Анализ алгоритмов управления крановыми механизмами (управление тормозом)

Размещено на http://www.allbest.ru/

АНАЛИЗ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ КРАНОВЫМИ МЕХАНИЗМАМИ (УПРАВЛЕНИЕ ТОРМОЗОМ)

Поляк-Брагинский Н.В.

ЗАО «Сибирский завод тяжелого машиностроения»

Во всех схемах, рассмотренных в предыдущей части, видно, что системы управления тормозом могут быть выделены как самостоятельные блоки. Тормоза установленные на механизмах подъема по определению должны иметь полный набор контроля. Для механизма передвижения это не столь очевидно, но если принять во внимание режим аварийного торможения механизма при наезде машины на тупики, то неисправность тормоза обязательно приведет к увеличению нагрузки на конструкцию тупика и ускорения действующего на груз при этом. Наиболее надежным вариантом будет использование одинаковых систем управления тормозом для всех механизмов. Дополнительным плюсом такого решения может служить соображение, что уменьшится номенклатура запасных блоков для службы эксплуатации.

Рассмотрим более детально возможный вариант системы управления тормозом. Результат анализа неисправностей подъемных кранов, приведенный в прошлой статье «Интеллектуальная машина», показал, что неисправности тормоза дают 8,71% от общего числа неисправностей.

Электромеханический тормоз, применяемый в краностроении, относится к устройствам с циклической и интенсивной нагрузкой. Согласно действующим нормам он должен быть подобран и настроен на возможность быстрого и безопасного торможения обесточенного механизма. Что, практически всегда, при применении магнитных контроллеров, и происходит.

Анализ неисправностей тормозов и причины, которые могут вызвать эти неисправности, приведены в таблице 1. Теоретически, а часто и практически, все они могут привести к аварийному падению груза, что относит их к группе особо важных неисправностей.

Таблица 1.

Анализ неисправностей

Работа до сих пор наиболее часто применяемых схем управления электромеханическим тормозом описана в работе [1] стр.105. Временные характеристики различных тормозов, согласно данным из указанной работы, приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Временные характеристики тормозов

На ПО «Сибтяжмаш», при проектировании подъемных кранов для особо опасных производств, были произведены измерения тока катушки тормоза ТКП-200, в процессе пуска и останова тормоза. Результаты эксперимента представлены на рис.1.

Рис. 1

Катушка тормоза была запитана от регулируемого выпрямителя, выполненного на тиристорах. Момент переключения с напряжения форсировки (около 250 в) на напряжение удержания (около 80 в) определялся настройкой реле времени. Процесс включения тормоза можно разложить на несколько временных интервалов:

1. Т_ну - период набора усилия на якоре, который определяется скоростью нарастания тока в катушке. Этот временной интервал может управляться величиной форсирующего напряжения. Сила тока, при которой начинается движение, определяется величиной зазора в магнитной системе и усилием натяжения возвратной пружины.

2. Т_дв - Время движения якоря, его длительность зависит от конструктивных свойств электромагнитной системы и усилия натяжения возвратной пружины.

3. Затем следуют моменты переключения источника питания на напряжение удержания, которые определяются типом и логикой системы управления тормозом. При рекомендуемом изготовителями тормозов способе определения момента переключения по срабатыванию токового реле, установленного последовательно с электромагнитом, переключение должно происходить не ранее пересечения линии тока и пунктирной, на рисунке 1, линии. Это связано с величиной разброса настройки стандартных токовых реле до 30%.

4. При выключении начинается спад тока (усилия), длительность которого Тсу определяется как электромагнитными свойствами катушки, так и величиной тока удержания. Момент начала движения якоря определяется величиной тока, в этот момент протекающего через катушку, который зависит только от усилия натяжения возвратной пружины. На приведенном графике эта величина 0,82а. Если надежно определить момент включения тормоза, то можно уменьшить величину тока удержания почти до величины тока отрыва якоря, задав, для страховки, величину запаса 1,5 - 2, что даст величину, для данного тормоза, около 0,3а. Возможный ход процесса, при этом, показан на рисунке 1 штрих - пунктирной линией.

5. Период возвратного движения якоря, практически равный периоду движения якоря при включении тормоза.

Наиболее точно моменты движения якоря определяются при измерении знака дифференциала тока катушки тормоза в процессе его пуска и останова.

