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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(xué)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(shù)現(xiàn)狀和信息化管理需求，設(shè)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(gòu)、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(shè)備管理維護等功能，已在鐵路貨場推廣應(yīng)用，效果良好。
關(guān)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(biāo)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(shè)備，且逐漸呈現(xiàn)大型化、生產(chǎn)效率較高、技術(shù)復(fù)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(zhì)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(yù)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(shè)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(shè)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(yán)重影響了裝卸服務(wù)質(zhì)量。以老舊門機為例，有的缺少行程限位開關(guān)，有的老舊設(shè)備電線、電纜老化，有的抗風(fēng)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(gòu)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(gòu)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(yuǎn)程監(jiān)控單元組成，總體架構(gòu)如圖1 所示。采用B/S 和C/S 兩種軟件架構(gòu)，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(gòu)
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(wù)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(wù)器一般安裝在貨場辦公室內(nèi)，連接內(nèi)網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，使用瀏覽器/ 服務(wù)器模式（B/S）架構(gòu)，以網(wǎng)頁的形式將監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)（內(nèi)網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)）上，便于通過鐵路內(nèi)網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)訪問，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。4）遠(yuǎn)程監(jiān)控單元，包括互聯(lián)網(wǎng)交換機、遠(yuǎn)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(guān)人員通過互聯(lián)網(wǎng)進行遠(yuǎn)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(diào)速、繼電器邏輯控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用在老舊門機上；另一種是變頻調(diào)速、PLC 邏輯控制系統(tǒng)。對于變頻調(diào)速、PLC 邏輯控制型門機，由于其服役年限較短，技術(shù)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(diào)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(shè)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(guān)電路；2）控制輸入器件，如電子手柄、腳踏板、開關(guān)按鈕等主令開關(guān)；3）顯示儀表器件，如起重量限制儀表、風(fēng)速儀等；4）執(zhí)行機構(gòu)，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(gòu)制動器、聯(lián)鎖保護、起升高度限制器、抗風(fēng)防滑機構(gòu)等；6）傳感檢測器件，如起重量傳感器等。門機遠(yuǎn)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(chǔ)上，將以上各種機構(gòu)、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(yīng)加裝相應(yīng)傳感器進行采集。由于傳統(tǒng)串聯(lián)電阻調(diào)速、繼電器邏輯控制型門機本身不具有PLC 控制器以及相應(yīng)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(guān)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(dǎo)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(zhuǎn)，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(shè)置大、小車位置基準(zhǔn)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(zhuǎn)凸輪限位開關(guān)同軸外側(cè)，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(shè)置起升位置基準(zhǔn)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(fēng)速采集風(fēng)速儀安裝在門機頂端，風(fēng)速顯示器安裝到司機室，風(fēng)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(fù)，接入大車控制回路；增加夾軌器限位開關(guān)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(guān)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(guān)量采集模塊端口。
2.1.6 抗風(fēng)防滑數(shù)據(jù)采集為了實現(xiàn)夾軌器和錨定裝置等抗風(fēng)防滑裝置狀態(tài)采集，采用常開行程開關(guān)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(guān)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(gòu)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(gòu)附近安裝接近開關(guān)，通過探測動作機構(gòu)的位置來采集制動器是否動作的信號，制動器限位的開關(guān)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(cè)安裝紅外防撞開關(guān)，在對面的門機大車支腿安裝反光板。當(dāng)2 臺門機間的距離小于紅外防撞開關(guān)設(shè)置的安全距離時，紅外防撞開關(guān)觸發(fā)開關(guān)信號，防碰撞裝置發(fā)出聲光報警，同時將采集的開關(guān)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(guān)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(diào)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(zhuǎn)、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(gòu)的電機普遍缺乏安全保護措施。為此，在運行機構(gòu)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(zhuǎn)、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(guān)、數(shù)據(jù)采集模塊（TCP/IP）、PPI 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(wù)器轉(zhuǎn)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(shè)計門機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)無線Wifi 和3G/4G 相結(jié)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(yuǎn)程監(jiān)控中心。為了保證無線Wifi 的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，在選用無線網(wǎng)橋的天線時，需要結(jié)合門機與貨場辦公室的實際位置關(guān)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(cè)，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(chǔ)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(cè)的天線方案
若門機的運行范圍只在貨場辦公室的同一側(cè)，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(shè)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(yù)警、存儲、查詢以及導(dǎo)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(cè)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(diào)閱查詢。1）實時概覽 顯示最常關(guān)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(xì)運行數(shù)據(jù)監(jiān)控 實時監(jiān)控門機所有機構(gòu)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(gòu)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(guān)鍵位置安裝攝像頭，方便司機與監(jiān)管者實時掌握關(guān)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。可選取任何一個或多個數(shù)據(jù)變量，選定時間段，調(diào)取所關(guān)注的數(shù)據(jù)，按需要設(shè)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(diào)取所有變量在用戶選定時間范圍內(nèi)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(diào)取司機的操作記錄，附帶時間信息。6）視頻回放 調(diào)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(dǎo)出 所有運行數(shù)據(jù)都可以導(dǎo)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(dǎo)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(luò)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(shè)備管理與維護1）預(yù)限管理 系統(tǒng)統(tǒng)計設(shè)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(yù)先設(shè)置的限制次數(shù)進行比較，當(dāng)接近預(yù)設(shè)值時，發(fā)出相應(yīng)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(dá)預(yù)設(shè)時間便自動向管理人員和檢修人員進行提示。當(dāng)完成一次檢修，將檢修時間、內(nèi)容、人員等關(guān)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(yīng)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(shè)備圖紙、文檔以及程序的上傳存檔，方便了設(shè)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(shè)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(guān)故障與告警的詳細(xì)信息，便于操作者及時解決問題。6）遠(yuǎn)程維護 系統(tǒng)可實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程維護管理，技術(shù)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(shè)備，對設(shè)備進行故障診斷、參數(shù)配置以及程序修改與調(diào)試。實踐中，起重機大多數(shù)的故障并非硬件損壞造成，遠(yuǎn)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(jié)論針對鐵路貨場門機的技術(shù)現(xiàn)狀和信息化管理需求，設(shè)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(gòu)、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(shè)備管理維護等功能，已在鐵路貨場推廣應(yīng)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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