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 nghiên cứu thiết kế mô hình điều khiển công đoạn tự động cho cần trục container 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 hội nhập kinh tế quốc tế nước ta nay, việc đầu tư đưa vào sử dụng cần trục container lớn phục vụ cho hệ thống Cảng biển nước sâu ngày nhiều Tuy nhiên, đặc thù công việc, tự động hóa trình khai thác xếp dỡ cho cần trục Chính điều khiển tự động nên trình tăng tốc trình hãm xe lăn trình khai thác không theo quy luật dẫn đến khối hàng dao động điều khó tránh khỏi Vì suất bốc xếp phụ thuộc vào nhiều tay nghề người công nhân vận hành Do việc tiếp cận, chế tạo hệ thống điều khiển tự động cho cần trục vấn đề cấp thiết mặt lý luận thực tiễn GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ Trước vào vấn đề chính, xin trình bày mô hình tính toán động lực cấu di chuyển xe lăn để khảo sát dao động khối hàng 2.1 Dao động ngang khối hàng xe lăn tăng tốc hay dừng lại Sơ đồ tổng quát kết cấu cần trục thể dạng khối lượng, khối lượng m0 chuyển động thẳng đều, khối lượng m2 dao động gắn liền với khối lượng m0 khớp nối cứng (không đàn hồi) F(t) - Lực tăng tốc lực hãm (xem Hình 2.1) Hình 2.1 Sơ đồ chuyển động xe lăn khối hàng Phương trình chuyển động khối hàng, xe lăn có dạng  d q d q0  m2 g  m   q  (2.1)  l dt dt   d q0 m g m0  q  F t  (2.2) l dt d q0 Từ phương trình (2.1) ta thu được: Thay d q0 dt d 2q d 2q dt g q l  vào phương trình (2.2) ta phương trình vi phân chuyển động khối hàng: g m  m q  F t  l dt d 2q g  m  F t    1   q  l m m0 dt   m0 dt   (2.3) Nghiệm tổng quát phương trình (2.3) có dạng: q  A sin g  m2  g  m2  1  t  B cos 1  t   t  (2.4) l  m0  l  m0  (t) - Nghiệm riêng phương trình (2.3) Lấy gần F(t)  P thay F(t) vào phương trình (2.3) ta có nghiệm riêng  t   Pl m  m g Lúc (2.4) có dạng m  g Pl 1  t  l  m0  m0  m g dq Điều kiện ban đầu t = q  0;  dt Pl Khi đó: A  0; B   m0  m2 g q  A sin q g  m2  1  t  B cos l  m0  (2.5)  m  Pl g 1  cos 1  t  (2.6) m0  m g  l  m0    Dao động ngang hàng hóa điều mong muốn Chúng ta xét vài biện pháp giảm dao động sau tăng tốc hãm máy.Lấy đạo hàm phương trình (2.6) theo t ta phương trình vận tốc khối hàng m  dq P l  1   sin  dt m0  m2  g  m0  Khi q  0; dq  dt m  g 1  t l  m0  m  g 1  t  n l  m0  Với n - số nguyên dương Rỏ ràng vào thời điểm q  0, dq  mà P (tức P = 0) dao động khối hàng dt Lực P lấy không (= 0) trình tăng tốc hãm kết thúc Thành thời gian tăng tốc dừng lại phải lấy m0l m0  m g t  2n (2.7) Với t chọn vậy, chuyển động khối hàng sau xe lăn tăng tốc hay hãm chắn không dao động 2.2 Ứng dụng vào thiết kế hệ thống điều khiển cần trục Mô hình nghiên cứu mô tả hình 2.2 Lên / Xuong Buong may Xe lan Vào / Ra Trai / Phai Hình 2.2 Mô hình cần trục Cần trục có hoạt động chính: Di chuyển qua trái/phải cần trục, di chuyển vào/ra xe lăn di chuyển lên/xuống ngáng làm hàng Trong trình khai thác, tất di chuyển điều khiển người vận hành ngồi xe lăn Sau bốc dỡ mã hàng thứ nhất, đến mã hàng thứ hai khoảng cách ra/vào xe lăn khoảng cách