□ 張春娟 □ 巫濤江,2 □ 余曉毅,2 □ 郭松梅 □ 尹勁松

1.重慶能源職業(yè)學(xué)院 重慶 402247 2.電梯智能運維重慶市高校工程中心 重慶 402260

1 設(shè)計背景

隨著電梯的廣泛應(yīng)用,電梯的故障和安全隱患愈發(fā)引起人們的重視[1-5]。對于各種大型室外觀光電梯或者礦用電梯而言,由于鋼架結(jié)構(gòu)獨立安裝于轎廂外部,對鋼架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、導(dǎo)軌的位移進行智能遠(yuǎn)程安全監(jiān)測[6-7],以保證電梯的安全運行十分有必要。光纖光柵傳感器具有準(zhǔn)分布式檢測、體積小、可靠性好、靈敏度高、可遠(yuǎn)程傳送等優(yōu)勢[8-9],基于光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測系統(tǒng)已應(yīng)用于鋼架結(jié)構(gòu)電梯的安全監(jiān)控。針對該傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng),筆者設(shè)計了相應(yīng)的電梯運行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件。這一軟件可以根據(jù)光纖光柵傳感器布設(shè)情況,在專業(yè)界面上自主設(shè)置和布局傳感器的類型、數(shù)量、連接方式,實時顯示相應(yīng)監(jiān)測點的應(yīng)力、位移、溫度,為電梯的安全運行提供大數(shù)據(jù)支撐。

2 軟件功能

電梯運行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件基于面向電梯鋼架結(jié)構(gòu)現(xiàn)場的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計,設(shè)置于電梯運維監(jiān)測中心的上位機。整個電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。監(jiān)控現(xiàn)場的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)由準(zhǔn)分布式光纖光柵應(yīng)變傳感器和準(zhǔn)分布式光纖光柵位移傳感器構(gòu)成,采用空分復(fù)用+波分復(fù)用的方案,通過多通道信號解調(diào)儀解調(diào)各個傳感節(jié)點的波長漂移數(shù)據(jù),通過以太網(wǎng)端口實時詢問和接收來自多通道信號解調(diào)儀的波長漂移數(shù)據(jù),由軟件快速解算出相應(yīng)監(jiān)測點的應(yīng)力、位移、溫度,同時支持?jǐn)?shù)據(jù)存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

3 軟件架構(gòu)

電梯運行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件架構(gòu)分為三層,如圖2所示,分別為數(shù)據(jù)訪問層、邏輯控制層、表示層。數(shù)據(jù)訪問層的功能是向多通道信號解調(diào)儀發(fā)送命令,接收多通道信號解調(diào)儀的數(shù)據(jù)流。這些命令及數(shù)據(jù)流包含基礎(chǔ)狀態(tài)、基礎(chǔ)配置、光柵配置、光柵屬性、接收數(shù)據(jù)記錄、歷史數(shù)據(jù)等。邏輯控制層是上下層鏈路的邏輯通道,功能是完成軟件功能的模塊化,包括波長解析算法、頻率解析算法、溫度解析算法、應(yīng)力解析算法、位移解析算法、報警數(shù)據(jù)分析等,實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取、配置讀取、數(shù)據(jù)保存、配置保存等功能,并負(fù)責(zé)訪問軟件的數(shù)據(jù)庫。表示層為軟件的用戶接口,包括專業(yè)用戶接口和普通用戶接口。操作人員可以在專業(yè)用戶界面設(shè)置軟件的相關(guān)參數(shù)和配置,從模擬環(huán)境模塊中導(dǎo)入實際的傳感網(wǎng)絡(luò)配置圖,并設(shè)置傳感網(wǎng)絡(luò)中各類傳感器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、布局、具體參數(shù),通過光譜模式實時查看某個通道中某個傳感器的光譜,進行頻率監(jiān)控,完成傳感器的故障診斷及定位。普通用戶可以通過普通用戶接口直觀地觀察傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、各種統(tǒng)計信息,以及各個傳感器實時輸出數(shù)據(jù)曲線的變化。

▲圖1 電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

▲圖2 電梯運行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件架構(gòu)

4 通信協(xié)議及命令格式

上位機軟件與多通道信號解調(diào)儀通過以太網(wǎng)接口進行數(shù)據(jù)傳輸,通信接口為 100 Mbit/s以太網(wǎng)接口,協(xié)議類型為用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議,模塊網(wǎng)絡(luò)地址為192.168.0.19,上位機網(wǎng)絡(luò)地址為192.168.0.**。

根據(jù)多通道信號解調(diào)儀的硬件通信協(xié)議格式,上位機查詢動態(tài)光纖光柵解調(diào)儀的序列號設(shè)計為0x10 0x03 0x06 0x00,解調(diào)主機回傳命令格式見表1。其中,序列號為256×256×256×0xX1+256×256×0xX2+256×0xX3+0xX4。設(shè)定掃描頻率起點位置1004HHLL為196250-(0xHH×256+0xLL),掃描步長1005HHLL為0xHH×256+0xLL,掃描頻率終點位置1006HHLL為196250-(0xHH×256+0xLL),讀取原始模數(shù)數(shù)據(jù)步長1007HHLL為0xHH×256+0xLL。

