CC BY
86
УДК [629.565.1 -83-51:629.563.5]: [519.8:004.43]
Н. Г. Романенко, С. В. Ткаль
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РАБОТЫ И МОДЕЛИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ КРАНА БУРОВОЙ ПЛАТФОРМЫ
Введение
В последнее десятилетие проблема производства грузовых операций в открытом море стала особенно актуальной. Объясняется это в первую очередь значительным развитием флота крупнейших морских держав мира, связанных как с обеспечением коммерческих задач, так и освоением Мирового океана с целью добычи полезных ископаемых.
Быстро растущее потребление нефти и газа обусловило рост внимания к их добыче не только на суше, но и в морях и океанах, где буровые работы по проходке скважин осуществляются с плавучих установок - буровых судов и полупогруженных сооружений, а также с буровых вышек, устанавливаемых на дне моря. Для обслуживания и ремонта этих сооружений необходимо производить безударную передачу грузов при значительном волнении моря.
Разработка алгоритма и моделирование работы электропривода
Имеющиеся на рынке системы управления электроприводом для передачи грузов с буровой платформы на суда в условиях волнения моря основаны на контактном измерении расстояния между палубой принимающего судна и буровой платформой или грузом с помощью натянутых тросов или металлических балок. Операции по закреплению устройств слежения занимают много времени и зачастую небезопасны для персонала. Разрабатываемая система лишена этих недостатков. Для начала погрузочно-разгрузочных работ необходимо лишь установить систему беспроводной передачи данных и датчики расстояния по углам грузовой площадки [1].
Разрабатываемое крановое устройство будет состоять из асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, управляемым контроллером через преобразователь частоты. На контроллер сигнал поступает от задающего устройства, с помощью которого осуществляется регулировка скорости опускания груза, и от ультразвуковых датчиков, сигналы которых осуществляют коррекцию скорости опускания груза в соответствии с колебаниями судна на поверхности моря. Функциональная схема (рис. 1) и выбор датчиков расстояния представлены в [2].
Рис. 1. Функциональная схема: ЗУ - задающее устройство; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; К - контроллер; ПЧ - преобразователь частоты; АД - асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором; УЗД - ультразвуковой датчик
Важнейшей задачей является моделирование работы электропривода крана при передаче грузов с буровой платформы на судно в условиях волнения моря, а для построения модели необходимо разработать алгоритм работы системы управления. Использование данной модели даст возможность сформировать сигнал управления для системы в зависимости от различных условий качки и предварительно пронаблюдать процесс работы электродвигателя при грузопередаче.
В контроллер системы управления поступают два сигнала: А - командный сигнал желаемой скорости Угр и направления движения груза; В - действительный сигнал скорости относительно палубы принимающего груз судна Упл, получаемый с ультразвуковых датчиков, и направления движения груза. Расстояние между грузом и палубой равно у. При опускании груза и при входе его в зону действия датчиков контроллер понижает скорость опускания до 0,3 м/с. Одновременно осуществляется контроль за разностью А сигналов А и В. При выходе А за пределы Дж = [-0,01; 0,01] м/с (ж - желаемое) производится сложение А с сигналом А, в результате
чего осуществляется корректировка скорости вращения электродвигателя. При дальнейшем опускании груза производится уменьшение скорости до 0,15 м/с с контролем А по описанному выше алгоритму. Когда груз опустится на палубу (у = 0) и сигнал с ультразвукового датчика станет максимальным, электродвигатель кратковременно перейдёт в режим максимальной скорости для стравливания троса и недопущения поднятия груза вследствие волнения, после чего остановится. Если всё же в результате волнения произойдёт опускание палубы принимающего судна, то контроллер подаст команду на дальнейшее опускание груза со скоростью 0,15 м/с до момента, когда сигнал с ультразвукового датчика станет максимальным.
Алгоритм работы системы управления представлен на рис. 2.
Рис. 2. Блок-схема алгоритма опускания груза на качающуюся палубу судна
В соответствии с разработанным алгоритмом построена математическая модель работы электропривода с помощью программы 8ішиііпк, являющейся приложением к пакету МЛТЬЛБ (рис. 3). Входным воздействием на модель системы управления является суммированный сигнал с задающего устройства и ультразвуковых датчиков, а входным воздействием на модель двигателя - момент сопротивления, создаваемый грузом и трением в механизмах крана.
