鐵路救援起重機(jī)司機(jī)已越來越不滿足于起重機(jī)僅僅擁有力矩限制功能，他們希望獲得更多關(guān)于起重機(jī)狀態(tài)的準(zhǔn)確信息，并希望起重機(jī)具有一定的自動(dòng)控制功能及自診斷能力，以減輕他們的操縱負(fù)擔(dān)并保證起重機(jī)的安全。在研究分析國內(nèi)外現(xiàn)有起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)、傳感測控技術(shù)等方面的技術(shù)成果，開發(fā)了新一代鐵路起重機(jī)智能安全控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)除具有力矩限制等常規(guī)功能外，還可以自動(dòng)選擇工況，有效地對下車部分進(jìn)行監(jiān)控，向司機(jī)提供全面的起重機(jī)狀態(tài)信息，限動(dòng)功能靈活多樣，可實(shí)時(shí)存儲(chǔ)起重機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)，具有黑匣子功能。為提高系統(tǒng)的先進(jìn)性與可靠性，上車系統(tǒng)與下車系統(tǒng)采用了現(xiàn)場總線技術(shù)(CAN總線)進(jìn)行通信；下車電氣系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)安裝。系統(tǒng)采用12″中文LED顯示器，人機(jī)界面友好，提供信息全面，方便司機(jī)操作。

1、鐵路起重機(jī)安全控制系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

1.1 國產(chǎn)安全控制系統(tǒng)

目前，國產(chǎn)鐵路起重機(jī)的安全控制系統(tǒng)均屬于力矩限制器系統(tǒng)范疇，在安全控制功能上，只有采集和處理起重機(jī)的吊臂長度、吊臂角度、回轉(zhuǎn)角度(僅提供±10°、±30°四個(gè)限位臨界角度)、變幅油缸壓力等信息，僅在起重機(jī)超載作業(yè)時(shí)發(fā)出報(bào)警及限動(dòng)信號(hào)。國產(chǎn)起重機(jī)的安全控制系統(tǒng)主要存在以下問題：

(1)系統(tǒng)缺少安全監(jiān)控功能，不能檢測支腿跨距狀態(tài)、均載(彈簧閉鎖)油缸狀態(tài)、配重狀態(tài)，司機(jī)只能根據(jù)地面操作人員的匯報(bào)手動(dòng)選擇工況，由于司機(jī)手動(dòng)選擇的工況往往與實(shí)際情況不符合而產(chǎn)生危險(xiǎn)，致使起重機(jī)傾翻；

(2)系統(tǒng)向司機(jī)提供的起重機(jī)狀態(tài)信息不全面，不能檢測支腿支撐壓力，不能檢測起重機(jī)前后、左右兩個(gè)方向的傾斜角度，不能顯示起重機(jī)偏離軌道中心距離；

(3)系統(tǒng)控制功能單一，超載限動(dòng)后5個(gè)危險(xiǎn)動(dòng)作(吊鉤升、臂桿伸、變幅降、左/右回轉(zhuǎn))均不能動(dòng)作，解除安全限動(dòng)采用單獨(dú)鑰匙開關(guān)方式，解鎖后起重機(jī)還能任意動(dòng)作，不利于安全控制；

(4)系統(tǒng)不完備，無臂桿高度限動(dòng)不利于電網(wǎng)下作業(yè)，無左、右侵界限動(dòng)，不利于起重機(jī)安全作業(yè)；

(5)系統(tǒng)無數(shù)據(jù)記錄功能，不能記錄起重機(jī)工作時(shí)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，不能進(jìn)行事故后的技術(shù)分析。

1.2 進(jìn)口安全控制系統(tǒng)

目前，國內(nèi)引進(jìn)的進(jìn)口鐵路起重機(jī)均為德國KIROW公司生產(chǎn)的KRC1680型起重機(jī)，其安全控制系統(tǒng)采用的是德國赫斯曼(Hirschmann)公司為其開發(fā)的智能控制系統(tǒng)，它對起重機(jī)各機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)進(jìn)行了全方位的智能安全連鎖保護(hù)。司機(jī)發(fā)出的操作指令通過該系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)解算和邏輯分析后，再控制起重機(jī)動(dòng)作，進(jìn)而在非允許動(dòng)作狀態(tài)發(fā)出報(bào)警及限動(dòng)信號(hào)，使起重機(jī)只能向安全方向動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了全面的安全智能聯(lián)鎖控制功能。但進(jìn)口起重機(jī)在國內(nèi)的使用過程中也暴露出以下不足：

