CC BY
246
УДК 621.873.25
РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДАМИ БАШЕННЫХ КРАНОВ ПРИ ВЕТРОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
А.В. Мишин, П. А. Сорокин
Рассматриваются вопросы реализации алгоритма управления приводами башенных кранов при воздействии ветровых нагрузок.
Ключевые слова: башенный кран, ветровые нагрузки, устойчивость от опрокидывания, программируемый логический контроллер, система управления.
Ежегодно в Российской Федерации происходят 30...50 аварий башенных кранов, из которых 15.20 % случаются по причине экстремальных ветровых воздействий. При эксплуатации башенных кранов уровень травматизма составляет более 40 % от общего числа несчастных случаев на грузоподъёмных кранах [1].
Ветровая нагрузка является преимущественным воздействием, нагружающим металлоконструкцию башенных кранов, вследствие преобладания ее над статическими нагрузками и поэтому конструкции башенных кранов особо чувствительны к воздействию ветра. Ветровая нагрузка представляет собой случайный процесс. Порывы, возникающие со случайной повторяемостью с различной энергии, увеличивают опрокидывающий момент и вызывают дополнительное нагружение металлоконструкций башенных кранов.
Согласно карте районирования по ветровым нагрузкам [2] можно выделить области с повышенной ветровой нагрузкой, а также районы с плохо изученными ветровыми режимами. Следует учесть, что риск падения башенных кранов от ветровых нагрузок существует не только для указанных выше ветровых районов, но и для районов с уменьшенными ветровыми нагрузками. Это обусловлено тем, что ветровая нагрузка является процессом со случайно возникающими энергоемкими порывами, которые увеличивают опрокидывающий момент.
Возможность возникновения опасных динамических ветровых нагрузок не только существует, что подтверждается многолетними наблюдениями, но и имеется тенденция к их росту [3].
Известно, что башенный кран в рабочем состоянии более чувствителен к ветровым воздействиям, поэтому необходимо оценивать грузовую устойчивость. Проблемы собственной устойчивости при ветровых нагрузках нет. Но остается проблема сохранения устойчивого положения башенных кранов в рабочем состоянии при силовом ветровом возбуждении. Необходимым условием сохранения безопасности является обеспечение динамической устойчивости башенных кранов при действии на него недо-
пустимых воздействий ветра.
Опрокидывание башенных кранов возможно при импульсном воздействии порывов ветра значительной амплитуды.
Целью работы является повышение безопасности эксплуатации башенных кранов при воздействии динамических ветровых нагрузок.
Новизна заключается в учете случайного характера динамических ветровых нагрузок при разработке системы автоматического контроля устойчивости башенных кранов.
Системы ветровой защиты грузоподъемных кранов предназначены для измерения скорости ветра, регистрации недопустимой скорости ветра и выдачи звукового и светового сигналов, служащих командой машинисту о прекращении работы.
Изначально использовались механические ограничители грузоподъемности (ОГП) и для ветровой защиты применялись анемометры. Анемометр - прибор, состоящий из датчика ветра, соединительного кабеля и блока управления. С появлением электронных ОГП (ОНК-160Б, ОГМ-40) функция анемометра входит в состав ОГП. Существует также вариант с использованием электронного ОГП и отдельного анемометра (где сигнал от датчика ветра обрабатывается контроллером).
Работа датчика ветра может быть основана на различных принципах действия: индукционном, оптоэлектронном и эффекте Холла. На сегодняшний момент применяются оптоэлектронные и холловские датчики ветра.
В оптоэлектронных датчиках используется трехсекундный интервал усреднения и в зависимости от получаемых импульсов рассчитывается скорость ветра. Назначение периода осреднения в три секунды объясняется требованием безопасности. В датчиках на основе эффекта Холла используется цифровая линия передачи сигналов и существует возможность установки и изменения частоты опросы датчика. Система ветровой защиты с холловским датчиком является более гибкой и наиболее адаптирована к реальным условиям эксплуатации.
Согласно инструкции по эксплуатации для перевода крана в нерабочее состояние машинисту следует выполнить достаточное количество операций [4]. Следует отметить существенный недостаток в инструкции, заключающийся в том, что при резком усилении ветра машинист остается в кабине и в случае воздействия экстремальных порывов он находится в зоне прямой опасности. Следующий недостаток связан с отсутствием предписаний при отсутствии информации об усилении ветра. В этом случае, в принципе, невозможно установить требования. Другой недостаток связан с тем, что при эвакуации машиниста возникающие порывы различной интенсивностью и повторяемостью представляют для него серьезную угрозу. Вышеупомянутые недостатки являются несоответствием требованиям промышленной безопасности.
