隨著鐵路貨運(yùn)向現(xiàn)代物流的轉(zhuǎn)型發(fā)展，集裝箱運(yùn)輸成為鐵路貨運(yùn)增量的一個(gè)“突破點(diǎn)”，在鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)中占有越來越大的比重。鐵路裝卸是鐵路現(xiàn) 代物流的重要構(gòu)成要素，裝卸機(jī)械是鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)的重要設(shè)備。為加快發(fā)展鐵路集裝箱運(yùn)輸，亟需提升鐵路貨場(chǎng)的集裝箱裝卸能力。門式起重機(jī)作為鐵路 貨場(chǎng)裝卸集裝箱的主要設(shè)備，對(duì)鐵路集裝箱作業(yè)的安全和效率起著至關(guān)重要的作用。 鐵路貨場(chǎng)早期建造的集裝箱門式起重機(jī)電控系統(tǒng)采用電阻調(diào)速，由于作業(yè)頻繁、貨場(chǎng)作業(yè)條件差等原因，造成故障率高，配件更換維修時(shí)間長(zhǎng)，作業(yè)效率受到一定影響，因而這類門式起重機(jī)不論是從安全上還是從效率上都難以滿足集裝箱裝卸作業(yè)要求。

2015 年中國(guó)鐵路總公司開展集裝箱門吊專項(xiàng)整 治工作，要求集裝箱作業(yè)的門式起重機(jī)電控系統(tǒng)全 部采用變頻技術(shù)，宜具備稱重、裝載均衡狀態(tài)監(jiān)測(cè) 功能 。根據(jù)《起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》(GB/ T28264-2012)標(biāo)準(zhǔn) ，通過調(diào)研和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)需求的分 析研究，提出了滿足系統(tǒng)功能的3個(gè)技術(shù)方案，即 “基于可編程邏輯控制器 (PLC) 和起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) (CMS) 的起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)”“基于紫蜂協(xié)議 (ZigBee) 技術(shù)的起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)”和“基于全球定位系統(tǒng) (GPS) —通用移動(dòng)通信技術(shù)的長(zhǎng)期演進(jìn) (LTE) 技術(shù)的起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)”。 “基于 ZigBee 技術(shù)的起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)” 技術(shù)方案具有低功耗、低成本的特點(diǎn)，但存在速率低 (只有20～250 kbps)、傳輸距離近 (只有 10～100 m) 等問題，雖然可以通過增加發(fā)射功率和通信接力增大傳輸范圍，但由于傳感器布置和門式起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)對(duì)無線信號(hào)的影響，ZigBee 的通信穩(wěn)定性很難保證。同時(shí)，250 kbps 的通信速率對(duì)于視頻監(jiān)控系統(tǒng)而言帶寬過低，基本無法實(shí)現(xiàn)視頻流的傳輸。“基于GPS-LTE 技術(shù)的起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)” 技術(shù)方案中LTE技術(shù)速度有了顯著的提升，最大可以達(dá)到 300 Mbps 的下載速率和75 Mbps 的上傳速率，同時(shí)傳輸范圍也大，基本可實(shí)現(xiàn)全國(guó)聯(lián)網(wǎng)。但由于 LTE 技術(shù)受限于運(yùn)營(yíng)商限制，帶寬為小區(qū)內(nèi)共享，監(jiān)控設(shè)備能夠獲得的帶寬有限，并需要繳納的運(yùn)營(yíng)商費(fèi)用很高，長(zhǎng)期投資效益不佳，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸在運(yùn)營(yíng)商的互聯(lián)網(wǎng)上，數(shù)據(jù)安全性也不易保證。“基于PLC和CMS的起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)”技術(shù)方案中所有的傳感器均直接接入PLC中， PLC 中存儲(chǔ)所有門式起重機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)，只是無法長(zhǎng)期存儲(chǔ)。CMS 恰好解決了PLC 的不足，PLC 的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至CMS 中，由 CMS 進(jìn)行存儲(chǔ)和統(tǒng)計(jì)分析。通過CMS可以實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和具有故障查詢報(bào)警及歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，且該方案完全內(nèi)網(wǎng)有線連接，通信速度可達(dá)1000 Mbps，對(duì)電控系統(tǒng)改造量小，適合鐵路集裝箱作業(yè)門吊的安全管理要求。經(jīng)過對(duì)3套方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能比選，選擇適合鐵路集裝箱作業(yè)門吊的“基于 PLC 和 CMS 的起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)” 方案。

起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)構(gòu)成及主要功能

起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)構(gòu)成:起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)以全面監(jiān)控起重機(jī)各機(jī)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)，保護(hù)起重機(jī)運(yùn)行安全，加強(qiáng)起重機(jī)維護(hù)管理為目的，設(shè)計(jì)了PLC 控制系統(tǒng)、起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) (LCMS)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) (RCMS)、視頻監(jiān)控系 統(tǒng) 4 個(gè)子系統(tǒng)。