(1)操縱和控制系統(tǒng)因其智能聯(lián)鎖控制方式導(dǎo)致系統(tǒng)操作程序復(fù)雜、動(dòng)作較慢，對起重機(jī)司機(jī)操作水平要求過高，對設(shè)備維修水平要求也很高；

(2)安全控制系統(tǒng)限制因素繁瑣，不利于查找排除故障，特別是在救援現(xiàn)場，出現(xiàn)小問題而不能快速判斷處理，從而影響鐵路救援工作快速開展；

(3)安全控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄儀采用非實(shí)時(shí)記錄的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式，即僅記錄超載作業(yè)數(shù)據(jù)，不超載作業(yè)則不記錄，所以同樣存在數(shù)據(jù)記錄盲區(qū)，不利于事故后數(shù)據(jù)分析；

(4)價(jià)格昂貴，系統(tǒng)復(fù)雜，不適用于既有國產(chǎn)鐵路起重機(jī)的改造。

1.3 對比分析

根據(jù)鐵道部運(yùn)裝機(jī)設(shè)[2008]165號(hào)文件要求，以及對起重機(jī)安全控制系統(tǒng)的要求，對國內(nèi)外及擬設(shè)計(jì)的起重機(jī)控制功能進(jìn)行了分析對比，結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，在起重機(jī)吊重作業(yè)過程中，進(jìn)口鐵路起重機(jī)能夠根據(jù)起重機(jī)狀態(tài)自動(dòng)選擇工況，能夠?qū)崿F(xiàn)對起重機(jī)各種作業(yè)狀態(tài)的智能化保護(hù)，但存在操作復(fù)雜、動(dòng)作遲緩、記錄數(shù)據(jù)不全面等缺點(diǎn)，而且價(jià)格昂貴；而國產(chǎn)的起重機(jī)需要由司機(jī)確認(rèn)支腿、均載(閉鎖)油缸、配重等機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，系統(tǒng)無法自動(dòng)選擇工況，而且下車缺乏有效監(jiān)控，不能檢測支腿壓力、起重機(jī)水平傾斜角度和橫滾角度，起重機(jī)狀態(tài)信息提供不全面，與進(jìn)口起重機(jī)存在很大差距。

表1起重機(jī)功能分析對比

序號(hào)	功能	德國進(jìn)口起重機(jī)	操作與控制方式既有國產(chǎn)起重機(jī)	新一代智能安全控制系統(tǒng)
1限動(dòng)功能		根據(jù)實(shí)際自動(dòng)限制	超載時(shí)同時(shí)限制5個(gè)危險(xiǎn)動(dòng)作	根據(jù)實(shí)際自動(dòng)限制
2工況輸入		自動(dòng)輸入	司機(jī)根據(jù)起重機(jī)狀態(tài)手動(dòng)輸人	自動(dòng)或手動(dòng)輸入
3回轉(zhuǎn)角度信號(hào)		自動(dòng)-360°連續(xù)	僅提供±10°、±30°臨界角度	自動(dòng)-360°連續(xù)
4支腿跨距信號(hào)		自動(dòng)輸入	司機(jī)根據(jù)地面人員匯報(bào)	自動(dòng)輸入
5支腿支撐壓力信號(hào)		根據(jù)總重和幾何參數(shù)計(jì)算出分布各個(gè)支腿的壓力	地面人工檢查，系統(tǒng)無法測量支腿壓力	根據(jù)支腿油腔壓力傳感器自動(dòng)輸入
6閉鎖油缸信號(hào)		自動(dòng)輸入	地面人工檢查，系統(tǒng)無法測量油缸壓力	自動(dòng)輸入
7車體傾斜角度信號(hào)		自動(dòng)輸入	地面人工檢查，觀察車體水平儀	自動(dòng)輸入
8配重掛放信號(hào)		自動(dòng)輸入	司機(jī)聽取地面人員匯報(bào)	自動(dòng)輸人
9配重伸縮信號(hào)		自動(dòng)輸入	司機(jī)聽取地面人員匯報(bào)	自動(dòng)輸入
10網(wǎng)下4.8m高度限動(dòng)		有	無	有
11左、右侵界限動(dòng)		有	無	有
12車體傾斜超限限動(dòng)		有	無	有
13支腿壓力超范圍限動(dòng)		有	無	有
14工作數(shù)據(jù)記錄		僅超載時(shí)記錄	無記錄	實(shí)時(shí)記錄
15系統(tǒng)限動(dòng)解除		電腦解鎖+鑰匙開關(guān)解鎖	鑰匙開關(guān)(大解鎖)	電腦解鎖+鑰匙開關(guān)解鎖

