Система управления подъемно-транспортным механизмом

Размещено на http://www.allbest.ru

СОДЕРЖАНИЕ

Перечень условных обозначений

Введение

1 Обзор существующих решений

1.1 Устройство, принцип действия и классификация подъемно-

транспортных механизмов

1.2 Электропривод подъемно-транспортных механизмов

1.3 Способы управления процессом перемещения грузов подъемно-

транспортных механизмов

1.4 Анализ эффективности шейпинг-фильтров. Сравнение со стандартными фильтрами

2. Постановка задачи и требования к системе управления

2.1 Постановка задачи

2.2 Предъявляемые требования

3. Разработка структуры системы

3.1 Математическая модель подъемного крана

3.2 Разомкнутая система управления

3.3 Замкнутая система управления

4. Обоснование выбора аппаратных средств

4.1 Расчет мощности двигателя

4.2 Выбор редуктора

4.3 Расчет статических характеристик электропривода

5. Разработка алгоритма работы системы

5.1 Обобщенный алгоритм функционирования

6. Технико-экономическое обоснование внедрения в эксплуатацию

системы управления подъемно-транспортным механизмом

6.1 Характеристика системы управления подъемно-транспортным

механизмом

6.2 Расчет стоимостной оценки затрат

6.3 Расчет стоимостной оценки результата

6.4 Расчет показателей экономической эффективности проекта

Заключение подъемный кран электропривод

Список использованных источников

Перечень оборудования

Ведомость дипломного проекта



ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

НЛФ - нечеткая логика функционирования;

о.е. - относительные единицы;

ПД- пропорционально-дифференциальный;

ПИД- пропорционально-интегрально-дифференциальный;

ПЛК - программируемый логический контроллер;

ПТМ - подъемно-транспортный механизм;

РБ - регулятор быстродействия;

РСПК - регулятор степени подавления колебаний;

СУ - система управления;

ФНЧ - фильтр нижних частот;

УПЗФ - узкополосый заграждающий фильтр;

ЭП - электропривод.



ВВЕДЕНИЕ

Подъемно-транспортные механизмы (далее - ПТМ) применяются практически во всех областях промышленности. Для транспортировки грузов в промышленности, на строительных площадках, складах и в портах широко используются подъемные краны. Подъемные краны различаются по конфигурации рабочей зоны, виду перемещаемых грузов и точности позиционирования. В зависимости от требований по данным характеристикам существуют различные типы конструкций кранов. Наиболее широкое применение в промышленности нашли мостовые краны.

Конструкция мостового крана предполагает наличие тележки с прямолинейным движением по направляющим рельсам и троса, с помощью которого полезный груз крепится к тележке. Мостовой кран может передвигаться по рельсам, это позволяет осуществить транспортировку груза в любую точку трехмерного пространства в пределах рабочей зоны крана.

Экспериментальные исследования показывают, что даже прямолинейное движение тележки кранов сопровождается вибрационными процессами, такими как качение полезного груза, циклическое изменение линейной скорости тележки, колебания механических элементов крана. Эти процессы вызваны взаимодействием механизмов крана и качающегося груза и влияют на нагрузки в элементах машины, точность позиционирования и безопасность эксплуатации. Ошибки управления подъемным краном могут привести к непоправимым последствиям. Система управления мостовым краном должна обеспечить не только быстрое перемещение тележки в заданное положение, но и подавить колебания груза в конечной точке. Рост требований к надежности и производительности с одной стороны и точности позиционирования с другой предъявляют жесткие требования к системам управления. Качество функционирования во многом зависит от применяемых математических моделей поведения грузов при их транспортировке и алгоритмов управления.

Реализация методов предотвращения раскачивания груза при его перемещении позволяет существенно повысить точность позиционирования полезного груза, сокращая время этих процессов, значительно повышая безопасность работы ПТМ и ведет к снижению потребления электроэнергии, и с другой стороны снижению требований к квалификации операторов грузоподъемных механизмов и механической прочности конструкции . Таким образом разработка легко реализуемых на практике алгоритмов управления является актуальной задачей.

Первый раздел посвящен анализу существующих систем подъмно-транспортных механизмов. Описаны основные типы ПТМ, принцип работы подъемных механизмов, представлена информация о видах и классификации. Проанализированы способы управления процессом перемещения грузов ПТМ, анализ работы шейпинг фильтров и их сравнение со стандартными фильтрами.

Во втором разделе описана постановка задачи, определен ряд функциональных и нефункциональных требований к системе управления. Описаны требования к защите и блокировками, а также к электроприводу.

В третьем разделе разработаны математическая модель ПТМ, структурная схема разомкнутой и замкнутой системы. Описаны функциональные особенности. Перечислены режимы работы и выполняемые функции.

В четвёртом разделе представлен выбор аппаратных средств, технологического оборудования, контрольно-измерительных приборов.

В пятом разделе представлены схемы алгоритмов работы системы. Спроектирована программная интерпретация алгоритма функционирования.

В шестом разделе рассчитано технико-экономическое обоснование внедрения в эксплуатацию системы управления подъемно-транспортным механизмом.

В заключении приведено описание проделанной работы и ее результаты.

1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕШЕНИЙ

1.1 Устройство, принцип действия и классификация подъемно-

транспортных механизмов

В различных отраслях промышленности ставится задача сократить, а в ряде случаев и полностью вытеснить тяжелый физический труд из всех сфер производства. Она последовательно решается с помощью грузоподъемных и транспортирующих машин. При этом подъемно-транспортные машины настолько прочно вошли в технологический цикл производства, что стали играть решающую роль в обеспечении нормальной работы предприятия.

Грузоподъёмный кран - устройство, предназначенное для пространственного перемещения грузов, зацепленных с применением грузовых крюковых подвесок или других грузозахватных инструментов.

Основные параметры подъемно-транспортных машин -- грузоподъемность, производительность, скорость движения, геометрические характеристики, показатели режимов работы, класс использования, класс нагружения, относительная продолжительность включения, номинальная скорость механизма передвижения и подъема и расчетное ускорение.

