Mô hình điều khiển công đoạn tự động cho cần trục container

MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CÔNG ĐOẠN TỰ ĐỘNG CHO CẦN TRỤC CONTAINER THE automatic phase control mock- UP FOR QUAYSIDE CONTAINER CRANE NGUYỄN XUÂN HÙNG Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng LÊ BÁ VŨ Học viên cao học khoá 2004-2007 TÓM TẮT Bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu thiết kế một mô hình điều khiển công đoạn tự động cho cần trục container ở các Cảng biển. ABSTRACT This article presents the results of research on designing an automatic phase control mock-up for Quayside Container Crane. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong công cuộc hội nhập kinh tế quốc tế ở nước ta hiện nay, việc đầu tư và đưa vào sử dụng các cần trục container lớn phục vụ cho hệ thống Cảng biển nước sâu ngày càng nhiều. Tuy nhiên, do đặc thù công việc, không thể tự động hóa quá trình khai thác xếp dỡ cho các cần trục này. Chính vì không thể điều khiển tự động được nên quá trình tăng tốc cũng như quá trình hãm xe lăn trong quá trình khai thác không theo một quy luật nào dẫn đến khối hàng dao động là điều khó tránh khỏi. Vì vậy năng suất bốc xếp phụ thuộc vào rất nhiều tay nghề người công nhân vận hành. Do vậy việc tiếp cận, chế tạo hệ thống điều khiển tự động cho cần trục là vấn đề cấp thiết về mặt lý luận cũng như thực tiễn. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ Trước khi vào vấn đề chính, xin trình bày mô hình tính toán động lực cơ cấu di chuyển xe lăn để khảo sát dao động của khối hàng. Dao động ngang của khối hàng khi xe lăn tăng tốc hay dừng lại Hình 2.1. Sơ đồ chuyển động của xe lăn và khối hàng Sơ đồ tổng quát của kết cấu cần trục thể hiện dưới dạng 2 khối lượng, khối lượng m0 chuyển động thẳng đều, còn khối lượng m2 dao động và gắn liền với khối lượng m0 bằng khớp nối cứng (không đàn hồi). F(t) - Lực tăng tốc hoặc lực hãm. (xem Hình 2.1) Phương trình chuyển động của khối hàng, xe lăn có dạng (2.1) (2.2) Từ phương trình (2.1) ta thu được: Thay vào phương trình (2.2) ta được phương trình vi phân chuyển động khối hàng: (2.3) Nghiệm tổng quát của phương trình (2.3) có dạng: (2.4) j(t) - Nghiệm riêng của phương trình (2.3). Lấy gần đúng F(t) » P và thay F(t) vào phương trình (2.3) ta sẽ có nghiệm riêng Lúc đó (2.4) có dạng (2.5) Điều kiện ban đầu khi t = 0 thì Khi đó: (2.6) Dao động ngang của hàng hóa không phải là điều chúng ta mong muốn. Chúng ta xét một vài biện pháp giảm dao động sau khi tăng tốc hoặc hãm máy.Lấy đạo hàm phương trình (2.6) theo t ta được phương trình vận tốc của khối hàng Khi thì Với n - số nguyên dương Rỏ ràng vào thời điểm mà không có P (tức P = 0) thì dao động khối hàng không có. Lực P được lấy bằng không (= 0) khi quá trình tăng tốc hoặc hãm kết thúc. Thành ra thời gian tăng tốc và dừng lại phải lấy bằng (2.7) Với t được chọn như vậy, thì chuyển động của khối hàng sau khi xe lăn tăng tốc hay