2、智能安全控制系統(tǒng)目標(biāo)與功能

目前，國內(nèi)鐵路局各機(jī)務(wù)段配屬的救援起重機(jī)多為國產(chǎn)伸縮臂起重機(jī)，其安全控制系統(tǒng)均是力矩限制器系統(tǒng)，功能單一，存在安全隱患。因此急需開發(fā)功能完備、價(jià)格適中、操作簡便的安全控制系統(tǒng)，以滿足鐵路起重機(jī)對救援安全作業(yè)的要求。

2.1系統(tǒng)目標(biāo)

基于上述分析，確定系統(tǒng)的總體目標(biāo)為：開發(fā)一套功能先進(jìn)、價(jià)格適中、操作簡便的全智能鐵路起重機(jī)安全控制系統(tǒng)。系統(tǒng)能自動(dòng)選擇工況，不需要司機(jī)手動(dòng)選擇，能有效對下車部分進(jìn)行監(jiān)控，向司機(jī)提供全面的起重機(jī)狀態(tài)信息，限動(dòng)功能靈活多樣，并對工作數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和分析，確保鐵路起重機(jī)作業(yè)安全。

2.2 系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)可根據(jù)需要進(jìn)行多種形式的限動(dòng)

①吊鉤過卷限動(dòng)：系統(tǒng)自動(dòng)切斷上卷揚(yáng)、吊臂伸動(dòng)作。

②左/右侵界限動(dòng)：司機(jī)可自行設(shè)定臂桿端部、配重尾部偏離軌道中心的限動(dòng)距離，超過該范圍系統(tǒng)切斷起重機(jī)左或右回轉(zhuǎn)動(dòng)作。

③臂桿高度限動(dòng)：高度值可由司機(jī)確定，系統(tǒng)默認(rèn)為4.8 m高度限動(dòng)，限動(dòng)時(shí)系統(tǒng)切斷變幅升、吊臂外伸動(dòng)作。此高度限動(dòng)功能能滿足在隧道內(nèi)、接觸網(wǎng)下工作的需要。

④超載限動(dòng)：系統(tǒng)切斷臂桿伸、吊鉤升、變幅降危險(xiǎn)動(dòng)作，同時(shí)根據(jù)起重機(jī)回轉(zhuǎn)角度做出判斷切斷左或右回轉(zhuǎn)動(dòng)作。

⑤水平傾斜限動(dòng)：系統(tǒng)預(yù)設(shè)限動(dòng)角度為±4°,超過該范圍系統(tǒng)切斷起重機(jī)所有危險(xiǎn)動(dòng)作。

⑥支腿壓力超過工作范圍限動(dòng)：系統(tǒng)預(yù)設(shè)支腿壓力工作范圍為5 MPa～30 MPa,超過該范圍系統(tǒng)切斷起重機(jī)所有危險(xiǎn)動(dòng)作。

⑦系統(tǒng)一旦發(fā)生限動(dòng)，均進(jìn)行聲光報(bào)警，給地面人員發(fā)出警示信號(hào)。

系統(tǒng)具有黑匣子功能

能實(shí)時(shí)存儲(chǔ)起重機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)，每10 s存儲(chǔ)一次，保存72 h內(nèi)的工作數(shù)據(jù)(如起重機(jī)當(dāng)前工況、吊重，臂桿長度、幅度，回轉(zhuǎn)角度、支腿狀態(tài)等),可通過筆記本電腦連接將起重機(jī)工作數(shù)據(jù)讀出，以數(shù)據(jù)庫表格形式保存，可以打印和顯示。

顯示功能

采用12″中文圖形液晶顯示屏，起重機(jī)全面狀態(tài)信息可在一屏內(nèi)以圖表、文字的形式同時(shí)顯示。

自動(dòng)選擇工況

系統(tǒng)工況選擇分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式。自動(dòng)選擇情況下，系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)檢測到的信號(hào)自動(dòng)進(jìn)行工況和性能曲線的切換；手動(dòng)工況下，司機(jī)根據(jù)起重機(jī)具體狀態(tài)情況，對照起重機(jī)工況表進(jìn)行工況選擇。手動(dòng)選擇工況是自動(dòng)工況的一種應(yīng)急補(bǔ)充，在系統(tǒng)信號(hào)采集部分發(fā)生故障時(shí)，起重機(jī)仍能工作，而且還能起到力矩保護(hù)作用。