Рис. 3. Модель электропривода крана
При разработке математической модели работы электропривода были приняты следующие допущения и условия:
— перегрузочный комплекс представлен двухмассовой системой с упругими связями, в состав системы входят приводной электродвигатель крана, подвешенный груз и шкентель;
— силы и моменты, действующие в системе, приложены к сосредоточенным массам, которые не подвергаются деформации;
— упругие связи невесомы, жёсткость связей постоянна;
— деформацией упругих связей пренебрегаем;
— силами трения пренебрегаем;
— раскачиванием груза в плоскости, перпендикулярной плоскости движения, пренебрегаем;
— судно находится бортом к волне;
— волнение моря 3 балла, высота волны 1,4 м, период - 5 с;
— не учитываем килевую качку, т. к. при данном волнении моря и положении судна к волне она имеет незначительную величину, не влияющую на вертикальное перемещение отдельных частей судна;
— масса груза 1 000 кг, радиус приведения р = 0,01 м/рад;
— преобразователь частоты и асинхронный двигатель выбраны из библиотеки 8тиПпк;
— параметры электродвигателя АИР250М4: Р = 90 кВт; и = 380/660 В; пс = 1 500 об/мин;
Пн = 94 %; оо8фн = 0,89; 5н = 1,5 %; Мн = 573 Н • м.
Мп
М„
М ш
= 1,5 ; = 2,5 ; -*■ = 7,5; 3 = 1,1 кг-м2, 1Н = 163,6 А;
М„1’
Момент сопротивления, создаваемый грузом при опускании, рассчитывается по формуле
иг 2
М = mgp - тар = mgp - тР —,
р Ж
где т - масса груза; g = 9,8 м/с - ускорение свободного падения; а - ускорение; р =-------радиус
ю
приведения.
Так как моделируется процесс опускания груза, то момент сопротивления, создаваемый грузом, будет отрицательным.
Результаты моделирования можно оценить по графикам задания скорости электродвигателя, токов статора, электромагнитного момента и скорости вращения вала электродвигателя (рис. 4).
Лзад, 06/МИН
I, А
^ с
^ с
^ с
г
Рис. 4. Графики сигнала задания скорости: а - электродвигателя; б - токов статора; в - электромагнитного момента; г - скорости вращения вала электродвигателя для начальной фазы волны 0°
Анализируя результаты математического моделирования работы электропривода крана при опускании груза на качающуюся палубу, можно сделать вывод, что электропривод мощностью 90 кВт способен осуществлять передачу груза массой 1 т, при этом ток двигателя не превышает номинального значения, а скорость груза удовлетворяет требованиям Регистра, предъявляемым к грузопередающим устройствам.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ткаль С. В., Турпищев Ш. А., Романенко Н. Г. Средство передачи грузов с буровой платформы
на судно при волнении на море // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и техноло-
гия. - 2008. - № 5 (46). - С. 74-78.
2. Романенко Н. Г., Ткаль С. В. Датчики расстояния для систем передачи грузов с буровой платформы
на судно в условиях волнения моря // Датчики и системы. - 2009. - № 5. - С. 19-24.
Статья поступила в редакцию 17.02.2011
DEVELOPMENT OF THE ALGORITHM OF THE WORK AND MODELS OF MANAGERIAL SYSTEM OF ELECTRIC DRIVEOF THE CRANE OF DRILLING PLATFORM
N. G. Romanenko, S. V. Tkal
Available managerial systems of electric drive for cargo transfer from drilling platform to vessels in conditions of the heavy sea are based on contact measurement of the distance between the deck of the taking ship and the drilling platform or cargo by means of strained rope or metallic rails. The operations on fastening of monitoring device take much time and frequently are insecure for personnel. The under development system is deprived of these defects. Crane device will consist of anisochronous electric motor with squirrel-cage rotor, operated by a controller through the frequency converter. The algorithm of managerial system of the crane electric drive during cargo transfer from drilling platform to a ship in conditions of the heavy sea is presented. In accordance with the algorithm a mathematical model of the electric drive functioning by means of the program Simulink, being application to package MATLAB is made up. The results of modeling help to draw a conclusion that current and electromagnetic moment of the electric motor do not exceed nominal values, but the cargo velocity meets the Register requirements.
Key words: electric drive, Simulink, modelling, algorithm.
