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起重機安全監控管理系統（大型噸位龍門(mén)吊起重機安全監控）
時(shí)間：2021-11-07來(lái)源：起重機廠(chǎng)家瀏覽次數：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(mén)式起重機的技術(shù)現狀和信息化管理需求，設計了鐵路門(mén)式起重機安全監控管理系統，提出了鐵路門(mén)式起重機安全監控管理系統總體架構、數據采集和數據傳輸方案，開(kāi)發(fā)了實(shí)時(shí)數據監控、歷史查詢(xún)、數據統計報表以及設備管理維護等功能，已在鐵路貨場(chǎng)推廣應用，效果良好。
關(guān)鍵詞：鐵路門(mén)式起重機；安全監控管理系統；數據采集
中圖分類(lèi)號：TH213.5 文獻標識碼：A 文章編號：1001-0785（2018）12-0149-05
0 引言門(mén)式起重機( 以下簡(jiǎn)稱(chēng)門(mén)機) 是鐵路貨物裝卸的主型裝卸設備，且逐漸呈現大型化、生產(chǎn)效率較高、技術(shù)復雜和作業(yè)連續性強等特點(diǎn)，鐵路裝卸主管部門(mén)對鐵路貨場(chǎng)門(mén)機的本質(zhì)安全和作業(yè)安全具有迫切需求。在門(mén)機裝卸作業(yè)和運用管理方面存在的問(wèn)題為：1）違章作業(yè)較為普遍，并且缺乏有效監管手段，造成安全隱患；2）鐵路門(mén)機電氣控制系統缺乏故障預警，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(xún)、回溯的運行數據記錄，難以查找事故原因；4）鐵路門(mén)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(chǎng)門(mén)機有1 300 余臺，超期服役的門(mén)機占到46%，老舊的門(mén)機安全防護設備缺失、帶病作業(yè)問(wèn)題突出，不符合國家規定的安全管理要求，嚴重影響了裝卸服務(wù)質(zhì)量。以老舊門(mén)機為例，有的缺少行程限位開(kāi)關(guān)，有的老舊設備電線(xiàn)、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(jiǎn)陋、強度不足，有的起升機構制動(dòng)器不可靠、造成沖頂事故，夾軌器不具備聯(lián)鎖保護功能，門(mén)限位缺失、不具備聯(lián)鎖保護功能，同一軌道上2 臺門(mén)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(mén)機普遍缺少GB/T 28264—2012《起重機械 安全監控管理系統》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(mén)機的安全保護裝置，并進(jìn)行監控改造，具備數據采集的接口，并滿(mǎn)足老舊門(mén)機安全防護裝置聯(lián)網(wǎng)需求。
1 系統總體架構鐵路貨場(chǎng)門(mén)式起重機安全監控管理系統由數據采集單元、車(chē)載監控單元、地面站監控單元和遠程監控單元組成，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(shí)現較高的實(shí)時(shí)性能和豐富的功能；貨場(chǎng)地面站、站段、路局等各級裝卸管理部門(mén)采用B/S 模式，便于通過(guò)鐵路局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)隨時(shí)隨地利用上網(wǎng)終端進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。
鐵路門(mén)式起重機安全監控管理系統
圖1 安全監控管理系統總體架構
