軌道式集裝箱吊鉤兩用門式起重機控制方案
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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。起重型號及規格：Gn=50t，S=30m。
（1）作業范圍
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。
（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，做出具體的規定和說明。
1.1、門機電氣系統采用 “PLC（可編程控制器）+變頻傳動+觸摸屏監控”組成的電氣控制系統。
1.2 、PLC實現整車的邏輯控制，采用SIEMENS公司S7系列產品，通過PROFIBUS DP總線通訊將各個變頻控制系統與PLC連接，實現數據交換。
變頻傳動驅動各機構協調動作，實現平穩可控運行，變頻器采用安川變頻器。
觸摸屏監控實現對整機狀態監控和故障診斷，觸摸屏采用SIEMES公司觸摸屏。
圖1：電氣系統網絡拓撲圖
1.3、優點
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量極大減少，使系統的可靠性大大增加，且為系統的智能故障診斷提供了大量的診斷原始數據；
1.3.3、實時的狀態監視及智能的故障智診斷：采用觸摸屏監控系統運行，使系統具備實時的狀態監控畫面，且能進行智能故障診斷；
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。
3.1、門機傳動系統采用安川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總線的方式實現機構的自動化控制，以實現生產工藝控制要求。
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，在重型工業領域發揮穩定出眾。
**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、停車時平穩性；
3.2.3、控制精度高，動態響應性能**：動態轉速誤差在開環應用時為±0.2%，在閉環應用時為±0.01%；
3.2.4、調速范圍廣，開環時達到1：100，閉環時到達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。
4.1、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，安全監控系統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鎖功能：
4.5.4、當吊具下的載荷達到額定載荷的90％時，司機室內指示燈顯示。
4.5.5、當吊具下載荷達到額定載荷的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；
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：制動器的工作狀態反饋回控制系統，與起升電機的變頻驅動系統互鎖，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；
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。
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。
6.1、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。
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，聯動控制臺上的指示燈閃亮。大車停止運行。
1.1、PLC系統是整機的邏輯控制中心，降低系統的故障出現機率、提高系統安全保護能力是PLC控制系統的**。
基此考慮，通過下述措施提高系統的可靠性：
1.2、 PLC系統采用西門子公司S7-1200系列產品，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，進行控制及數據采集，司機室PLC、小車機房PLC均采用分布式I/O，通過PROFIBUS DP把數據傳送給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系更加簡單，而數據信息交換量更大。
1.6、除軟件保護外，重要環節同時實現硬件安全互鎖功能，確保安全性。
2.2、PLC收集門機系統當前狀態來確定用戶的指令是否有效；
2.3、如果指令有效(系統無故障，并且工作模式正確)，PLC向變頻器發出啟動命令；
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，PLC將會進行停車過程處理，該過程取決于出現的故障的嚴重性，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(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為零。
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，系統將自動執行二級停車程序，PLC發出快速停車指令，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，停車過程平穩無沖擊。
4.1、當門機電氣系統軟、硬件發生故障時，PLC系統根據邏輯關系，可自動分析故障位置及故障原因。
2.1.1、鐵路起重機械安全系統由視頻監控系統、數據監控系統、本地監控主機、網絡傳輸設備、遠程監控平臺等五個部分組成。
2.1.2、視頻監控系統：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，通過網絡傳輸單元把視頻信息傳輸到本地監控主機和遠程監控平臺；
2.1.3、數據監控系統：分為安全監控和電氣監控，通過PLC采集起重機相關安全監控數據和電氣監控數據，在司機室通過觸摸屏顯示設備安全監控和電氣監控實時狀態，方便用戶進行現場故障檢修，通過網絡傳輸單元把安全監控數據和電氣監控數據傳輸到本地監控主機和遠程監控平臺；
2.1.4、本地監控主機：采用聯想商務機作為監控主機，配置網絡機柜和UPS，監控主機放置在貨運值班室，值班人員可以通過監控主機的視頻信息和數據信息進行查看貨場所有起重設備的運行狀況；
2.1.5、網絡傳輸設備：網絡傳輸設備進行采集門機視頻信息和數據監控信息，通過無線傳輸方式傳輸到本地監控主機，再經過網絡將數據傳輸到遠程監控平臺；
2.1.6、遠程監控平臺：遠程監控平臺具有設備視頻監控、安全與狀態監測、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控平臺的視頻信息和數據信息在辦公室查看所管轄內的起重機的運行狀況；
圖2：網絡拓撲圖
3、視頻監控系統
3.1、視頻攝像機采用海康威視網絡攝像機，具有夜視功能，像素為200萬像素，監控區域包括吊鉤、小車機房、電氣房、司機室、門吊行走區域（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：視頻網絡拓撲圖
圖4：現場案例
4、數據監控系統
4.1、數據監控系統分為安全監控和電氣監控兩部分，安全監控參考《GBT28264-2012 起重機安全監控管理系統》所規定監控參數、監控狀態以及相關監控要求進行采集相關數據和數據分析。電氣監控通過通訊采集原電控系統PLC相關數據，主要包括變頻器狀態和PLC的IO狀態，安全監控系統不修改原電控程序。
圖5：數據監控網絡拓撲圖
圖6
序號 | 監控內容 | 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?；驇觳畼方^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及閘皮磨損狀態及通過電氣系統采集 |
