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1、中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 2架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院架桥机安全监控管理装置概述架桥机安全监控管理装置概述一新制造架桥机安装安全监控管理系统新制造架桥机安装安全监控管理系统中铁一局武夷山工地中铁一局武夷山工地JQDS900JQDS900型架桥机型架桥机( (中铁科工制造中铁科工制造) )二二 在用架桥机在用架桥机( (本单位生产本单位生产) )安装安全监控管理系统安装安全监控管理系统 中铁十局大西线工地中铁十局大西线工地JQ900BJQ900B型架桥机型架桥机( (中铁科工制造中铁科工制造) )三三 在用架桥机在用架桥机(
2、(其它单位生产其它单位生产) )安装安全监控管理系统安装安全监控管理系统中交二局西宝线工地中交二局西宝线工地HZQ900HZQ900型架桥机型架桥机( (华中建机制造华中建机制造) )四四 工作总结工作总结五五Page 3架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院架桥机安全监控管理装置概述一一现状及背景现状及背景技术设计与装置研发技术设计与装置研发系统技术参数验证与优化验证与优化4123Page 4架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院一一现状及背景现状及背景1 架桥机是一种高度机动的起重机械；工作在野外恶劣环境，现场管理困难而且维护保养
3、难以规范。随着铁路建设的发展，使用日益频繁，架桥机倾覆事故时有发生。架桥机脱轨、倾覆，往往造成机毁人亡的重大后果。一旦发生事故，不仅救援、修复架桥机需花费较长时间和大量资金，还会严重影响桥梁架设及铁路建设进度。特别是我国发展高速铁路进程逐渐加快，架桥机在高速铁路建设中的使用将会更加频繁，如果发生倾覆事故其后果不堪设想。 我院积极贯彻国家两局相关通知的精神，按照通知的指示和工作要求，在已有大吨位箱梁运架设备群安全施工远程监控系统工作的基础上根据起重机械 安全监控管理系统（审批稿）布置和安排工作内容。架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院 严格遵循起重机械 安全监控管
4、理系统国家标准，结合架桥机本身特点进行技术设计。 贯彻新标准的核心任务就是要通过安全功能设计与改造，使得后期出厂的新设备、各类在役的大型起重设备完全满足新标准提出的各项安全性能。从技术上而言，新标准出台以后生产的设备可以在在电气系统设计过程中同步进行安全性设计，实现起来相对方便。 而在旧设备上执行新标准要麻烦得多，这里又可以分为两种不同的类型；一是在厂家自己生产的设备上加装安全装置，其二是针对非自家生产的设备进行改造。我们的3个试点正好囊括了上述所有类型（3个试点内容将在后三节分别介绍之）。Page 5技术设计与装置研发技术设计与装置研发2架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程
5、机械研究设计院Page 6（对新设备而言，两者应该是合二为一的）（对新设备而言，两者应该是合二为一的）原架桥机原架桥机电气系统电气系统装置内核装置内核装置与原装置与原系统软硬系统软硬件接口件接口架桥机安全监控管理系统组成框图架桥机安全监控管理系统组成框图架桥机安全监控管理装置架桥机安全监控管理装置架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 7 从上述框图不难看出，外挂装置与原电气系统的软硬从上述框图不难看出，外挂装置与原电气系统的软硬件接口界面既不清晰，也暂时做不到规范化。因而，件接口界面既不清晰，也暂时做不到规范化。因而，至少在目前，至少在目前，架桥机安全监
6、控装置架桥机安全监控装置并非独立系统产品。并非独立系统产品。对于旧设备的改造工作，更多的是通过有针对性的个对于旧设备的改造工作，更多的是通过有针对性的个体设计与配制来实现与原设备电气系统的无缝连接，体设计与配制来实现与原设备电气系统的无缝连接，这样才能形成一个完整的安全智能系统，从而使原设这样才能形成一个完整的安全智能系统，从而使原设备全面满足起重机械备全面满足起重机械 安全监控管理系统国家标安全监控管理系统国家标准的各项要求。准的各项要求。架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 8系统技术参数3名 称 技 术 指 标工作电压电压输入为AC220V； DC
7、24V现场通信功能 ModBus/RTU或其它标准通讯协议(根据不同接口配置协议转换模块)1路RS232通信接口， 1路RS232/RS485通信接口1路100M以太网口数据传输速率不低于19.2Kbps；（有远端视频传输要求的不低于512Kbps）工作温度-40+70。；系统通讯误码率不大于1.5；主要技术指标：架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 9远程通信功能 (可选部分)GPRS、CDMA、3G、Internet或性能更优越的通讯形式装置可设定自动向指定的手机群发送警报信息。远程故障诊断；远程设备维护；图形终端部分 5.7寸或10.4寸TFT彩色
