Автоматизация грузовой системы для штучных грузов


Категория Автоматизация судов

Проблема автоматизации погрузки и выгрузки твердых и прежде всего штучных грузов в значительной мере определяется технологическими особенностями применяемых для этой цели технических средств, так что в первую очередь необходимо получить общее представление об этом вопросе.

Структура грузовой системы для штучных грузов. Основное направление развития грузовой системы для штучных грузов заключается в применении собственных судовых подъемных средств, прежде всего грузовых стрел и судовых кранов. Для движения грузов в трех пространственных координатах используются преимущественно электрические приводы. Однако в настоящее время для установки стрелы в рабочее положение электрические приводы стрелоповоротных лебедок комбинируются с гидравлическими приводами топенантных лебедок.

С целью изменения скорости и направления движения подъемного механизма необходимы реверсивные приводы с управляемой частотой вращения. Для обеспечения контролируемого опускания груза эти приводы должны работать также и в тормозном режиме (работа в четырех квадрантах). Необходимый для этого противодействующий момент создается в основном электрическим путем. Ввиду того, что при снижении частоты вращения тормозной момент падает, необходимо дополнительное механическое тормозное устройство, которое вступает в действие при падении частоты вращения ниже определенного значения.

В качестве приводов для грузовых лебедок и судовых кранов прежде всего могут применяться электродвигатели трехфазного тока с короткозамкнутым ротором и .переключением полюсов (многоскоростные двигатели), электродвигатели трехфазного тока с тиристорным управлением, а также электроприводы по системе генератор — двигатель (Вард-Леонарда).

При обычных требованиях возрастающее применение в качестве привода грузовых лебедок получает электродвигатель с коротко-замкнутым ротором и переключением полюсов, ввиду его хороших рабочих характеристик. Как правило, эти приводы могут быть рассчитаны на три, четыре и более частоты вращения. Установка нужной частоты вращения- осуществляется переключением полюсов. Однако при применении машин этого типа следует иметь в виду, что частота включений не должна быть слишком высокой, ввиду выделений тепла в электродвигателе (ток статора, потери), а при применении контакторов — из-за недолговечности контактов.

С появлением тиристоров стало возможным применять технически целесообразные решения для приводов грузовых лебедок с использованием широтно-импульсного управления асинхронными машинами, которые отвечают наиболее высоким требованиям точности стабилизации частоты вращения. Этот вид привода применится во всех случаях, когда требуется плавная, быстрая, точная и независящая от нагрузки частота вращения.

К классическим приводам подъемных механизмов, отвечающих высоким требованиям, относится известный привод по системе генератор—двигатель. Однако ввиду значительной стоимости, его применение ограничивается прежде всего лебедками для тяжеловесных грузов.

Для питания электроприводов с изменяемой частотой вращения в настоящее время применяются главным образом выпрямители на полупроводниковой основе, в особенности тиристоры. Особыми достоинствами их являются безынерционность и высокая долговечность. Главный недостаток — все еще относительно высокая цена. По этой причине тиристоры применяются главным образом в непрерывно действующих регуляторах подводимой энергии, в то время как их использование для бесконтактных выключений (переключателей полюсов, направлений вращения), ввиду их высокой стоимости, представляется еще не оправданным. Здесь, как и прежде, доминирует электромеханический контактор. Наряду и полупроводниковыми регуляторами в приводах грузовых лебедок на практике еще часто встречаются классические регуляторы, как, например, магнитные усилители (для небольших мощностей), вентильные преобразователи и электромашинные усилители.

Задачи автоматизации. От современной автоматизированной грузовой системы прежде всего требуется повышенная производительность при погрузо-разгрузочных работах, простое и надежное обслуживание, которое может осуществлять персонал с низким уровнем подготовки, исключительно высокая эксплуатационная надежность, а также нетребовательность в отношении ухода. Особое значение имеет освобождение обслуживающего оператора от необходимости следить за технологическими процессами.

В этой связи автоматика должна выполнять следующие функции:
— запускать электродвигатель в соответствии с условиями эксплуатации;
— поддерживать точное соответствие между скоростью движения грузового гака и положением“ рукоятки управления;
— поддерживать постоянное значение установленной скорости независимо от нагрузки и направления движения (требуется только для приводов высокой точности);
— обеспечивать независимость движения от скорости перестановки рукоятки управления оператором (контрзащита);
— осуществлять автоматический переход с двигательного режима на тормозной при превышении заданной скорости;
— автоматически захватывать и разобщать тормоза;
— ограничивать величину максимального момента.