1）數據采集單元，包括各種傳感器、PLC 模塊以及視頻采集模塊等，用來(lái)采集門(mén)機的各種運行狀態(tài)數據和視頻數據。2）車(chē)載監控單元，包括工控機和顯示器，安裝在司機室，車(chē)載監控界面實(shí)時(shí)顯示并記錄門(mén)吊的監測數據，供司機查看，同時(shí)車(chē)載監控系統將處理過(guò)的監控數據通過(guò)交換機傳送到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋，發(fā)送給地面站監控單元。3）地面站監控單元，包括無(wú)線(xiàn)接收端和服務(wù)器，無(wú)線(xiàn)接收端接收來(lái)自車(chē)載監控系統的監控數據，服務(wù)器一般安裝在貨場(chǎng)辦公室內，連接內網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，使用瀏覽器/ 服務(wù)器模式（B/S）架構，以網(wǎng)頁(yè)的形式將監控數據發(fā)布在網(wǎng)絡(luò )（內網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)）上，便于通過(guò)鐵路內網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)，實(shí)現遠程監控管理。4）遠程監控單元，包括互聯(lián)網(wǎng)交換機、遠程監控中心以及手機、平板、便攜PC 等各種便攜終端，方便相關(guān)人員通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠程監控、管理與維護。
2 系統數據采集方案鐵路貨場(chǎng)門(mén)機有2 種電控系統，一種是傳統串聯(lián)電阻調速、繼電器邏輯控制系統，該系統應用在老舊門(mén)機上；另一種是變頻調速、PLC 邏輯控制系統。對于變頻調速、PLC 邏輯控制型門(mén)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(shí)現監控參數采集；對于傳統串聯(lián)電阻調速、繼電器邏輯控制型門(mén)機，由于不具備數據采集接口，需要增加較多的傳感器和安全保護裝置，并開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)的數據采集系統。門(mén)式起重機安全監控管理系統的數據采集包括狀態(tài)參數的采集和視頻數據的采集。其中視頻數據的采集相對獨立，方案成熟，需要針對具體的車(chē)型設計攝像頭的安裝位置，確保能夠清楚地監控到所有的重點(diǎn)位置，包括吊點(diǎn)位置、大車(chē)運行方向、司機室、小車(chē)房等。而狀態(tài)參數的采集，則是對門(mén)式起重機運行中重要的參數和狀態(tài)進(jìn)行采集、監控。
2.1 監控數據采集門(mén)機的控制系統主要包括：1）主控制器，一般為PLC 或繼電器開(kāi)關(guān)電路；2）控制輸入器件，如電子手柄、腳踏板、開(kāi)關(guān)按鈕等主令開(kāi)關(guān)；3）顯示儀表器件，如起重量限制儀表、風(fēng)速儀等；4）執行機構，如大車(chē)電機、小車(chē)電機、起升電機等；5）安全保護裝置，如起升機構制動(dòng)器、聯(lián)鎖保護、起升高度限制器、抗風(fēng)防滑機構等；6）傳感檢測器件，如起重量傳感器等。門(mén)機遠程監控系統狀態(tài)參數采集是在電控系統的基礎上，將以上各種機構、元器件進(jìn)行集中的監控管理。對照GB/T 28264—2012 《起重機械安全監控管理系統》，特別針對老舊門(mén)機所缺失的參數如門(mén)限位、大車(chē)行程、小車(chē)行程、起升高度等應加裝相應傳感器進(jìn)行采集。由于傳統串聯(lián)電阻調速、繼電器邏輯控制型門(mén)機本身不具有PLC 控制器以及相應的數據采集功能，需要增加PLC 測控系統或者其他類(lèi)型的數據采集模塊，將原有的開(kāi)關(guān)電路、傳感器通道和新加的傳感器接入進(jìn)行采集。
2.1.1 大、小車(chē)行程距離檢測采集老舊門(mén)機的大、小車(chē)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(chē)輪上方部位，車(chē)輪帶動(dòng)計米輪旋轉，編碼器輸出2 路正交脈沖到計數器信號輸入端。正交計數器實(shí)現可逆計數，可以換算成運行距離值，設置大、小車(chē)位置基準零點(diǎn)，可以外加清零控制。大、小車(chē)行程脈沖信號通過(guò)計數器二次儀表變送接入Modbus RTU 總線(xiàn).新型變頻門(mén)吊采用絕對值編碼器采集大、小車(chē)行程數據。
