一、項目概況
本方案書用于軌道式集裝箱（吊鉤）兩用門式起重機（簡稱門吊）的集裝箱、長大笨重貨物的作業(yè)。起重型號及規(guī)格：Gn=50t，S=30m。
（1）作業(yè)范圍
本起重機主要用于隴西鐵路貨場集裝箱和長大笨重貨物的裝卸作業(yè)。
（2）基本要求
A．整體結構
1) 起重機的額定起重量：40.5t（吊具下），50t（吊鉤下）；起重機的走行軌的軌距為：30m。
2) 大車運行距離380m。
3) 小車跨度為14m。
4) 配備3t以下檢修葫蘆吊。
5) 檢修平臺架設在端梁，并貫穿整個端梁。
6) 起升高度12.5m（自吊具底部計算），確保集裝箱能夠堆三過四。
B．大車、小車部分
1) 大車輪徑采用Φ800mm，大車采用16輪運行，8輪驅動，單個電機功率不小于11kw。
2) 大車工作制動與防風制動應分開布局。（設置輪邊制動器為工作制動，設置防風拉鎖、錨定裝置為非工作制動）
C.吊具部分
本起重機需配備1套適用于20ft、40ft國際標準集裝箱伸縮式吊具，1個20ft國際標準集裝箱普通吊具，1個40ft國際標準集裝箱普通吊具。
本方案按照國家標準和技術規(guī)格書使用要求，承做的Gn50t-S30m軌道式集裝箱門式起重機的主要特性、技術條件及使用等，做出具體的規(guī)定和說明。
二、電氣系統(tǒng)方案
集裝箱門式起重機（以下簡稱“門機”）電氣系統(tǒng)由供電系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、各機構變頻傳動系統(tǒng)、聯(lián)動臺操作、故障監(jiān)控系統(tǒng)幾個部分組成。
1、方案概述
1.1、門機電氣系統(tǒng)采用 “PLC（可編程控制器）+變頻傳動+觸摸屏監(jiān)控”組成的電氣控制系統(tǒng)。
1.2 、PLC實現(xiàn)整車的邏輯控制，采用SIEMENS公司S7系列產(chǎn)品，通過PROFIBUS DP總線通訊將各個變頻控制系統(tǒng)與PLC連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。
變頻傳動驅動各機構協(xié)調動作，實現(xiàn)平穩(wěn)可控運行，變頻器采用安川變頻器。
觸摸屏監(jiān)控實現(xiàn)對整機狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷，觸摸屏采用SIEMES公司觸摸屏。
圖1：電氣系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖
1.3、優(yōu)點
1.3.1、**的電機控制有效降低機械磨損：變頻器可**控制電機的轉矩，無級調速，實現(xiàn)機構的零速抱閘，使機械沖擊降至*低，有效延長設備的使用壽命；
1.3.2、強大的通訊總線使控制系統(tǒng)簡潔并具有更高的控制性能：PROFIBUS DP總線的使用使電氣設備間控制電纜的數(shù)量極大減少，使系統(tǒng)的可靠性大大增加，且為系統(tǒng)的智能故障診斷提供了大量的診斷原始數(shù)據(jù)；
1.3.3、實時的狀態(tài)監(jiān)視及智能的故障智診斷：采用觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)運行，使系統(tǒng)具備實時的狀態(tài)監(jiān)控畫面，且能進行智能故障診斷；
2、供電系統(tǒng)
2.1、供電電源：380V 50HZ，三相四線交流電源
2.2、供電回路保護：設有過載、短路、過流、過壓、欠壓、過熱、漏電、失壓、缺相、錯相等可靠的電氣保護措施。
2.3、安全保護：各通道門設有限位開關，在司機室、小車架、主梁中部、電氣房、柔性腿臺車、剛性腿臺車處設有急停開關，以保證有人員通過和急停開關動作時設備不能運行。