8、液晶触摸屏；图形化操作显示：载荷、垂直度、工作状态图、流程图、风速、温度、电流、电压、操作说明等；能发出预警、超载警示及其它控制信号，切断危险方向动作；工作温度：-5+50；架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 10故障数据记录部分运行过程中，以10ms秒为采样周期实时采集设备的工作参数，主要包括载重量、工作状态、温度、风速、报警记录等。处理结果每基本间隔1s存储一次，状 态 变 化 瞬 时 存 储 ； 可 以 累 积 储 存 30个 小 时（100000条）的工作记录；当出现停电或倾覆事故则停止数据记录并将记录的数据和事件转存入FLASH中。记录仪具有
9、数据加密功能。故障数据记录仪设计为防水、防撞、阻燃、抗摔。温度范围：-4085数据采集部分 称重仪：量程0-1000t，精度3.0；垂直度检测：量程030，精度2.0；风速仪：量程0至100m/s，精度2.0工作温度范围：-25+70；架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 11I/O与保护部分具有多路独立的开关量输出，可以作为遥控、跳闸或者报警；工作温度范围：-25+70；摄像机部分（可选）摄像（照相）机传感器： 1/4CCD；水平清晰度： 不低于480线；采用低照度摄像机；视频分辨率： 大于等于（640480），可根据用户要求调整；摄像机镜头： 用户在
10、后台可实现对摄像机方位、焦距、光圈、景深、云台预置位的远程设置和控制；系统配置的云台有不少于24个预置位；监视角度： 水平0355，垂直90连续可调；变焦率： 18倍光学变倍/12倍电子放大；照片格式： JPEG；平均无故障时间50000H系统的标准配置架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 12验证与优化验证与优化4 为了保证圆满完成这次前期示范试点工作。为了保证圆满完成这次前期示范试点工作。研制方中铁工程机研制方中铁工程机械研究设计院始终与相关各方密切配合。认真听取各方的意见。械研究设计院始终与相关各方密切配合。认真听取各方的意见。特别是按照国家起重运
11、输机械质量监督检验中心拟定的验收准特别是按照国家起重运输机械质量监督检验中心拟定的验收准则严格把关。具体体现在；则严格把关。具体体现在；鉴于架桥机种类繁多，针对新标准规定的每一种监测参数都根据鉴于架桥机种类繁多，针对新标准规定的每一种监测参数都根据不同机型进行了细化（如垂直度不同机型进行了细化（如垂直度、水平度等）。水平度等）。坚持强调监测参数全面参控的原则。坚持强调监测参数全面参控的原则。在监控界面里设置监测参数输入交互接口，以便于在验证过程中在监控界面里设置监测参数输入交互接口，以便于在验证过程中全面清晰地评估系统的建议。全面清晰地评估系统的建议。 对于对于新标准非强制的一些推荐措施，将根
12、据用户要求酌情处理，新标准非强制的一些推荐措施，将根据用户要求酌情处理，如远程监控等。如远程监控等。架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 13 测试模式界面测试模式界面架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 14架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 15新制造架桥机安装安全监控管理系统新制造架桥机安装安全监控管理系统中铁一局武夷山工地中铁一局武夷山工地JQDS900JQDS900型架桥机型架桥机( (中铁科工制造中铁科工制造) )二二架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计
13、院中铁工程机械研究设计院Page 16架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 17 本次试验的大型起重机械为中铁科工集团有限公司生产的JQDS900型架桥机。该架桥机用于福建省建阳市京福客专项目施工。该设备为我院新研制生产的设备，在新标准制定的同时，我们把安全监控系统融入到电气系统设计中，结合新的标准增加了相关的设备。与此同时，中铁工程机械研究设计院和中铁科工集团有限公司根据产品需求完成元件采购和系统程序设计和调试。2012年8月初，中铁工程机械研究设计院和中铁科工集团有限公司共同完成安全监控管理系统的现场结构安装以及电气制作和安装，并于9月上旬开始进行现
14、场调试。9月下旬，国家起重运输机械质量监督检验中心现场验收。而后使用正常，效果良好，客户认可。架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 181.安全监控系统传感器及设备a)风速仪：采用风速仪，实时检测现场风速。架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 19b)整机水平检测：利用水平传感器，测量机臂纵向的坡度，显示整机架梁时水平状态。c)支腿垂直度检测：利用水平传感器，测量前支腿的水平度，可表示支腿的垂直度，检测支腿是否垂直受力，工作过程中是否有倾倒趋势。架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院P