（1）PLC 控制系統(tǒng)采用西門子300 系列，主站設(shè)在電氣室，在司機(jī)室及小車機(jī)房設(shè)有遠(yuǎn)程 I/O 分站，主站與分站采用 PROFIBUS-DP通訊。PLC控制系統(tǒng)中央處理器 (CPU) 采用 315-2DP，是一款帶有中、大規(guī)模程序量 PROFIBUS-DP 主/從接口的CPU，除了可以組成集中式 I/O 結(jié)構(gòu)，還可以快速組成分布式自動(dòng)化結(jié)構(gòu)。PLC 監(jiān)控整機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)整機(jī)運(yùn)行的時(shí)序邏輯控制及信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)，并支持以太網(wǎng)通信，可以將監(jiān)控信息傳輸給起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) (LCMS)。

（2）起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) (LCMS) 采用安裝了西門子 WinCC 組態(tài)軟件的 1 臺(tái)一體式工控機(jī)，與PLC 采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊，能實(shí)時(shí)、高效地采集起重機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。由 WinCC 對(duì)起重機(jī)的技術(shù)參數(shù)、運(yùn)行位置、電氣元件 (或部件) 的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行不間斷監(jiān)控， 并顯示、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)。WinCC 組態(tài)軟件集成了圖形技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)等，只需通過可視化的組態(tài)方式，就可以完成監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)。同時(shí)安裝有LCMS的一體式工控機(jī)本身故障時(shí)不會(huì)影響系統(tǒng)的工作。如果起重機(jī)某部件出現(xiàn)故障，一體式工控機(jī)可及時(shí)報(bào)警。

（3）遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) (RCMS) 采用 IBM 服務(wù)器和授權(quán)復(fù)示終端組成，RCMS 與 LCMS 之間通過2.4GHz/5.8GHz 無線保真 (WI-FI) 網(wǎng)絡(luò)連接。 RCMS 可以實(shí)現(xiàn)門式起重機(jī)全部數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期保存，并通過數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理、分析，實(shí)現(xiàn)門式起重機(jī)的狀態(tài)設(shè)備管理，提前預(yù)警等功能。門式起重機(jī)使用和管理人員可通過 RCMS 對(duì)分散于各處的門式起重機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程的管理和監(jiān)控，極大提高了管理人員的工作效率，而且通過長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)記錄，管理人員可以通過 RCMS 隨時(shí)調(diào)取查看任意時(shí)間段內(nèi)的操作記錄回放， 對(duì)故障的分析提供手段和依據(jù)。

（4）視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為一套獨(dú)立的子系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)門式起重機(jī)外部環(huán)境的監(jiān)測(cè)，通過定期的校時(shí)功能，保證視頻監(jiān)控系統(tǒng)的時(shí)間線與 PLC 控制系統(tǒng)、LCMS、RCMS 一致，同時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)可采集 LCMS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)并疊加到視頻畫面中，視頻監(jiān)控文件傳輸至RCMS 服務(wù)器中統(tǒng)一存儲(chǔ)，方便管理人員通過 RCMS 回放作業(yè)過程時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)門式起重機(jī)內(nèi)外部信息的方便查看與分析。 起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)構(gòu)成單元示意圖如圖 1 所示。

起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)主要功能：起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)監(jiān)控的主要數(shù)據(jù)包括： 起重量、起升高度、風(fēng)速、防碰撞、超速、限位、安全聯(lián)鎖、抗風(fēng)防滑狀態(tài)、工作時(shí)間、工作循環(huán)、累計(jì) 工作時(shí)間、操作指令及其他關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)。起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能如下。

（1）系統(tǒng)監(jiān)控功能。起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)具有可擴(kuò)展接口，能夠?qū)崿F(xiàn)起重機(jī)操作人員、現(xiàn)場(chǎng)辦公室、遠(yuǎn)程管理者等 3 種不同層次的監(jiān)控管理需求。

 （2）用戶管理功能。起重機(jī)安全監(jiān)控管理可以預(yù)設(shè)若干用戶名的使用權(quán)限，只有輸入正確的用戶名和密碼后可進(jìn)入系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)定、報(bào)警查閱及文檔輸出等。

（3）系統(tǒng)控制輸出和報(bào)警功能。門式起重機(jī)起動(dòng)前系統(tǒng)將對(duì)其進(jìn)行自檢，如果出現(xiàn)影響門式起重機(jī)安全運(yùn)行的情況時(shí)，系統(tǒng)通過警示提示司機(jī)謹(jǐn)慎操作；當(dāng)門式起重機(jī)某部位出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)通過警示提示司機(jī)，同時(shí)控制模塊輸出信號(hào)接入電控系統(tǒng)，使相應(yīng)的機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行或斷電，待故障排除后系統(tǒng)恢復(fù)正常后，門式起重機(jī)才能正常運(yùn)行。

（4）系統(tǒng)信息的存儲(chǔ)和調(diào)取功能。起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)以圖形、圖像、圖 標(biāo)和文字的方式實(shí)時(shí)顯示起重機(jī)械的工作狀態(tài)和工作參數(shù)。系統(tǒng)設(shè)有獨(dú)立的 UPS電源，門式起重機(jī)斷電后，系統(tǒng)信息仍然保留，安全監(jiān)控系統(tǒng)信息存儲(chǔ)時(shí)間大于 30 個(gè)連續(xù)工作日，視頻存儲(chǔ)時(shí)間大于 72 個(gè)連續(xù)工作小時(shí)，根據(jù)需求可調(diào)取保存的信息，驗(yàn)證門吊 運(yùn)行狀態(tài)及故障信息實(shí)時(shí)記錄。