hãm chắc chắn là không dao động Ứng dụng vào thiết kế hệ thống điều khiển cần trục Mô hình nghiên cứu được mô tả trên hình 2.2. Hình 2.2. Mô hình cần trục Cần trục có 3 hoạt động chính: Di chuyển qua trái/phải của cần trục, di chuyển vào/ra xe lăn và di chuyển lên/xuống của ngáng làm hàng. Trong quá trình khai thác, tất cả di chuyển này đều được điều khiển bởi người vận hành ngồi trong xe lăn. Sau khi bốc dỡ mã hàng thứ nhất, đến mã hàng thứ hai thì khoảng cách ra/vào xe lăn hoặc khoảng cách lên/xuống của ngáng làm hàng đã thay đổi. Vì vậy với một cần trục QCC quy mô lớn, hiện đại và được sử dụng rộng rãi ở các Cảng biển lớn trên thế giới nhưng quá trình khai thác bốc dỡ hàng không thể tự động được Mặc dù không thể tự động hoàn toàn các hoạt động của cần trục, chúng ta vẫn có thể tự động một phần trong các hoạt động đó. Bài toán được đặt ra như sau: Quy định vị trí đỗ xe cố định phía dưới theo đúng các làn đường 1,2 và trên ray xe lăn di chuyển ta đặt các công tắc hành trình tương ứng với các vị trí làn đường 1, 2 phía dưới. Sử dụng một chủng loại xe Container lấy hàng hay tập kết hàng. Ta sẽ tự động hóa quá trình sau: Sau khi ngáng container đóng chốt cặp được mã hàng dưới tàu hoặc sau khi ngáng container mở chốt thả hàng xuống tàu ® Mô tơ cơ cấu nâng hạ hoạt động điều khiển ngáng đi lên đến điểm giới hạn trên ® Mô tơ cơ cấu nâng hạ dừng, mô tơ cơ cấu di chuyển hoạt động điều khiển xe lăn đi vào đến đúng vị trí đậu của xe ® Mô tơ cơ cấu di chuyển dừng, mô tơ cơ cấu nâng hạ hoạt động điều khiển ngáng đi xuống đến giới hạn dưới ® Mô tơ cơ cấu nâng hạ dừng ® Kết thúc quá trình. Qua phân tích nguyên lý vận hành, chúng tôi thiết kế sơ đồ điều khiển như hình 2.3 Hình 2.3. Sơ đồ điều khiển hệ thống Từ phần mô tả hoạt động của cần trục, ta lập sơ đồ thuật toán điều khiển cho các hoạt động của cần trục như sau: Trên Cabin vận hành sử dụng công tắc xoay 2 chế độ: Auto và Manual. Và công tắc xoay chọn các line 1, line 2. Khi vận hành cần trục bằng tay, ta gạt công tắc sang chế độ Manual và thực hiện thao tác vận hành như vào/ra xe lăn, lên/xuống ngáng container và di chuyển cần trục qua trái/phải. Khi chuyển qua công đoạn tự động, ta gạt công tắc sang chế độ Auto. Lúc này công tắc xoay chọn line 1 và line 2 mới có tác dụng. Khi bắt đầu vận hành công đoạn tự động, ta nhấn nút Start. Hình 2.4. Bàn điều khiển Hạ Phải Trái Vào Ra Nâng Dừng khẩn cấp Di chuyển xe lăn Mở Khoá Nâng hạ hàng Di chuyển cần trục Line 2 Line 1 Manual START Auto Chế độ làm việc Chốt container Ghế ngồi Thuật toán điều khiển công đoạn tự động (Auto) Giản đồ trạng thái Hình 2.5. Giản đồ trạng thái Từ công thức (2.7): Ta tính được thời gian tăng tốc cũng như thời gian hãm chuyển động xe lăn để khối hàng không dao động ® Dt ® Tương ứng tính được đoạn đường Ds Để an toàn hệ thống, sau khi khối hàng đi lên dừng lại khoảng thời gian t, lúc đó ta mới khởi động mô tơ cơ cấu di chuyển điều khiển xe lăn