3、智能安全控制系統(tǒng)構(gòu)成

起重機(jī)智能安全控制系統(tǒng)由上車控制系統(tǒng)與下車控制系統(tǒng)兩部分組成。上車控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)上車監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集及限制功能的實(shí)現(xiàn)，上車系統(tǒng)包括上車系統(tǒng)主機(jī)、12″液晶顯示器、一體式長度/角度傳感器1套、變幅油缸油壓傳感器2個(gè)、回轉(zhuǎn)角度傳感器1個(gè)、車體水平傾斜角度傳感器1個(gè)、吊鉤高度限位開關(guān)及重錘1套、配重檢測傳感器2個(gè)。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

下車控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)下車監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集與相關(guān)數(shù)據(jù)上傳功能的實(shí)現(xiàn)。下車系統(tǒng)包括下車系統(tǒng)主機(jī)、支腿跨距檢測傳感器12個(gè)、支腿油壓傳感器4個(gè)、閉鎖油缸壓力傳感器4個(gè)。下車系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。下車控制系統(tǒng)通過CAN總線與上車控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，電信號(hào)通過安裝在回轉(zhuǎn)中心上的導(dǎo)電環(huán)傳輸，力矩限制器主機(jī)和顯示器之間的數(shù)據(jù)傳輸也使用CAN總線通信。同時(shí)，CAN總線上含有起重機(jī)相關(guān)的參數(shù)信息，以備起重機(jī)控制器使用。

與原有起重機(jī)力矩限制系統(tǒng)相比，智能安全控制系統(tǒng)采用了一些新型傳感器，主要有：

圖1智能安全控制系統(tǒng)上車構(gòu)成圖

圖2智能安全控制系統(tǒng)下車構(gòu)成圖

(1)回轉(zhuǎn)角度傳感器：該傳感器安裝在起重機(jī)回轉(zhuǎn)中心導(dǎo)電環(huán)上，系統(tǒng)根據(jù)回轉(zhuǎn)角度傳感器提供的信號(hào)實(shí)時(shí)顯示起重機(jī)回轉(zhuǎn)的角度值(0~360°),并根據(jù)回轉(zhuǎn)角度自動(dòng)進(jìn)行工況和性能曲線的切換；

(2)水平傾斜角度傳感器：該傳感器安裝在上車回轉(zhuǎn)中心處，給系統(tǒng)提供2路模擬量輸入信號(hào)，系統(tǒng)根據(jù)輸入信號(hào)可分別顯示起重機(jī)順軌方向傾斜角度、垂直方向傾斜角度；

(3)支腿跨距檢測傳感器與配重檢測傳感器均為同一型號(hào)傳感器，采用了性能可靠的電感式接近開關(guān)，尾部帶工作指示燈，PACK接頭連接，利于現(xiàn)場維護(hù)。傳感器在動(dòng)作時(shí)，輸出高電平信號(hào)至下車系統(tǒng)主機(jī)，系統(tǒng)根據(jù)其提供的信號(hào)自動(dòng)進(jìn)行工況和性能曲線的切換；根據(jù)提供的信號(hào)自動(dòng)進(jìn)行工況和性能曲線的切換。

(4)閉鎖油缸壓力傳感器：每個(gè)轉(zhuǎn)向架均裝有2個(gè)壓力開關(guān)，當(dāng)均載油缸無桿腔達(dá)到設(shè)定壓力后，壓力開關(guān)動(dòng)作，輸出高電平信號(hào)至下車系統(tǒng)主機(jī)，系統(tǒng)下車系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)安裝(見圖3),布線簡單，便于維修。

圖3下車布線圖

4、智能安全控制功能的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用C語言編程，具有自診斷功能；程序采用模塊化設(shè)計(jì)，易于維護(hù)，便于功能擴(kuò)充。系統(tǒng)工作流程圖如圖4所示。

圖4系統(tǒng)工作流程圖

5、人機(jī)界面介紹

采用中文圖形液晶顯示屏，在同一屏內(nèi)可同時(shí)顯示工況、倍率、工作幅度、額定起重量、實(shí)際起重量、臂長、最大起升高度、吊臂仰角及力矩百分比(條形碼)、故障代碼、時(shí)間、支腿狀態(tài)、均載油缸狀態(tài)、回轉(zhuǎn)角度、配重狀態(tài)、是否使用強(qiáng)制開關(guān)、左/右侵限距離等，如圖5所示。

圖5系統(tǒng)主界面

6、結(jié)束語

對上海鐵路局南京東機(jī)務(wù)段NS1602型鐵路起重機(jī)進(jìn)行更新改造后，經(jīng)過救援、施工現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)用，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠，人機(jī)界面友好、直觀，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。該系統(tǒng)價(jià)格適中，功能完備，操練簡單，國內(nèi)既有鐵路伸縮臂起重機(jī)均可安裝，值得推廣。