表1 解調(diào)主機回傳命令格式

5 軟件工作模式

根據(jù)電梯運行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件的界面工作模式需求,設(shè)計上位機的工作模式命令為102006XX。軟件分為循環(huán)掃描、調(diào)試、連續(xù)掃描讀模數(shù)、停止掃描命令四種工作模式。循環(huán)掃描命令為10200601,默認(rèn)以1 kHz頻率掃描,1 kHz頻率連續(xù)傳送解調(diào)頻率值。調(diào)試工作命令為10200602,讀取一次解調(diào)頻率和模數(shù)值。連續(xù)掃描讀模數(shù)命令為10200604,以1 kHz頻率連續(xù)讀模數(shù)值,將原始模數(shù)數(shù)據(jù)步長設(shè)置為20 GHz。

在循環(huán)掃描工作模式中,模塊收到命令后,開始循環(huán)掃描,每掃描一個周期,通過網(wǎng)口向上位機發(fā)送頻率數(shù)據(jù)包,每個周期為1 ms,信號頻率為(X1×65 536 +X2×256+X3)/10。

在調(diào)式工作模式中,模塊收到命令后,掃描一個周期,然后分兩包發(fā)送八個通道的頻率數(shù)據(jù)和模數(shù)數(shù)據(jù)。第一包和頻率數(shù)據(jù)包相同,共530個字節(jié),關(guān)鍵字為1001,信號頻率為(X1×65 536+X2×256+X3)/10。之后有兩個字節(jié)關(guān)鍵字1005,每個通道數(shù)據(jù)前有兩個字節(jié)通道號0x000xXX。再之后是對應(yīng)通道模數(shù)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)長度為5101/模數(shù)數(shù)據(jù)步長。

在連續(xù)掃描讀模數(shù)工作模式中,模塊收到命令后,循環(huán)掃描,然后發(fā)送八個通道的模數(shù)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包頭有兩個字節(jié)關(guān)鍵字1004,每個通道數(shù)據(jù)前有兩個字節(jié)通道號0x000xXX,之后是對應(yīng)通道的模數(shù)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)長度為5101/模數(shù)數(shù)據(jù)步長。

6 運行效果

電梯運行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件包括面向?qū)I(yè)維保人員的專業(yè)界面和面向遠(yuǎn)程監(jiān)控室普通操作人員的用戶界面,如圖3所示。專業(yè)界面包括系統(tǒng)設(shè)置、器件參數(shù)、模擬環(huán)境、光譜模式等主要模塊。系統(tǒng)設(shè)置模塊用于設(shè)置軟硬件的網(wǎng)絡(luò)運行條件,測試網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸特性。器件參數(shù)模塊用于配置現(xiàn)場環(huán)境中光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)每個傳感器的類型、標(biāo)定參數(shù)、初始參數(shù),設(shè)置報警閾值等。模擬環(huán)境模塊用于專業(yè)人員對系統(tǒng)進行調(diào)用。通過專業(yè)界面左側(cè)列表可以從外部直接導(dǎo)入現(xiàn)場環(huán)境的二維或三維模型,進行初始化,然后在現(xiàn)場環(huán)境的二維或三維模型子界面鋪設(shè)、刪除傳感器。專業(yè)界面右側(cè)子界面可供專業(yè)人員實時監(jiān)控各個監(jiān)測通道的傳感器輸出數(shù)據(jù)和報警信息,提供每個通道中每個傳感器實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的歷史查詢功能。專業(yè)界面設(shè)置和正常運行之后,可以通過左側(cè)列表的畫面展示進入面向遠(yuǎn)程監(jiān)控室普通操作人員的用戶界面。用戶界面可以實時顯示每個傳感器的功能、狀態(tài)、輸出的最終監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線,同時顯示監(jiān)測時段內(nèi)的統(tǒng)計結(jié)果,如傳感器異常、報警次數(shù)、異常時間等。

7 測試結(jié)果

為測試電梯運行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件的可靠性和穩(wěn)定性,采用四層電梯鋼架模型,通過波分復(fù)用方式分別串接三個光纖光柵應(yīng)變傳感器和三個光纖光柵位移傳感器,采用貼裝方式安裝于電梯鋼架結(jié)構(gòu)上及電梯導(dǎo)軌和鋼架之間。將電梯運行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件通過后臺接入電梯大數(shù)據(jù)運維平臺,實時上報監(jiān)測信息和數(shù)據(jù)。軟件與電梯大數(shù)據(jù)運維平臺同步運行1個月,結(jié)果表明,當(dāng)電梯各監(jiān)測點應(yīng)力、位移、溫度超過設(shè)定閾值后,軟件報警響應(yīng)時間短于1 s,且電梯大數(shù)據(jù)運維平臺能夠根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進行維保分析。連續(xù)測試1個月,電梯運行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件表現(xiàn)出良好的魯棒性。

▲圖3 電梯運行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件界面

8 結(jié)束語

筆者設(shè)計了電梯運行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件,開發(fā)了相應(yīng)的軟件架構(gòu)和基于用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、命令,以及相應(yīng)的專業(yè)界面和用戶界面。這一軟件具有直觀、功能齊全、可編輯、操作方便等優(yōu)點,可提供報警設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)查詢、故障統(tǒng)計等功能。通過與電梯大數(shù)據(jù)運維平臺同步運行、調(diào)試和測試,表明電梯運行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件效果良好。