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【摘 要】铁路施工项目是十分复杂的工程，存在很大的风险和安全隐患。就铁路架桥工程而言，寻找一项在安全方面能够起到监控和管理的系统是非常有必要的。
【关键词】架桥机；安全监控与管理系统；PLC；人机界面；实际应用
【Keyword】Girder- Erecting Machine； Security Monitoring and Management System；Programmable Logic Controller； Human Machine Interaction； Practical Application
一、安全监控管理系统的定义与起重机械安全监控管理系统的产生
（一）安全监控管理系统的定义。安全监控管理系统是基于传感器技术、嵌入式技术，数据采集技术、数据处理技术、无线传感网络与远程通信技术等一系列技术相融合的系统平台，通过前端监控装置和平台无缝融合，实现了对开放式的实时设备运行监控，在对设备实现现场安全监控的同时，通过远程高速无线数据传输，将设备运行工况安全数据和报警信息通过无线通信技术实时发送到远程可视化监控平台，并能在报警时自动触发手机短信向相关人员告知，从而实现实时的动态远程监控、远程报警和远程告知，使得任何设备安全监控成为开放的实时动态监控。
（二）起重机械安全监控管理系统的产生。中国家质检总局特种设备安全监察局出台了国质检特〔2010〕518号文《关于进一步加强特种设备安全工作的若干意见》中均明确提出“大型起重机械要安装安全监控装置”的要求。于是国家质检总局和国家安全总局联合发文，质检办特联[2013]5号文件---节选：在2012年试点取得初步成果的基础上，2013年在造船门式起重机和架桥机推广应用安全监控管理系统。自2013年7月1日起，制造和安装单位应该在新制造的造船门式起重机和架桥机上依据《起重机械安全监控管理系统》（GB/T28264-2012）国家标准安装安全监控管理系统，没有安装安全监控管理系统的不得出厂。
二、TJ165架桥机安全监控管理系统
（一）概况。TJ165型架桥机是为架设2201型T梁而设计的新型架桥机。机组由主机、辅机、换装架三大部分组成。采用主机定位架桥，辅机运梁，换装架换装T梁的作业方式。TJ165型架桥机安全监控系统是根据最新《起重机械安全监控管理系统》（GB/T28264-2012）国家标准研制开发的，重点针对各类在役铁路铺架设备的改造及新标准的实施。该安全监控系统实现架桥机起重量检测、起升高度检测、起升速度检测、行程限位检测、运行超速报警、风速检测、水平度检测、垂直度检测、视频监视等功能。
（二）系统的功能及性能指标
1.系统的功能。（1）监测吊梁小车四个吊点的起重量，超重则不能起吊并发出报警；（2）监测吊梁小车的起升高度，到达临界位置控制行程开关的通断，停止起升动作；（3）监测吊梁小车四个吊点的起升速度；（4）安全制动装置实现行星齿轮卷扬机超速时自行制动，防止T型失速下落。（5）监测吊梁小车的横移距离及横移速度，到达临界位置时控制行程开关的通断，停止横移动作；（6）监测吊梁小车前后走行位移，到达临界位置停止走行动作，防止与其他机构相撞；（7）监测所有行程开关的通断情况；（8）实现不同联锁机构的互锁；（9）监测0号柱与1号柱间大臂的水平度；（10）监测0号柱横向及纵向倾斜度；（11）监测现场的风速大小及等级；（12）监测起升机构安装制动器的制动状态；（13）监测机臂上32m位、24m位及16m位插销状态；（14）监测主机的走行速度，实现超速报警功能；（15）监控主机喂梁、架梁、过孔等工况画面；（16）记录当次工作时间和累计工作时间；（17）监测操作台所有按钮开关的通断状态