В ближайшем будущем можно ожидать, что погрузочно-раз-грузочные работы со штучным грузом будут автоматизированы в большей степени с использованием принципов. Важным признаком этой новой ступени автоматизации можно считать полностью автоматический запрограммированный ход постоянно повторяющихся операций подъема и опускания груза, а также оптимальное по времени движения между двумя крайними точками его переноса, которые задаются либо вручную, либо соответствующими упорами.

Концепция автоматизации для реализации указанных требований определяется типом применяемого привода. Поэтому эти вопросы рассматриваются раздельно для основных видов приводов подъемных механизмов.

Автоматизация приводов трехфазного тока с переключением полюсов. Привода трехфазного тока грузовых лебедок с переключением полюсов работают с автоматическим программным управлением по времени и частоте вращения. Типичную последовательность операций управления поясним на примере электродвигателя с тройным переключением полюсов (28/8/4 полюса).

Процесс запуска производится путем перестановки рукоятки управления из нулевого положения. При этом электродвигатель включается сначала на 28 полюсов. По истечении определенной выдержки времени отдается механический тормоз и производится переключение на 8 полюсов. Если это предусмотрено программой, то после еще одной выдержки времени происходит переход в четырех-полюсный режим. При обратном переключении имеет место противоположная последовательность операций.

В режиме генераторного (динамического) торможения при создаваемом грузом натяжении сначала с соответствующей выдержкой времени производится переключение из четырехполюсного на восьми-полюсный режим. Дальнейший процесс торможения контролируется по частоте вращения. Если в данном примере частота вращения в результате торможения снизилась до 1150 об/мин, то происходит переключение на 28 полюсов. При 550 об/мин срабатывает механический тормоз и электродвигатель отключается.

Автоматизация приводов трехфазного тока с тиристорным управлением.

Необходимая частота и направление вращения устанавливаются с помощью рукоятки, которая связана с электрическим дистанционным датчиком. Ввод командного сигнала может производиться также посредством радиотелеуправления. Для того чтобы сделать независимыми величину и скорость изменения заданного значения параметра используется интегратор, состоящий из компаратора и интегратора, включенных по схеме обратной связи, принцип действия которой уже рассматривался в разделе дистанционного управления энергетической установкой. Соответствующее расширение интегратора заданной величины позволяет ограничивать третью производную пути по времени (рывок). Для сглаживания переходов с одной скорости на другую иногда используется инерционное звено.

Модифицированный заданный параметр сравнивается в регуляторе с действительным значением частоты вращения.

Рис. 1. Упрощенная блок-схема автоматики грузовой лебедки с применением асинхронного привода с тиристорным управлением.

Встроенные пассивные включающие элементы позволяют переводить регулятор на пропорциональный или пропорционально-интегральный режим.

Для воздействия на задатчик частоты вращения применяются механические связанные с подъемным механизмом тахогенераторы постоянного или переменного напряжения. В случае более простых приводов производится измерение э. д. с. в плечах моста машины.

Регуляторы мощности для питания привода набраны с управляемыми полупроводниковыми элементами на кремниевой основе (тиристорами). В рассматриваемом случае основная схема силовой части представляет собой полностью управляемую мостовую схему трехфазного тока, содержащую пары встречно-параллельно включенных тиристоров. Из соображений стоимости иногда применяют также полууправляемые мостовые схемы трехфазного тока. Их недостатком являются значительные дополнительные затраты на сглаживающие элементы и обратное воздействие (реакция) на сеть. Принцип действия этих тиристорных регуляторов описан в специальной литературе. Полностью управляемые мосты могут непосредственно применяться как для двигательного, так и для тормозного режимов.

Управление тиристорными преобразователями осуществляется по принципу фазовой отсечки. Для этой цели необходимо устройство управления, которое с частотой сети выдает импульсы зажигания на каждый тиристор. Положение по фазе этих импульсов зажигания изменяется в соответствии с управляющим постоянным напряжением, выдаваемым в качестве выходного сигнала регулятора. Таким образом, с помощью приложенного управляющего напряжения средняя величина отдаваемого эффективного фазового тока может непрерывно изменяться от нуля до определенного максимального значения. При применении полностью управляемого регулятора мощности (силового регулятора) трехфазного тока можно путем соответствующей установки угла зажигания изменять направление потока энергии. Реверсивные схемы могут реализовываться также в сочетании с переключающимися контакторами.

Рис. 2. Функциональная схема комбинированной системы регулирования частоты вращения и тока якоря.