Класс использования зависит от числа циклов работы крана. Класс использования крана определяется по таблице 1.1



Таблица 1.1 - Класс использования крана

Относительная продолжительность включения определяется отношением времени включения механизма крана к времени цикла

Вылетом крана L (м) называется расстояние от оси вращения поворотной части крана до оси грузозахватного органа. Пролетом крана L (м) называется горизонтальное расстояние между осями рельсов кранового пути. Высота подъема груза H (м) является одной из геометрических характеристик крана.

Скорости подъема груза современных машин обычно не превышают 0,4...0,5 м/с, в портальных кранах могут достигать 1,5...2 м/с . Скорость перемещения тележек составляет 0,58...0,66 м/с, в отдельных случаях -- до 4...6 м/с. Скорость передвижения моста крана доходит до 1,6...2 м/с.

Частота вращения кранов обычно в пределах 1...1,5 мин -1 . Выбор скорости связан с величиной пути перемещения. Назначать высокие скорости при малых путях перемещения нецелесообразно, так как основная часть работы механизма будет проходить в пусковом и тормозном режимах.

В таблице 1.2 указаны значения расчетного ускорения для разных типов кранов.



Таблица 1.2 - Расчетные ускорения кранов

По исполнению грузоподъёмные краны делятся на:

1) стреловые краны - это краны, грузозахватный орган которых подвешен на тележку, которая перемещается по стреле или на саму стрелу. Например: портальные, полупортальные краны, башенные и стреловые;

2) краны мостового типа - краны, представляющие собой мост с передвигающейся по ней тележкой. Например: полукозловые, козловые, мостовые, мостовые перегружатели, консольные краны;

3) краны штабелёры - вид кранов, представляющий собой вертикальную колонну, оборудованную подвижными устройствами для перевозки и хранения грузов для их установки друг на друга;

4) краны с несущими канатами - это такой тип кранов, которые осуществляют перемещение по несущим канатам. Данный тип кранов оснащен грузозахватным органом, который непосредственно подвешен к грузовой тележке.

В цехах предприятий электромашиностроения наибольшее распространение получили мостовые краны, с помощью которых производится подъем и опускание тяжелых заготовок, деталей и узлов машин, а также их перемещение вдоль и поперек цеха. Вид мостового крана в основном определяется спецификой цеха и его технологией, однако многие узлы кранового оборудования, например механизмы подъема и передвижения, выполняются однотипными для различных разновидностей кранов.

По исполнению конструкции мостовой кран подразделяется на два основных вида:

а) однобалочный кран может использоваться и в закрытых и в открытых помещениях, при температуре от -40 до +40 градусов Цельсия. Чаще всего используются с грузоподъемностью от 1 до 10 тонн;

б) двухбалочный кран находит свое применение в металлургической промышленности, так как именно там необходима высокая грузоподъемность при большом объеме производства.

На электрических кранах устанавливают электродвигатели, пусковые и регулировочные сопротивления, тормозные электромагниты, контроллеры, защитную, пускорегулирующую, сигнальную, блокировочную и осветительную аппаратуру, конечные выключатели, токосъемники. Питание на кран подается или через троллейные проводники, неподвижно закрепленные на строительных конструкциях, и токосъемники, закрепленные на кране, или при помощи гибкого шлангового кабеля.

По виду грузозахватных устройств краны подразделяются на крюковые, грейферные, магнитные, клещевые.

По роду привода краны подразделяются на краны с ручным и механическим (электрическим, гидравлическим, пневматическим) приводами.

По способу опирания ходовой части на рельсовый путь краны могут быть опорного типа, опирающиеся на путь сверху, и подвесного типа, перемещающиеся по нижним полкам рельсов подвесного кранового пути.

Мостовые краны (рисунок 1.1) состоит из моста 11, перемещающегося на ходовых колесах 3, установленные в концевых балках 4 моста крана, по подкрановым путям 2. Эти пути уложены на подкрановых продольных балках, закрепленных на консольных выступах колоны цеха. По верхнему поясу балок моста поперек пролета цеха передвигается крановая тележка 8, с подъемным механизмом 7 с грузозахватным элементом. В зависимости от назначения крана на тележке можно размещать различные типы механизмов подъема или два механизма подъема, один из которых является главным 7, а второй -- вспомогательным 6. Механизм 13 передвижения крана установлен на мосту крана, механизм 12 передвижения тележки -- непосредственно на тележке. Управление всеми механизмами совершается из кабины 1, прикрепленной к мосту крана.

Для обслуживания цеховых троллеев на кране предусмотрена специальная площадка 10.

Токопровод к тележке осуществляется с помощью гибкого кабеля 5. Между двумя стойками, установленных около концевых балок, натягивается проволока 9, к которой подвешен гибкий кабель.

Рисунок 1.1 - Мостовой электрический кран

Любой современный грузоподъемный кран в соответствии с требованиями безопасности, может иметь для каждого рабочего движения в трех плоскостях, следующие самостоятельные механизмы:

механизм подъема для вертикального перемещения груза;

механизм передвижения тележки для перемещения груза в горизонтальной плоскости по одной оси;

механизм передвижения крана для перемещения груза в горизонтальной плоскости по другой оси

Кинематическая схема механизма передвижения тележки

представлена на рисунке 1.2.

Тележка имеет приводные ходовые колеса 1, редуктор 2, электродвигатель 3 и тормоз 4.

Основание грузовой тележки крана представляет собой конструкцию,

состоящую из собранных в полноценные подъемные механизмы и

механизмы передвижения. Рама выполняется из двух продольных балок.

Балки соединяются поперечными балками и опираются на ходовые

колеса, все это накрывается сверху листом профнастила. Для обеспечения

безопасности существуют устройства ограничивающие высоту подъема

обоймы крюка. Также для выключателей крайних положений телеги,

предусмотрена линейка на мосту крана и перила ограждения.