3.主要技术性能指标。（1）系统对所有满足架桥机工作要求的信号、信息进行处理及控制的功能。（2）对架桥机运行状态及故障信息进行实时记录和历史追溯的功能。（3）故障自诊断功能。在开机时应有自检程序，对警报、显示等功能进行验证；在系统自身发生故障而影响正常使用时，能立即发出报警信号。系统在发生故障时，除发出报警外还具备停止功能。（4）具有起重机械作业状态的实时显示功能，能以图表和文字的方式向操作人员显示架桥机的工作状态和工作参数。（5）报警装置能向处于危险区域内的起重机械操作人员发出清晰的声光报警。（6）系统用户的通讯协议是对外开放的。系统可通过串口使用MODBUSRTU协议或者网口使用MODBUSTCP/IP协议，可与第三方设备通讯，实现远程监控。
（三）TJ165架桥机安全监控管理系统的方案设计
1.监控系统方案（1）起重量检测。在吊梁小车安装起重量传感器来采集四个吊点的起升重量信号，信号传输到仪表，另外通过总线将信号传输到PLC，对数据分析和控制。操作人员由人机界面实时观查吊梁小车四个吊点的起重量以及总起重量。若四个吊点起吊量，单个超过45T时，发出预警；超过55T时，不能起吊T梁，并发出报警。若总起重量超过162T，发出预警；超过198T时，则不能起吊T梁，并发出报警。注：吊梁小车起升机构的倍率是12，即钢丝绳吊点受力x12=实际起吊量。（2）起升速度检测。在前后吊梁小车的卷筒上安装四只编码器，分别采集四台卷筒的转速信号，传入吊梁小车从站PLC进行分析处理得到起升的速度信号，通过司机室的人机界面进行数据显示。（3）安全制动装置。TJ165架桥机起升机构包含四套起升卷扬系统，在起升机构的低速端增加末级安全制动装置，通过吊梁小车从站PLC进行控制。检测起升速度的编码器分别与起升卷筒相连接。实际测量卷筒正常工作状态下转速为4.7r/min。（4）起升高度检测。吊梁小车从站PLC通过对检测起升速度的编码器采集卷筒的转速信号，转速比以及卷筒缠绕钢丝绳的周长进行处理，可计算出起升机构上升/下降的距离，信号传到司机室人机界面进行数字显示。当起升机构在升降过程中，起升吊具与吊梁小车底部的距离超出有效范围值0.0-5.3m时，起升机构停止起升动作，但可采取反向运行。（5）吊梁小车横移距离检测。在前后吊梁小车横移机构安装测量轮，用编码器采集测量轮的转速信号，经过吊梁小车从站PLC处理可得到吊梁小车横移的实际距离。当向左、向右横移的距离超过1150mm时，吊梁小车停止继续横移动作，但可采取反向运行。（6）吊梁小车纵移位置检测。在前后吊梁小车尾端安装测量轮，用增量型编码器采集测量轮的转速信号，经过吊梁小车从站PLC处理可得到吊梁小车相对机臂运行的位移。操作人员通过人机界面可实时监视吊梁小车相对机臂的位置，及时调整操作，可有效预防吊梁小车吊梁前进时与0号柱相撞的事故发生。（7）架桥机走行速度检测。在架桥机的直流走行牵引电机轴端安装测速编码器来采集电机的转速信号，通过主站PLC进行数据分析和控制，然后传到司机室的人机界面进行显示。操作人员可通过人机界面观测到主机运行的实时速度。架桥机有非桥面运行和桥面运行两种运行模式。当架桥机在非桥面运行时，速度超过7km/h发出语音预警，速度超过12km/h发出语音报警并能自动制动。当架桥机在桥面运行时，速度超过3km/h发出语音预警，速度超过5km/h发出语音报警并能自动制动。（8）吊梁小车前进限位检测。在架桥机0号柱上安装接近开关，通过发射红外线监测与前方T梁的距离。当T梁前进到达临界距离时，接近开关动作，起升机构断电停止前进，但可做反向运行。（9）风速检测。在主机1号柱柱顶上安装风速仪，将模拟量信号采集到司机室主站PLC，将电信号转换成风速和风力，由人机界面直接显示。当风速超过5级时开始预警，超过6级时进行报警，并切断起升和吊梁走行电源，但系统具备在特殊情况下能采取特殊方式进行应急作业，确保铺架设备施工作业安全。（10）机臂水平度检测。在架桥机机臂前端和1号柱位置上安装水平传感器，检测机臂和1号柱柱顶横向和纵向水平高度差，高度差超出有效范围时，发出报警。