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起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)（大型噸位龍門吊起重機安全監(jiān)控）
時間：2021-11-07來源：起重機廠家瀏覽次數(shù)：1376
楊廣全 李 瑞 梁永剛中國鐵道科學研究院運輸及經(jīng)濟研究所 北京 100081
摘 要：針對鐵路門式起重機的技術現(xiàn)狀和信息化管理需求，設計了鐵路門式起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，提出了鐵路門式起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)總體架構、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸方案，開發(fā)了實時數(shù)據(jù)監(jiān)控、歷史查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計報表以及設備管理維護等功能，已在鐵路貨場推廣應用，效果良好。
關鍵詞：鐵路門式起重機；安全監(jiān)控管理系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集
中圖分類號：TH213.5 文獻標識碼：A 文章編號：1001-0785（2018）12-0149-05
0 引言門式起重機( 以下簡稱門機) 是鐵路貨物裝卸的主型裝卸設備，且逐漸呈現(xiàn)大型化、生產(chǎn)效率較高、技術復雜和作業(yè)連續(xù)性強等特點，鐵路裝卸主管部門對鐵路貨場門機的本質安全和作業(yè)安全具有迫切需求。在門機裝卸作業(yè)和運用管理方面存在的問題為：1）違章作業(yè)較為普遍，并且缺乏有效監(jiān)管手段，造成安全隱患；2）鐵路門機電氣控制系統(tǒng)缺乏故障預警，故障造成停機停產(chǎn)；3）發(fā)生機器故障、作業(yè)事故之后，缺少可查詢、回溯的運行數(shù)據(jù)記錄，難以查找事故原因；4）鐵路門機分布較散，不便于集中管理，且缺乏檢測人員和檢測設備，維修力量薄弱。
目前，鐵路貨場門機有1 300 余臺，超期服役的門機占到46%，老舊的門機安全防護設備缺失、帶病作業(yè)問題突出，不符合國家規(guī)定的安全管理要求，嚴重影響了裝卸服務質量。以老舊門機為例，有的缺少行程限位開關，有的老舊設備電線、電纜老化，有的抗風防滑裝置不完善，造成安全事故，有的地錨簡陋、強度不足，有的起升機構制動器不可靠、造成沖頂事故，夾軌器不具備聯(lián)鎖保護功能，門限位缺失、不具備聯(lián)鎖保護功能，同一軌道上2 臺門機防碰撞裝置缺失。除了必要的安全保護裝置的缺失，老舊門機普遍缺少GB/T 28264—2012《起重機械 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》中要求的安全保護裝置信息采集源。因此，有必要完善老舊門機的安全保護裝置，并進行監(jiān)控改造，具備數(shù)據(jù)采集的接口，并滿足老舊門機安全防護裝置聯(lián)網(wǎng)需求。
1 系統(tǒng)總體架構鐵路貨場門式起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元、車載監(jiān)控單元、地面站監(jiān)控單元和遠程監(jiān)控單元組成，總體架構如圖1 所示。采用B/S 和C/S 兩種軟件架構，其中司機室采用C/S 模式，可以實現(xiàn)較高的實時性能和豐富的功能；貨場地面站、站段、路局等各級裝卸管理部門采用B/S 模式，便于通過鐵路局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)隨時隨地利用上網(wǎng)終端進行訪問。
鐵路門式起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)
圖1 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)總體架構