Поэтому актуальным направлением является проектирование системы интеллектуального управления с функцией прогнозирования скорости и направления ветра и управления приводами для перевода башенного крана в безопасное положение.
Отметим, что существующие системы ветровой защиты обладают общим недостатком, который заключается в отсутствии функции прогнозирования скорости и направления ветра.
Разрабатываемая система автоматического контроля устойчивости башенных кранов состоит из подсистемы сбора информации, подсистемы нейросетевого прогнозирования и подсистемы управления приводами (рис.1).
Рис. 1. Структурная схема системы автоматического контроля устойчивости башенного крана
Подсистема сбора информации состоит из датчиков скорости ветра, положения стрелы, высоты подъема, вылеты грузовой тележки, которые имеются в существующем ОГП. Дополнительно, башенный кран необходимо оснастить датчиком направления ветра.
Подсистема нейросетевого прогнозирования представляет собой плату расширения с нейросетевым алгоритмом, которой оснащается программируемый логический контроллер (ПЛК).
Подсистема управления реализуется на базе ПЛК.
В ПЛК заложен алгоритм заблаговременного управления привода-ми(поворота и/или изменения вылета) башенного крана и предназначен для выдачи сигнала управления на основе нейросетевой модели, программа которой записана в память платы расширения, и регистрируемых значениях датчиков. В ПЛК предусмотрена блокировка, исключающая возможное столкновение крюковой подвески о возводимый объект при экстренном повороте стрелы/башни и стрелы. Поэтому при необходимости подсистема управления обеспечивает управление приводом изменения вылета грузовой тележки.
Для обеспечения устойчивого положения башенных кранов при усилении скорости ветра необходима отработка системы управления приводом поворота стрелы/башни и стрелы по направлению будущего порыва ветра. При этом невозможно обеспечивать поворот мгновенно из-за упруго-диссипативных свойств металлоконструкции. Достаточным условием
188
безопасности является выдача подсистемой нейросетевого прогнозирования сигнала управления и его обработки подсистемой управления приводами для срабатывания привода поворота и/или привода изменения вылета до возникновения критического опрокидывающего момента, увеличение которого обусловлено действием порывов ветра. За счет этого при повороте наветренная площадь крана уменьшается, что ведет к снижению давления от ветровой нагрузки, которая будет действовать в следующие моменты времени.
Сформулируем требования к системе автоматического контроля устойчивости. Необходимо обеспечить:
- сбор информации о параметрах ветра (скорость и направление) и о параметрах положения стрелы/башни и стрелы и крюковой подвески;
- прогнозирование опасных порывов ветра;
- оповещение машиниста и персонала строительной площадке об экстренном переводе башенного крана в безопасное положение;
- перевод башенного крана в безопасное положение.
При соблюдении этих требований у машиниста и персонала строительной площадки есть дополнительное время для эвакуации.
Для обеспечения экстренного перевода башенного крана в безопасное положение при прогнозировании опасных порывов необходимо реализовать алгоритм для ПЛК. Алгоритм ПЛК должен вмешиваться в штатную работу машиниста при получении сигналов (прогнозируемой скорости порыва и его направления) от подсистемы нейросетевого прогнозирования.
Подсистема управления приводами состоит из ПЛК, панели оператора и блока питания (рис. 2).
Связь ПЛК и панели оператора осуществляется через интерфейс К8-232/Я8-485 с помощью протокола передачи данных МоёЬиБКТи/ЛЗСП. Для этой связи необходимо настроить канал передачи с использованием сетевых параметров - протокол обмена данными, скорость передачи данных, адрес ПЛК. Настройка осуществляется в программе-конфигураторе панели оператора и среде программирования СоБеБуБ. Информационная цифровая сеть МоёЬш основывается на модели «ведущий-ведомый», где в качестве «ведомого устройства» используется ПЛК, а в качестве «ведущего устройства» - панель оператора.
Возможно два варианта реализации подсистемы управления приводами с упреждением. Первый заключается в использовании штатного ПЛК башенного крана при условии наличия на его «борту» дополнительных входных и выходных клемм. Т.е. штатный ПЛК выполняет штатные функции и функцию управления с упреждением. Второй вариант заключается в применении дополнительного ПЛК, предназначенного только для реализации алгоритма управления приводами с упреждением. Оба варианта можно использовать для дооснащения башенного крана системой автоматического контроля устойчивости.