必须保证0号柱与1号柱水平高度差在有效范围内，使机臂基本处于水平状态。（11）0号柱垂直度检测。在架桥机0号柱上安装水平传感器，检测0号柱的垂直度和左右方向的水平度，垂直度和水平度超出有效范围时，发出报警，保证0号柱处于垂直和水平状态。（12）机臂柱顶插销状态检测。分别在架桥机机臂的32m位、24m位以及16m位插销孔安装接近开关采集这三个孔位的状态信号。司机室人机界面可显示该接近开关的通断状态，当机臂插销时，人机界面能实时显示对应孔位已经插销。只有机臂对应孔位的插销插好后，才可进行相应的动作。例如32m架梁位的插销没有插到位，则架桥机不能对32米T梁进行架梁作业。并根据实际情况可实现不同孔位接近开关的互锁。（13）视频监测。分别在架桥机主机0号柱、吊梁小车、2号柱上安装摄像仪拍摄架梁、过孔、喂梁等工况画面，视频信号可在司机室由液晶显示屏显示，操作人员可清楚的观看到铺架设备施工的视频画面，防止突发事件的发生。（14）运行行程限位开关信号采集。主站和从站PLC采集架桥机主机的所有行程限位开关信号，通过观测人机界面显示的行程限位開关信号，可清楚的观测到运行是否到位。 2.管理系统具体方案。主站PLC将采集的数据由通信的方式传输到人机界面，人机界面将各种数据用最直观的方式显示出来。人机界面设有主界面、历史数据查询界面、报警查询界面、管理员登陆界面、系统参数设置界面、系统测试自检界面和系统管理界面。不仅能够实时显示所监控的各个参数，还可以对所有的监控对象进行显示、报警、记录及动作停机等功能。系统数据具有外部存储功能，通过USB口或网口可将数据导出长久保存。设备具备远程通讯接口，可将数据和视频通过GPRS或3G模块将数据发至服务器，实现远程监控。（1）主界面。管理系统在日常运行中始终将人机界面的主界面显示在最前端，通过主界面将各种参数及设备运行状态显示出来。架桥机操作司机在日常作业中实时监视数据，可对设备工作状态进行评估。除了操作人员及时了解架桥机作业的进度外，还可以有效防止误操作。（2）历史数据查询。管理系统将采集的各个运行机构的实时参数5秒作为一个存储周期，存储到人机界面的内存中或者是外部存储器中，给设备的操作、日常的维护、定期的安全评估等提供相关依据。（3）报警查询。设备在日常工作中不可避免的会产生一些故障因素，但发生的故障不能通篇而论，有的故障需要立即作出相应，有的故障则可以自动消除。因此我们将系统存在的日常故障点设置为三个等级，即一级报警、二级报警和三级报警。一级报警仅作为提示，可不需要做出相应，例如：各运行机构的限位报警；二级报警虽然不需要立即做出相应，但必须提供足够的警示提醒，例如风速达到预警值、起重量达到预警值、T粱与0号柱的距离达到预警值等等；三级报警则需要立即停车，对相应的故障进行解除，否则设备不能继续工作，例如起升超速、起重量超载、液压系统油温过高、通信故障等等。管理系统具备将所有的故障报警进行记录，且随时可供查询。具体的报警名称、明确的报警级别、详细的报警时间能够有效的提高工作效率，对设备的故障排除提供了有效帮助，另外对工作人员日常的工作记录也提供了间接服务。（4）管理员登陆。起重机安全监控管理系统对设备的使用及维护人员要求相对严格，系统的使用和维护都需要相关的专业人员执行。为了防止非相关专业人员对系统参数进行修改，特设置管理员登陆界面，只有输入正确的密码才能对系统的参数进行修改和整定。此措施就是从管理的角度对系统做出严格的要求，有效防止因系统参数的随意修改引起不必要的麻烦，甚至是相关事故的发生。（5）系统参数设置。系统在整个运行过程中，因为环境、故障、累积误差、人为损坏等等系列因素都可能使系统参数发生偏差不准确，因此随时随地的对相关系统参数做出修订是必然。
三、结束语
21世纪是铁路快速发展的时代，在加快铁路事业发展的同时更应该加强安全与管理的实际作用。TJ165架桥机安全监控管理系统虽然是在国务院以及国家质检总局的硬性规定下产生，但实事求是的给我们的工程施工带来了方便，不仅将安全性能提高了很大的等级，而且使作业管理更加規范化。
