索道的状态数据后，可以借助评价体系来为索道的健康状况评分，为索道的检修提供辅助参考。客运索道是一个复杂的系统，其健康状况评分需要结合各部件的健康诊断，采用模糊综合评价法最终计算得到系统的健康状态[6]。模糊综合评价法是应用模糊系统的原理，从多个因素对被评判事物的隶属度等级状况进行综合评判的方法。采用综合模糊评价法先建立索道健康系统评价因素集，影响客运索道健康诊断的因素包括驱动控制系统、减速器、抱索器、制动液压站、张紧液压站、离合器、钢丝绳、站内开关设备、区域检测、高速闸、低速闸。因素集用U表示，U=(u1，u2…um)，其中ui为影响评价索道健康状况的第i个因素。

设索道健康状况的评价集为V=(v1v2v3v4)，v1为设备状况优秀，指标符合标准，可以继续使用；v2为设备状况良好，指标与标准偏差较小，可以继续使用；v3为设备状况及格，指标与标准偏差较大，但仍在安全阈值内；v4表示设备状况差，无法继续使用。因素集U中第i个元素对评价集V中第1 个元素的隶属度为ri1，对第i个元素单因素评价的结果用模糊集合表示为Ri=(ri1ri2ri3ri4)，各因素的评价集由专家评分给出，专家评分时可以参照设备在完成维保后一定时间内的设备运行数据，对设备健康状况做出评价，得到单因素评价向量，生成模糊综合评价矩阵R。

通过层次分析法AHP 的成对比较阵来构造权向量A=(a1a2…am)，各评价指标权重满足

各评价指标结果如表1 所示。

评价结果S=AR=(s1s2s3s4)，若s4=0，则系统无法继续运营，必须处理对应故障点；s4≠0，系统健康状态为

式中：Hsys为客运索道健康诊断结果。

若最大值为s1，则索道健康状况为优。

3.5 实验验证

实验平台CPU 型号为Logix5000 系列，以太网模块型号为1756-ENT，与实际工程应用相同，按照报文协议编写了实验程序，按照手动置位、定时发送2 种方式发送数据包来模拟事件数据和状态数据的发送进行验证。经实验，数据记录系统可以准确记录发送的数据，存储在数据库中。自由设定需要读取数据的范围，可以读取相应的实验验结果数据，提取特征值，生成图表，按照专家打分结果得到索道系统健康状态。

4 结语

本文提出一种客运索道数据记录系统的实现方式，硬件结构为传感器、PLC 加上位机，编程软件使用LabVIEW，可以实现索道状态数据的自动存储、检索、提取特征值、健康状态评分，使用此系统可以准确地记录索道的运行数据，方便地检索数据，索道健康评分系统可以帮助索道运维人员判断索道设备的健康状况，减少了运维人员的工作量。此系统的功能有助于实现索道迂回站的无人值守以及为索道数字化提升提供数据支持。