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起重机智能安全监控系统针对跌路伸缩臂救援的研究

来源:恺德尔起重机安全监控管理系统专家 发表日期: 2017-08-08 22:07:00

铁路救援起重机司机已越来越不满足于起重机 仅仅拥有力矩限制功能,他们希望获得更多关于起 重机状态的准确信息,并希望起重机具有一定的自 动控制功能及自诊断能力,以减轻他们的操纵负担 并保证起重机的安全。在研究分析国内外现有起重 机安全监控系统的基础上,利用现代电子技术、计算 机、传感测控技术等方面的技术成果,开发了新一代 铁路起重机智能安全控制系统。该系统除具有力矩 限制等常规功能外,还可以自动选择工况,有效地对 下车部分进行监控,向司机提供全面的起重机状态 信息,限动功能灵活多样,可实时存储起重机状态数 据,具有黑匣子功能。为提高系统的先进性与可靠 性,上车系统与下车系统采用了现场总线技术(CAN 总线)进行通信;下车电气系统采用了模块化设计 安装。系统采用12"中文LED显示器,人机界面友 好,提供信息全面,方便司机操作。



一、铁路起重机安全控制系统现状分析

1.1 国产安全控制系统

目前,国产铁路起重机的安全控制系统均属于 力矩限制器系统范畴,在安全控制功能上,只有采集 和处理起重机的吊臂长度、吊臂角度、回转角度(仅 提供±10。、±30。四个限位临界角度)、变幅油缸压 力等信息,仅在起重机超载作业时发出报警及限动信 号。国产起重机的安全控制系统主要存在以下问题:


(1)系统缺少安全监控功能,不能检测支腿跨距状态、均载(弹簧闭锁)油缸状态、配重状态,司机 只能根据地面操作人员的汇报手动选择工况,由于 司机手动选择的工况往往与实际情况不符合而产生 危险,致使起重机倾翻;

(2) 系统向司机提供的起重机状态信息不全 面,不能检测支腿支撑压力,不能检测起重机前后、 左右两个方向的倾斜角度,不能显示起重机偏离轨 道中心距离;

(3) 系统控制功能单一,超载限动后5个危险 动作(吊钩升、臂杆伸、变幅降、左/右回转)均不能 动作,解除安全限动采用单独钥匙开关方式,解锁后 起重机还能任意动作,不利于安全控制;

(4) 系统不完备,无臂杆高度限动不利于电网 下作业,无左、右侵界限动,不利于起重机安全作业;

(5) 系统无数据记录功能,不能记录起重机工 作时的状态数据,不能进行事故后的技术分析。


1.2 进口安全控制系统

目前,国内引进的进口铁路起重机均为德国 KIROW公司生产的KRC1680型起重机,其安全控 制系统采用的是德国赫斯曼(Hirschmann)公司为其 开发的智能控制系统,它对起重机各机构的工作状 态进行了全方位的智能安全连锁保护。司机发出的 操作指令通过该系统进行数据解算和逻辑分析后, 再控制起重机动作,进而在非允许动作状态发出报 警及限动信号,使起重机只能向安全方向动作,实现 了全面的安全智能联锁控制功能。但进口起重机在 国内的使用过程中也暴露出以下不足:


(1)操纵和控制系统因其智能联锁控制方式导 致系统操作程序复杂、动作较慢,对起重机司机操作水平要求过高,对设备维修水平要求也很高;

(2) 安全控制系统限制因素繁琐,不利于查找 排除故障,特别是在救援现场,出现小问题而不能快 速判断处理,从而影响铁路救援工作快速开展;

(3) 安全控制系统数据记录仪采用非实时记录 的数据存储形式,即仅记录超载作业数据,不超载作 业则不记录,所以同样存在数据记录盲区,不利于事 故后数据分析;

(4) 价格昂贵,系统复杂,不适用于既有国产铁 路起重机的改造。


1.3 对比分析

根据铁道部运装机设[2008] 165号文件要求,以及对起重机安全控制系统的要求,对国内外及拟 设计的起重机控制功能进行了分析对比,结果如表 1所示。从表1中可以看出,在起重机吊重作业过 程中,进口铁路起重机能够根据起重机状态自动选 择工况,能够实现对起重机各种作业状态的智能化 保护,但存在操作复杂、动作迟缓、记录数据不全面 等缺点,而且价格昂贵;而国产的起重机需要由司机 确认支腿、均载(闭锁)油缸、配重等机构的实时状 态,系统无法自动选择工况,而且下车缺乏有效监 控,不能检测支腿压力、起重机水平倾斜角度和横滚 角度,起重机状态信息提供不全面,与进口起重机存 在很大差距。

起重机功能分析对比



二、智能安全控制系统目标与功能

目前,国内铁路局各机务段配属的救援起重机 多为国产伸缩臂起重机,其安全控制系统均是力矩 限制器系统,功能单一,存在安全隐患。因此急需开 发功能完备、价格适中、操作简便的安全控制系统, 以满足铁路起重机对救援安全作业的要求。


2.1 系统目标

基于上述分析,确定系统的总体目标为:开发一 套功能先进、价格适中、操作简便的全智能铁路起重 机安全控制系统。系统能自动选择工况,不需要司 机手动选择,能有效对下车部分进行监控,向司机提 供全面的起重机状态信息,限动功能灵活多样,并对 工作数据进行实时记录和分析,确保铁路起重机作 业安全。