3、拖動系統(tǒng)方案
3.1、門機傳動系統(tǒng)采用安川CH700內置防搖軟件系列起重專用變頻器,對各機構電機進行驅動控制。變頻器與可編程控制器（PLC）以PROFIBUS DP總線的方式實現(xiàn)機構的自動化控制，以實現(xiàn)生產(chǎn)工藝控制要求。
3.2、安川CH700變頻器的特點及**性能
3.2.1、安川CH700系列變頻器是安川公司*新推出的重負載變頻器，在重型工業(yè)領域發(fā)揮穩(wěn)定出眾。
**的過力矩能力：可達150％60s過載能力；
3.2.2、零速高轉矩：由CH700帶動的電機在零速能夠獲得在時電機150%-200%額定轉矩，可以確保電機在啟動、減速、停車時平穩(wěn)性；
3.2.3、控制精度高，動態(tài)響應性能**：動態(tài)轉速誤差在開環(huán)應用時為±0.2%，在閉環(huán)應用時為±0.01%；
3.2.4、調速范圍廣，開環(huán)時達到1：100，閉環(huán)時到達1：1500；
3.2.5、完善的保護功能：包括瞬時過電流保護、瞬時斷電失壓保護、接地保護、冷卻風機異常、超頻（超速）保護、缺相、超載、過熱等保護。
4、起升機構
4.1、起升機構為典型位能負載，采用一臺臺CIMR-CH700變頻器驅動，以增量型電機旋轉編碼器構成閉環(huán)矢量控制加裝DP通訊卡的方式。
4.2、采用編碼器主令控制器控制，通過PLC邏輯程序判斷給定速度。通過PROFIBUS DP總線對變頻器進行速度給定，調速范圍1~10m/min。
4.3、鋼絲繩卷筒末端加裝絕對值編碼器，用以判斷起升機構的高度。
4.4、起升吊具控制
4.4.1、通過聯(lián)動臺上的操作按鈕及選擇開關對吊具進行伸縮、旋轉、開閉鎖操作。
4.5、起升機構保護
4.5.1、超負荷限制器：
4.5.2、超負荷限制器限制超載、偏載，具有控制信號干接點，接入PLC系統(tǒng)參與機構控制。載荷量可在司機室顯示屏上顯示。儀表帶有458接口或模擬量輸出接口，安全監(jiān)控系統(tǒng)可以采集載荷量信號。
4.5.3、超負荷限制器并有如下警告和聯(lián)鎖功能：
4.5.4、當?shù)蹙呦碌妮d荷達到額定載荷的90％時，司機室內指示燈顯示。
4.5.5、當?shù)蹙呦螺d荷達到額定載荷的105％時，音響警報器報警，警示燈閃亮并立即切斷起升機構的“起升”回路，但能下降操作。
4.6、機械限位保護：
4.6.1、高度限位：用于起升高度的檢測與升降預限位、終點限位、極限限位的檢測與保護。
4.6.2、高度軟限位：通過絕對值編碼器測量的高度可以預設多個軟限位，如：上限、上升減速1、上升減速2、下降減速1、下降減速2、下限等用于起升機構的控制和保護。
4.6.3、超速保護：超速開關對起升機構進行超速檢測與保護，當電機速度超過115%時，電動機斷電，直接進行緊急制動。
4.7、集裝箱專用吊具的檢測與保護如下：
4.7.1、通過吊具上的檢測限位（開鎖、閉鎖限位、頂鎖限位、20FT限位、40FT限位）來識別吊具的工作狀態(tài)；
4.7.2、開鎖到位：四個開鎖限位開關同時到位；
4.7.3、閉鎖到位：四個閉鎖限位開關同時到位；
4.7.4、頂銷到位：四個頂銷限位開關同時到位；
4.7.5、起升機構保護：開鎖到位或者閉鎖到位時才能進行起升機構上升操作，頂銷到位時起升機構停止下降；
4.7.6、吊具伸縮保護：開鎖到位，四個頂銷限位無到位信號時才能進行伸縮，20FT限位或者40FT限位到時停止；
4.7.7、開鎖閉鎖保護：頂銷到位時才能進行旋鎖操作；
4.8、變頻器保護功能：包括瞬時過電流保護、瞬時斷電失壓保護、接地保護、冷卻風機異常、超頻（超速）保護、缺相、等保護。