Рисунок 1.2 - Кинематическая схема механизма передвижения

тележки мостового крана

Механизм передвижения тележки выполнен с центральным приводом, состоит из электродвигателя соединенного с редуктором

муфтой. Выходной вал редуктора при помощи муфт и промежуточных

валов соединен с валами приводных колес.

Различают два типа принципиально отличных схем механизмов передвижения. Механизмы с приводными ходовыми колесами расположены непосредственно на тележке; механизмы с канатной или цепной тягой расположены отдельно от перемещаемого объекта и соединяются с ним посредством гибкого элемента.

Краны и крановые тележки опираются на ходовые колеса. Колеса, соединенные с приводом, являются приводными, а остальные колеса - холостыми. Возможны случаи, когда на одном кране имеются два привода, а иногда все колеса являются приводными. При выходе из строя одного привода начатая операция завершается с помощью другого механизма.

В механизмах передвижения кранов и крановых тележек современных кранов все большее применение находит редукторы, сопрягаемые непосредственно с ведомым валом без дополнительных соединительных муфт. При этом исключаются трудоемкие операции по выверке установки и центровки редуктора, снижаются требования к точности изготовления и к жесткости рамы механизма. Особенно целесообразны навесные редукторы при использовании фланцевых электродвигателей.

Редуктор типа ЦЗВК имеет полый шлицевой тихоходный вал, в отверстие которого входит шлицевой конец вала ходового колеса. Корпус редуктора имеет пальцы, удерживающие редуктор от поворота, взаимодействующие с упругими упорами, смягчающие толчки, возникающие при работе механизма, и компенсирующими смещение редуктора. Тормозное устройство можно прикрепить к редуктору на специальной подставке или установить на раме тележки. Можно использовать тормозные устройства, встроенные или пристроенные к электродвигателю.

При применении механизмов передвижения с центральным приводом ходовые колеса рекомендуется применять с цилиндрическим ободом. Колеса устанавливают так, чтобы вершины конусов находились вне пролета. Конструкция ходовых колес должна исключать возможность схода с рельсов. Для этого ходовые колеса имеют один или два боковых фланца -реборды, служащие для направления движения колеса по рельсу. Применение ходовых колес без реборд допускают при наличии устройств, исключающих сход колеса с рельсов.

Подкрановые рельсы крепят на балках так, что исключается возможность их бокового и продольного смещения при передвижении и работе грузоподъемной машины.

Механизм передвижения тележек мостовых кранов. Этот механизм аналогичен механизму передвижения моста крана с тихоходным трансмиссионным валом. Он состоит из двигателя, установленного на раме тележки и соединенного муфтой с вертикальным редуктором. Выходной вал редуктора передает вращение ведущим ходовым колесам тележки, имеющим цилиндрическую поверхность катания, так как тележки мостовых кранов перемещаются обычно по рельсам с плоской головкой, укладываемым на мосту крана. Конструктивное разновидности механизмов передвижения тележек отличаются в основном расположением редуктора: центральным относительно колеи тележки или навесным - сбоку тележки.

Ходовые тележки крепят к мосту крана подвесками с шарнирами, обеспечивающими им свободу перемещения в двух плоскостях, чем достигается самоустановка тележек и компенсация кривизны крановых путей как в горизонтальной, так и вертикальной плоскостях. Большое применение находят однорельсовые тележки, перемещающиеся по нижнему или верхнему поясу подвесного пути. В качестве пути используются двутавровые и тавровые балки, крестообразные балки и пути, составленные из двух уголков.

Тележки однорельсовых путей могут иметь ручной или электрический привод. Ручное передвижение тележки осуществляется или с помощью приводной звездочки, приводимой во вращение бесконечной сварной цепью, или толканием груза, подвешенного к тележке. При электроприводе крутящий момент от электродвигателя передается к ходовым колесам посредством зубчатого редуктора.

Привод на ведущие ходовые колеса может быть односторонний, когда во вращение приводятся ходовые колеса, расположенные с одной стороны, и двусторонний, когда во вращение приводятся ходовые колеса с обеих сторон рельса. Приводными могут быть одно, два или все четыре ходовых колеса тележки.

Мостовой кран с подвижной тележкой обслуживает практически всю площадь цеха, за исключением узкой полосы вдоль стен цеха, на которую кран не может подать грузозахватное приспособление.

Рабочий цикл грузоподъёмного крана включает в себя 3 этапа:

1) захвата какого-либо груза;

2) рабочий ход крана (перемещение груза, разгрузка) ;

3) холостой ход крана (возврат крана в изначальное положение).

Холостой и рабочий ход на диаграммах движения имеют три характерных практически для всех технологических процессов, участка: разгон, установившееся движение и торможение.

1.2 Электропривод подъемно-транспортных механизмов

Электропривод большинства грузоподъемных машин характеризуется повторно - кратковременным режимом работы при большей частоте включения, широком диапазоне регулирования скорости и постоянно возникающих значительных перегрузках при разгоне и торможении механизмов. Особые условия использования электропривода в грузоподъемных машинах явились основой для создания специальных серий электрических двигателей и аппаратов кранового исполнения. В настоящее время крановое электрооборудование имеет в своем составе серии крановых электродвигателей переменного и постоянного тока, серии силовых и магнитных контроллеров, кнопочных постов, конечных выключателей, тормозных электромагнитов и электрогидравлических толкателей, пускотормозных резисторов и ряд других аппаратов, комплектующих разные крановые электроприводы

Крайне тяжелые условия работы, а также повсеместность электроприводов крановых механизмов устанавливают достаточно жесткие требования к допустимому уровню их эксплуатации, а также долговечности и надежности работы.