đi vào. Tương tự khi xe lăn dừng lại khoảng thời gian t, lúc đó mới khởi động mô tơ cơ cấu nâng hạ điều khiển khối hàng đi xuống. Theo sơ đồ điều khiển hệ thống, PLC xuất tín hiệu đến Inverter, sau đó Inverter điều khiển hoạt động các mô tơ điện. Nên đặt giá trị Dt+t vào Inverter cho quá trình tăng tốc hoặc hãm của motor vì vậy có thời gian delay Dt trên sơ đồ thuật toán. 0 1 Timer 2 Timer 3 Timer 4 Ban đầu Delay Dt+t1 Mô tơ vào Delay Dt+t1 Mô tơ hạ Delay Dt Mô tơ nâng Kết thúc Auto, satrt g/h trên:off,g/h line i:off g/h trên t=Dt+t1 g/h line i t=Dt+t1 g/h dưới t=Dt - Có Auto, start - g/h trên:off, g/h linei:off - Xuất M1 - Có M1, g/h trên:on - Tắt M1, Delay =Dt+t1 - Sau Dt+t1 - Xuất M2 - Có M2, g/h line i - Tắt M2, Delay =Dt+t1 - Sau Dt+t1 - Xuất M1, - Sau Dt Giải thích: - Có M1, g/h dưới - Tắt M1, Delay =Dt Sơ đồ chức năng Thiết kế hệ thống điều khiển Sơ đồ mạch động lực Mô tơ điều khiển cơ cấu nâng hạ Mô tơ điều khiển cơ cấu di chuyển Mô tơ điều khiển di chuyển cần trục Mô tơ bơm điều khiển kẹp ray Mô tơ bơm điều khiển chốt cont. Sơ đồ mạch điều khiển thủy lực Xy lanh A: Xy lanh B: A+: Đóng kẹp ray B+:Đóng chốt Cont. A-: Mở kẹp ray B-: Mở chốt Cont. Điều khiển quá trình nâng hàng Điều khiển quá trình hạ hàng Cuộn hút van dầu điều khiển đóng kẹp ray Cuộn hút van dầu điều khiển mở kẹp ray Khởi động từ mô tơ bơm ĐK kẹp ray Khởi động từ mô tơ bơm ĐK chốt container Cuộn hút van dầu điều khiển đóng chốt container Cuộn hút van dầu điều khiển mở chốt container Còi báo hiệu cần trục di chuyển Điều khiển cần trục qua phải Điều khiển cần trục qua trái Điều khiển xe lăn ra Điều khiển xe lăn vào Sơ đồ kết nối PLC với các thiết bị ngoài KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN Từ công thức nghiên cứu động lực học các cơ cấu công tác của cần trục. Xây dựng được mô hình điều khiển một công đoạn tự động cho cần trục. Trong đó, giải quyết tốt các vấn đề: Thiết kế sơ đồ mạch động lực hệ thống Thiết kế hệ thống điều khiển nối kết với PLC Thiết lập được chương trình điều khiển tự động PLC 4. KẾT LUẬN Việc tiếp cận và tự thiết kế một công đoạn điều khiển tự động cho cần trục Quayside Container Crane dẫn đến giảm chi phí đầu tư, tăng năng suất bốc xếp. Góp phần vào sự phát triển lãnh vực thiết kế chế tạo hệ thống tự động điều khiển đáp ứng được yêu cầu của chiến lược phát triển Khoa học và công nghệ đến 2010 của ngành Tự động hoá và Cơ điện tử. TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Hoài Quốc, Chung Tấn Lâm (2006), Bộ điều khiển lập trình PLC. NXB Đại học quốc gia, TP Hồ Chí Minh. Trần Xuân Tuỳ (2002), Hệ thống điều khiển tự động thuỷ lực, NXB Khoa học và Kỹ thuật. Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Vũ Văn Hà (2000), Tự động hóa với S7–200, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. Yaskawa Siemens, Tài liệu hướng dẫn vận hành PLC trên cần trục QCC, Japan. Комаров М. С. (1968), Динамика грузоподъемных машин, Машгиз