【关键词】架桥机；安全监控与管理系统；PLC；人机界面；实际应用
【Keyword】Girder- Erecting Machine； Security Monitoring and Management System；Programmable Logic Controller； Human Machine Interaction； Practical Application
一、安全监控管理系统的定义与起重机械安全监控管理系统的产生
（一）安全监控管理系统的定义。安全监控管理系统是基于传感器技术、嵌入式技术，数据采集技术、数据处理技术、无线传感网络与远程通信技术等一系列技术相融合的系统平台，通过前端监控装置和平台无缝融合，实现了对开放式的实时设备运行监控，在对设备实现现场安全监控的同时，通过远程高速无线数据传输，将设备运行工况安全数据和报警信息通过无线通信技术实时发送到远程可视化监控平台，并能在报警时自动触发手机短信向相关人员告知，从而实现实时的动态远程监控、远程报警和远程告知，使得任何设备安全监控成为开放的实时动态监控。
（二）起重机械安全监控管理系统的产生。中国家质检总局特种设备安全监察局出台了国质检特〔2010〕518号文《关于进一步加强特种设备安全工作的若干意见》中均明确提出“大型起重机械要安装安全监控装置”的要求。于是国家质检总局和国家安全总局联合发文，质检办特联[2013]5号文件---节选：在2012年试点取得初步成果的基础上，2013年在造船门式起重机和架桥机推广应用安全监控管理系统。自2013年7月1日起，制造和安装单位应该在新制造的造船门式起重机和架桥机上依据《起重机械安全监控管理系统》（GB/T28264-2012）国家标准安装安全监控管理系统，没有安装安全监控管理系统的不得出厂。
二、TJ165架桥机安全监控管理系统
（一）概况。TJ165型架桥机是为架设2201型T梁而设计的新型架桥机。机组由主机、辅机、换装架三大部分组成。采用主机定位架桥，辅机运梁，换装架换装T梁的作业方式。TJ165型架桥机安全监控系统是根据最新《起重机械安全监控管理系统》（GB/T28264-2012）国家标准研制开发的，重点针对各类在役铁路铺架设备的改造及新标准的实施。该安全监控系统实现架桥机起重量检测、起升高度检测、起升速度检测、行程限位检测、运行超速报警、风速检测、水平度检测、垂直度检测、视频监视等功能。
（二）系统的功能及性能指标
1.系统的功能。（1）监测吊梁小车四个吊点的起重量，超重则不能起吊并发出报警；（2）监测吊梁小车的起升高度，到达临界位置控制行程开关的通断，停止起升动作；（3）监测吊梁小车四个吊点的起升速度；（4）安全制动装置实现行星齿轮卷扬机超速时自行制动，防止T型失速下落。（5）监测吊梁小车的横移距离及横移速度，到达临界位置时控制行程开关的通断，停止横移动作；（6）监测吊梁小车前后走行位移，到达临界位置停止走行动作，防止与其他机构相撞；（7）监测所有行程开关的通断情况；（8）实现不同联锁机构的互锁；（9）监测0号柱与1号柱间大臂的水平度；（10）监测0号柱横向及纵向倾斜度；（11）监测现场的风速大小及等级；（12）监测起升机构安装制动器的制动状态；（13）监测机臂上32m位、24m位及16m位插销状态；（14）监测主机的走行速度，实现超速报警功能；（15）监控主机喂梁、架梁、过孔等工况画面；（16）记录当次工作时间和累计工作时间；（17）监测操作台所有按钮开关的通断状态
