Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

RESTRICTION OF CARGO SWINGING FOR BRIDGE CRANES

Mescheryakov V.N. 1 Kolmykov V.V. 2 Migunov D.V. 2
1 Federal State Educational Institution of Higher Professional Education «Lipetsk State Technical University»
2 OAO «NLMK»
The article presents brief overview of international control systems with the function of cargo swinging restriction for bridge cranes. The automatic electric drive control system of bridge cranes mechanisms with the function of cargo swinging restriction is proposed. The restriction of fluctuations is realized by the input correction signal of control system which is calculated in the mathematical model «suspension center – cargo» allowed for the data of cargo weight and suspension length. The data of cargo weight and suspension length is calculated by indirect methods based on the electric drive lifting mechanism characteristics. The calculation method of the correction factor, which is entered into the electric drives control system, is developed. The graphical representation of the control system bridge crane operation was produced by digital simulation using Simulink application of Matlab software package.
bridge crane
damping system
mathematical model «suspension center – cargo»
correction factor
1. Aleksandrov M.P., Gohberg M.M., Kovin A.A. i dr. Spravochnik po kranam: V 2 t. T. 2. Harakteristiki i konstruktivnye shemy kranov. Kranovye mehanizmy, ih detali i uzly. Tehnicheskaja jekspluatacija kranov. L.: Mashinostroenie. Leningradskoe otdelenie, 1988, 559 p.
2. Kim D.P. Teorija avtomaticheskogo upravlenija. T.1 Linejnye sistemy. – M.: FIZMATLIT, 2003, 288 p.
3. Meshherjakov V.N. Dinamika jelektromehanicheskih sistem pod`emno-transportnyh mehanizmov s asinhronnym jelektroprivodom [Tekst]: Monografija. Lipeck. LGTU, 2002, 120 p.
4. Meshherjakov V.N., Meshherjakova O. V. Vesti vysshih uchebnyh zavedenij Chernozem’ja. 2014. no. 3. pp 19–22.
5. Operating manual Altivar 71 V.2. Schneider Electric, 2008. 48 p.
6. Shchedrinov A.V., Kolmykov V.V., Serikov S.A. Avtomatizacija i sovremennye tehnologii, 2010, no. 2, pp. 3–8.
7. SIMOCRANE sway control systems (2015), Available at: http://w3.siemens.com/mcms/mc-solutions/en/mechanical-engineering/crane-solutions/simocrane/ sway-control-system/pages/sway-control-systems-simocrane.aspx (accessed 6 May 2015).

Среди механизмов, участвующих в процессе производства промышленной продукции, огромная роль отводится подъемно-транспортным машинам. На промышленных предприятиях наиболее распространенным и универсальным подъемно-транспортным устройством является мостовой кран (рис. 1). Стальная конструкция моста крана 1 опирается на ходовые тележки и с помощью механизма передвижения 3 может перемещаться по подкрановым путям 2, укрепленным над обслуживаемой площадкой на стационарных опорах. Вдоль моста крана проложены рельсы, по которым перемещается тележка 4 с установленными на ней механизмом передвижения и подъемной лебедкой, осуществляющей подъем и спуск грузов [1].

При переходных процессах пуска и торможения приводов передвижения, когда точка подвеса груза движется с ускорением, возникает раскачивание груза относительно своего положения равновесия. Груз и подвес образуют маятник с подвижной точкой подвеса, которая закреплена на тележке мостового крана. Под действием усилия, приложенного к точке подвеса от приводов передвижения, транспортируемый груз совершает колебания в плоскости движения механизма. Амплитуда и период колебаний груза зависят от изменения длины подвеса груза и веса транспортируемого груза.

Порядка 20 % времени полного цикла перегрузочных операций затрачивается на ожидание завершения колебаний груза. Кроме того, раскачивание груза приводит к увеличению динамической нагрузки на привод и металлическую конструкцию крана [3].

В настоящее время на российском рынке присутствует большое количество систем подавления колебаний зарубежных фирм. Одной из систем, позволяющей осуществлять высокоточное, быстрое и плавное передвижение груза с полным отсутствием раскачивания, является система автоматического регулирования колебаний SIMOCRANE Sway Control System фирмы SIEMENS, использующая для ограничения раскачивания груза сигнал с камеры, регистрирующей положение перемещаемого груза [7]. Другая система подавления колебаний от фирмы Schneider Electric – крановая карта, предотвращает колебания груза без применения дополнительных датчиков [5]. Использование этих систем позволяет в значительной мере ограничить раскачивание груза, однако существует ряд недостатков, препятствующих внедрению подобных систем на отечественных промышленных предприятиях. Во-первых, это высокая стоимость оборудования и программного обеспечения. Во-вторых, применение сложного датчика отклонения груза ухудшает надежность системы (при работе в запылённых закрытых помещениях). Кроме того, наладку и обслуживание достаточно сложных систем управления должен производить обученный и квалифицированный персонал.

pic_28.wmf

Рис. 1. Схема конструкции мостового крана

 

Таким образом, разработка автоматической системы эффективного гашения колебаний транспортируемого груза в подъемно-транспортных механизмах, не уступающей по своим характеристикам зарубежным аналогам, является весьма актуальной задачей.