lên/xuống ngáng làm hàng thay đổi Vì với cần trục QCC quy mô lớn, đại sử dụng rộng rãi Cảng biển lớn giới trình khai thác bốc dỡ hàng tự động Mặc dù tự động hoàn toàn hoạt động cần trục, tự động phần hoạt động Bài toán đặt sau: - Quy định vị trí đỗ xe cố định phía theo đường 1,2 ray xe lăn di chuyển ta đặt công tắc hành trình tương ứng với vị trí đường 1, phía - Sử dụng chủng loại xe Container lấy hàng hay tập kết hàng Ta tự động hóa trình sau: Sau ngáng container đóng chốt cặp mã hàng tàu sau ngáng container mở chốt thả hàng xuống tàu  Mô tơ cấu nâng hạ hoạt động điều khiển ngáng lên đến điểm giới hạn  Mô tơ cấu nâng hạ dừng, mô tơ cấu di chuyển hoạt động điều khiển xe lăn vào đến vị trí đậu xe  Mô tơ cấu di chuyển dừng, mô tơ cấu nâng hạ hoạt động điều khiển ngáng xuống đến giới hạn  Mô tơ cấu nâng hạ dừng  Kết thúc trình Qua phân tích nguyên lý vận hành, thiết kế sơ đồ điều khiển hình 2.3 INVERTER INVERTER INVERTER PLC Hình 2.3 Sơ đồ điều khiển hệ thống Từ phần mô tả hoạt động cần trục, ta lập sơ đồ thuật toán điều khiển cho hoạt động cần trục sau: Trên Cabin vận hành sử dụng công tắc xoay chế độ: Auto Manual Và công tắc xoay chọn line 1, line - Khi vận hành cần trục tay, ta gạt công tắc sang chế độ Manual thực thao tác vận hành vào/ra xe lăn, lên/xuống ngáng container di chuyển cần trục qua trái/phải - Khi chuyển qua công đoạn tự động, ta gạt công tắc sang chế độ Auto Lúc công tắc xoay chọn line line có tác dụng Khi bắt đầu vận hành công đoạn tự động, ta nhấn nút Start Dừng khẩn cấp Hạ Line Line Vào START Phải Trái Di chuyển cần trục Ra Nâng Di chuyển xe lăn Nâng hạ hàng Chế độ làm việc Manual Auto Mở Khoá Chốt container Ghế ngồi Hình 2.4 Bàn điều khiển Thuật toán điều khiển công đoạn tự động (Auto) a) Giản đồ trạng thái DELAY t+t DELAY t+t MOTO CO CAU NANG HA DELAY t n1 t s NGANG LAM HANG CONT s b1 b0 MOTO CO CAU DI CHUYEN n2 t s c1 XE LAN c0 CONG TAC GIOI HAN TREN CONG TAC GIOI HAN LINE i CONG TAC GIOI HAN DUOI t t t Hình 2.5 Giản đồ trạng thái m0 l m0  m g Từ công thức (2.7): t  2n Ta tính thời gian tăng tốc thời gian hãm chuyển động xe lăn để khối hàng không dao động  t  Tương ứng tính đoạn đường s Để an toàn hệ thống, sau khối hàng lên dừng lại khoảng thời gian t, lúc ta khởi động mô tơ cấu di chuyển điều khiển xe lăn vào Tương tự xe lăn dừng lại khoảng thời gian t, lúc khởi động mô tơ cấu nâng hạ điều khiển khối hàng xuống Theo sơ đồ điều khiển hệ thống, PLC xuất tín hiệu đến Inverter, sau Inverter điều khiển hoạt động mô tơ điện Nên đặt giá trị t+t vào Inverter cho trình tăng tốc hãm motor có thời gian delay t sơ đồ thuật toán b) Sơ đồ chức Giải thích: Auto, satrt g/h trên:off,g/h line i:off - Có Auto, start - g/h trên:off, g/h linei:off - Xuất M1 Ban đầu Mô tơ nâng - Có M1, g/h trên:on - Tắt M1, Delay =t+t1 Timer Delay t+t1 - Sau t+t1 - Xuất M2 Mô tơ vào - Có M2, g/h line i - Tắt M2, Delay =t+t1 Timer Delay t+t1 - Sau t+t1 - Xuất M1, Mô tơ hạ - Có M1, g/h - Tắt M1, Delay =t Timer Delay t - Sau t Kết thúc g/h t=t+t1 g/h line i t=t+t1 g/h t=t