При проверке этого утверждения была выполнена схема управления электромагнитным тормозом [2] на аналоговых и логических электронных элементах малой степени интеграции, серий К155 и К140. При отработке этой схемы выявилась возможность надежного измерения величины тока определяющего начало движения якоря. Кроме того, измерялись длительности процессов набора и спада усилия при включении и выключении устройства. При этом легко определялись моменты недопустимого изменения настроек тормоза. Такая схема была реализована в [3].

Самую большую сложность представляет собой выделение момента втягивания якоря, который происходит на фоне пульсаций тока питания. Период пульсаций почти соизмерим со временем движения. В выполненных ранее схемах пульсации более или менее успешно были подавлены интегрирующими цепями, установленными после дифференциатора.

В настоящее время фирмы, производящие новые системы электроприводов используют быстродействующие процессоры и АЦП, применение которых позволяет измерить ток якоря с дискретностью около 0,2 периода пульсации. Это должно позволить выделить интересующий нас момент смены знака дифференциалом тока катушки при пуске тормоза. В качестве источника питания может быть использован почти любой из ранее разработанных регулируемых источников. Предварительный анализ, проведенный в фирме «Эрасиб» (г. Новосибирск), занимающейся разработкой и изготовлением комплектных электроприводов, показал, что стоимость устройства управления будет соизмерима со стоимостью среднего, по размеру, тормоза типа ТКП.

Более простым схемным решением является установка на тормоз конечного выключателя, аналогично решению, предлагаемому немецкой фирмой EMG-ELTMA для электрогидравлических толкателей. Устройства указанной фирмы дороги и, кроме того, электрогидравлический толкатель более чем электромагнит, чувствителен к параметрам внешней среды и менее надежен за счет большего количества движущихся деталей и применения упругих уплотнений, что отмечалось еще в [4], стр.147.

Самостоятельная установка конечных выключателей на тормозной механизм может привести к понижению надежности устройства за счет большой вероятности их повреждения при проведении работ по ремонту и настройке тормоза.

В целях диагностики состояния тормоза, необходимо точно определить моменты пуска и выключения тормоза. При этом система диагностики должна сравнить значения тока с заданными значениями, которые можно определить измерением после настройки конкретного тормоза на заданный режим. Результат сравнения может быть интерпретирован следующим образом:

1. Ток начала движения якоря при выключении тормоза точно характеризует усилие натяжения возвратной пружины.

2. При нормальном значении тока выключения тормоза завышенное значение тока начала движения якоря при включении тормоза свидетельствует о завышении зазора, т.е. об износе тормозных обкладок.

Таким образом, полная диагностика состояния тормоза может быть проведена уже на втором включении устройства. Выход диагностического устройства должен блокировать возможность дальнейшего включения механизма и сигнализацию на пульте управления.

Для обеспечения возможности опускания груза на твердое основание необходимо обязательно предусмотреть возможность квитирования этого сигнала с регистрацией времени и факта квитирования в регистраторе (черном ящике).

Система управления электромагнитным тормозом может быть описана следующими уравнениями:

Команды на подачу напряжения на электромагнит имеют вид:

и (14)

Где и - напряжения форсировки и удержания электромагнита.

Ведется постоянный контроль величины тока в процессе которого выделяется момент включения электромагнита, ток при этом, из условия исправности, должен быть равен

(15)

Где

- максимальное значение тока якоря, при котором тормоз еще не должен включится;

- минимальное значение тока якоря, при котором тормоз обязательно должен включится;

- теоретическое значение, которое должен иметь ток включения тормоза; - допуск на возможные неточности.

Условия выделения неисправности при включении электромагнита в момент его открытия:

Если то (16)

Если то (17)

Где - текущее значение тока протекающего через электромагнит;

- сигнал об увеличенном усилии при открытии тормоза;

- сигнал об уменьшенном усилии при открытии тормоза.

Из-за того, что время движения якоря соизмеримо с периодом питающего напряжения, для выделения момента срабатывания тормоза, необходимо измерять величину тока с дискретностью не больше, чем 0,001-0,002 сек.