2.1.2 起升高度采集老舊門(mén)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(kāi)關(guān)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 路正交脈沖到計數器信號輸入端。正交計數器實(shí)現可逆計數，可以換算成起升高度值，設置起升位置基準零點(diǎn)，可以外加清零控制。起升高度脈沖信號通過(guò)計數器二次儀表變送接入Modbus RTU 總線(xiàn)。新型變頻門(mén)機采用絕對值編碼器采集起升高度數據。
2.1.3 風(fēng)速采集風(fēng)速儀安裝在門(mén)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(mén)機的起重量限制器儀表沒(méi)有模擬量輸出功能，為了采集起重量數據，可將起重量限制器儀表?yè)Q成帶模擬量輸出接口的儀表，通過(guò)RS485 總線(xiàn)或者數據采集模塊直接讀取起重量。也可將稱(chēng)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(lái)，接入數據采集模塊進(jìn)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(guò)RS-485 輸出，接入Modbus RTU 總線(xiàn)采集。
2.1.5 聯(lián)鎖保護數據采集將老舊門(mén)吊機的門(mén)限位進(jìn)行修復，接入大車(chē)控制回路；增加夾軌器限位開(kāi)關(guān)接入到大車(chē)控制回路；增加一組激光防撞檢測裝置，接入到大車(chē)控制回路保護。以上信號也要接入到PLC 的開(kāi)關(guān)量采集模塊端口。新增并行的大車(chē)、小車(chē)運行極限聯(lián)鎖檢測，同樣接入到PLC的開(kāi)關(guān)量采集模塊端口。
2.1.6 抗風(fēng)防滑數據采集為了實(shí)現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(kāi)行程開(kāi)關(guān)和接近傳感器監測夾軌器和錨定裝置狀態(tài)。常開(kāi)行程開(kāi)關(guān)和接近傳感器均帶有輸出信號，將輸出信號接入數字量采集模塊，通過(guò)PLC 實(shí)現與運行機構聯(lián)鎖控制。
2.1.7 起升制動(dòng)器狀態(tài)采集在起升制動(dòng)器的動(dòng)作機構附近安裝接近開(kāi)關(guān)，通過(guò)探測動(dòng)作機構的位置來(lái)采集制動(dòng)器是否動(dòng)作的信號，制動(dòng)器限位的開(kāi)關(guān)量接入PLC 數字量采集模塊。
2.1.8 同一軌道防碰撞監控數據采集在門(mén)機的大車(chē)支腿正對著(zhù)同軌道的門(mén)機的一側安裝紅外防撞開(kāi)關(guān)，在對面的門(mén)機大車(chē)支腿安裝反光板。當2 臺門(mén)機間的距離小于紅外防撞開(kāi)關(guān)設置的安全距離時(shí)，紅外防撞開(kāi)關(guān)觸發(fā)開(kāi)關(guān)信號，防碰撞裝置發(fā)出聲光報警，同時(shí)將采集的開(kāi)關(guān)信號接入PLC 數字量采集模塊，進(jìn)行聯(lián)鎖控制。
2.1.9 操作指令采集對于老舊門(mén)機，將作業(yè)操作指令的輸出觸點(diǎn)接入數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(kāi)關(guān)量信號接入PLC 數字量采集模塊。
2.1.10 電機監控數據采集新式變頻調速控制的門(mén)機，都配有變頻器和電機保護器，可對電機的運行狀態(tài)進(jìn)行監測，包括堵轉、短路、漏電、過(guò)載、過(guò)壓等，具有安全保護的功能。但對于老舊門(mén)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(xiàn)進(jìn)行采集，實(shí)現對堵轉、短路、漏電、過(guò)載、過(guò)壓等狀態(tài)進(jìn)行全面的監控。
