Automated program control of crane travel mechanisms

Full Text

Введение. Грузоподъёмный кран – машина, предназначенная для подъёма и перемещения груза, подвешенного с помощью грузового крюка или другого грузозахватного органа [1]. Рабочий цикл крана состоит из трёх этапов: 1) захват груза; 2) рабочий ход (перемещение груза, разгрузка); 3) холостой ход (возврат грузоподъёмного механизма в исходное положение).

Рабочий и холостой ход на диаграммах движения имеют также три характерных участка: разгон, установившееся движение и торможение. Очень важное значение имеют участки разгона и торможения, так как именно в эти моменты и возникают динамические нагрузки [2-6].

Классификация подъемных кранов может быть проведена по следующим показателям.

1. По конструкции: стреловые, мостовые, козловые, консольные.
2. По возможности перемещения: стационарные, передвижные.
3. По типу привода: ручные, электрические, гидравлические, пневматические, с двигателем внутреннего сгорания.
4. По типу грузозахватного органа: крюковые, грейферные, магнитные, клещевые, контейнерные.

В настоящее время весьма актуальной становится автоматизация работы подъемно-транспортного оборудования, что позволяет не только сократить время ручного труда машиниста крана, тем самым облегчив условия его труда, но и улучшить производительность процесса погрузочно-разгрузочных работ.

Целью работы является разработка системы автоматизированного управления механизмом перемещения подъемного крана.

Для реализации данной цели необходимо решить следующие задачи:

• провести анализ конструкции объекта управления;
• разработать циклограммы работы механизмов перемещения;
• разработать алгоритм работы ПЛК системы управления;
• разработать программу работы ПЛК системы управления;
• предложить техническую реализацию системы управления;
• определить экспериментальные циклограммы работы.

Анализ объекта управления. На рис. 1 представлен внешний вид электрического консольного крана с магнитным захватом. Основные узлы крана:

 

Рис. 1. Внешний вид электрического консольного крана с магнитным захватом

 

А – рама для установки манипулятора,

В – механизм горизонтального перемещения (вдоль оси Х),

С – механизм горизонтального перемещения (вдоль оси Y),

D – механизм вертикального перемещения (вдоль оси Z),

Е – механизма захвата (электромагнит).

На рис. 2 представлена функциональная система управления электрического консольного крана с магнитным захватом, отражающая техническую реализацию системы управления механизмами перемещения крана.

 

Рис. 2. Функциональная схема системы управления консольного крана с магнитным захватом

 

Общее управление движением и координация отдельных частей крана производятся посредством программируемого логического контроллера (ПЛК). Команды управления, идущие от ПЛК [7-15] по общей шине управления, поступают на все локальные системы управления механизмами перемещения крана. Механизмы B и С приводятся в движение двумя двигателями переменного тока серии 4А [16] при управлении от двух преобразователей частоты [17] Danfoss FC302 (ПЧ-1 и ПЧ-2). Механизм D приводится в движение двигателем постоянного тока типа ДПМ-35-Н1-ОД при управлении от преобразователя В1. Механизм Е приводится в действие подачей напряжения в катушку электромагнита от преобразователя В2.

Циклограммы работы механизмов перемещения подъемного крана. На рис. 3 представлены циклограммы работы механизмов перемещения электромеханического крана-манипулятора.

 

Рис. 3. Циклограммы работы перемещения консольного крана с магнитным захватом

 

Для сокращения общего времени перемещения груза и увеличения производительности работы крана целесообразно проектировать циклограммы работы механизмов перемещения таким образом, чтобы некоторые их участки шли одновременно, т.е. с наложением по времени. Реализация именно такого подхода проиллюстрирована на рис. 3, где обратный ход механизмов В и С максимально совмещен по времени.

Алгоритмы работы системы управления подъемного крана. Функция общей системы управления краном была возложена на ПЛК (см. рис. 2). Для увеличения фунциональных возможностей данный ПЛК был реализован в виде двух частей (ПЛК-1 и ПЛК-2),  штатно имеющихся в системах управления ПЧ-1 и ПЧ-2.

На рис. 4 представлены алгоритмы работы системы управления консольного крана с магнитным захватом. Графическое изображение алгоритмов представлено в оригинальном виде, сгенерированном служебной программой Danfoss МСТ10 [18]. С помощью программы Danfoss МСТ10 осуществлялись удаленный доступ к параметрам систем управления ПЧ, а также их программирование и вывод информации, в том числе в графическом виде.

 

Рис. 4. Алгоритмы работы системы управления консольного крана с магнитным захватом

 

Программы работы ПЛК системы управления. На рис. 5 представлены программы работы системы управления консольного крана с магнитным захватом. Эти программы соответствуют алгоритмам работы системы управления консольного крана с магнитным захватом, показанным на рис. 4. Табличное изображение программы работы системы управления представлено в оригинальном виде, также сгенерированном служебной программой Danfoss МСТ10.

 

Рис. 5. Программы работы ПЛК системы управления консольного крана с магнитным захватом

 

Cтолбец ID включает идентификатор ячейки памяти, в которой хранится команда; столбец Name иллюстрирует текущее состояние ПЛК (SL Controller Event или SL Controller Action); столбец Setup 1 указывает состоявшееся событие (SL Controller Event) или действие (SL Controller Action), производимое ПЛК.

Экспериментальная циклограмма работы механизма перемещения подъемного крана. Экспериментальная проверка работоспособности и согласованности функционирования разработанных алгоритмов и программ проводилась на лабораторном макете консольного крана с магнитным захватом, система управления которого была построена согласно функциональной схеме рис. 2, а программа составлена в соответствии с рис. 5. В ходе экспериментальных исследований была полностью подтверждена работоспособность и согласованность работы механизмов перемещения крана, правильность функционирования разработанных алгоритмов и программ.

На рис. 6 представлена экспериментальная осциллограмма угловой скорости двигателя механизма В перемещения консольного крана с магнитным захватом. Данная экспериментальная осциллограмма угловой скорости соответствует циклограмме работы механизма В (рис. 1), показанной на рис. 3, что подтверждает сделанный выше вывод.

 

Рис. 6. Экспериментальная циклограмма работы механизма Е перемещения крана

 

Следует тем не менее отметить, что у применяемых методов программного управления имеются ограничении, поскольку они применимы только для кранового оборудования, работающего на однотипных погрузочно-разгрузочных операциях.

Заключение. Проведен анализ конструкции электрического консольного крана с магнитным захватом. Разработаны циклограммы работы механизма перемещения крана, алгоритм работы ПЛК системы управления механизмом перемещения крана, программа работы ПЛК системы управления механизмом перемещения крана. Предложена техническая реализация способа управления механизмом перемещения подъемного крана. Определена экспериментальная осциллограмма угловой скорости двигателя механизма В (рис. 1) перемещения консольного крана с магнитным захватом, подтверждающая работоспособность разработанных алгоритмов и программ. Сделан вывод об ограничении применяемых методов программного управления, поскольку они применимы только для кранового оборудования, работающего на однотипных погрузочно-разгрузочных операциях.

About the authors

Mikhail P. Dunaev

Irkutsk National Research Technical University

Author for correspondence.
Email: mdunaev10@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1523-5553

Doctor of Technical Sciences, Professor

Russian Federation, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074

Alexey A. Saushkin

Irkutsk National Research Technical University

Email: leha-34714@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0001-5600-4615

Postgraduate Student

Russian Federation, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074

References

Supplementary files