4.9、防溜鉤保護功能：制動器的工作狀態(tài)反饋回控制系統(tǒng)，與起升電機的變頻驅動系統(tǒng)互鎖，有效防止溜鉤。
4.10、零位保護功能：機構斷電后，操作手柄必須回零后才能啟動，防止誤操作
4.11、起升電機保護功能：過載、電機過轉矩保護：通過變頻器的保護功能實現(xiàn)；
5、小車行走機構
5.1、小車行走機構采用一臺型號為安川CH700系列變頻器對電機進行集中調速，開環(huán)控制方式。
5.2、采用編碼器主令控制器控制，通過PLC邏輯程序判斷給定速度。通過PROFIBUS DP總線對變頻器進行速度給定，調速范圍4~40m/min。
5.3、小車行走保護
5.3.1、機械限位保護：小車運行機構裝有四只重型機械限位開關,用于小車減速限位、停車限位的檢測與保護。
5.3.2、小車錨定限位保護：在小車運行之前，小車錨定銷應釋放，否則，小車將不能運行。
5.3.3、小車電機保護：過載、電機過轉矩保護——通過變頻器的保護功能實現(xiàn)。
5.3.4、變頻器保護功能：包括瞬時過電流保護、瞬時斷電失壓保護、接地保護、冷卻風機異常、超頻（超速）保護、缺相等保護。
5.3.5、零位保護功能：機構斷電后，操作手柄必須回零后才能啟動，防止誤操作。
6、大車行走傳動系統(tǒng)
6.1、大車機構采用一臺安川CH700系列變頻器對電機進行集中調速，開環(huán)控制。
6.2、采用編碼器主令控制器控制，通過PLC邏輯程序判斷給定速度。通過PROFIBUS DP總線對變頻器進行速度給定，調速范圍4.5~45m/min。
6.3、大車機構的保護
6.3.1、機械限位保護：
6.3.2、大車減速限位、停止限位：大車運行機構裝有四只重型機械限位開關,用于大車預減速限位、停止限位的檢測與保護。
6.3.3、大車錨定限位：與大行走機構互鎖，錨定解除后大車方可工作。
6.3.4、大車防撞限位：在大車2側裝有激光測距傳感器，用于大車機構與同軌道大車的防撞。
6.3.5、大車電機保護：過載、電機過轉矩保護——通過變頻器的保護功能實現(xiàn)。
6.3.6、變頻器保護功能：包括瞬時過電流保護、瞬時斷電失壓保護、接地保護、冷卻風機異常、超頻（超速）保護、缺相等保護。
6.3.7、零位保護功能：機構斷電后，操作手柄必須回零后才能啟動，防止誤操作。
6.3.8、夾軌器：門機設有夾軌器，當夾軌器夾上時，夾軌限位常閉接點斷開，禁止大車行走機構運行，夾軌器與大車行走互鎖。
6.3.9、風速儀：門機設有一臺風速儀，顯示風速，測量精度±5%。儀表裝于司機室，當風速超過設定速度時，聯(lián)動控制臺上的指示燈閃亮。大車停止運行。
三、PLC控制系統(tǒng)
1、PLC系統(tǒng)方案簡介
1.1、PLC系統(tǒng)是整機的邏輯控制中心，降低系統(tǒng)的故障出現(xiàn)機率、提高系統(tǒng)安全保護能力是PLC控制系統(tǒng)的**。
基此考慮，通過下述措施提高系統(tǒng)的可靠性：
1.2、 PLC系統(tǒng)采用西門子公司S7-1200系列產(chǎn)品，質量具有高度可靠性；同時PLC供電采用專用隔離變壓器再經(jīng)直流開關電源供電，可有效消除外部電源的干擾，有效保證PLC系統(tǒng)供電的安全性。
1.3、門機電氣室設置一套PLC控制器，通過PROFIBUS DP總線對各機構的變頻器，進行控制及數(shù)據(jù)采集，司機室PLC、小車機房PLC均采用分布式I/O，通過PROFIBUS DP把數(shù)據(jù)傳送給PLC控制器，把控制信號傳遞給PLC控制器。整體控制可靠性高，故障率低。
1.4 、PLC為門機提供可靠的保護功能：司機室操作指令、各機構限位開關、起升機構載荷信號、各機構制動器反饋信號、各回路空開關合閘信號、各回路接觸器反饋等均進入PLC進行處理，從而可以使門機的安全操作得到可靠保證。