1）數(shù)據(jù)采集單元，包括各種傳感器、PLC 模塊以及視頻采集模塊等，用來采集門機的各種運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)。2）車載監(jiān)控單元，包括工控機和顯示器，安裝在司機室，車載監(jiān)控界面實時顯示并記錄門吊的監(jiān)測數(shù)據(jù)，供司機查看，同時車載監(jiān)控系統(tǒng)將處理過的監(jiān)控數(shù)據(jù)通過交換機傳送到無線網(wǎng)橋，發(fā)送給地面站監(jiān)控單元。3）地面站監(jiān)控單元，包括無線接收端和服務器，無線接收端接收來自車載監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控數(shù)據(jù)，服務器一般安裝在貨場辦公室內，連接內網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，使用瀏覽器/ 服務器模式（B/S）架構，以網(wǎng)頁的形式將監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)布在網(wǎng)絡（內網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)）上，便于通過鐵路內網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)訪問，實現(xiàn)遠程監(jiān)控管理。4）遠程監(jiān)控單元，包括互聯(lián)網(wǎng)交換機、遠程監(jiān)控中心以及手機、平板、便攜PC 等各種便攜終端，方便相關人員通過互聯(lián)網(wǎng)進行遠程監(jiān)控、管理與維護。
2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方案鐵路貨場門機有2 種電控系統(tǒng)，一種是傳統(tǒng)串聯(lián)電阻調速、繼電器邏輯控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)應用在老舊門機上；另一種是變頻調速、PLC 邏輯控制系統(tǒng)。對于變頻調速、PLC 邏輯控制型門機，由于其服役年限較短，技術水平較高，安全保護裝置完備，只需要加裝少量傳感器即可實現(xiàn)監(jiān)控參數(shù)采集；對于傳統(tǒng)串聯(lián)電阻調速、繼電器邏輯控制型門機，由于不具備數(shù)據(jù)采集接口，需要增加較多的傳感器和安全保護裝置，并開發(fā)專門的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。門式起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集包括狀態(tài)參數(shù)的采集和視頻數(shù)據(jù)的采集。其中視頻數(shù)據(jù)的采集相對獨立，方案成熟，需要針對具體的車型設計攝像頭的安裝位置，確保能夠清楚地監(jiān)控到所有的重點位置，包括吊點位置、大車運行方向、司機室、小車房等。而狀態(tài)參數(shù)的采集，則是對門式起重機運行中重要的參數(shù)和狀態(tài)進行采集、監(jiān)控。
2.1 監(jiān)控數(shù)據(jù)采集門機的控制系統(tǒng)主要包括：1）主控制器，一般為PLC 或繼電器開關電路；2）控制輸入器件，如電子手柄、腳踏板、開關按鈕等主令開關；3）顯示儀表器件，如起重量限制儀表、風速儀等；4）執(zhí)行機構，如大車電機、小車電機、起升電機等；5）安全保護裝置，如起升機構制動器、聯(lián)鎖保護、起升高度限制器、抗風防滑機構等；6）傳感檢測器件，如起重量傳感器等。門機遠程監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)采集是在電控系統(tǒng)的基礎上，將以上各種機構、元器件進行集中的監(jiān)控管理。對照GB/T 28264—2012 《起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》，特別針對老舊門機所缺失的參數(shù)如門限位、大車行程、小車行程、起升高度等應加裝相應傳感器進行采集。由于傳統(tǒng)串聯(lián)電阻調速、繼電器邏輯控制型門機本身不具有PLC 控制器以及相應的數(shù)據(jù)采集功能，需要增加PLC 測控系統(tǒng)或者其他類型的數(shù)據(jù)采集模塊，將原有的開關電路、傳感器通道和新加的傳感器接入進行采集。
