隨著中國經(jīng)濟突飛猛進，鐵路運輸量大幅度增加，鐵路貨運也逐步向現(xiàn)代物流的轉(zhuǎn)型發(fā)展，集裝箱運輸成為鐵路貨運增量的一個“突破點”，在鐵路運輸 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，裝卸機械是鐵路運輸生產(chǎn)的重要設(shè)備 。為加快發(fā)展鐵路集裝箱運輸，亟需提升鐵路貨場的集裝箱裝卸能力。門式起重機作為鐵路貨場裝卸集裝箱的主要設(shè)備，對鐵路集裝箱作業(yè)的安全和效率起著至關(guān)重要的作用。

鐵路貨場早期建造的集裝箱門式起重機電控系統(tǒng)采用電阻調(diào)速，由于作業(yè)頻繁、貨場作業(yè)條件差等原因，造成故障率高，配件更換維修時間長，作業(yè)效率受到一定影響，因而這類門式起重機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 年中國鐵路總公司開展集裝箱門吊專項整治工作，要求集裝箱作業(yè)的門式起重機電控系統(tǒng)全部采用變頻技術(shù)，宜具備稱重、裝載均衡狀態(tài)監(jiān)測功能 。根據(jù)《起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》(GB/ T28264-2012)標準 ，通過調(diào)研和對現(xiàn)場需求的分析研究，提出了滿足系統(tǒng)功能的 3 個技術(shù)方案，即 “基于可編程邏輯控制器 (PLC) 和起重機監(jiān)控系統(tǒng) (CMS) 的起重機安全監(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) —通用移動通信技術(shù)的長期演進 (LTE) 技術(shù)的起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)”。 “基于 ZigBee 技術(shù)的起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)” 技術(shù)方案具有低功耗、低成本的特點，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鋼結(jié)構(gòu)對 無線信號的影響，ZigBee 的通信穩(wěn)定性很難保證。同 時，250 kbps 的通信速率對于視頻監(jiān)控系統(tǒng)而言帶寬過低，基本無法實現(xiàn)視頻流的傳輸。“基于GPS-LTE 技術(shù)的起重機安全監(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，最大可以達到 300 Mbps 的下載速率和75 Mbps 的上傳速率，同時傳輸范圍也大，基本可實現(xiàn)全國聯(lián)網(wǎng)。但由于LTE 技術(shù)受限于運營商限制，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，并需要繳納的運營商費用很高，長期投資效益不佳，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸在運營商的互聯(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 中存儲所有門式起重機的實時狀態(tài)參數(shù)，只是無法長期存儲。CMS 恰好解決 了 PLC 的不足，PLC 的實時數(shù)據(jù)上傳至CMS 中，由 CMS 進行存儲和統(tǒng)計分析。通過 CMS 可以實時監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)和具有故障查詢報警及歷史數(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1000 Mbps，對電控系統(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 3 套方案的技術(shù)經(jīng)濟性能比選，選擇適合鐵路集裝箱作業(yè)門吊的“基于 PLC 和 CMS 的起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)” 方案。

 

2、起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)構(gòu)成及主要功能

2.1 起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)構(gòu)成 起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)以全面監(jiān)控起重機各機 構(gòu)和運行參數(shù)，保護起重機運行安全，加強起重機維護管理為目的，設(shè)計了PLC 控制系統(tǒng)、起重機監(jiān)控系統(tǒng) (LCMS)、遠程監(jiān)控系統(tǒng) (RCMS)、視頻監(jiān)控系統(tǒng) 4 個子系統(tǒng)。

（1）PLC 控制系統(tǒng)采用西門子 S7-300 系列，主站設(shè)在電氣室，在司機室及小車機房設(shè)有遠程 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化結(jié)構(gòu)。PLC 監(jiān)控整機的運行狀態(tài)，對 整機運行的時序邏輯控制及信號實時檢測，并支持以太網(wǎng)通信，可以將監(jiān)控信息傳輸給起重機監(jiān)控系統(tǒng) (LCMS)。

（2）起重機監(jiān)控系統(tǒng) (LCMS) 采用安裝了西門子 WinCC 組態(tài)軟件的 1 臺一體式工控機，與PLC 采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊，能實時、高效地采集起重機的運行數(shù)據(jù)。由 WinCC 對起重機的技術(shù)參數(shù)、運行位置、電氣元件 (或部件) 的運行狀態(tài)進行不間斷監(jiān)控， 并顯示、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)。WinCC 組態(tài)軟件集成了圖形技術(shù)、人機界面技術(shù)，數(shù)據(jù)庫技術(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。同時安裝有 LCMS 的一體式工控機本身故障時不會影響系統(tǒng)的工作。如果起重機某部件出現(xiàn)故障，一體式工控機可及時報警。

（3）遠程監(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 可以實現(xiàn)門式起重機全部數(shù)據(jù)的長期保存，并通過數(shù)據(jù)的存儲、管理、分析，實現(xiàn)門式起重機的狀態(tài)設(shè)備管理，提前預(yù)警等功能。門式起重機使用和管理人員可通過 RCMS 對分散于各處的門式起重機進行遠程的管理和監(jiān)控，極大提高了管理人員的工作效率，而且通過長期的數(shù)據(jù)記錄，管理人員可以通過 RCMS 隨時調(diào)取查看任意時間段內(nèi)的操作記錄回放， 對故障的分析提供手段和依據(jù)。