1.5、PLC控制系統(tǒng)的使用使得門機的控制和操作更加靈活、便利，通訊總線的采用使各電氣設備聯(lián)系更加簡單，而數(shù)據(jù)信息交換量更大。
1.6、除軟件保護外，重要環(huán)節(jié)同時實現(xiàn)硬件安全互鎖功能，確保安全性。
2、PLC應用軟件設計
2.1通用邏輯控制功能：司機通過主令控制器對機構給出運動方向和速度指令，由PLC處理過后送到變頻器。
2.2、PLC收集門機系統(tǒng)當前狀態(tài)來確定用戶的指令是否有效；
2.3、如果指令有效(系統(tǒng)無故障，并且工作模式正確)，PLC向變頻器發(fā)出啟動命令；
2.4、起升機構工作，制動器開閘前，變頻器內部將根據(jù)負載自動進行預加力矩控制，以確保重物在開閘時不會“溜鉤”；
2.5、預加力矩到達后，打開制動器，制動器打開信號反饋給PLC和變頻器，這時速度輸出指令開始工作，電機運轉；
2.6、電機運動以后如有故障出現(xiàn)，PLC將會進行停車過程處理，該過程取決于出現(xiàn)的故障的嚴重性，該故障亦將顯示在司機室觸摸屏上。PLC記錄故障后，操作者可以按“復位”按鈕清除故障，并再按下“合閘”使機構重新上電。
2.7、當司機在正常狀態(tài)(主令回零)，機構將進行電氣制動，在制動器關閉前，變頻器的運行速度將按斜坡逐漸變?yōu)榱恪?/span>
3、停車程序邏輯
停車程序分為三級控制：
3.1、一級停車程序（緊急停車）：當機構發(fā)生如電機超速、調速器故障、快速熔斷器損壞、急停開關被按下等緊急情時，系統(tǒng)將不進行電氣制動，而直接進行機械制動，關閉機構的運行。
3.2、二級停車程序（極限停車）：當機構達到工作極限，如停車限位動作、起升超重等時，系統(tǒng)將自動執(zhí)行二級停車程序，PLC發(fā)出快速停車指令，并快速關閉制動器電源，這個過程是電氣制動結合機構制動的快速停車過程，可以使機構安全快速停車。
3.3、三級停車程序（正常停車）：在門機正常狀態(tài)下對機構進行電氣制動（按變頻器預設的正常減速曲線）的停車，停車過程平穩(wěn)無沖擊。
4、故障分析程序
4.1、當門機電氣系統(tǒng)軟、硬件發(fā)生故障時，PLC系統(tǒng)根據(jù)邏輯關系，可自動分析故障位置及故障原因。
四、監(jiān)控系統(tǒng)
1、觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)
司機室配置一套西門子觸摸屏，提供人機對話界面，具備起重機運行狀態(tài)監(jiān)控及故障自動提醒的功能，并能分析故障原因并提示故障解決方案。
2、起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)方案說明
2.1、方案描述
2.1.1、鐵路起重機械安全系統(tǒng)由視頻監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)、本地監(jiān)控主機、網(wǎng)絡傳輸設備、遠程監(jiān)控平臺等五個部分組成。
2.1.2、視頻監(jiān)控系統(tǒng)：采集和存儲設備視頻信息并在司機室內進行視頻顯示，為司機操作和設備定位提供幫助，通過網(wǎng)絡傳輸單元把視頻信息傳輸?shù)奖镜乇O(jiān)控主機和遠程監(jiān)控平臺；
2.1.3、數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)：分為安全監(jiān)控和電氣監(jiān)控，通過PLC采集起重機相關安全監(jiān)控數(shù)據(jù)和電氣監(jiān)控數(shù)據(jù)，在司機室通過觸摸屏顯示設備安全監(jiān)控和電氣監(jiān)控實時狀態(tài)，方便用戶進行現(xiàn)場故障檢修，通過網(wǎng)絡傳輸單元把安全監(jiān)控數(shù)據(jù)和電氣監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜乇O(jiān)控主機和遠程監(jiān)控平臺；