В грузоподъемных машинах в основном применяют электрический привод, имеющий следующие преимущества: постоянную готовность к действию; возможность установки самостоятельного двигателя в каждом механизме грузоподъемной машины, что упрощает управление механизмами; возможность регулирования скорости в значительных пределах, особенно в приводе постоянного тока; безопасность работы; простота и надежность работы различных предохранительных устройств; возможность работы со значительными кратковременными перегрузками.

Электрический привод состоит из электродвигателя, аппаратуры управления и механической передачи от двигателя к рабочему органу машины. Тип двигателя выбирают в зависимости от рода тока и номинального напряжения, номинальной мощности и частоты вращения, вида естественной характеристики двигателя и его конструктивного исполнения.

В первую очередь, тип электропривода зависит от физических принципов регулирования скорости конкретных видов двигателей. На практике чаще всего применяются следующие двигатели:

- электродвигатели постоянного тока;

- асинхронные электродвигатели с фазным ротором;

- асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором.

В условиях того, что к электроприводу мостовых кранов предъявляются ужесточенные требования в отношении регулирования угловой скорости, а также обеспечения устойчивых условий работы в различных технологических процессах, то становится допустимым применение двигателей постоянного тока, способных выдержать куда большие перегрузки по моменту, в сравнении с их конкурентами, позволяющих поднимать и опускать тяжелые грузы, находясь при этом на пониженной скорости. Наиболее возможными способами изменения скорости вращения крановых двигателей постоянного тока являются регулирование входного напряжения питания посредством управляемых выпрямителей промышленной серии для двигателей различным типом возбуждения. Такая система имеет ряд преимуществ: плавность и больший диапазон регулирования, высокий КПД электропривода, жесткая искусственная характеристика.

Однако применение в промышленных целях двигателей постоянного тока влечет за собой необходимость круглосуточного преобразования переменного тока в постоянный, что увеличивает экономические показатели проекта, дополнительные затраты электроэнергии и прочие эксплуатационные расходы.

По способу возбуждения двигатели постоянного тока подразделяют на двигатели последовательного, параллельного и смешанного возбуждения.

Наибольшее применение в механизмах кранов имеют двигатели с последовательным возбуждением благодаря мягкой характеристике и высокому значению пускового момента. Движение механизма, оснащенного этим двигателем, при малых нагрузках происходит со значительно более высокими скоростями, чем при грузе номинального веса, что увеличивает производительность машины.

Двигатели с параллельным возбуждением применяют в тех механизмах, где по условиям технологического процесса требуется постоянный момент на валу и возможность плавно регулировать частоту вращения. Двигатели смешанного возбуждения используют в тех случаях, когда требуется большой пусковой момент и смягченная характеристика.

Так как использование двигателей постоянного тока требует применения специальных выпрямителей, то предпочтительно устанавливать в ПТМ асинхронные двигатели переменного тока, питающиеся непосредственно от сети.

Асинхронные двигатели по типу конструкции с фазным ротором более надежные, достаточно просты, допускают большое число циклов работы за короткий промежуток времени и применяются на больших и средних мощностях. Посредством введения резисторов в цепь ротора можно в больших границах увеличивать или уменьшать токи и потери некоторой энергии в электродвигателе при различных переходных процессах, и что немаловажно получить плавное регулирование скорости на всём диапазоне. Однако данный тип привода неэкономичен из-за существенных потерь электромеханической энергии в пускорегулирующих сопротивлениях, имеет крайне высокий износ двигателя и сопутствующей контактной аппаратуры.

Двигатели с короткозамкнутым ротором более надежны в эксплуатации и более дешевы. Их применяют когда не требуется плавное регулирование скорости движения механизма. Пуск двигателя с короткозамкнутым ротором проводят путем подключения статора двигателя к сети посредством контакторов. Максимальная нагрузка асинхронного двигателя четко ограничена значением его критического момента. Асинхронный двигатель нельзя нагружать даже кратковременно моментом выше 60% критического момента для двигателя с фазным ротором и выше 60% пускового момента для двигателей с короткозамкнутым ротором. Недостатки двигателей с короткозамкнутым ротором : пусковой момент при пуске имеет высокое значение, что затрудняет управление и вызывает высокие динамические нагрузки в элементах механизма и раскачивании груза; все пусковые потери идут на нагрев обмоток самого двигателя, в то время как в двигателе с фазным ротором часть потерь идет на нагрев пусковых сопротивлений, расположенных вне двигателя.

Работа электропривода подъемной установки характеризуется цикличностью, т. е. существует ряд последовательных циклов, которые следуют друг за другом. В свою очередь, каждый цикл можно разделить на четыре основных периода: ускорение, равномерное движение, замедление до полной остановки и пауза.

При работе двигателя в механизме передвижения и поворота, когда двигатель преодолевает момент сопротивления, момент двигателя также положителен, а момент сопротивления отрицателен.

Так как работа электропривода грузоподъемных машин происходит в повторно-кратковременном режиме с частыми пусками и остановками, то весьма важно обеспечить защиту электродвигателя и пусковой аппаратуры от перегрузки и перегрева. Поэтому все машины имеют защитные и блокировочные устройства. Управление электродвигателями осуществляется с помощью контроллеров, магнитных пускателей, контакторов или релейно-контактных систем. Электрическая схема управления электродвигателями грузоподъемной машины должна исключать возможность самопуска двигателей.

1.3 Способы управления процессом перемещения грузов подъемно -транспортных механизмов

Каждое движение крана с подвешенным грузом приводит к его колебаниям, поэтому оператор крана должен постоянно корректировать свои действия с учетом этого раскачивания. Если оператор не обладает большим опытом управления краном или оператор потерял внимание по причине утомления, то даже самые простые операции могут привести к огромной потере времени или к возникновению рисков коллизий и/или аварийных ситуаций.

Амплитуда колебаний подвешенного груза зависит от величины длины подвеса и от величины ускорения механизма передвижения мостового крана. При уменьшении ускорения механизма передвижения можно добиться уменьшения колебаний груза, но это приводит к росту времени цикла работы крана, а значит снижению производительности. При движении механизма на него действует не только реактивная сила сопротивления, но и горизонтальная сила от натяжения канатов системы подвеса, что влияет на плавность хода механизма, на проскальзывание колес, а также вносит дополнительные возмущающие воздействия в систему управления краном.