2.2 數據處理流程在門(mén)機安全監控管理系統中，Modbus 網(wǎng)關(guān)、數據采集模塊（TCP/IP）、PPI 轉以太網(wǎng)模塊、硬盤(pán)錄像機、攝像頭、無(wú)線(xiàn)基站、工控機與交換機均采用以太網(wǎng)連接。門(mén)機安全監控管理系統數據傳輸中的總線(xiàn)連接如圖2 所示，PLC 采集的信號通過(guò)PPI 轉以太網(wǎng)模塊，經(jīng)網(wǎng)線(xiàn)接入交換機；TCP/IP 接口的數據采集模塊經(jīng)網(wǎng)線(xiàn)接入交換機；Modbus 接口的數據采集模塊和二次儀表采集的Modbus RTU 總線(xiàn)信號經(jīng)串口服務(wù)器轉換為ModbusTCP 信號，經(jīng)網(wǎng)線(xiàn)接入交換機；交換機用網(wǎng)線(xiàn)接入工控機的網(wǎng)口傳輸數據。
3 系統傳輸方案設計門(mén)機安全監控管理系統無(wú)線(xiàn)Wifi 和3G/4G 相結合的方式進(jìn)行數據傳輸。由于視頻數據流量大，選用無(wú)線(xiàn)Wifi 傳輸，將視頻數據傳輸到地面監控單元；其他監控數據采用3G/4G 傳輸，將監控數據傳輸至遠程監控中心。為了保證無(wú)線(xiàn)Wifi 的數據傳輸質(zhì)量，在選用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋的天線(xiàn)時(shí)，需要結合門(mén)機與貨場(chǎng)辦公室的實(shí)際位置關(guān)系，選用全向和定向天線(xiàn)。見(jiàn)圖3、圖4。
圖2 系統數據采集與處理流程
若門(mén)機的走行范圍在貨場(chǎng)辦公室位置的兩側，門(mén)機從軌道一端的位置A 運行到另一端的位置B，門(mén)機與貨場(chǎng)辦公室間的距離超出了全向天線(xiàn)的覆蓋范圍，此時(shí)可在原有全向天線(xiàn)的基礎上，加裝定向天線(xiàn)，選擇合適的覆蓋角度，即可實(shí)現門(mén)機運行范圍的全覆蓋。
圖3 門(mén)機行走范圍在貨場(chǎng)辦公室位置兩側的天線(xiàn)方案
若門(mén)機的運行范圍只在貨場(chǎng)辦公室的同一側，則只需在門(mén)機和貨場(chǎng)辦公樓分別安裝定向天線(xiàn)，選擇合適的覆蓋角度，即可實(shí)現門(mén)機走行范圍的全覆蓋。
4 系統功能設計監控系統在全面滿(mǎn)足GB/T 28264—2012 《起重機械安全監控管理系統》基本要求的同時(shí)，也有著(zhù)自己的特色，具有豐富的監控、預警、存儲、查詢(xún)以及導出的功能，如圖5 所示。
鐵路門(mén)式起重機安全監控管理系統
圖4 門(mén)機行走范圍在貨場(chǎng)辦公室位置同側的天線(xiàn)方案
圖5 安全監控管理系統功能
4.1 實(shí)時(shí)運行監控實(shí)時(shí)狀態(tài)監控包括門(mén)機的實(shí)時(shí)運行數據監控、實(shí)時(shí)操作監控、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)顯示、實(shí)時(shí)故障與報警監控，以及實(shí)時(shí)視頻監控。實(shí)時(shí)監控數據都被存儲在系統中，方便調閱查詢(xún)。1）實(shí)時(shí)概覽 顯示最常關(guān)注的重要狀態(tài)數據，包括大小車(chē)行程、起重量、高度，以及運行循環(huán)、作業(yè)量統計等。2）詳細運行數據監控 實(shí)時(shí)監控門(mén)機所有機構的運行參數3）實(shí)時(shí)操控 實(shí)時(shí)監控司機的每一步操作，如起升、下降、大車(chē)運行、小車(chē)運行等，并顯示擋位和時(shí)間信息。4）實(shí)時(shí)曲線(xiàn) 可以曲線(xiàn)的方式實(shí)時(shí)顯示用戶(hù)選定的變量的變化狀態(tài)。5）實(shí)時(shí)故障與報警監控 實(shí)時(shí)監控門(mén)機各機構與系統的故障與告警信息，并以不同的顏色區分不同的級別，以及根據故障與告警信息的級別進(jìn)行聲、光、電提示。6）實(shí)時(shí)視頻監控 在吊點(diǎn)、大車(chē)、小車(chē)、司機室、小車(chē)房等關(guān)鍵位置安裝攝像頭，方便司機與監管者實(shí)時(shí)掌握關(guān)鍵位置的狀況。