Рис. 2. Структурная схема подсистемы управления приводами башенного крана
Предлагаемую систему автоматического контроля устойчивости можно устанавливать на новые и модернизируемые башенные краны с различными схемами управления электропривода.
На рис. 3 и 4 представлен вариант принципиальной электрической схемы частотного управления приводами механизма поворота и механизма изменения вылета грузовой тележки. На схеме показан фрагмент общей принципиальной электрической схемы и показаны аппараты, которые относятся только к указанным выше приводам.
Рис. 3. Принципиальная электрическая схема (силовая часть) механизмов привода поворота и изменения вылета грузовой тележки
Рис. 4. Принципиальная электрическая схема (управляющая часть) механизмов привода поворота и изменения вылета грузовой тележки
На всех башенных кранах применяется сеть переменного тока в качестве источника питания. Питающее напряжение на схему коммутируется вводным рубильником на подключательном пункте (на схеме не показан) и рубильником в шкафу электрооборудования (на схеме не показан) на ходовой раме башенного крана.
Управляющая часть электропривода подключена до силовых контактов главного контактора КМ0. Управляющая часть начинается с блока питания Е1, защищенным автоматическим выключателем QF0. Блок питания Е1 преобразует двухфазное переменное напряжение 380 Вв напряжение 24 В постоянного тока для питания ПЛК А1 и панели оператора А2.
Силовая часть приводов включает в себя автоматические выключатели QF1 и QF2. Подключение ПЧ привода механизма поворота и привода изменения вылета к сети осуществляются силовыми контактами контакторов КМ1 и КМ2. В схеме применены сетевые дроссели Ь1 и Ь2 для уменьшения влияния высших гармонических составляющих, генерируемых ПЧ, на питающую электрическую сеть. После дросселей напряжение прикладывается к входным клеммам ПЧ и/1 и и/2, управляющими электродвигателями М1 и М2. В приводе изменения вылета используется дроссель электродвигателя для уменьшения перенапряжения на клеммах электродвигателя. Это обусловлено достаточно длинной кабельной линией от шкафа управления, находящегося на ходовой раме башенного крана, до
привода изменения вылета, расположенного на стреле.
Рассмотрим подробнее управляющую часть электрической схемы.
С блока питания Е1 напряжение 24 В постоянного тока поступает на входные клеммы ПЛК А1 и панели оператора А2. На информационные входы ПЛК - 11.0, 11.1, 11.2, 11.3, 11.4 - подключены сигналы от датчиков. Сигнал скорости ветра и сигнал направления ветра поступают от платы расширения с нейросетевым алгоритмом. Сигналы углового положения башенного крана, высоты подъема крюковой обоймы и вылета грузовой тележки поступают от соответствующих датчиков. Алгоритм ПЛК на основе входных сигналов формирует выходные сигналы путем коммутации релейных выходов Р1.0 иQ1.2. Релейные выходы коммутируют напряжение 24 В постоянного тока от встроенного источника индивидуального ПЧ на дискретные входы ПЧ. Катушки контакторов КМ0, КМ1, КМ2, коммутируемые другими релейными выходами ПЛК, на схеме не показаны .К каждому ПЧ на специальные входы подключены энкодеры.
Важно отметить, что подсистема управления приводами обеспечивает заблаговременное управление приводами, при этом не возникает опасных ускорений крюковой обоймы, т.к. механизмы приводятся в действие со штатными значениями ускорений.
Для разработки алгоритма была использована среда программирования СоБеБуБ, которая поддерживает языки программирования МЭК61131-3.
Алгоритм был создан на двух языках программирования СБС (язык последовательных функциональных схем) и БТ (язык структурированного текста). Первый из них - графический язык, второй - текстовый. Выбор данных языков обусловлен наиболее подходящим и удобным для разрабатываемого алгоритма функционалом [5, 6].
Программа в СоБеБуБ содержит в себе зарезервированные операторы, глобальные и локальные переменные, логический алгоритм.
Для написания алгоритма необходимо определить входные и выходные сигналы, логические соотношения между ними и уставки.
Сигналы от датчиков скорости ветра, направления ветра, положения стрелы, высоты подъема крюковой обоймы и вылета грузовой тележки являются входными, которые подключены к входным клеммам ПЛК. Выходные клеммы осуществляют коммутацию сигналов соответствующего привода.
Используются следующие уставки: допустимой скорости ветра рабочего состояния, высоты построенного уровня объекта, расстояния от выступающей части здания (сооружения) до оси подкранового рельса.
