随着中国经济突飞猛进，铁路运输量大幅度增加，铁路货运也逐步向现代物流的转型发展，集装箱运输成为铁路货运增量的一个“突破点”，在铁路运输 生产中占有越来越大的比重 。铁路装卸是铁路现代物流的重要构成要素，装卸机械是铁路运输生产的重要设备 。为加快发展铁路集装箱运输，亟需提升铁路货场的集装箱装卸能力。门式起重机作为铁路货场装卸集装箱的主要设备，对铁路集装箱作业的安全和效率起着至关重要的作用。

铁路货场早期建造的集装箱门式起重机电控系统采用电阻调速，由于作业频繁、货场作业条件差等原因，造成故障率高，配件更换维修时间长，作业效率受到一定影响，因而这类门式起重机不论是从安全上还是从效率上都难以满足集装箱装卸作业要求。

 2015 年中国铁路总公司开展集装箱门吊专项整治工作，要求集装箱作业的门式起重机电控系统全部采用变频技术，宜具备称重、装载均衡状态监测功能 。根据《起重机械安全监控管理系统》(GB/ T28264-2012)标准 ，通过调研和对现场需求的分析研究，提出了满足系统功能的 3 个技术方案，即 “基于可编程逻辑控制器 (PLC) 和起重机监控系统 (CMS) 的起重机安全监控管理系统”“基于紫蜂协议 (ZigBee) 技术的起重机安全监控管理系统”和“基于全球定位系统 (GPS) —通用移动通信技术的长期演进 (LTE) 技术的起重机安全监控管理系统”。 “基于 ZigBee 技术的起重机安全监控管理系统” 技术方案具有低功耗、低成本的特点，但存在速率低 (只有20～250 kbps)、传输距离近 (只有10～100 m) 等问题，虽然可以通过增加发射功率和通信接力增大传输范围，但由于传感器布置和门式起重机钢结构对 无线信号的影响，ZigBee 的通信稳定性很难保证。同 时，250 kbps 的通信速率对于视频监控系统而言带宽过低，基本无法实现视频流的传输。“基于GPS-LTE 技术的起重机安全监控管理系统” 技术方案中 LTE 技术速度有了显著的提升，最大可以达到 300 Mbps 的下载速率和75 Mbps 的上传速率，同时传输范围也大，基本可实现全国联网。但由于LTE 技术受限于运营商限制，带宽为小区内共享，监控设备能够获得的带宽有限，并需要缴纳的运营商费用很高，长期投资效益不佳，系统数据传输在运营商的互联网 上，数据安全性也不易保证。“基于PLC 和 CMS的起重机安全监控管理系统”技术方案中所有的传感器均直接接入 PLC 中， PLC 中存储所有门式起重机的实时状态参数，只是无法长期存储。CMS 恰好解决 了 PLC 的不足，PLC 的实时数据上传至CMS 中，由 CMS 进行存储和统计分析。通过 CMS 可以实时监控设备的运行状态和具有故障查询报警及历史数据查询等功能，且该方案完全内网有线连接，通信速度可达1000 Mbps，对电控系统改造量小，适合铁路集装箱作业门吊的安全管理要求。经过对 3 套方案的技术经济性能比选，选择适合铁路集装箱作业门吊的“基于 PLC 和 CMS 的起重机安全监控管理系统” 方案。

 

2、起重机安全监控管理系统构成及主要功能

2.1 起重机安全监控管理系统构成 起重机安全监控管理系统以全面监控起重机各机 构和运行参数，保护起重机运行安全，加强起重机维护管理为目的，设计了PLC 控制系统、起重机监控系统 (LCMS)、远程监控系统 (RCMS)、视频监控系统 4 个子系统。

（1）PLC 控制系统采用西门子 S7-300 系列，主站设在电气室，在司机室及小车机房设有远程 I/O 分站，主站与分站采用 PROFIBUS-DP 通讯。PLC控制系统中央处理器 (CPU) 采用 315-2DP，是一款带有中、大规模程序量 PROFIBUS-DP 主/从接口的 CPU，除了可以组成集中式 I/O 结构，还可以快速组成分布式自动化结构。PLC 监控整机的运行状态，对 整机运行的时序逻辑控制及信号实时检测，并支持以太网通信，可以将监控信息传输给起重机监控系统 (LCMS)。

（2）起重机监控系统 (LCMS) 采用安装了西门子 WinCC 组态软件的 1 台一体式工控机，与PLC 采用工业以太网通讯，能实时、高效地采集起重机的运行数据。由 WinCC 对起重机的技术参数、运行位置、电气元件 (或部件) 的运行状态进行不间断监控， 并显示、存储、转发。WinCC 组态软件集成了图形技术、人机界面技术，数据库技术、控制技术、网络与通讯技术等，只需通过可视化的组态方式，就可以完成监控软件的设计。同时安装有 LCMS 的一体式工控机本身故障时不会影响系统的工作。如果起重机某部件出现故障，一体式工控机可及时报警。

（3）远程监控系统 (RCMS) 采用 IBM 服务器和授权复示终端组成，RCMS与LCMS 之间通过2.4GHz/5.8GHz 无线保真 (WI-FI) 网络连接。 RCMS 可以实现门式起重机全部数据的长期保存，并通过数据的存储、管理、分析，实现门式起重机的状态设备管理，提前预警等功能。门式起重机使用和管理人员可通过 RCMS 对分散于各处的门式起重机进行远程的管理和监控，极大提高了管理人员的工作效率，而且通过长期的数据记录，管理人员可以通过 RCMS 随时调取查看任意时间段内的操作记录回放， 对故障的分析提供手段和依据。