（4）視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為一套獨立的子系統(tǒng)，可以實現(xiàn)門式起重機外部環(huán)境的監(jiān)測，通過定期的校時功能，保證視頻監(jiān)控系統(tǒng)的時間線與 PLC 控制系 統(tǒng)、LCMS、RCMS 一致，同時視頻監(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，方便管理人員通過 RCMS 回放作業(yè)過程時，能夠?qū)崿F(xiàn)門式起重機內(nèi)外部信息的方便查看與分析。 起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)構(gòu)成單元示意圖如圖 1 所示

 

2.2 起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)主要功能 起重機安全監(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)、工作時間、工作循環(huán)、累計工作時間、操作指令及其他關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)。起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能如下。

（1）系統(tǒng)監(jiān)控功能。起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)具有可擴展接口，能夠?qū)崿F(xiàn)起重機操作人員、現(xiàn)場辦公室、遠程管理者等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入系統(tǒng)，進行系統(tǒng)的設(shè)定、報警查閱及文檔輸出等。

（3）系統(tǒng)控制輸出和報警功能。門式起重機起動前系統(tǒng)將對其進行自檢，如果出現(xiàn)影響門式起重機安全運行的情況時，系統(tǒng)通過警示提示司機謹慎操作；當門式起重機某部位出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)通過警示提示司機，同時控制模塊輸出信號接入電控系統(tǒng)，使相應(yīng)的機構(gòu)停止運行或斷電，待故障排除后系統(tǒng)恢復(fù)正常后，門式起重機才能正常運行。

（4）系統(tǒng)信息的存儲和調(diào)取功能。起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)以圖形、圖像、圖標和文字的方式實時顯示起重機械的工作狀態(tài)和工作參數(shù)。系統(tǒng)設(shè)有獨立的 UPS 電源，門式起重 機斷電后，系統(tǒng)信息仍然保留，安全監(jiān)控系統(tǒng)信息存儲時間大于 30 個連續(xù)工作日，視頻存儲時間大于 72 個連續(xù)工作小時，根據(jù)需求可調(diào)取保存的信息，驗證門吊運行狀態(tài)及故障信息實時記錄。

（5）數(shù)據(jù)分析功能。起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)能夠記錄各機構(gòu)實際工作時間和制動次數(shù)、吊箱動作的循環(huán)次數(shù)、吊箱工作時間等，為設(shè)備的維護管理提供了數(shù)據(jù)支持。

起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的實際應(yīng)用 南昌鐵路局按照“基于 PLC 和 CMS 的起重機安 全監(jiān)控管理系統(tǒng)”方案，研發(fā)了起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，以提升門式起重機的安全技術(shù)性能。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對門式起重機各運行機構(gòu)的運行參數(shù)、狀態(tài)、故障報警信息及操作指令等實時監(jiān)控，并對數(shù)據(jù)實時記錄和保存；通過多路攝像頭構(gòu)成的視頻系統(tǒng)對整機運行進行視頻實時監(jiān)控、錄像存儲及回放；通過接入互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程監(jiān)控、故障診斷、維護等。

目前，南昌鐵路局對新建的25臺和既有的7臺 集裝箱作業(yè)的門吊安裝了起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)。

2016 年新建的吉安南站 40.5 t 集裝箱門吊起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)管理主界面如圖 2 所示。 南昌鐵路局起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)應(yīng)用效果 如下。

（1）通過在門式起重機大車、小車、司機室、 臺車上等關(guān)鍵部位安裝攝像頭，司機室監(jiān)視屏可顯示 13 個工作畫面 (顯示門式起重機關(guān)鍵部位工作狀態(tài)和外部環(huán)境)，司機可以根據(jù)監(jiān)視屏和觸摸屏顯示的技術(shù)參數(shù)對門式起重機進行操作，提高了司機操作的安全可靠性。視頻監(jiān)控系統(tǒng)拓撲圖如圖 3 所示。

 

（2）通過司機室里面的觸摸屏，顯示PLC控制系統(tǒng)對門式起重機實時檢測數(shù)據(jù)和作業(yè)工況，當門式起重機某部位出現(xiàn)故障時，觸摸屏可顯示相應(yīng)故障代碼，司機通過故障代碼查找故障和排除故障，保證了門式起重機作業(yè)安全。

（3）通過在大車的4個角上沿行駛方向增加4個光電測距傳感器，在同一軌道上相鄰的門式起重機侵入對方的安全距離范圍內(nèi)時，測量系統(tǒng)立即發(fā)出聲光報警，同時將信號傳遞給 PLC 控制系統(tǒng)，PLC 控制系統(tǒng)自動控制大車停止前進，保證大車行駛安全。

（4）通過優(yōu)化起升機構(gòu)的制動器控制回路，在變頻器控制板輸出繼電器側(cè)采用雙繼電器信號串聯(lián)，在 PLC 輸出繼電器回路采用雙 PLC 輸出點分別控制2個制動器接觸器，同時在制動器主回路上將2個接觸器串聯(lián)使用，保證了門吊起升機構(gòu)制動器的正常穩(wěn)定工作，消除了起升機構(gòu)發(fā)生溜鉤的安全隱患，保證了起升機構(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)實時監(jiān)測 4 個稱重傳感器的數(shù)值并進行比對，實現(xiàn)超偏載的監(jiān)測，及時發(fā)出報警以免發(fā)生危險，加強了對門式起重機的保護。

（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，并進行錄像存儲。當發(fā)生事故時，可調(diào)用系統(tǒng)進行視頻回放和查詢關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為事故的準確判斷提供依據(jù)。

起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)是門式起重機的電控系統(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的安全可靠性和裝卸作業(yè)效率。起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的遠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，提升了鐵路裝卸機械化管理水