余丹炯

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司設(shè)計(jì)研究總院智慧院

1 引言

隨著港口起重機(jī)的自動(dòng)化和智能化程度越來越高,各種傳感器、變頻驅(qū)動(dòng)裝置、高精度檢測(cè)裝置、工業(yè)攝像頭等設(shè)備以及調(diào)度、管理等軟件系統(tǒng)在起重機(jī)上的應(yīng)用也越來越多。傳統(tǒng)的起重機(jī)管理系統(tǒng)往往只能跟起重機(jī)的PLC通訊,進(jìn)行預(yù)先設(shè)定的關(guān)鍵點(diǎn)報(bào)警。對(duì)于自動(dòng)化程度高的起重機(jī)的故障監(jiān)控,該方案存在故障監(jiān)控點(diǎn)不足、難于精確定位、指導(dǎo)用戶排故和維保有限、后期擴(kuò)展難等問題。針對(duì)這些問題,提出一種可監(jiān)控多故障源、擴(kuò)展性強(qiáng)、支持大容量數(shù)據(jù)的故障報(bào)警系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)概述

適用于自動(dòng)化起重機(jī)的多源故障報(bào)警系統(tǒng),充分考慮自動(dòng)化起重機(jī)的復(fù)雜性、系統(tǒng)多樣性、大數(shù)據(jù)量的并發(fā)特性,以分散采集、壓縮傳輸、集中顯示的方式設(shè)計(jì)。系統(tǒng)以單機(jī)數(shù)據(jù)為基點(diǎn),通過OPC UA與底層設(shè)備、各控制子系統(tǒng)如PLC、激光器、智能電表、調(diào)度系統(tǒng)等通訊,獲得其報(bào)警源數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)由起重機(jī)側(cè)和中控側(cè)組成,在起重機(jī)側(cè)進(jìn)行多源數(shù)據(jù)的采集和處理,并轉(zhuǎn)成統(tǒng)一的格式上傳到中控側(cè)(見圖1)。中控側(cè)集中收集多臺(tái)起重機(jī)報(bào)警數(shù)據(jù)后,進(jìn)行解壓、解析、與數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)動(dòng)生成數(shù)據(jù)發(fā)送至應(yīng)用端。應(yīng)用端對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,生成不同的分析報(bào)表。同時(shí)應(yīng)用端也可以把用戶對(duì)于故障數(shù)據(jù)的定義進(jìn)行修改,發(fā)送給故障服務(wù)器,進(jìn)行熱更新。整套系統(tǒng)采用B/S架構(gòu),前后端分離設(shè)計(jì),支持主流瀏覽器以及其他不同終端的訪問。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 系統(tǒng)運(yùn)作原理

3.1 起重機(jī)側(cè)

起重機(jī)側(cè)包括故障發(fā)生源和采集儀。故障發(fā)生源包括起重機(jī)上各種變頻器、激光掃描、自動(dòng)化控制系統(tǒng)等發(fā)生故障引起起重機(jī)運(yùn)行異常的故障數(shù)據(jù)來源。采集儀上部署數(shù)據(jù)采集、分析和傳輸軟件。本采集儀內(nèi)置ZPMC OPC UA,其支持港機(jī)行業(yè)常用的PLC系統(tǒng),通過內(nèi)嵌的驅(qū)動(dòng)獲取起重機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù),也支持MQTT、MQ等常見的消息總線,與調(diào)度系統(tǒng)、吊具管理系統(tǒng)等通訊。單臺(tái)設(shè)備上的采集儀把這些多元異構(gòu)數(shù)據(jù)匯總后,進(jìn)行統(tǒng)一編碼、緩存、壓縮和發(fā)送。

故障分為開關(guān)量故障和模擬量故障?？紤]到單臺(tái)的故障定義數(shù)就可達(dá)上萬(wàn)條,本系統(tǒng)的采集儀在起重機(jī)側(cè)對(duì)這2大類故障的觸發(fā)機(jī)制、傳輸方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1.1 開關(guān)量故障觸發(fā)機(jī)制