（4）视频监控系统作为一套独立的子系统，可以实现门式起重机外部环境的监测，通过定期的校时功能，保证视频监控系统的时间线与 PLC 控制系 统、LCMS、RCMS 一致，同时视频监控系统可采集 LCMS 系统数据并叠加到视频画面中，视频监控文件传输至 RCMS 服务器中统一存储，方便管理人员通过 RCMS 回放作业过程时，能够实现门式起重机内外部信息的方便查看与分析。 起重机安全监控管理系统构成单元示意图如图 1 所示

 

2.2 起重机安全监控管理系统主要功能 起重机安全监控管理系统监控的主要数据包括： 起重量、起升高度、风速、防碰撞、超速、限位、安全联锁、抗风防滑状态、工作时间、工作循环、累计工作时间、操作指令及其他关键的技术参数。起重机安全监控管理系统实现的主要功能如下。

（1）系统监控功能。起重机安全监控管理系统具有可扩展接口，能够实现起重机操作人员、现场办公室、远程管理者等3种不同层次的监控管理需求。

（2）用户管理功能。起重机安全监控管理可以预设若干用户名的使用权限，只有输入正确的用户名和密码后可进入系统，进行系统的设定、报警查阅及文档输出等。

（3）系统控制输出和报警功能。门式起重机起动前系统将对其进行自检，如果出现影响门式起重机安全运行的情况时，系统通过警示提示司机谨慎操作；当门式起重机某部位出现故障时，系统通过警示提示司机，同时控制模块输出信号接入电控系统，使相应的机构停止运行或断电，待故障排除后系统恢复正常后，门式起重机才能正常运行。

（4）系统信息的存储和调取功能。起重机安全监控管理系统以图形、图像、图标和文字的方式实时显示起重机械的工作状态和工作参数。系统设有独立的 UPS 电源，门式起重 机断电后，系统信息仍然保留，安全监控系统信息存储时间大于 30 个连续工作日，视频存储时间大于 72 个连续工作小时，根据需求可调取保存的信息，验证门吊运行状态及故障信息实时记录。

（5）数据分析功能。起重机安全监控管理系统能够记录各机构实际工作时间和制动次数、吊箱动作的循环次数、吊箱工作时间等，为设备的维护管理提供了数据支持。

起重机安全监控管理系统的实际应用 南昌铁路局按照“基于 PLC 和 CMS 的起重机安 全监控管理系统”方案，研发了起重机安全监控管理系统，以提升门式起重机的安全技术性能。该系统实现了对门式起重机各运行机构的运行参数、状态、故障报警信息及操作指令等实时监控，并对数据实时记录和保存；通过多路摄像头构成的视频系统对整机运行进行视频实时监控、录像存储及回放；通过接入互联网实现远程监控、故障诊断、维护等。

目前，南昌铁路局对新建的25台和既有的7台 集装箱作业的门吊安装了起重机安全监控管理系统。

2016 年新建的吉安南站 40.5 t 集装箱门吊起重机安全监控管理系统实时数据管理主界面如图 2 所示。 南昌铁路局起重机安全监控管理系统应用效果 如下。

（1）通过在门式起重机大车、小车、司机室、 台车上等关键部位安装摄像头，司机室监视屏可显示 13 个工作画面 (显示门式起重机关键部位工作状态和外部环境)，司机可以根据监视屏和触摸屏显示的技术参数对门式起重机进行操作，提高了司机操作的安全可靠性。视频监控系统拓扑图如图 3 所示。

 

（2）通过司机室里面的触摸屏，显示PLC控制系统对门式起重机实时检测数据和作业工况，当门式起重机某部位出现故障时，触摸屏可显示相应故障代码，司机通过故障代码查找故障和排除故障，保证了门式起重机作业安全。

（3）通过在大车的4个角上沿行驶方向增加4个光电测距传感器，在同一轨道上相邻的门式起重机侵入对方的安全距离范围内时，测量系统立即发出声光报警，同时将信号传递给 PLC 控制系统，PLC 控制系统自动控制大车停止前进，保证大车行驶安全。

（4）通过优化起升机构的制动器控制回路，在变频器控制板输出继电器侧采用双继电器信号串联，在 PLC 输出继电器回路采用双 PLC 输出点分别控制2个制动器接触器，同时在制动器主回路上将2个接触器串联使用，保证了门吊起升机构制动器的正常稳定工作，消除了起升机构发生溜钩的安全隐患，保证了起升机构作业的安全稳定性。

（5）通过在吊具上架4角的转锁箱内安装称重传感器，PLC 控制系统实时监测 4 个称重传感器的数值并进行比对，实现超偏载的监测，及时发出报警以免发生危险，加强了对门式起重机的保护。

（6）通过将 PLC 采集的关键数据处理后叠加在视频图像上，并进行录像存储。当发生事故时，可调用系统进行视频回放和查询关键数据，为事故的准确判断提供依据。

起重机安全监控管理系统是门式起重机的电控系统在传统的电阻调速基础上，经过可编程逻辑控制器和起重机监控系统结合开发出来的一种创新型产品，其应用降低了门式起重机的故障率，防止了集装箱作业事故的发生，有效地提高了门式起重机的安全可靠性和装卸作业效率。起重机安全监控管理系统的远程故障判断处理功能，解决了目前站段维修力量薄弱的问题，为铁路集装箱作业安全提供技术支撑与基础保障，提升了铁路装卸机械化管理水