4.2 歷史查詢(xún)1）作業(yè)統計與報表分析 系統可以對門(mén)機的工作時(shí)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(jìn)行統計，提供統計報表，供管理人員參考?？蛇x取任何一個(gè)或多個(gè)數據變量，選定時(shí)間段，調取所關(guān)注的數據，按需要設定統計分析公式、判據，生成數據報表，便于管理人員和維護人員對門(mén)機的工作狀態(tài)進(jìn)行檢查、分析。2）歷史曲線(xiàn) 可以調取所有變量在用戶(hù)選定時(shí)間范圍內的歷史數據，并以曲線(xiàn)的形式顯示。3）報警查詢(xún) 可以查詢(xún)所有的故障和報警信息。4）事件回放 可以按一定的時(shí)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(shí)間信息。6）視頻回放 調取用戶(hù)選定時(shí)間和選定區域的視頻記錄，便于分析事故原因。7）數據導出 所有運行數據都可以導出為txt 文本或Excel 表格數據。所有視頻數據都可以導出為avi 或mp4 文件。
4.3 監控系統狀態(tài)1）I/O 狀態(tài)。監控系統所有I/O 變量的實(shí)時(shí)值。2）通訊狀態(tài)。包括網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)、消息隊列、系統核心進(jìn)程以及系統存儲空間的監控。
4.4 設備管理與維護1）預限管理 系統統計設備各機械、電氣零部件的工作情況（如制動(dòng)器啟動(dòng)次數、變頻器故障次數等），將其與預先設置的限制次數進(jìn)行比較，當接近預設值時(shí)，發(fā)出相應的提示，并以報表形式輸出，以系統消息、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 在系統中制定起重機的檢修計劃，到達預設時(shí)間便自動(dòng)向管理人員和檢修人員進(jìn)行提示。當完成一次檢修，將檢修時(shí)間、內容、人員等關(guān)鍵信息錄入系統存檔，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、規格、價(jià)格、庫存數量、生產(chǎn)廠(chǎng)、供應商等信息進(jìn)行管理，監管者可在線(xiàn)了解配件庫存情況。4）資料管理 系統支持設備圖紙、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 在系統中可對故障與告警的判據進(jìn)行管理設定，通過(guò)分析實(shí)時(shí)監控數據，實(shí)時(shí)顯示故障與告警信息，并進(jìn)行記錄存儲。根據具體故障與告警級別的不同，向不同級別的監管人員以系統彈窗、手機短信以及電子郵件等不同的方式推送信息，方便及時(shí)進(jìn)行處理。此外，系統提供了專(zhuān)家知識庫，提供了解決建議，可從中查詢(xún)相關(guān)故障與告警的詳細信息，便于操作者及時(shí)解決問(wèn)題。6）遠程維護 系統可實(shí)現設備的遠程維護管理，技術(shù)人員可以隨時(shí)隨地通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與門(mén)式起重機安全監控管理系統建立連接并訪(fǎng)問(wèn)設備，對設備進(jìn)行故障診斷、參數配置以及程序修改與調試。實(shí)踐中，起重機大多數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(shí)間，降低維護的成本，提高效益。
5 結論針對鐵路貨場(chǎng)門(mén)機的技術(shù)現狀和信息化管理需求，設計了鐵路貨場(chǎng)門(mén)機安全監控管理系統，提出了鐵路門(mén)機安全監控管理系統總體架構、數據采集和數據傳輸方案，開(kāi)發(fā)了實(shí)時(shí)數據監控、歷史查詢(xún)、數據統計報表以及設備管理維護等功能，已在鐵路貨場(chǎng)推廣應用，效果良好。
參考文獻
[1] GB/T 28264—2012 起重機械安全監控管理系統[S].[2] 李祝鋒，楊廣全，杜旭升. 基于RCM 理論的鐵路貨場(chǎng)門(mén)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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