2.2系统主要功能

2.2.1系统可根据需要进行多种形式的限动

① 吊钩过卷限动:系统自动切断上卷扬、吊臂伸 动作。

② 左/右侵界限动:司机可自行设定臂杆端部、 配重尾部偏离轨道中心的限动距离,超过该范围系 统切断起重机左或右回转动作。

③ 臂杆高度限动:高度值可由司机确定,系统默 认为4.8 m高度限动,限动时系统切断变幅升、吊臂 外伸动作。此高度限动功能能满足在隧道内、接触 网下工作的需要。

④ 超载限动:系统切断臂杆伸、吊钩升、变幅降 危险动作,同时根据起重机回转角度做出判断切断 左或右回转动作。

⑤ 水平倾斜限动:系统预设限动角度为±4°,超过该范围系统切断起重机所有危险动作。

⑥ 支腿压力超过工作范围限动:系统预设支腿 压力工作范围为5 MPa ~ 30 MPa,超过该范围系统 切断起重机所有危险动作。

⑦ 系统一旦发生限动,均进行声光报警,给地面 人员发出警示信号。7


2.2.2系统具有黑匣子功能

能实时存储起重机状态数据,每1〇 s存储一 次,保存72 h内的工作数据(如起重机当前工况、吊 重,臂杆长度、幅度,回转角度、支腿状态等),可通 过笔记本电脑连接将起重机工作数据读出,以数据 库表格形式保存,可以打印和显示。


2.2.3显示功能

采用12"中文图形液晶显示屏,起重机全面状 态信息可在一屏内以图表、文字的形式同时显示。 2.2.4自动选择工况

系统工况选择分为自动和手动两种方式。自动 选择情况下,系统根据实时检测到的信号自动进行 工况和性能曲线的切换;手动工况下,司机根据起重 机具体状态情况,对照起重机工况表进行工况选择。 手动选择工况是自动工况的一种应急补充,在系统 信号采集部分发生故障时,起重机仍能工作,而且还 能起到力矩保护作用。



三、起重机智能安全控制系统构成

起重机智能安全控制系统由上车控制系统与下 车控制系统两部分组成。上车控制系统负责上车监 控数据采集及限制功能的实现,上车系统包括上车 系统主机、12”液晶显示器、一体式长度/角度传感 器1套、变幅油缸油压传感器2个、回转角度传感器 1个、车体水平倾斜角度传感器1个、吊钩高度限位 开关及重锤1套、配重检测传感器2个。系统构成 如图1所示。

智能安全控制系统下车构成图


下车控制系统负责下车监控数据采集与相关数 据上传功能的实现。下车系统包括下车系统主机、 支腿跨距检测传感器12个、支腿油压传感器4个、 闭锁油缸压力传感器4个。下车系统构成如图2所 示。下车控制系统通过CAN总线与上车控制系统 进行通信,电信号通过安装在回转中心上的导电环 传输,力矩限制器主机和显示器之间的数据传输也 使用CAN总线通信。同时,CAN总线上含有起重 机相关的参数信息,以备起重机控制器使用。


与原有起重机力矩限制系统相比,智能安全控 制系统采用了一些新型传感器,

主要有:

(1) 回转角度传感器:该传感器安装在起重机 回转中心导电环上,系统根据回转角度传感器提供 的信号实时显示起重机回转的角度值(〇 ~ 360°), 并根据回转角度自动进行工况和性能曲线的切换;

(2) 水平倾斜角度传感器:该传感器安装在上 车回转中心处,给系统提供2路模拟量输人信号,系 统根据输人信号可分别显示起重机顺轨方向倾斜角 度、垂直方向倾斜角度;

(3) 支腿跨距检测传感器与配重检测传感器均 为同一型号传感器,采用了性能可靠的电感式接近 开关,尾部带工作指示灯,PACK接头连接,利于现 场维护。传感器在动作时,输出高电平信号至下车 系统主机,系统根据其提供的信号自动进行工况和

性能曲线的切换; 根据提供的信号自动进行工况和性能曲线的切换。

(4)闭锁油缸压力传感器:每个转向架均装有2 下车系统采用模块化设计安装(见图3),布线个压力开关,当均载油缸无杆腔达到设定压力后,压 简单,便于维修。


力开关动作,输出高电平信号至下车系统主机,系统4智能安全控制功能的实现系统采用C语言编程,具有自诊断功能;程序 采用模块化设计,易于维护,便于功能扩充。系统工 作流程图如图4所示。

下车布线图


四、人机界面介绍

采用中文图形液晶显示屏,在同一屏内可同时 显示工况、倍率、工作幅度、额定起重量、实际起重 量、臂长、最大起升高度、吊臂仰角及力矩百分比 (条形码)、故障代码、时间、支腿状态、均载油缸状 态、回转角度、配重状态、是否使用强制开关、左/右侵限距离等,如图5所示。



五、结束语

对上海铁路局南京东机务段NS1602型铁路起 重机进行更新改造后,经过救援、施工现场实际运 用,整个系统运行稳定、安全可靠,人机界面友好、直 观,达到了预期的目标。该系统价格适中,功能完 备,操练简单,国内既有铁路伸缩臂起重机均可安 装,值得推广。