15、age 20d)称重检测：根据结构特点，采用三点称重系统，可测量起重量及偏载，检测设备是起重载荷。架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 21e)卷筒测速高度及超速检测：利用卷筒低速端的编码器，可以计算出卷筒的速度和吊具的高度。检测卷筒的运行情况，起到超速保护的作用。架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 22f)整机过孔速度、距离检测：在后支腿走行电机端安装编码器，可计算出整机走行的速度和距离。g)卷筒低速端钳盘制动检测：利用接近开关，检测液压盘式制动器工作情况。架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程
16、机械研究设计院Page 232、视频监视系统采用了高清的摄像机，对关键部位和架梁工况进行视频采集，使用硬盘录像机将其记录下来。架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 24在用架桥机在用架桥机( (本单位生产本单位生产) )安装安全监控管理系统安装安全监控管理系统 中铁十局大西线工地中铁十局大西线工地JQ900BJQ900B型架桥机型架桥机( (中铁科工制造中铁科工制造) )三三架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 25架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 26JQ900B型架桥
17、机安全监控装置。监控装置的系统框图如下：架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 27JQ900B型架桥机系我院生产设备;虚线框内为原电气系统的安全保护部分。由于熟悉整个电气线路并持有系统的全部软件源代码，所以实施起来效率较高，各方面开销相对较小。其特点是： 可以通过修改原设备的软硬件来实现国家新标准所要求的全部功能。最大限度地利用新旧系统的资源共享。对上位机数据处理工作站要求不高。特别是接口通信相对简单得多。架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 28 在这套装置里，通过一个远程通信DTU接口，专门设计了一种基于Int
18、ernet技术、面向工程施工安全管理的架桥机远程监控管理终端。这一方面是与我院研制的大吨位箱梁运架设备群远程监控管理系统相连接（相关内容参见2011年第10期“工程机械”杂志）。另一方面则是国家新标准实施方案的通知中明确指出；“在有条件的单位可根据具体情况和工作需要，进一步实现远程传输、远程监控、远程管理、远程服务，数据、视频和音频查询，数据、视频和音频统计与分析等功能，逐步建立基于物联网技术的起重机械安全监控管理的局域监控平台和远程监控平台。”架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 29图形数据库终端远程RTU组件架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究
19、设计院中铁工程机械研究设计院Page 30故障报警短信自动编辑、自动群发模块。架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 31在用架桥机在用架桥机( (其它单位生产其它单位生产) )安装安全监控管理系统安装安全监控管理系统 中交二局西宝线工地中交二局西宝线工地HZQ900HZQ900型架桥机型架桥机( (华中建机制造华中建机制造) )四四架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 32架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 33HZQ900型架桥机安全监控装置(陕西宝鸡中交二局西宝线工地)
20、 HZQ900型架桥机由其它厂商所生产。不能采取上述两种设备改造方案。这里面涉及到不同厂家设备电气系统接口数据交换（主要是应用层等高层协议）的问题，这对安全监控装置的设计者来说是一种挑战，无疑增加额外棘手的工作量。虽然说国家新标准一再强调设备通信协议的开放性，然而这对于占施工主导地位的现役老设备却意义不大，绝大多数现役900吨级架桥机的电气系统设计都很先进，都无一例外地采用了常见的工业总线标准接口，但客观上也只能做到底层接口协议（如物理层、链路层、网络层等）的一致性。并不具备用户程序交流的可能性。在尚未建立安全监控管理系统用户层接口通用规范细则之前，是即使是新出厂的设备，不同厂商的产品也难以直
21、接通过标准接口进行数据交换。必须采用一些特定的技术。监控装置的系统框图如下：架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 34架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 35在此案例中，我们采用了如下措施：硬件冗余：根据模块化设计原理，从责任划分、操作维护的方便性与延续性来考虑，要尽可能保持原系统的相对独立性。对于其它厂商的设备，可能会更多地应用到硬件冗余设计技术。因为无法掌握对方设备的完整资料如源代码等。所以，除了后增加的功能必须由新系统完成以外，在必要的场合，一些由原系统执行的功能也可通过硬件冗余方式由新系统来完成。仲裁机制