При работе механизмов передвижения мостового крана возникают упругие динамические нагрузки в механических передачах. Также дополнительную нагрузку создают вынужденные колебания подвешенного груза, которые имеют меньшую величину, чем упругие колебания в связях, однако влияют на равномерность хода механизма передвижения, на удобство эксплуатации крана, а также на точность позиционирования груза

Системы уменьшения колебаний груза снимают с оператора задачи по уменьшению раскачивания груза, как следствие он может сосредоточиться на управлении краном, сконцентрироваться на подъеме груза, его перемещении, позиционировании и опускании в нужную точку.

Система также служит для уменьшения колебаний груза, вызванных

ускорениями механизмов в процессе эксплуатации крана. Успокоение достигается за счет точного воздействия на процессы разгона и торможения. Уменьшение колебаний позволяет снизить риск возникновения коллизий и аварийных ситуаций в сочетании с одновременной быстротой и точностью позиционирования груза.

Система управления процессом перемещения груза может быть как разомкнутой, так и замкнутой. Разомкнутое управление характеризуется большей чувствительность к изменениям параметров и возмущениям. При создании замкнутой системы управления возникает необходимость в соответствующих датчиках. Информацию о положении и скорости тележки обычно получают из системы управления электроприводом тележки. Сложнее получить информацию об угле отклонения груза. Можно использовать датчик технического зрения, однако недостатками видеосистемы являются сложность обслуживания и высокая стоимость. При известной длине троса оценить угол отклонения можно по электромагнитному вращательному моменту и угловой скорости двигателя тележки, иными словами в структуре системы управления необходимо включить наблюдатель динамической нагрузки.

Автоматизацию подъемного крана можно разделить на два подхода.

В первом подходе оператор сохраняется в цепи управления, а силы,

перемещающие груз, определенным образом изменяются, чтобы облегчить

работу оператора. Один путь состоит в том, чтобы добавить

демпфирование, замыкая систему по углу колебаний груза и скорости его изменения. В этом случае производится коррекция траектории, заданной оператором. Второй путь состоит в том, чтобы избежать возбуждения груза около его собственной частоты, добавляя фильтр, чтобы удалить эту

частоту из входного сигнала. Это приводит к запаздыванию между

действиями оператора и входным сигналом подъемного крана.

Для синтеза замкнутой системы управления могут использоваться различные способы, реализуемые как классическими линейными регуляторами, так и нелинейными управляющими устройствами. При этом может использоваться как единая система для управления и тележкой и грузом, так и система управления, разделенная на независимые части : регулятор подавления колебаний, регулятор положения тележки. Каждый регулятор разрабатывается отдельно, а затем их объединяют, обеспечивая решение задач .

Управление с обратной связью менее чувствительно к изменению параметров СУ и возбуждению . Поэтому часто предлагают решение для замкнутой от стандартных регуляторов до интеллектуальных подходов. Используют ПД или ПИД регуляторы

Реализовать дифференциальную составляющую в ПД и ПИД регуляторах можно только в ограниченном диапазоне частот. Для этого необходимы соответствующие датчики скорости. В ПТМ информацию о положении и скорости груза получают обычно из системы управления электропривода тележки, поэтому реализация ПД и ПИД регулятора в контуре управления тележкой не вызывает проблем. Можно использовать методику основанную на изменении электромагнитного вращающего момента и угловой скорости двигателя тележки и применении наблюдателя динамической нагрузки. Эта методика позволяет оценить угол отклонения груза по доступной из электропривода информации и не требует применения дорогостоящих и технически сложных датчиков. Однако полученная таким образом информация не позволяет получить незашумленный сигнал скорости изменения угла отклонения груза. Наличие ограничителей на управляющий сигнал, изменение параметров объекта управления в широких пределах и необходимость учета множества противоречивых факторов приводит к сложности практической реализации СУ на базе стандартных регуляторов. Для построения традиционных регуляторов необходимо иметь “точную” математическую модель ОУ, а затем синтезировать регулятор, реализующий необходимый алгоритм управления. Т.к. математическое описание подъемного крана представляет собой систему нелинейных нестационарных дифференциальных уравнений, задача синтеза регулятора может быть решена для малых углов отклонения груза путем линеаризации соответствующих уравнений.

Для управления сложным процессами, для которых не всегда есть математические модели, можно использовать системы с нечетким управлением.

Система управления с нечеткой логикой функционирования позволяет учесть множество факторов и не требует значительных вычислительных ресурсов, однако не является оптимальной как по быстродействию, так и по робастности. К тому же для ее реализации обычно требуется сигналы угла отклонения груза и его производной, что на практике не всегда осуществимо.

Рассмотренные выше способы управления позволяют достичь приемлемого качества управления только при условии использования точной модели и ее параметров в регуляторах. При этом повышение точности моделирования может быть обеспечено применением системы идентификации параметров ПТМ, которые невозможно непосредственно измерить. Однако процесс идентификации является проблематичным с точки зрения их реализации в масштабе реального времени. Очень часто настраивать такие регуляторы должен инженер, не имеющий опыта работы с подобными системами управления. Следовательно, простые конструкции и структура регуляторов очень важны с практической точки зрения.

Математические модели подъемного крана являются достаточно сложными и обладают сильно выраженными колебательными свойствами, а поэтому чтобы добиться высоких показателей качества требуется достаточно сложная СУ. В этом случае эффективным может оказаться принцип модального управления, при использовании которого ОУ замыкается по всем переменным состояния, что дает возможность свободного управления корнями замкнутой системы. Однако на практике не все координаты могут быть доступны непосредственному измерению, поэтому для реализации модального регулятора необходимо использовать наблюдающие устройства. Наблюдающее устройство, оценивающие полный вектор состояния ОУ, имеет ранг, равный рангу ОУ, а поэтому оказывается избыточным при применении датчиков для некоторых переменных состояния. В этом случае целесообразно использовать редуцированное наблюдающее устройство, т.е. устройство, вычисляющее только неизмеряемые координаты состояния системы, а имеющие меньший порядок по сравнению с наблюдаемым объектом.