2.1.1 大、小車行程距離檢測采集老舊門機的大、小車行程采集均采用增量型正交脈沖編碼器。增量型正交脈沖編碼器安裝在導向架，套編碼器軸安裝計米輪，計米輪壓觸到大、小車輪上方部位，車輪帶動計米輪旋轉，編碼器輸出2 路正交脈沖到計數(shù)器信號輸入端。正交計數(shù)器實現(xiàn)可逆計數(shù)，可以換算成運行距離值，設置大、小車位置基準零點，可以外加清零控制。大、小車行程脈沖信號通過計數(shù)器二次儀表變送接入Modbus RTU 總線.新型變頻門吊采用絕對值編碼器采集大、小車行程數(shù)據(jù)。
2.1.2 起升高度采集老舊門機使用增量型正交脈沖編碼器采集起升高度。增量型正交脈沖編碼器安裝在旋轉凸輪限位開關同軸外側，與聯(lián)軸器彈性連接，與起升卷筒同軸。編碼器輸出2 路正交脈沖到計數(shù)器信號輸入端。正交計數(shù)器實現(xiàn)可逆計數(shù)，可以換算成起升高度值，設置起升位置基準零點，可以外加清零控制。起升高度脈沖信號通過計數(shù)器二次儀表變送接入Modbus RTU 總線。新型變頻門機采用絕對值編碼器采集起升高度數(shù)據(jù)。
2.1.3 風速采集風速儀安裝在門機頂端，風速顯示器安裝到司機室，風速顯示器變送輸出4~20 mA，接入到PLC 模擬量采集模塊端口。
2.1.4 起重量采集老舊門機的起重量限制器儀表沒有模擬量輸出功能，為了采集起重量數(shù)據(jù)，可將起重量限制器儀表換成帶模擬量輸出接口的儀表，通過RS485 總線或者數(shù)據(jù)采集模塊直接讀取起重量。也可將稱重傳感器的輸出信號（一般為0~10 mV 電壓信號）分一路并聯(lián)出來，接入數(shù)據(jù)采集模塊進行采集。它是將起重量信號以4~20mA 電流輸出，接入PLC 模擬量采集模塊；起重量信號也可經(jīng)過RS-485 輸出，接入Modbus RTU 總線采集。
2.1.5 聯(lián)鎖保護數(shù)據(jù)采集將老舊門吊機的門限位進行修復，接入大車控制回路；增加夾軌器限位開關接入到大車控制回路；增加一組激光防撞檢測裝置，接入到大車控制回路保護。以上信號也要接入到PLC 的開關量采集模塊端口。新增并行的大車、小車運行極限聯(lián)鎖檢測，同樣接入到PLC的開關量采集模塊端口。
2.1.6 抗風防滑數(shù)據(jù)采集為了實現(xiàn)夾軌器和錨定裝置等抗風防滑裝置狀態(tài)采集，采用常開行程開關和接近傳感器監(jiān)測夾軌器和錨定裝置狀態(tài)。常開行程開關和接近傳感器均帶有輸出信號，將輸出信號接入數(shù)字量采集模塊，通過PLC 實現(xiàn)與運行機構聯(lián)鎖控制。
2.1.7 起升制動器狀態(tài)采集在起升制動器的動作機構附近安裝接近開關，通過探測動作機構的位置來采集制動器是否動作的信號，制動器限位的開關量接入PLC 數(shù)字量采集模塊。
2.1.8 同一軌道防碰撞監(jiān)控數(shù)據(jù)采集在門機的大車支腿正對著同軌道的門機的一側安裝紅外防撞開關，在對面的門機大車支腿安裝反光板。當2 臺門機間的距離小于紅外防撞開關設置的安全距離時，紅外防撞開關觸發(fā)開關信號，防碰撞裝置發(fā)出聲光報警，同時將采集的開關信號接入PLC 數(shù)字量采集模塊，進行聯(lián)鎖控制。
2.1.9 操作指令采集對于老舊門機，將作業(yè)操作指令的輸出觸點接入數(shù)字量采集模塊即可獲取作業(yè)控制指令，改造后，操作指令開關量信號接入PLC 數(shù)字量采集模塊。
2.1.10 電機監(jiān)控數(shù)據(jù)采集新式變頻調速控制的門機，都配有變頻器和電機保護器，可對電機的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，包括堵轉、短路、漏電、過載、過壓等，具有安全保護的功能。但對于老舊門機，運行機構的電機普遍缺乏安全保護措施。為此，在運行機構的電機上加裝電機保護器，將變頻器或電機保護器的輸出信號接入Modbus RTU 總線進行采集，實現(xiàn)對堵轉、短路、漏電、過載、過壓等狀態(tài)進行全面的監(jiān)控。