開關(guān)量故障即故障位的值為True時(shí),故障觸發(fā);為False時(shí),故障解決。如起升機(jī)構(gòu)減速箱低油位故障,減速箱油位低于正常值時(shí)輸出True,發(fā)出報(bào)警,提醒用戶進(jìn)行下一步處理;當(dāng)油位正常后,該故障值變?yōu)镕alse。以一臺(tái)雙小車岸邊集裝箱起重機(jī)為例,該類故障為約5 000個(gè)。針對(duì)此類故障,本系統(tǒng)把32個(gè)開關(guān)量的故障點(diǎn)打包成1個(gè)4字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸,把開關(guān)量的點(diǎn)位定義壓縮至1/32,從而降低數(shù)采軟件壓力和傳輸壓力。

3.1.2 模擬量故障觸發(fā)機(jī)制

模擬量故障是指一個(gè)模擬量值符合定義條件時(shí)觸發(fā)相對(duì)應(yīng)的故障,如風(fēng)速值大于20 m/s觸發(fā)大風(fēng)報(bào)警故障。此后若風(fēng)速值在20 m/s以上波動(dòng),系統(tǒng)會(huì)一直觸發(fā)這條故障,直至風(fēng)速值降為20 m/s以下。

另一種模擬量故障命名為codeFault,即該模擬量在不同的點(diǎn)值時(shí)代表不同的故障。如自動(dòng)化起重機(jī)的目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)的故障字等于8 008時(shí),表示目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)馬達(dá)運(yùn)行超時(shí)故障;該值等于8 020時(shí),表示自動(dòng)標(biāo)定失敗故障。1個(gè)無(wú)符號(hào)的雙字節(jié)的取值范圍是0～65 535,這意味著1個(gè)無(wú)符號(hào)的雙字節(jié)模擬量最多可以定義65 535條故障。以岸邊集裝箱起重機(jī)為例,codeFault常用于變頻器的故障,其每個(gè)故障字都有上萬(wàn)條故障定義[1]。每臺(tái)全自動(dòng)雙小車岸邊集裝箱起重機(jī)一般配有數(shù)十個(gè)變頻器,傳統(tǒng)的監(jiān)控軟件需要為此定義十幾萬(wàn)條變頻器故障,對(duì)于軟件而言負(fù)擔(dān)太大。為了解決這個(gè)問題,根據(jù)codeFault同一時(shí)刻只能觸發(fā)1條故障的特性,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套機(jī)制,只需定義1條大于零的故障,具體的故障含義則根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)讀取的實(shí)時(shí)值而定,步驟如下。

步驟一:定義1條故障規(guī)則codeFault>0。

步驟二:系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)步驟一所定義規(guī)則是否滿足,若滿足,則轉(zhuǎn)入步驟三。

步驟三:系統(tǒng)讀取codeFault當(dāng)前的實(shí)時(shí)值,檢索數(shù)據(jù)庫(kù)獲取當(dāng)前值代表的故障含義并推送至應(yīng)用端,轉(zhuǎn)入步驟四。

步驟四:系統(tǒng)監(jiān)測(cè)codeFault是否保持上一步驟的值,如是,不做操作;如不是,則關(guān)閉步驟三觸發(fā)的故障,回到步驟二開始新一輪的該條規(guī)則的監(jiān)測(cè)。

該機(jī)制可縮減編寫程序的工作量,減少數(shù)據(jù)通訊量。與上文中提到的大風(fēng)報(bào)警故障不同的是,codeFault的值變化時(shí)會(huì)結(jié)束已有的故障且觸發(fā)一條新的故障,直至點(diǎn)值為0,說明所有的故障已解決。

3.1.3 故障傳輸機(jī)制

每個(gè)采集儀負(fù)責(zé)每臺(tái)起重機(jī)的數(shù)據(jù)收集和處理,為了節(jié)約與中控的數(shù)據(jù)通訊量,將只有狀態(tài)發(fā)生變化的報(bào)警數(shù)據(jù)源打包發(fā)送。采集儀對(duì)每次采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理比對(duì),把變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包,采用自定義的protobuf消息體進(jìn)行傳輸,推送至中控端。Protobuf是一種數(shù)據(jù)序列化工具和通信協(xié)議,全稱為Protocol Buffers,被廣泛應(yīng)用于分布式系統(tǒng)、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等領(lǐng)域。依靠其高壓縮率的特點(diǎn),本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了上百萬(wàn)條故障的數(shù)據(jù)吞吐[2]。