（5）數(shù)據(jù)分析功能。起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)能夠記錄各機(jī)構(gòu)實(shí)際工作時(shí)間和制動(dòng)次數(shù)、吊箱動(dòng)作的循環(huán)次數(shù)、吊箱工作時(shí)間等，為設(shè)備的維護(hù)管理提供了 數(shù)據(jù)支持。起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用南昌鐵路局按照“基于 PLC 和 CMS 的起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)”方案，研發(fā)了起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，以提升門式起重機(jī)的安全技術(shù)性能。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)門式起重機(jī)各運(yùn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)、故障報(bào)警信息及操作指令等實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄和保存；通過多路攝像頭構(gòu)成的視頻系統(tǒng)對(duì)整機(jī)運(yùn)行進(jìn)行視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控、錄像存儲(chǔ)及回放；通過接入互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障診斷、維護(hù)等。

目前，南昌鐵路局對(duì)新建的25臺(tái)和既有7臺(tái)集裝箱作業(yè)的門吊安裝了起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)。 2016 年新建的吉安南站 40.5 t 集裝箱門吊起重機(jī)安全 監(jiān)控管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理主界面如圖 2 所示。 南昌鐵路局起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)應(yīng)用效果如下。

（1）通過在門式起重機(jī)大車、小車、司機(jī)室、 臺(tái)車上等關(guān)鍵部位安裝攝像頭，司機(jī)室監(jiān)視屏可顯示13 個(gè)工作畫面 (顯示門式起重機(jī)關(guān)鍵部位工作狀態(tài)和 外部環(huán)境)，司機(jī)可以根據(jù)監(jiān)視屏和觸摸屏顯示的技 術(shù)參數(shù)對(duì)門式起重機(jī)進(jìn)行操作，提高了司機(jī)操作的安全可靠性。視頻監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖 3 所示。

 

（2）通過司機(jī)室里面的觸摸屏，顯示PLC控制系統(tǒng)對(duì)門式起重機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)和作業(yè)工況，當(dāng)門式起重機(jī)某部位出現(xiàn)故障時(shí)，觸摸屏可顯示相應(yīng)故障代碼，司機(jī)通過故障代碼查找故障和排除故障，保證了門式起重機(jī)作業(yè)安全。

（3）通過在大車的 4 個(gè)角上沿行駛方向增加4個(gè)光電測(cè)距傳感器，在同一軌道上相鄰的門式起重機(jī)侵入對(duì)方的安全距離范圍內(nèi)時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)立即發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)將信號(hào)傳遞給 PLC 控制系統(tǒng)，PLC 控制系統(tǒng)自動(dòng)控制大車停止前進(jìn)，保證大車行駛安全。

（4）通過優(yōu)化起升機(jī)構(gòu)的制動(dòng)器控制回路，在變頻器控制板輸出繼電器側(cè)采用雙繼電器信號(hào)串聯(lián)， 在 PLC 輸出繼電器回路采用雙 PLC 輸出點(diǎn)分別控制 2 個(gè)制動(dòng)器接觸器，同時(shí)在制動(dòng)器主回路上將2個(gè)接觸 器串聯(lián)使用，保證了門吊起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)器的正常穩(wěn)定工作，消除了起升機(jī)構(gòu)發(fā)生溜鉤的安全隱患，保證了起升機(jī)構(gòu)作業(yè)的安全穩(wěn)定性。

（5）通過在吊具上架4 角的轉(zhuǎn)鎖箱內(nèi)安裝稱重傳感器，PLC 控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)4個(gè)稱重傳感器的數(shù)值并進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)超偏載的監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)出報(bào)警以免 發(fā)生危險(xiǎn)，加強(qiáng)了對(duì)門式起重機(jī)的保護(hù)。

（6）通過將 PLC 采集的關(guān)鍵數(shù)據(jù)處理后疊加在視頻圖像上，并進(jìn)行錄像存儲(chǔ)。當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，可調(diào)用系統(tǒng)進(jìn)行視頻回放和查詢關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為事故的準(zhǔn)確判斷提供依據(jù)。

起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)是門式起重機(jī)的電控系統(tǒng)在傳統(tǒng)的電阻調(diào)速基礎(chǔ)上，經(jīng)過可編程邏輯控制器 和起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合開發(fā)出來的一種創(chuàng)新型產(chǎn)品， 其應(yīng)用降低了門式起重機(jī)的故障率，防止了集裝箱作 業(yè)事故的發(fā)生，有效地提高了門式起重機(jī)的安全可靠 性和裝卸作業(yè)效率。起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的遠(yuǎn)程 故障判斷處理功能，解決了目前站段維修力量薄弱的 問題，為鐵路集裝箱作業(yè)安全提供技術(shù)支撐與基礎(chǔ)保障，提升了鐵路裝卸機(jī)械化管理水