2.1.4、本地監(jiān)控主機：采用聯(lián)想商務機作為監(jiān)控主機，配置網(wǎng)絡機柜和UPS，監(jiān)控主機放置在貨運值班室，值班人員可以通過監(jiān)控主機的視頻信息和數(shù)據(jù)信息進行查看貨場所有起重設備的運行狀況；
2.1.5、網(wǎng)絡傳輸設備：網(wǎng)絡傳輸設備進行采集門機視頻信息和數(shù)據(jù)監(jiān)控信息，通過無線傳輸方式傳輸?shù)奖镜乇O(jiān)控主機，再經(jīng)過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程監(jiān)控平臺；
2.1.6、遠程監(jiān)控平臺：遠程監(jiān)控平臺具有設備視頻監(jiān)控、安全與狀態(tài)監(jiān)測、故障智能診斷、遠程設備維護、維修計劃管理、設備管理、作業(yè)管理、信息自動推送等功能，相關設備管理人員可以通過遠程監(jiān)控平臺的視頻信息和數(shù)據(jù)信息在辦公室查看所管轄內的起重機的運行狀況；
圖2：網(wǎng)絡拓撲圖
3、視頻監(jiān)控系統(tǒng)
3.1、視頻攝像機采用?？低暰W(wǎng)絡攝像機，具有夜視功能，像素為200萬像素，監(jiān)控區(qū)域包括吊鉤、小車機房、電氣房、司機室、門吊行走區(qū)域（4個）、集裝箱落鎖位置。
3.2、在司機室安裝硬盤錄像機，用以存儲視頻所有資料。
3.3、在司機室安裝19寸液晶顯示器，顯示器和硬盤錄像機連接，顯示器顯示所有視頻圖像，并且可以通過鼠標選擇畫面進行放大。
圖3：視頻網(wǎng)絡拓撲圖
圖4：現(xiàn)場案例
4、數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)
4.1、數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)分為安全監(jiān)控和電氣監(jiān)控兩部分，安全監(jiān)控參考《GBT28264-2012 起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》所規(guī)定監(jiān)控參數(shù)、監(jiān)控狀態(tài)以及相關監(jiān)控要求進行采集相關數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析。電氣監(jiān)控通過通訊采集原電控系統(tǒng)PLC相關數(shù)據(jù)，主要包括變頻器狀態(tài)和PLC的IO狀態(tài)，安全監(jiān)控系統(tǒng)不修改原電控程序。
圖5：數(shù)據(jù)監(jiān)控網(wǎng)絡拓撲圖
圖6
序號 | 監(jiān)控內容 | 實施要求 |
1 | 起重量 | 通過起重量儀讀取 |
2 | 風速 | 通過風速儀表讀取 |
3 | 起升高度、大車小車運行行程 | 采用德國倍加福或庫伯樂絕對值編碼器 |
4 | 限位（起升限位、大小車限位、門限位、錨定限位、夾軌器限位） | 通過電氣系統(tǒng)采集 |
5 | 起升制動器檢測 | 加裝檢測裝置，檢測制動器的工作狀態(tài)及閘皮磨損狀態(tài)及通過電氣系統(tǒng)采集 |
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