考慮到單機(jī)與中控之間存在通訊波動(dòng)問題,采集端會(huì)在通訊中斷的情況下,把故障數(shù)據(jù)緩存起來,等通訊恢復(fù)后,再同步至中控側(cè),確保故障數(shù)據(jù)的完整性。

3.2 中控側(cè)

中控側(cè)的故障服務(wù)由故障定義服務(wù)、故障監(jiān)聽服務(wù)、故障存儲(chǔ)服務(wù)、故障數(shù)據(jù)服務(wù)、故障展示服務(wù)組成(見圖2)。故障服務(wù)接收來自于各起重機(jī)側(cè)的故障數(shù)據(jù),把這些故障數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)等操作后,以多種方式進(jìn)行呈現(xiàn)。

圖2 數(shù)據(jù)流程圖

3.2.1 故障定義服務(wù)

該服務(wù)定義起重機(jī)確切的故障含義,包括故障的等級(jí)、類別、觸發(fā)條件、發(fā)生原因、現(xiàn)象、解決方法等。如上文中提到的codeFault,每一類變頻器的故障定義都由該服務(wù)管理。故障定義服務(wù)作為基礎(chǔ)服務(wù)為其他服務(wù)提供定義信息,并可接收來自應(yīng)用端的更新需求,提供故障熱更新服務(wù),可優(yōu)化用戶的使用體驗(yàn)。

自動(dòng)化起重機(jī)的智能化程度高,所用的新技術(shù)多,這意味著故障定義庫(kù)需要不斷地更新。常規(guī)的監(jiān)控軟件對(duì)故障定義進(jìn)行改動(dòng)時(shí),往往需要改動(dòng)工程文件,進(jìn)而需要重新進(jìn)行編譯、重啟服務(wù)等操作,這會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工程師的工作效率。本系統(tǒng)研發(fā)了故障定義熱更新服務(wù),有權(quán)限的用戶只需在網(wǎng)頁(yè)上打開故障配置頁(yè)面進(jìn)行更新、下載即可完成,其他客戶端只需進(jìn)行一步刷新操作就可生效。

3.2.2 故障監(jiān)聽服務(wù)

當(dāng)故障監(jiān)聽服務(wù)器接收到變化的數(shù)據(jù)包后,對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析。變化的數(shù)據(jù)包括如下幾種情況:觸發(fā)條件由滿足變成不滿足、觸發(fā)條件由不滿足變成滿足、數(shù)據(jù)質(zhì)量由壞變成好、數(shù)據(jù)質(zhì)量由好變成壞。故障監(jiān)聽服務(wù)根據(jù)變化情況對(duì)故障狀態(tài)進(jìn)行更新,對(duì)于codeFault類型的故障則進(jìn)行進(jìn)一步解析,如對(duì)應(yīng)的模擬量值為0時(shí)把該模擬量上次觸發(fā)的故障更新為已解決;如收到的值為非0時(shí)則表示有新的故障觸發(fā),此時(shí)故障監(jiān)聽服務(wù)判斷該模擬量是否在這之前已經(jīng)觸發(fā)過其他故障,如是,則把上一次故障標(biāo)識(shí)為已解決,同時(shí)觸發(fā)一條新的故障。

3.2.3 故障存儲(chǔ)服務(wù)

故障存儲(chǔ)服務(wù)接收來自故障監(jiān)聽服務(wù)的消息,將相應(yīng)的故障變化記錄至關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)并提供應(yīng)用端的數(shù)據(jù)查詢服務(wù)。該服務(wù)會(huì)記錄每一條故障發(fā)生的開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、發(fā)生部件、故障發(fā)生時(shí)的一些特征值等詳細(xì)信息。

考慮到自動(dòng)化起重機(jī)的故障數(shù)量多,為了優(yōu)化數(shù)據(jù)查詢效率,存儲(chǔ)服務(wù)首先根據(jù)故障分類、等級(jí)對(duì)故障進(jìn)行分庫(kù)存儲(chǔ),把發(fā)生頻率高的事件類單獨(dú)存儲(chǔ),并單獨(dú)設(shè)置其老化周期。其次利用數(shù)據(jù)庫(kù)的自動(dòng)化任務(wù)調(diào)度,定期將故障數(shù)據(jù)按照日、周、月、年進(jìn)行抽取存儲(chǔ),按照年表、月表、周表、日表和詳表這幾種數(shù)據(jù)精度進(jìn)行歸并,實(shí)現(xiàn)故障數(shù)據(jù)的快速檢索。