2.2 數(shù)據(jù)處理流程在門機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)中，Modbus 網(wǎng)關、數(shù)據(jù)采集模塊（TCP/IP）、PPI 轉以太網(wǎng)模塊、硬盤錄像機、攝像頭、無線基站、工控機與交換機均采用以太網(wǎng)連接。門機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸中的總線連接如圖2 所示，PLC 采集的信號通過PPI 轉以太網(wǎng)模塊，經(jīng)網(wǎng)線接入交換機；TCP/IP 接口的數(shù)據(jù)采集模塊經(jīng)網(wǎng)線接入交換機；Modbus 接口的數(shù)據(jù)采集模塊和二次儀表采集的Modbus RTU 總線信號經(jīng)串口服務器轉換為ModbusTCP 信號，經(jīng)網(wǎng)線接入交換機；交換機用網(wǎng)線接入工控機的網(wǎng)口傳輸數(shù)據(jù)。
3 系統(tǒng)傳輸方案設計門機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)無線Wifi 和3G/4G 相結合的方式進行數(shù)據(jù)傳輸。由于視頻數(shù)據(jù)流量大，選用無線Wifi 傳輸，將視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控單元；其他監(jiān)控數(shù)據(jù)采用3G/4G 傳輸，將監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸至遠程監(jiān)控中心。為了保證無線Wifi 的數(shù)據(jù)傳輸質量，在選用無線網(wǎng)橋的天線時，需要結合門機與貨場辦公室的實際位置關系，選用全向和定向天線。見圖3、圖4。
圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理流程
若門機的走行范圍在貨場辦公室位置的兩側，門機從軌道一端的位置A 運行到另一端的位置B，門機與貨場辦公室間的距離超出了全向天線的覆蓋范圍，此時可在原有全向天線的基礎上，加裝定向天線，選擇合適的覆蓋角度，即可實現(xiàn)門機運行范圍的全覆蓋。
圖3 門機行走范圍在貨場辦公室位置兩側的天線方案
若門機的運行范圍只在貨場辦公室的同一側，則只需在門機和貨場辦公樓分別安裝定向天線，選擇合適的覆蓋角度，即可實現(xiàn)門機走行范圍的全覆蓋。
4 系統(tǒng)功能設計監(jiān)控系統(tǒng)在全面滿足GB/T 28264—2012 《起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》基本要求的同時，也有著自己的特色，具有豐富的監(jiān)控、預警、存儲、查詢以及導出的功能，如圖5 所示。
鐵路門式起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)
圖4 門機行走范圍在貨場辦公室位置同側的天線方案
圖5 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)功能
4.1 實時運行監(jiān)控實時狀態(tài)監(jiān)控包括門機的實時運行數(shù)據(jù)監(jiān)控、實時操作監(jiān)控、實時曲線顯示、實時故障與報警監(jiān)控，以及實時視頻監(jiān)控。實時監(jiān)控數(shù)據(jù)都被存儲在系統(tǒng)中，方便調閱查詢。1）實時概覽 顯示最常關注的重要狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括大小車行程、起重量、高度，以及運行循環(huán)、作業(yè)量統(tǒng)計等。2）詳細運行數(shù)據(jù)監(jiān)控 實時監(jiān)控門機所有機構的運行參數(shù)3）實時操控 實時監(jiān)控司機的每一步操作，如起升、下降、大車運行、小車運行等，并顯示擋位和時間信息。4）實時曲線 可以曲線的方式實時顯示用戶選定的變量的變化狀態(tài)。5）實時故障與報警監(jiān)控 實時監(jiān)控門機各機構與系統(tǒng)的故障與告警信息，并以不同的顏色區(qū)分不同的級別，以及根據(jù)故障與告警信息的級別進行聲、光、電提示。6）實時視頻監(jiān)控 在吊點、大車、小車、司機室、小車房等關鍵位置安裝攝像頭，方便司機與監(jiān)管者實時掌握關鍵位置的狀況。