Рассмотрение кривой нарастания тока, представленной на рис. 1, подсказывает еще один вариант определения момента открытия тормоза. Рассматриваемая кривая состоит из двух экспонент, разделенных небольшим участком снижения тока. Если построить устройство, которое сравнивает реальное значение тока электромагнита с расчетным значением, которое получено в решателе по начальному участку кривой тока, то при срабатывании тормоза в течении времени в несколько раз большего, чем непосредственное время движения якоря, ток электромагнита будет меньше, чем расчетное значение тока, что будет сигнализировать о срабатывании тормоза.

Условие определения момента включения при наличии сигнала и инертном датчике тока:

Если то (18)

Где - расчетное значение тока, которое он должен иметь в текущий момент при его росте по начальной экспоненте.

При применении малоинерционного датчика тока сигнал желательно получить, выделяя момент смены знака дифференциала тока, что упростит логику и избавит блок управления от необходимости считать график начальной экспоненты. Для момента выключения тормоза измерение дифференциала тока не представляет больших сложностей.

Состояние тормоза при его выключении анализируется аналогично анализу при его включении в момент изменения состояния :

Если то (19)

Если то (20)

Где - максимальное значение тока якоря, при котором тормоз еще не должен закрыться:

- минимальное значение тока якоря, при котором тормоз обязательно должен закрыться;

- текущее значение тока протекающего через электромагнит;

- сигнал об увеличенном усилии при закрытии тормоза;

- сигнал об уменьшенном усилии при закрытии тормоза.

Окончательно, выделение вариантов неисправности пройдет следующим образом:

(21)

(22)

(23)

(24)

Где , - превышение и занижение усилия открытия тормоза;

, - превышение и занижение усилия закрытия тормоза (их комбинации используются в сигнализации);

- команда квитирования сигнала неисправности с пульта управления (повторный пуск механизма производится с нажатой кнопкой квитирования)

(25)

Такой подход к проектированию системы управления тормозом и его контроля позволит уменьшить вероятность аварийного падения груза, т.е. увеличит надежность грузоподъемной машины в целом. Уменьшение величины тока удержания даст возможность сократить время закрытия тормоза и уменьшит тепловую нагрузку на катушку, что также повысит надежность системы.

Блок управления тормозом может быть выполнен в виде самостоятельного устройства. Он может использоваться для комплектования конкретного привода вместе с преобразователями для питания электродвигателя. Такой блок должен реализовывать контроль срабатывания тормоза по току катушки и выдавать сигнал блокировки привода при недопустимом изменении его параметров.

Возможна компоновка блока содержащего один преобразователь напряжения для управления и два элемента контроля состояния тормоза. Такой блок может быть использован для управления тормозами механизма подъема предназначенного для работы с опасными грузами. При такой компоновке тормоза одновременно переводятся на режим удержания при правильном срабатывании обязательно двух электромагнитов.

Аппаратно системы среднего и верхнего уровня могут располагаться в одном контроллере. Логически элементарная ячейка системы управления для всех механизмов может выглядеть так, как показано на рис. 1. Она должна содержать один преобразователь, к которому подсоединены один или два электродвигателя. Подсоединение двух двигателей допустимо, когда нет необходимости в раздельном управлении каждым двигателем отдельно. В состав элементарной ячейки могут входить один или два блока управления тормозом, что определяется типом самого механизма. Такая ячейка должна содержать один управляющий контроллер (блок управления приводом).

Можно предположить аппаратное распределение блоков следующим образом: элементарные блоки управления механизмами, включающие в себя только преобразователь и блок управления машиной в целом, включающий в себя необходимый набор блоков управления тормозом и программируемый контроллер, один или два, при необходимости его резервирования.

моногород градообразующий бюджетный

Библиографический список

1. «Крановое электрооборудование. /Справочник // Ю.В. Алексеев, А.П. Богословский, Е.М. Певзнер, А.А. Рабинович, А.Г. Яуре - М.: Энергия, 1979.

2. Абкарян И.К., Онищенко В.Н. и Поляк-Брагинский Н.В. Устройство для управления приводным электромагнитом - Авторское свидетельство СССР №1432621 от 22.06.88.

3. Абкарян И.К., Онищенко В.Н., Поляк-Брагинский Н.В. и Свищев А.А. Устройство для управления приводным электромагнитом. - Авторское свидетельство СССР №1467578 от 15.11.88.

4. «Крановый электропривод. Справочник» Е.М. Певзнер, А.Г. Яуре М.: Энергатомиздат, 1988.

Размещено на Allbest.ru