Уставки в процессе моделирования меняются (и в процессе работы башенного крана). Уставка по скорости ветра меняется для другого крана с отличным значением допустимой скорости ветра. Уставка по высоте уровня меняется при окончании строительства соответствующего уровня. Ус-
тавка расстояния от выступающей части здания (сооружения) до оси подкранового рельса зависит от расположения башенного крана на строительном объекте.
С целью защиты от несанкционированного доступа правом изменения уставок обладают только наладчики системы безопасности, т.к. доступ ограничен паролем. Изменение уставок возможно с панели операторапри вводе пароля или при выгрузке алгоритма на ноутбук наладчиком.
Разработанный алгоритм для ПЛК и алгоритм нейросетевого прогнозирования позволят обеспечить устойчивость башенных кранов при экстремальных воздействиях динамических ветровых нагрузок.
Список литературы
1. Информационный бюллетень Федеральной службы по экологическому технологическому и атомному надзору №1'2012 от 29.02.2012.
2. ГОСТ 1455 - 77.«Краны грузоподъёмные. Нагрузка ветровая. Нормы и метод определения». Введ. 1978-01-01.
3. Бедрицкий А.И., Коршунов А.А., Шаймарадов М.З. Опасные гидрометеорологические явления и их влияние на экономику России. Обнинск: ВНИИГМИ-МЦД, 2011. 36 с.
4. Объединение машиностроительных заводов группы компаний СУ-155 [Электронный ресурс]. URL: Мр://1^^^от2У.щ/(дата обращения: 01.09.2013).
5. Деменков Н.П. Языки программирования промышленных контроллеров: Учебное пособие / Под ред. К. А. Пупкова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 172 с.
6. Петров И.В. Программируемы контроллеры. Стандартные языки и инструменты / Под ред. проф. В.П. Дьяконова. М.: СОЛОН-Пресс, 2003. 256 с.
Мишин Алексей Владимирович, асп., alexeymishm89@,gmail com, Россия, Москва, Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ),
Сорокин Павел Алексеевич, д-р техн. наук, проф., _pavalsor@rambler.ru, Россия, Москва, Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)
THE IMPLEMENTATION OF ALGORITHM FOR CONTROL DRIVES OF TOWER CRANES UNDER THE INFLUENCE OF WIND LOADING
A. V. Mishin, P.A. Sorokin
The article deals with the implementation of algorithm for control drivesof tower cranes under the influence of wind loading.
Key words: tower crane, wind loading, the overturning stability, programmable logic controller, control system.
Mishin Alexey Vladimirovich, postgraduate, alexeymishin89@gmail. com, Russia, Moscow, Moscow State University of Railway Communications (MIIT),
Sorokin PavelAlexeevich, doctor of technical science, professor, Russia, Moscow, Moscow State University of Railway Communications (MIIT)
УДК 621.9:664
МОДЕЛИ НАДЕЖНОСТИ МЕЖОПЕРАЦИОННОЙ ПЕРЕДАЧИ
ПРЕДМЕТОВ ОБРАБОТКИ В РОТОРНЫХ МАШИНАХ
В.В. Прейс, Д.Н. Семенов, Е.Н. Фролович
Рассматривается надежность межоперационной передачи штучных предметов обработки транспортными роторами в роторных машинах. Случайный процесс потери предметов обработки при межоперационной передаче подчиняется определенным закономерностям, выявление которых позволяет оценить и прогнозировать вероятность случайных потерь штучных предметов обработки в пределах определенного промежутка времени.
Ключевые слова: надежность, межоперационная передача, случайный процесс, роторная машина.
На современном этапе развития промышленного производства в различных отраслях мировой экономики технологические системы роторных машин (РМ) стали одним из признанных эффективных технических средств создания автоматизированных непрерывно-поточных производств массовой продукции, базирующихся преимущественно на технологических процессах сборки многоэлементных и многокомпонентных изделий. К таким технологическим процессам можно отнести не только процессы автоматизированной сборки изделий машино- и приборостроения, но и процессы фасовки и укупорки продукции химической, пищевой и перерабатывающей промышленности [1-6].
Разнообразие форм, размеров и материалов штучных предметов обработки, передаваемых внутри технологических систем РМ между технологическими роторами с одной операции на другую, предопределило и многообразие конструкций межоперационных транспортных устройств [7], надежность работы которых оказывает существенное влияние на надежность технологической системы РМ в целом, особенно при высокопроизводительной сборке многоэлементных изделий [8].
Определение законов перемещения предметов обработки [9] в про-
194