4.2 歷史查詢1）作業(yè)統(tǒng)計與報表分析 系統(tǒng)可以對門機的工作時間、工作循環(huán)、起重量以及能耗等信息按次、日、月度、季度以及年度進行統(tǒng)計，提供統(tǒng)計報表，供管理人員參考?？蛇x取任何一個或多個數(shù)據(jù)變量，選定時間段，調取所關注的數(shù)據(jù)，按需要設定統(tǒng)計分析公式、判據(jù)，生成數(shù)據(jù)報表，便于管理人員和維護人員對門機的工作狀態(tài)進行檢查、分析。2）歷史曲線 可以調取所有變量在用戶選定時間范圍內的歷史數(shù)據(jù)，并以曲線的形式顯示。3）報警查詢 可以查詢所有的故障和報警信息。4）事件回放 可以按一定的時間步回放所有的變量信息。5）操作日志 可以調取司機的操作記錄，附帶時間信息。6）視頻回放 調取用戶選定時間和選定區(qū)域的視頻記錄，便于分析事故原因。7）數(shù)據(jù)導出 所有運行數(shù)據(jù)都可以導出為txt 文本或Excel 表格數(shù)據(jù)。所有視頻數(shù)據(jù)都可以導出為avi 或mp4 文件。
4.3 監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)1）I/O 狀態(tài)。監(jiān)控系統(tǒng)所有I/O 變量的實時值。2）通訊狀態(tài)。包括網(wǎng)絡狀態(tài)、消息隊列、系統(tǒng)核心進程以及系統(tǒng)存儲空間的監(jiān)控。
4.4 設備管理與維護1）預限管理 系統(tǒng)統(tǒng)計設備各機械、電氣零部件的工作情況（如制動器啟動次數(shù)、變頻器故障次數(shù)等），將其與預先設置的限制次數(shù)進行比較，當接近預設值時，發(fā)出相應的提示，并以報表形式輸出，以系統(tǒng)消息、手機短信以及電子郵件等方式向維護人員推送消息。2）檢修管理 在系統(tǒng)中制定起重機的檢修計劃，到達預設時間便自動向管理人員和檢修人員進行提示。當完成一次檢修，將檢修時間、內容、人員等關鍵信息錄入系統(tǒng)存檔，形成完整的檢修記錄。3）配件管理 為起重機建立零配件庫，對零配件型號、規(guī)格、價格、庫存數(shù)量、生產(chǎn)廠、供應商等信息進行管理，監(jiān)管者可在線了解配件庫存情況。4）資料管理 系統(tǒng)支持設備圖紙、文檔以及程序的上傳存檔，方便了設備檔案資料的管理。5）故障管理 在系統(tǒng)中可對故障與告警的判據(jù)進行管理設定，通過分析實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，實時顯示故障與告警信息，并進行記錄存儲。根據(jù)具體故障與告警級別的不同，向不同級別的監(jiān)管人員以系統(tǒng)彈窗、手機短信以及電子郵件等不同的方式推送信息，方便及時進行處理。此外，系統(tǒng)提供了專家知識庫，提供了解決建議，可從中查詢相關故障與告警的詳細信息，便于操作者及時解決問題。6）遠程維護 系統(tǒng)可實現(xiàn)設備的遠程維護管理，技術人員可以隨時隨地通過互聯(lián)網(wǎng)與門式起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)建立連接并訪問設備，對設備進行故障診斷、參數(shù)配置以及程序修改與調試。實踐中，起重機大多數(shù)的故障并非硬件損壞造成，遠程管理維護有助于提高檢修效率，減少故障停機時間，降低維護的成本，提高效益。
5 結論針對鐵路貨場門機的技術現(xiàn)狀和信息化管理需求，設計了鐵路貨場門機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，提出了鐵路門機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)總體架構、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸方案，開發(fā)了實時數(shù)據(jù)監(jiān)控、歷史查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計報表以及設備管理維護等功能，已在鐵路貨場推廣應用，效果良好。
參考文獻
[1] GB/T 28264—2012 起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)[S].[2] 李祝鋒，楊廣全，杜旭升. 基于RCM 理論的鐵路貨場門式起重機維修決策研究[J]. 起重運輸機械，2016（9）:87-91.
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