c) Thiết kế hệ thống điều khiển - Sơ đồ mạch động lực R S T Automat INVERTER INVERTER L1 L2 24 L1 L2 K1 L1 L2 KM2 Ro le nhiet Ro le nhiet M2 24 K5 K4 M1 Mô tơ điều khiển cấu nâng hạ 24 K3 K2 KM1 INVERTER K6 M3 Mô tơ điều khiển cấu di chuyển Mô tơ điều khiển di chuyển cần trục M M Mô tơ bơm điều Mô tơ bơm điều khiển kẹp ray khiển chốt cont - Sơ đồ mạch điều khiển thủy lực X y la nh A I1.5 a0 I1.4 a1 A A X y la nh B I1 b0 + I1.6 b1 B - B + - Xy lanh A: CH Q 1.0 CH2 Q 1.1 CH Q 1.2 Xy lanh B: C H4 Q 1.3 +: A Đóng kẹp ray B+:Đóng chốt Cont A-: Mở kẹp ray B-: Mở chốt Cont - Sơ đồ kết nối PLC với thiết bị N I 0.0 I 0.1 I 0.2 Q 0.0 I 0.3 Q 0.1 I 0.4 Q 0.2 I 0.6 Q 0.3 I 0.7 Q 0.4 I 1.1 Q 0.5 I 1.4 I 1.5 PLC S7-200 I 1.0 I 1.3 K1 K4 I 0.5 I 1.2 K2 Q 0.6 K3 K6 K5 K1 Điều khiển trình nâng hàng K2 Điều khiển trình hạ hàng K3 Điều khiển xe lăn vào K4 Điều khiển xe lăn K5 Điều khiển cần trục qua trái K6 Điều khiển cần trục qua phải C Còi báo hiệu cần trục di chuyển Q 0.7 Q 1.0 CH Cuộn hút van dầu điều khiển đóng kẹp ray Q 1.1 CH Cuộn hút van dầu điều khiển mở kẹp ray I 2.1 Q 1.2 KM1 Khởi động từ mô tơ bơm ĐK kẹp ray I 2.2 Q 1.3 KM2 Khởi động từ mô tơ bơm ĐK chốt container I 2.4 Q 1.4 CH Cuộn hút van dầu điều khiển đóng chốt container I 2.5 Q 1.5 CH Cuộn hút van dầu điều khiển mở chốt container I 1.6 I 1.7 I 2.0 I 2.3 I 2.6 I 2.7 I 3.0 I 3.1 I 3.2 KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN Từ công thức nghiên cứu động lực học cấu công tác cần trục Xây dựng mô hình điều khiển công đoạn tự động cho cần trục Trong đó, giải tốt vấn đề: - Thiết kế sơ đồ mạch động lực hệ thống - Thiết kế hệ thống điều khiển nối kết với PLC - Thiết lập chương trình điều khiển tự động PLC KẾT LUẬN Việc tiếp cận tự thiết kế công đoạn điều khiển tự động cho cần trục Quayside Container Crane dẫn đến giảm chi phí đầu tư, tăng suất bốc xếp Góp phần vào phát triển lãnh vực thiết kế chế tạo hệ thống tự động điều khiển đáp ứng yêu cầu chiến lược phát triển Khoa học công nghệ đến 2010 ngành Tự động hoá Cơ điện tử TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] 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 Kỹ thuật Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Vũ Văn Hà (2000), Tự động hóa với S7–200, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Yaskawa Siemens, Tài liệu hướng dẫn vận hành PLC cần trục QCC, Japan Комаров М С (1968), Динамика грузоподъемных машин, Машгиз ... dao động 2.2 Ứng dụng vào thiết kế hệ thống điều khiển cần trục Mô hình nghiên cứu mô tả hình 2.2 Lên / Xuong Buong may Xe lan Vào / Ra Trai / Phai Hình 2.2 Mô hình cần trục Cần trục có hoạt động. .. K1 Điều khiển trình nâng hàng K2 Điều khiển trình hạ hàng K3 Điều khiển xe lăn vào K4 Điều khiển xe lăn K5 Điều khiển cần trục qua trái K6 Điều khiển cần trục qua phải C Còi báo hiệu cần trục. .. cứu động lực học cấu công tác cần trục Xây dựng mô hình điều khiển công đoạn tự động cho cần trục Trong đó, giải tốt vấn đề: - Thiết kế sơ đồ mạch động lực hệ thống - Thiết kế hệ thống điều khiển