3.主要技术性能指标。（1）系统对所有满足架桥机工作要求的信号、信息进行处理及控制的功能。（2）对架桥机运行状态及故障信息进行实时记录和历史追溯的功能。（3）故障自诊断功能。在开机时应有自检程序，对警报、显示等功能进行验证；在系统自身发生故障而影响正常使用时，能立即发出报警信号。系统在发生故障时，除发出报警外还具备停止功能。（4）具有起重机械作业状态的实时显示功能，能以图表和文字的方式向操作人员显示架桥机的工作状态和工作参数。（5）报警装置能向处于危险区域内的起重机械操作人员发出清晰的声光报警。（6）系统用户的通讯协议是对外开放的。系统可通过串口使用MODBUSRTU协议或者网口使用MODBUSTCP/IP协议，可与第三方设备通讯，实现远程监控。
（三）TJ165架桥机安全监控管理系统的方案设计
1.监控系统方案（1）起重量检测。在吊梁小车安装起重量传感器来采集四个吊点的起升重量信号，信号传输到仪表，另外通过总线将信号传输到PLC，对数据分析和控制。操作人员由人机界面实时观查吊梁小车四个吊点的起重量以及总起重量。若四个吊点起吊量，单个超过45T时，发出预警；超过55T时，不能起吊T梁，并发出报警。若总起重量超过162T，发出预警；超过198T时，则不能起吊T梁，并发出报警。注：吊梁小车起升机构的倍率是12，即钢丝绳吊点受力x12=实际起吊量。（2）起升速度检测。在前后吊梁小车的卷筒上安装四只编码器，分别采集四台卷筒的转速信号，传入吊梁小车从站PLC进行分析处理得到起升的速度信号，通过司机室的人机界面进行数据显示。（3）安全制动装置。TJ165架桥机起升机构包含四套起升卷扬系统，在起升机构的低速端增加末级安全制动装置，通过吊梁小车从站PLC进行控制。检测起升速度的编码器分别与起升卷筒相连接。实际测量卷筒正常工作状态下转速为4.7r/min。（4）起升高度检测。吊梁小车从站PLC通过对检测起升速度的编码器采集卷筒的转速信号，转速比以及卷筒缠绕钢丝绳的周长进行处理，可计算出起升机构上升/下降的距离，信号传到司机室人机界面进行数字显示。当起升机构在升降过程中，起升吊具与吊梁小车底部的距离超出有效范围值0.0-5.3m时，起升机构停止起升动作，但可采取反向运行。（5）吊梁小车横移距离检测。在前后吊梁小车横移机构安装测量轮，用编码器采集测量轮的转速信号，经过吊梁小车从站PLC处理可得到吊梁小车横移的实际距离。当向左、向右横移的距离超过1150mm时，吊梁小车停止继续横移动作，但可采取反向运行。（6）吊梁小车纵移位置检测。在前后吊梁小车尾端安装测量轮，用增量型编码器采集测量轮的转速信号，经过吊梁小车从站PLC处理可得到吊梁小车相对机臂运行的位移。操作人员通过人机界面可实时监视吊梁小车相对机臂的位置，及时调整操作，可有效预防吊梁小车吊梁前进时与0号柱相撞的事故发生。（7）架桥机走行速度检测。在架桥机的直流走行牵引电机轴端安装测速编码器来采集电机的转速信号，通过主站PLC进行数据分析和控制，然后传到司机室的人机界面进行显示。操作人员可通过人机界面观测到主机运行的实时速度。架桥机有非桥面运行和桥面运行两种运行模式。当架桥机在非桥面运行时，速度超过7km/h发出语音预警，速度超过12km/h发出语音报警并能自动制动。当架桥机在桥面运行时，速度超过3km/h发出语音预警，速度超过5km/h发出语音报警并能自动制动。（8）吊梁小车前进限位检测。在架桥机0号柱上安装接近开关，通过发射红外线监测与前方T梁的距离。当T梁前进到达临界距离时，接近开关动作，起升机构断电停止前进，但可做反向运行。（9）风速检测。在主机1号柱柱顶上安装风速仪，将模拟量信号采集到司机室主站PLC，将电信号转换成风速和风力，由人机界面直接显示。当风速超过5级时开始预警，超过6级时进行报警，并切断起升和吊梁走行电源，但系统具备在特殊情况下能采取特殊方式进行应急作业，确保铺架设备施工作业安全。（10）机臂水平度检测。在架桥机机臂前端和1号柱位置上安装水平传感器，检测机臂和1号柱柱顶横向和纵向水平高度差，高度差超出有效范围时，发出报警。必须保证0号柱与1号柱水平高度差在有效范围内，使机臂基本处于水平状态。（11）0号柱垂直度检测。