Решение задачи минимизации колебаний груза, транспортируемого мостовым краном, заключается в формировании такого закона управления электроприводами моста и тележки, чтобы после достижения заданной скорости колебания груза были минимальными и, по возможности, ограничивалась амплитуда колебаний в переходном процессе пуска и торможения. Для этого в систему управления приводов тележки и моста вводится корректирующий сигнал, пропорциональный величине отклонения груза от положения равновесия в соответствующей плоскости движения (моста, тележки). Сигнал рассчитывается на основе математической модели системы «точка подвеса – груз» [6]:

mesheryak01.wmf

mesheryak02.wmf

где Ксв – сила сопротивления воздуха; х0, y0 – отклонение груза от положения равновесия в плоскости движения тележки и моста; mг, mт – масса груза и тележки соответственно; ат, ам – ускорения двигателя тележки и моста; lп – длина подвеса.

На рис. 3 приведена структурная схема электромеханической системы мостового крана с включенной в систему управления моделью системы «точка подвеса – груз». На основании вычисленных величин ускорения моста ам и тележки ат (сигнал с задатчика интенсивности), а также измеренных с помощью датчиков длины подвеса lп и массы груза mг строится математическая модель системы «точка подвеса – груз», по которой вырабатываются корректирующие сигналы для привода передвижения моста Uкор_м и привода передвижения тележки Uкор_т.

В начальный момент пуска точка подвеса груза разгоняется с постоянным ускорением, определяемым величиной уставки задатчика интенсивности. При этом груз под действием сил инерции отклоняется от вертикального положения, вследствие чего появляются отклонения в плоскости движения тележки x0 и плоскости движения моста y0. В какой-то момент времени разница между выходом задатчика интенсивности и корректирующим сигналом становится достаточной для того, чтобы регулятор скорости вышел из режима ограничения, причем это происходит до достижения приводом заданной скорости. Следовательно, в конце переходного процесса уменьшается ускорение привода, что приводит к уменьшению динамического момента на валу двигателя, и груз догоняет точку подвеса. В результате после завершения переходного процесса (после достижения заданной скорости) отклонения груза практически отсутствуют.

Влияние корректирующего сигнала на систему регулирования определяется величиной коэффициента коррекции (Ккор_т – для привода тележки, Ккор_м – для привода моста). Изменение коэффициента коррекции в сторону увеличения его значения приведет к значительному уменьшению колебаний, но в то же время вызовет затягивание переходного процесса. Оптимальное значение коэффициента коррекции определяется из соображения, что максимальному значению корректирующего сигнала должно соответствовать максимальное значение отклонения груза (при максимальном ускорении) [6]:

mesheryak03.wmf

mesheryak04.wmf

где Ωx, Ωy – частота колебаний груза в плоскости движения тележки и моста; aт, aм – ускорение тележки и моста; Tзи_т, Tзи_м – время выхода на заданную скорость (параметр задатчика интенсивности); Vн_т, Vн_м – номинальная скорость тележки и моста.

Более 80 % крановых электроприводов составляют электроприводы с асинхронными двигателями [2]. Эти двигатели технически наиболее просты и надежны в эксплуатации; они могут длительно работать при повышенных скоростях и температурах, в агрессивных и взрывоопасных средах; для их изготовления не требуется много цветных металлов; они имеют небольшую массу, габариты и стоимость. Возможности систем управления асинхронными приводами расширяются за счет создания управляемых преобразователей напряжения и частоты, а также микропроцессорных устройств с высоким быстродействием. В настоящее время наиболее перспективным и экономичным способом управления приводом переменного тока представляется векторное управление [4].

pic_29.tif

Рис. 2. Структура автоматической системы ограничения колебаний груза: ЗИ – задатчик интенсивности; ПЧ – преобразователь частоты; АД – асинхронный двигатель

На рис. 2 представлена функциональная схема автоматической системы ограничения колебаний груза в двух плоскостях. Корректирующий сигнал необходимо вычесть из сигнала задания на скорость механизмов передвижения тележки и моста.

Формирование корректирующих сигналов целесообразно выполнять на базе контроллера, обладающего достаточным быстродействием и имеющим шину связи с микропроцессорной системой управления преобразователя или при наличии возможности реализовать на микроконтроллере преобразователя частоты. Расчет веса груза и длины подвеса осуществляется косвенными методами на основании функциональных зависимостей тока статора от веса поднимаемого груза и скорости подъема груза (корректировку рассчитываемого значения длины подвеса можно производить при срабатывании ограничителя высоты подъема крюковой подвески). При использовании предложенной системы отпадает необходимость в использовании дорогостоящих датчиков отклонения груза и специализированных плат.

pic_30.wmf

Рис. 3. Переходные процессы в системе с коррекцией и без коррекции

pic_31.wmf

Рис. 4. Угол отклонения груза в плоскости движения тележки в системе с коррекцией и без коррекции

Для предлагаемой системы регулирования в приложении Simulink пакета программ Matlab было произведено цифровое моделирование. На рис. 3 и 4 представлены графики скоростей и отклонения груза от положения равновесия в плоскости движения тележки в системе с использованием коррекции и в системе без коррекции. Масса груза – 20000 кг, длина подвеса – 10 м, режим работы – пуск до номинальной скорости и торможение до останова.

Согласно результатам моделирования можно сделать вывод, что разработанная система отлично справляется с функцией ограничения раскачивания груза. Введение корректирующего сигнала позволяет уменьшить амплитуду колебаний и обеспечивает быстрое гашение колебаний после достижения приводом заданной скорости.

Рецензенты:

Сараев П.В., д.т.н., профессор, декан факультета автоматизации и информатики, Липецкий государственный технический университет, г. Липецк;

Кудинов Ю.И., д.т.н., профессор, зав. кафедрой информатики, Липецкий государственный технический университет, г. Липецк.