На практике применение модального регулятора часто является избыточным и приводит к значительному усложнению систем управления, что в свою очередь сказывается на надежности систем и устойчивости к вариации параметров. Модальное управление изменяет расположение всех корней замкнутой системы однако в подавляющем большинстве случаев достаточно скорректировать только некоторые из них.

Наибольшее распространение для реализации разомкнутого управления подъемно-транспортными механизмами получили input-shaping-фильтры (shaping filter,shaper ). Для замкнутых - системы с нечеткой логикой функционирования



1.4 Анализ эффективности шейпинг фильтров. Сравнение со стандартными фильтрами

Анализ эффективности шейпинг-алгоритмов целесообразно провести на примере реальной промышленной системы. Система управления грузом в подъемных кранах является наиболее частым объектом, используемым на практике для применения шейпинг-алгоритмов. Основными параметрами, характеризующими качество алгоритмов управления, являются степень подавления колебаний груза, время, в течение которого амплитуда колебаний груза уменьшится до заданного значения, и робастность. Анализ осуществлялся с использованием нелинейной математической модели портального крана, тележка которого способна перемещаться прямолинейно, с учетом ограничений скорости и ускорения тележки. Робастность исследовалась по отношению к изменению длины подвеса (собственной частоты колебаний объекта управления) и коэффициента демпфирования. Длина подвеса L состоит из двух частей: расстояния от тележки до точки подвеса груза и расстояния от точки подвеса груза до его центра масс. Коэффициент демпфирования также сильно зависит от характеристик перемещаемого груза. Результаты исследований представлены на рисунке 3. На приведенных графиках отображены результаты серии экспериментов, в которых исследовалось влияние вариаций длины подвеса и коэффициента демпфирования на степень подавления колебаний груза V, % и длительность переходного процесса t, о.е. (1 о.е. соответствует собственному периоду колебаний груза). На рисунках изображено семейство линий, каждая из которых соответствует коэффициенту демпфирования из диапазона 10…500 % от его реальной величины.

По полученным результатам можно сделать вывод, что шейпинг-алгоритмы могут применяться в системе позиционирования груза в подъемных кранах. Несмотря на нелинейные свойства объекта управления, шейпинг-алгоритмы показывают хорошие результаты в условиях информационной (параметрической) неопределенности. Существенное влияние на качественные показатели в рассматриваемой системе оказывает отклонение фактической длины подвеса от ее расчетной величины, изменение коэффициента демпфирования также влияет на степень подавления колебаний и длительность переходного процесса, однако изменение демпфирования в широких пределах не столь чувствительно для системы. Изменение длительности переходного процесса имеет схожий характер для всех шейпинг-алгоритмов. Резкое увеличение длительности переходного процесса с некоторого критического значения (различного для всех шейпинг-алгоритмов) объясняется выходом контролируемой величины за заданный коридор в условиях слабозатухающего колебательного переходного процесса.

Настройка коэффициента з в SNA-ZV-фильтре позволяет найти компромисс между быстродействием (ср. рис. 2,м с рис. 2,з и к) и робастностью (ср. рис. 2,е с рис. 2,а и в). Сравнивая алгоритмы, в которых упор делается на обеспечении робастности, можно сделать вывод, что в условиях небольшого отклонения фактического демпфирования от его расчетной величины лучшие результаты по подавлению колебаний показывает EI-shaper, однако этот алгоритм более чувствителен к вариациям параметров и несколько более медлителен по сравнению с ZVD-фильтром, хотя и не на много (в среднем на 3…5%).

При определении частоты собственных колебаний груза с ошибкой амплитуда остаточных колебаний составит от 0 до 8,1от 0,1 до 0,7 при ZVD управлении, от 0 до 8,8% при SNA-ZV управлении и от 0 до 9,4 при UM-ZV управлении.

При изменении коэффициента демпфирования от 0 до 500 % от расчетной, то амплитуды остаточных колебаний изменятся в диапазоне от 0 до 5,4от 0,1 до 0,3 при ZVD управлении , от 0 до 7,3% при SNA-ZV управлении и от 0 до 8 при UM-ZV управлении, а длительность переходного процесса от 0,78 до от 0,82 о.е. от 1,23 до 1,24 при ZVD управлении, от 0,73 до 0,78 о.е. при SNA-ZV управлении и от 0,67 до 0,72 при UM-ZV управлении.

Рисунок 1.3. Характеристики шейпинг-алгоритмов:

a - ZV-shaper; б - ZVD-shaper; в - UM-ZV-shaper; г - EI-shaper с = 2%; д - EI-shaper с = 5%; е - SNA-ZV-shaper, з = 1; ж - ZV-shaper, L = 0,2…5,0 о.е.; з - ZV-shaper, L = 0,2…1,5 о.е.; и - ZVD-shaper; к - UM-ZV-shaper; л - EI-shaper с = 5%; м - SNA-ZV-shaper, з = 1.

Выбор конкретного шейпинг-алгоритма должен производится с учетом желаемых степени подавления колебаний, робастности по отношению к неопределенности собственной частоты и коэффициента демпфирования объекта управления, быстродействия, определенного времени окончания последнего импульса и с учетом ограничения мощности управляющего устройства и возможно запрета движения в обратную сторону.