在架桥机0号柱上安装水平传感器，检测0号柱的垂直度和左右方向的水平度，垂直度和水平度超出有效范围时，发出报警，保证0号柱处于垂直和水平状态。（12）机臂柱顶插销状态检测。分别在架桥机机臂的32m位、24m位以及16m位插销孔安装接近开关采集这三个孔位的状态信号。司机室人机界面可显示该接近开关的通断状态，当机臂插销时，人机界面能实时显示对应孔位已经插销。只有机臂对应孔位的插销插好后，才可进行相应的动作。例如32m架梁位的插销没有插到位，则架桥机不能对32米T梁进行架梁作业。并根据实际情况可实现不同孔位接近开关的互锁。（13）视频监测。分别在架桥机主机0号柱、吊梁小车、2号柱上安装摄像仪拍摄架梁、过孔、喂梁等工况画面，视频信号可在司机室由液晶显示屏显示，操作人员可清楚的观看到铺架设备施工的视频画面，防止突发事件的发生。（14）运行行程限位开关信号采集。主站和从站PLC采集架桥机主机的所有行程限位开关信号，通过观测人机界面显示的行程限位開关信号，可清楚的观测到运行是否到位。 2.管理系统具体方案。主站PLC将采集的数据由通信的方式传输到人机界面，人机界面将各种数据用最直观的方式显示出来。人机界面设有主界面、历史数据查询界面、报警查询界面、管理员登陆界面、系统参数设置界面、系统测试自检界面和系统管理界面。不仅能够实时显示所监控的各个参数，还可以对所有的监控对象进行显示、报警、记录及动作停机等功能。系统数据具有外部存储功能，通过USB口或网口可将数据导出长久保存。设备具备远程通讯接口，可将数据和视频通过GPRS或3G模块将数据发至服务器，实现远程监控。（1）主界面。管理系统在日常运行中始终将人机界面的主界面显示在最前端，通过主界面将各种参数及设备运行状态显示出来。架桥机操作司机在日常作业中实时监视数据，可对设备工作状态进行评估。除了操作人员及时了解架桥机作业的进度外，还可以有效防止误操作。（2）历史数据查询。管理系统将采集的各个运行机构的实时参数5秒作为一个存储周期，存储到人机界面的内存中或者是外部存储器中，给设备的操作、日常的维护、定期的安全评估等提供相关依据。（3）报警查询。设备在日常工作中不可避免的会产生一些故障因素，但发生的故障不能通篇而论，有的故障需要立即作出相应，有的故障则可以自动消除。因此我们将系统存在的日常故障点设置为三个等级，即一级报警、二级报警和三级报警。一级报警仅作为提示，可不需要做出相应，例如：各运行机构的限位报警；二级报警虽然不需要立即做出相应，但必须提供足够的警示提醒，例如风速达到预警值、起重量达到预警值、T粱与0号柱的距离达到预警值等等；三级报警则需要立即停车，对相应的故障进行解除，否则设备不能继续工作，例如起升超速、起重量超载、液压系统油温过高、通信故障等等。管理系统具备将所有的故障报警进行记录，且随时可供查询。具体的报警名称、明确的报警级别、详细的报警时间能够有效的提高工作效率，对设备的故障排除提供了有效帮助，另外对工作人员日常的工作记录也提供了间接服务。（4）管理员登陆。起重机安全监控管理系统对设备的使用及维护人员要求相对严格，系统的使用和维护都需要相关的专业人员执行。为了防止非相关专业人员对系统参数进行修改，特设置管理员登陆界面，只有输入正确的密码才能对系统的参数进行修改和整定。此措施就是从管理的角度对系统做出严格的要求，有效防止因系统参数的随意修改引起不必要的麻烦，甚至是相关事故的发生。（5）系统参数设置。系统在整个运行过程中，因为环境、故障、累积误差、人为损坏等等系列因素都可能使系统参数发生偏差不准确，因此随时随地的对相关系统参数做出修订是必然。
三、结束语
21世纪是铁路快速发展的时代，在加快铁路事业发展的同时更应该加强安全与管理的实际作用。TJ165架桥机安全监控管理系统虽然是在国务院以及国家质检总局的硬性规定下产生，但实事求是的给我们的工程施工带来了方便，不仅将安全性能提高了很大的等级，而且使作业管理更加規范化。