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 Nẵ
Trang 1MÔ 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
1 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
2 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
2.1 Dao động ngang của khối hàng khi xe lăn tăng tốc hay dừng lại
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)
Hình 2.1 Sơ đồ chuyển động của xe lăn và khối hàng
Trang 2Phương trình chuyển động của khối hàng, xe lăn có dạng
0 2 2 0 2 2
2
l
g m dt
q d dt
q
d
t F q l
g m dt
q
d
2
Từ phương trình (2.1) ta thu được: q
l
g dt
q d dt
q d
2 2 0 2
Thay
2
0
2
dt
q
d
vào phương trình (2.2) ta được phương trình vi phân chuyển động khối hàng:
m m q F t l
g dt
q
d
2
2
0 0
2 2
2
1
m
t F q m
m l
g dt
q
d
Nghiệm tổng quát của phương trình (2.3) có dạng:
t t m
m l
g B t m
m l
g A
0 2 0
1
(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
m m g
Pl t
2
0
Lúc đó (2.4) có dạng
m m g
Pl t
m
m l
g B t m
m l
g A
q
2 0 0
2 0
2
1 cos 1
sin
Điều kiện ban đầu khi t = 0 thì 0; 0
dt
dq q
Khi đó:
m m g
Pl B
A
2 0
; 0
m
m l
g g
m m
Pl q
0 2 2
0
1 cos
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
m l
g m
m g
l m m
P dt
dq
0 2 0
2 2
0
1 sin 1
Khi 0; 0
dt
dq
m
m l
g
2 1
0
2
Với n - số nguyên dương
Trang 3Rỏ ràng vào thời điểm 0, 0
dt
dq
q 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
m m g
l m n
t
2 0
0 2
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
2.2 Ứng dụng vào thiết kế hệ thống điều khiển cần trục
Mô hình nghiên cứu được mô tả trên hình 2.2
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
Xe lan Vào / Ra
Trai / Phai Buong may
Hình 2.2 Mô hình cần trục
Trang 4Từ 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
Thuật toán điều khiển công đoạn tự động (Auto)
a) Giản đồ trạng thái
PLC
Hình 2.3 Sơ đồ điều khiển hệ thống
Hình 2.4 Bàn điều khiển
Hạ
Vào
Ra
Nâng Dừng khẩn cấp
Di chuyển
xe lăn
Nâng
hạ hàng
Manual START
Auto Chế độ làm việc
t
c 0
c 1
1
b
0
b
XE LAN
NGANG LAM HANG CONT.
t
0 1
0 1
0 n
0 n
CONG TAC GIOI HAN DUOI
CONG TAC GIOI HAN TREN
MOTO CO CAU DI CHUYEN
MOTO CO CAU NANG HA
CONG TAC GIOI HAN LINE i
1 0
1
2
t
t
s
s
s
DELAY
t + t
DELAY
t + t
t
DELAY t
Hình 2.5 Giản đồ trạng thái
Trang 5Từ công thức (2.7):
m m g
l m n
t
2 0
0 2
Ta tính được thời gian tăng tốc cũng như thời gian hãm chuyển động xe lăn để khối hàng không dao động t Tương ứng tính được đoạn đường s
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 t+t vào Inverter cho quá trình tăng tốc hoặc hãm của motor vì vậy có thời gian delay t trên sơ đồ thuật toán
b) Sơ đồ chức năng
c) Thiết kế hệ thống điều khiển
- Sơ đồ mạch động lực
- Sơ đồ mạch điều khiển thủy lực
0
1 Timer
2 Timer
3 Timer
4
Ban đầu
Delay t+t 1
Mô tơ vào Delay t+t 1
Mô tơ hạ Delay t
Mô tơ nâng
Kết thúc
Auto, satrt g/h trên:off,g/h line i:off
g/h trên
t=t+t 1 g/h line i t=t+t 1 g/h dưới t=t
- Có Auto, start
- g/h trên:off, g/h linei:off
- Xuất M1
- Có M1, g/h trên:on
- Tắt M1, Delay =t+t 1
- Sau t+t 1
- Xuất M2
- Có M2, g/h line i
- Tắt M2, Delay =t+t 1
- Sau t+t 1
- Xuất M1,
- Sau t
Giải thích:
- Có M1, g/h dưới
- Tắt M1, Delay =t
I1 5
a 0 1
I1 4 a A
C H 1
A
C H 2
X y la nh A
+
-Q 1 0 Q 1 1 Q 1 2 Q 1 3
-+
X y la nh B
C H 4 B
C H 3
B
I1 6
b 1 0
I1 7 b
M1
INVERTER
L2 L1
K1 K2
K4 K3 L1 L2
INVERTER
INVERTER
L2 L1
K5 K6 24
KM1
R
S
T
Automat
Ro le nhiet
Ro le nhiet KM2
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
Xy lanh A: Xy lanh B:
A+: Đóng kẹp ray B+:Đóng chốt Cont
A-: Mở kẹp ray B-: Mở chốt Cont
Trang 6- Sơ đồ kết nối PLC với các thiết bị ngoài
3 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
[1] Lê Hoài Quốc, Chung Tấn Lâm (2006), Bộ điều khiển lập trình PLC NXB Đại học
quốc gia, TP Hồ Chí Minh
[2] Trần Xuân Tuỳ (2002), Hệ thống điều khiển tự động thuỷ lực, NXB Khoa học và Kỹ
thuật
[3] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Vũ Văn Hà (2000), Tự động hóa với S7–200,
NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội
[4] Yaskawa Siemens, Tài liệu hướng dẫn vận hành PLC trên cần trục QCC, Japan
[5] Комаров М С (1968), Динамика грузоподъемных машин, Машгиз
K 1
K 6
K 5
K 4
K 3
K 2
C H 1
C H 2
C H 3
C H 4
K M 1 C
K M 2
N
Q 0 0
Q 0 1
Q 0 2
Q 0 3
Q 0 4
Q 0 5
Q 1 0
Q 1 1
Q 1 2
Q 1 3
Q 0 6
Q 1 4
Q 1 5
I 0.0
I 0.1
I 0.2
I 0.3
I 0.4
I 0.5
I 0.6
I 0.7
I 1.0
I 1.1
I 1.2
I 1.3
I 1.4
I 1.5
I 1.6
I 1.7
I 2.0
I 2.1
I 2.2
I 2.3
I 2.4
I 2.5
K 2
K 1
K 4
K 3
K 6
K 5
I 3.2
I 3.1
I 2.6
I 2.7
I 3.0
Q 0 7
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