Таблица 1.3 - Сравнение шейпинг-фильтров, ФНЧ и УПЗФ

Алгоритм управления (фильтр)	Остаточные колебания
	Ошибка 0	Ошибка 15
Shaping управление	ZVD	0,0	11
	ZVDD	0,0
	ZVDDD	0,0
	1-El(V=5)	10,0
	2-El(V=5)	0,0	9,7
	3-El(V=5)	10,0	1,8
Фильтр нижних частот	Хэмминга(короткий)	20,0	54
	Хэмминга(длинный)	2	30
	Чебышева	7,2	13
	Эллиптический фильтр	6,9	10,8
Узкополосый заграждающий фильтр	Хэмминга	32,0	73,0
	Паркса-Макклеллана	7,8	18,0
	Чебышева	36,0	44,0
	Эллиптический фильтр	17,0	23,0

В столбце ошибка 0 приведена амплитуда остаточных колебаний, разделенная на расстояние движения, для случая, когда модель системы точна.

В столбце ошибка 15 приведена амплитуда остаточных колебаний, когда часть системы на 15 ожидаемой.

Input-shaping фильтры имеют длительность колебаний в пределах от 0,7 до 2 периодов. Стандартные фильтры : от 1 до более чем 10 периодов колебаний. Input-shaping фильтры обладают большим быстродействием по сравнению с традиционными цифровыми фильтрами. Это объясняется особенностью их построения и изначальной направленностью на решение данных задач.

По качественным показателям значительно превосходят алгоритмы, построенные на основе стандартной фильтрации. Однако недостатком является сложность учета ограничений электроприводов по ускорению, а также дискретной характер формирования управляющего сигнала, что приводит к необходимости использования формирователей сигнала.

Анализ позволяет сделать вывод, что input-shaping-фильтры приводят к уменьшению амплитуды колебаний быстрее чем, стандартные фильтры .

В данном разделе рассмотрены и описаны основные типы подъемно-транспортных механизмов. Перечислены виды установок, их классификация и принцип работы. Произведен обзор основных устройств входящих в состав установок.

Проанализированы разомкнутые и замкнутые системы управления процессом перемещения грузов подъемно-транспортными механизмами. Рассмотрены алгоритм работы самых распространенных систем управления.

Наибольшее распространение для реализации разомкнутого управления подъемно-транспортными механизмами получили input-shaping-фильтры . Они обладают большим быстродействием по сравнению с традиционными фильтрами. Для замкнутых - системы с нечеткой логикой функционирования.

Разрабатываемая система предполагает решения на современном уровне задач повышения эффективности и безопасности работы подъемно-транспортных механизмов.



2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ТРЕБОВАНИЯ К СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ

2.1 Постановка задачи

Транспортировка подъемно-транспортными механизмами тяжелых грузов вызывает качающее движение последних из-за ускорения и замедления тележки. Раскачивание груза влияет на точность позиционирования, безопасность в эксплуатации, нагрузку на элементы машины и т.п. Неподходящее управление может привести к тому, что несущие тросы оставят свои пазы, что в свою очередь, может привести к серьезным повреждениям и нанести значительный урон.

Поэтому основная задача заключается в повышение производительности мостового крана за счет уменьшения колебаний подвешенного груза путем усовершенствования системы управления электроприводов мостового крана.

Необходима разработка алгоритмов управления. Алгоритмы управления технологическими механизмами обычно являются многозадачными. Они должны быть робастными. Объект управления должен быть перемещен с максимально возможной скоростью, во время транспортировки необходимо минимизировать возникающие колебания и полностью их подавить или уменьшить до допустимого уровня в месте остановки. Также должны быть учтены возможные изменения параметров системы. При разработке алгоритмов управления должны учитываться реальные ограничения мощности управляющего воздействия, максимально допустимые ускорения и скорости.

Необходима разработка математической и компьютерной моделей электромеханической системы мостового крана, описывающих движение механизмов мостового крана с учетом одновременной работы всех механизмов.

Разработка структурной схемы усовершенствованной системы управления электроприводами передвижения механизмов для подавления механических колебаний груза во всех режимах работы крана по двум осям перемещения также является одной из задач.

Повышение эффективности и безопасности работы, обеспечение безаварийной эксплуатации, своевременное обнаружение нарушений в различных режимах работы и принятия необходимых мер по предупреждению аварий ПТМ являются весьма актуальными задачами для промышленности.

Условия для их достижения заключаются в следующем:

- снижение эксплуатационных расходов благодаря высокому

качеству и надежности используемого оборудования;

- возможность оптимизировать технологический процесс,

диагностировать состояние оборудования и, как следствие, перейти к более экономичному методу технического обслуживания в соответствии с

текущим состоянием;

- предоставлять обслуживающему персоналу своевременную и

достоверную информацию о текущих режимах работы ПТМ, необходимых

для принятия адекватных управленческих решений и точного анализа

ситуации;

- непрерывный контроль параметров безопасности ПТМ;

- своевременного принятия предупредительных и защитных мер

по обеспечению безопасной работы ПТМ.

2.2 Предъявляемые требования

Технические характеристики:

Масса тележки - 4 т;

Масса груза - 12 т;

Длина подвеса - 16 м;

Скорость - 0,6 м/с;

Диаметр колеса -200 мм;

Диаметр цапфы - 60 мм;

Плечо силы трения качения - 0,5 мм;

Коэффициент трения обода и реборды колеса - 0,003;

Коэффициент трения в подшипниках- 0,005;

Промежуточная передача :цепная - 27/17 = 1,588;

КПД нагрузки - 0,90;

Диаметр звездочки (ведомой) - 215 мм;

Продолжительность включения - 40 % ПВ.

Изменение амплитуды остаточных колебаний от 0 до 6 %

Длительность переходного процесса от 0.8 до 0.82 о.е.

Рисунок 2.1 Структурная схема системы управления подъемно-

транспортным механизмом

В промышленных сетях, как правило, случаются броски напряжения или же возникают различные аварийные ситуации, поэтому сохранение работоспособности установки при любых колебаниях напряжения в сети и поддержание защиты от токов КЗ является одной из первоочередных задач при проектировании мостовых кранов.