22、：仲裁机构设在新系统。由于存在硬件冗余，可靠的仲裁机制是必须的。仲裁机制包含两个方面内容；一是数据仲裁，主要由软件来实现。二是停机仲裁，是由软硬件共同来实现。必须指出，这里所说的停机是指工作停机。一级紧急停机仍由原系统完成，并不在仲裁范围之内。架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 36数据挖掘：对原系统内部的数据挖掘是此类改造的难点之一。有时为了得到某些数据如运行状态，可能要外加装大量的硬件I/O阵列。而过多的硬件冗余又会带来仲裁机构的繁琐。接口协议转换单元：前面已经提到，对于此类改造过程，难免会遇到通信接口协议转换的问题。在本案例中，就涉及到了CANo
23、pen接口与Modbus接口的协议转换。多数情况下，设计者会选择购买成品网关。但是，并非每一种转换都能买到成品。况且，实践证明，不少国内厂家生产的协议转换产品实用性极差。这时，系统设计者要么修改设计；要么自己开发协议转换接口。在微电子技术高度发展的今天，要做到后者并不太难。我们这次就是用ARM单片机自行研制了本装置专用的CANopen与Modbus协议转换接口模块。长时间运行非常稳定可靠。架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 37项目部远端操控接口：这一部分内容是本次设备改造的一个亮点；属于一个科研性课题；并不涉及到新标准的要求。 图图3.3.项目部级远
24、端无线实时视频传输项目部级远端无线实时视频传输架桥机现场视频信号经过实时压缩处理后，与其它监控数据一起打包，毋需借助运营商，直接以不低于512Kbps数据传输速率送到项目指挥部监控终端。扩大了设备的监控视野，方便上级职能部门参入设备的实时安全监控。架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 38人机界面之一：架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 39人机界面之二：架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 40人机界面之三：架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设
25、计院Page 41电台传输系统 通过电台系统及中继站，实现了项目部到施工现场最远达18KM的实时数据和视频监视。并穿越了长度1KM的小村隧道。数据稳定，视频清晰。架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 42增加关键节点传感器a、激光传感器，测量距离：0.5m-100m， 精度：2mm。测量前后小车的位置以及之间的距离，用于计算整机走行，过孔，同步托梁，导梁过孔时，小车应处的位置，保证设备在设计规范的位置执行相应的工况，确保设备运行安全。架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 43b、水平倾角传感器用于测量整机水平及前支
26、腿垂直度，确保设备在坡度工况及支腿操作时在安全的范围内。架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 44 协议转换模块架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 45 故障数据记录仪架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 46工作总结工作总结五五架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 47 根据起重机械 安全监控管理系统国家标准。2013年，逐步在所有新制造的大型起重机械全部安装安全监控管理系统。架桥机是一种专业性很强的大型施工机械，设备价值昂贵。在未
27、来相在未来相当长的一段时间内，在役施工的架桥机绝大部分为当长的一段时间内，在役施工的架桥机绝大部分为起重机械起重机械 安安全监控管理系统全监控管理系统国家标准出台前生产。这表明在这个领域里，执国家标准出台前生产。这表明在这个领域里，执行新标准的任务任重道远。大部分工作将会围绕着旧设备的改造来行新标准的任务任重道远。大部分工作将会围绕着旧设备的改造来展开。展开。 事实上，大型施工机械特别是900吨级架桥机近年来在设备信息化设计方面已经有了长足的进展，这体现在很多900吨架桥机在设计中都选用了上位机信息管理系统。现在，国家新标准的推出并强制实施，使设计者有了一个完整的可靠性设计依据，从根本上提高大
28、型起重机械本质安全，预防和减少起重机械重特大事故发生。其重要意义不言而喻。架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 48根据大吨位架桥机的具体情况和安全生产需要，建议在900吨级架桥机上首先安装基于Internet技术、面向工程施工安全管理的架桥机远程监控管理终端。这样,设备安全的问题就有可能与相关责任人紧密地捆绑在一起,变被动监管为主动监管。这样做完全符合国家新标准实施方案的要求，也迎合了现代物联网技术发展的趋势。架桥机安全监控管理装置_中铁工程机械研究设计院中铁工程机械研究设计院Page 49 在整个安装安全监控管理系统前期示范试点工作过程中，研制单位、设备单位与试验验证单位通力合作，使整个试点工作得以顺利进行。在此，架桥机安全监控管理装置研制方中铁工程机械研究设计院向参加试点工作的兄弟单位表示诚挚感谢。他们是;设备制造单位：中铁科工集团有限公司设备应用单位：中铁十局集团有限公司、中交二航局有限公司试验验证单位: 国家起重运输机械质量监督检验中心此外，对与此次工作相关的非试点单位中铁一局集团有限公司、华中建机集团有限公司也表示衷心感谢。