3.2.4 故障數(shù)據(jù)服務(wù)

故障數(shù)據(jù)是自動(dòng)化起重機(jī)重要的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù),為了滿足碼頭其它系統(tǒng)對(duì)其數(shù)據(jù)的需求,故障報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)了3種數(shù)據(jù)服務(wù)接口。第一種是RESTful接口,是一種基于HTTP協(xié)議的接口,使用標(biāo)準(zhǔn)的HTTP方法和狀態(tài)碼,以及遵循一致的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,這種一致性使得不同系統(tǒng)之間的集成更加簡(jiǎn)單。第二種是OPC UA接口,是一種開放的、跨平臺(tái)的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)模型,用于實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中不同設(shè)備和應(yīng)用程序之間的交互操作。第三種是文件方式,故障數(shù)據(jù)服務(wù)可定期導(dǎo)出為CSV格式的數(shù)據(jù)文件供外部系統(tǒng)取用。

3.2.5 故障展示服務(wù)

用戶可通過瀏覽器訪問該系統(tǒng),對(duì)故障定義進(jìn)行修改。故障的展示包括實(shí)時(shí)故障顯示、故障追溯、歷史故障分析等。

(1)實(shí)時(shí)故障顯示。實(shí)時(shí)故障是正在發(fā)生的故障,包括故障發(fā)生的時(shí)間、設(shè)備號(hào)、部位等詳細(xì)信息,以彈窗方式顯示提醒用戶,不同等級(jí)的故障以不同顏色區(qū)別顯示。為了幫助用戶更快地解決故障,點(diǎn)選某一條故障后可快速跳轉(zhuǎn)至故障幫助。故障幫助不僅有積累了解決方法的專家知識(shí)庫(kù),還能與故障追溯功能聯(lián)動(dòng)。

(2)故障追溯。自動(dòng)化起重機(jī)的機(jī)理復(fù)雜,為了更好地排查問題,本系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)聯(lián)合查詢的方式。故障發(fā)生前后起重機(jī)的一些特征值往往有異常波動(dòng),基于這個(gè)特性,故障追溯模塊以故障發(fā)生的時(shí)刻為基點(diǎn),與記錄起重機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)動(dòng),描繪出參數(shù)的波形圖。用戶可以選擇或者事先定義好關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù),將其圖形化地顯示出來,也可導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步分析。這種直觀的表現(xiàn)方式可以幫助用戶快速定位問題,解決故障,減少故障停機(jī)時(shí)間。

(3)歷史故障分析。用戶可以選擇一段時(shí)間從數(shù)據(jù)庫(kù)里查詢出故障記錄。系統(tǒng)以列表和圖表相結(jié)合的方式呈現(xiàn),如提供故障平均發(fā)生時(shí)間的柱狀圖顯示、不同故障類別以及不同故障級(jí)別的占比餅圖顯示等。同時(shí)還對(duì)故障進(jìn)行分析,如可根據(jù)故障發(fā)生頻次排序展示最影響起重機(jī)運(yùn)行的前10種故障。

考慮到某些特別故障需要及時(shí)上報(bào),特別設(shè)計(jì)故障推送機(jī)制。通過與用戶管理系統(tǒng)聯(lián)動(dòng),相關(guān)故障觸發(fā)后第一時(shí)間通過郵件、短信、微信等方式推送至相關(guān)人員。

4 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)化起重機(jī)的多源故障報(bào)警系統(tǒng)可解決傳統(tǒng)工業(yè)監(jiān)控軟件依賴于微軟操作系統(tǒng)的問題,實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)運(yùn)行,且不再局限于PLC的數(shù)據(jù)來源,從而把自動(dòng)化起重機(jī)上的所有系統(tǒng)納入監(jiān)控范圍。該系統(tǒng)在提高起重機(jī)的安全性、減少停機(jī)損失、提高運(yùn)行效率、延長(zhǎng)設(shè)備壽命等方面可發(fā)揮重要作用。