Со стороны питающей сети и нагрузки могут возникать короткие замыкания, чтобы обеспечить защиту двигателя используют обыкновенный автоматический выключатель.

Система управления передвижением тележки мостового крана должна выполнять следующие требования:

- управление передвижением тележки мостового крана в различных направлениях;

- управление нагрузкой на кране. Система должна определять и контролировать груз, который поднимает кран;

- управление скоростью передвижения тележки. Система должна регулировать скорость передвижения в зависимости от заданных параметров и требований безопасности;

- контроль за положением тележки. Система должна обеспечить точное позиционирование тележки в заданных координатах, а также предотвратить выход из заданных границ рабочей зоны;

- уменьшение раскачивания груза при передвижении тележки;

- дискретное управление основным и вспомогательным оборудованием ПТМ;

- непрерывное управление электроприводом;

- управление рабочим тормозом;

- наложение и снятие предохранительного тормоза;

- реализация системы аварийной остановки тележки при обнаружении ошибок или возникающих проблемах.

Для реализации вышеперечисленных задач система управления

передвижением тележки мостового крана должна иметь следующие

составляющие:

- устройство колесной пары и передаточного механизма для

передвижения тележки в различных направлениях;

- связь с системой регулирования привода;

- электродвигатель для привода двигателей и механизма подъема и опускания;

- контроллер для обработки и передачи сигналов устройствам управления;

- система датчиков для определения скорости движения, положения тележки и грузоподъемности;

- система аварийной остановки для обеспечения безопасности при возникновении аварийных ситуаций.

Система управления передвижением тележки мостового крана должна разрабатываться с учетом требований надежности и безопасности. Она должна иметь возможность автоматической регулировки скорости движения в зависимости от грузоподъемности и максимальной высоты, а также быть легко настраиваемой и масштабируемой.

Система управления ПТМ должна обрабатывать сигналы:

- цепи безопасности, которая включает предохранительный тормоз;

- цепи торможения, которая включает электрическое замедление, а

после останова накладывает рабочий тормоз;

- цепи безопасности отъезда, которая предотвращает повторное

перемещение после окончания цикла.

Выбор системы управления для электроприводов мостовых

тележечных кранов осуществляется посредством анализа сравнительных

технических данных, а именно: мощностей электроприводов, способов

управления, диапазона регулирования, показателей динамики и энергии,

уровня износостойкости, диапазона скоростей и других важнейших

данных определяющих текущие условия эксплуатации того или иного

электропривода.

Защиты и блокировки.

Комплекс аппаратных и программных средств должен обеспечивать высокий уровень безопасности касающийся механизма передвижения тележки в целом, а также необходимых защит и блокировок:

- блокировка передвижения, контролирует передвижение крана в течение определенных временных интервалов или при определенных обстоятельствах. Например, передвижение может быть заблокировано во время загрузки/выгрузки груза или при любой ситуации, которая может представлять угрозу для обслуживающего персонала;

- защита от перегрузки, контролирующая грузоподъемность крана и останавливающая передвижение при превышении максимального веса груза. Это решает возможные опасные ситуации при перевозке грузов, которые превышают допустимую нагрузку;

- защита, отключающая установку при превышении максимальной скорости нормального хода на 15% (контроль диаграммы движения на заданной скорости при постоянных по величине ускорениях разгона и торможения );

- максимальная токовая и нулевая защита, контролирующие перегрузку электродвигателя и исчезновение питающего напряжения;

- защита силового электропривода;

- защита от перегрузки каната, контролирующая натяжение каната между тележкой и краном, и автоматически останавливающая передвижение крана при превышении максимально допустимого натяжения. Тем самым предотвращается возможность обрыва каната, который может повлечь за собой серьезные последствия и угрозу для окружающих;

- блокировка от чрезмерного износа тормозных колодок и отключающая передвижение крана при увеличении зазора между ободом барабана и тормозными колодками более чем на 2 мм;

- защита от обратного хода;

- аварийное отключение крана с пульта управления кнопкой с фиксацией включенного (нажатого) положения;

- блокировка положения вакуумных выключателей высоковольтного распределительного устройства;

- блокировка от перегрева подшипников барабана и редуктора с визуальным контролем температур с двумя уставками (предупреждение и аварийное отключение);

- защита от перегрузки шины, контролирующая нагрузку, которую может выдерживать резиновая шина крана, и останавливающая передвижение тележки при превышении максимально допустимого давления в шинах;

- защита от переворачивания, контролирующая положения крана и останавливающая передвижение в случае, если угол наклона превышает максимально допустимый предел;

- защита от электрических помех, контролирующая внешние электрические помехи, которые могут повлиять на работу системы управления и корректировать ее на оптимальную работу;

- непрерывный контроль исправности торможения.

Все случаи эксплуатации крана, которые в аварийной ситуации могут представлять опасность для людей или оборудования, свести в цепи безопасности.

Любое размыкание цепи защиты, независимо от продолжительности ее действия, должно вызывать предохранительное торможение двигателя крана, отключающее его от сети.

Режимы работы крана, определяющие ограничение максимальной скорости и другие параметры движения, должны задаваться оператором с помощью выключателей, запираемых специальным ключом и манипулятора на пульте управления.

Требования к электроприводу

Работа электропривода подъемной установки характеризуется цикличностью, т. е. существует ряд последовательных циклов, которые следуют друг за другом. В свою очередь, каждый цикл можно разделить на четыре основных периода: ускорение, равномерное движение, замедление до полной остановки и пауза.

При работе двигателя в механизме передвижения и поворота, когда двигатель преодолевает момент сопротивления, момент двигателя также положителен, а момент сопротивления отрицателен.

Повышенная опасность работ при транспортировке поднятых грузов требует при проектировании и эксплуатации соблюдение обязательных правил по устройству и эксплуатации подъемно-транспортных машин. На механизмах подъема и передвижения правилами по устройству и эксплуатации предусмотрена установка ограничителей хода, которые воздействуют на электрическую схему управления.

...