Быстрые изменения приложенного напряжения или меняющиеся нагрузки приводят к сильному перерегулированию тока и могут тем самым вызвать опасность повреждения привода. По этой причине по крайней мере для подъемных механизмов большой мощности предусматривается дополнительное управление током якоря, которое является вторичным (подчиненным) по отношению к управлению частотой вращения.

Состояние таких двухконтурных систем управления определяется различными временными характеристиками тока якоря и частоты вращения. Так как электрические постоянные времени машины, как правило, значительно меньше механических постоянных времени, ток очень быстро затухает, в то время как частота вращения убывает замедленно.

Если в результате изменения задающего параметра нлй под влиянием возмущающего воздействия (груз) происходит значительное отклонение частоты вращения, то вступает в действие ограничитель 01 и выходная величина ух регулятора частоты вращения Р1 достигает своего максимального значения. Тем самым контур управления частоты вращения также размыкается и он ведет себя как разомкнутая цепь управления. То же самое справедливо вначале и для контура управления током якоря. В этой очень короткой фазе частота вращения и ток устанавливаются свободно. Однако ввиду малого времени затухания ток быстро снижается до установленного предельного значения и в действие вступает схема управления тока. Значение тока якоря удерживается постоянным лишь до тех пор, пока отклонения частоты вращения выходят за предельное значение. В результате вступает в действие регулятор частоты вращения Р1 и снимается задающее воздействие уг на регулятор тока. Теперь машина управляется по частоте вращения. Таким образом, здесь имеет место система комбинированного управления. В результате отсечки и раздельного управления составляющими объекта управления 0Р1 и 0Р2 эффективная постоянная времени составляющих объектов управления значительно уменьшается.

Следует еще рассмотреть меры для генераторного торможения шкентельного барабана при натяжении под действием груза. Применяются различные методы торможения постоянным током. В устройстве, приведенном на рис. 10.4, в результате зажигания соответствующих тиристоров по обмотке на статоре электродвигателя протекает однополу пер йодный постоянный ток, который сильно тормозит ротор.

Другая возможность состоит в отсоединении статорной обмотки от сети и последующем подключении постоянного напряжения. В результате этого возникает поле, которое тормозит ротор. В электродвигателях с контактными кольцами, которые применяются реже из-за износа щеток, энергия ,ротора в тормозном режиме, как правило, преобразуется в тепло с помощью сопротивлений. При применении неавтономного (ведомого сетью) инвертора, который также может быть набран из тиристоров, энергия, выделяющаяся при торможении ротора, может практически без потерь рекуперироваться обратно в трехфазную сеть.

Электрическое торможение действует при нулевом положении рукоятки управления вплоть до очень низких значений частоты вращения.

В заключение следует привести подробную блок-схему автоматизированного привода подъемного механизма с применением электродвигателя трехфазного тока с контактными кольцами для работы в генераторных и двигательных квадрантах. Важными признаками этой схемы является применение интегратора заданного значения, комбинированного управления ограничением частоты вращения и тока, тиристорных регуляторов, реверсивных контакторов для изменения направления вращения и торможения посредством сопротивлений в цепи ротора. Более подробного пояснения схемы, ввиду приведенных выше данных, здесь не требуется.

Рис. 3. Блок-схема автоматики грузовой лебедки с асинхронным двигателем и ти-ристорным управлением.

Основная тенденция развития заключается в создании в будущем цифровых контуров управления с применением цифровой вычислительной машины, цифрового блока управления и полностью электронного регулятора мощности.

Автоматизация приводов по системе генератор—двигатель. Автоматизированные приводы подъемных механизмов с агрегатами Г—Д оснащаются в значительной мере такими же элементами, как и асинхронные приводы с изменяющейся частотой вращения.

При сравнительно невысоких требованиях применяются схемы управления с использованием напряжения якоря (напряжения Леонарда). При этом напряжение якоря, ввиду его линейной зависимости от частоты вращения, является эквивалентной управляемой величиной для частоты вращения двигателя. Однако при более высоких требованиях к точности приходится применять в качестве управляемой величины непосредственно частоту вращения. Блок-схема современной системы управления привода типа Г—Д изображена на рис. 10.7.

Способ преобразования сигнала уставки частоты вращения, вводимого посредством рукоятки управления в перемещение задат-чика с постоянной скоростью, был кратко описан выше.

Собственное управление частоты вращения происходит во внешнем контуре управления. Здесь в регуляторе Р1 производится сравнение модифицированного заданного значения параметра w*n с действительным измеренным его значением. Для ограничения тока якоря (тока Леонарда) предусмотрена дополнительная цепь управления по току. Принцип действия такой системы управления уже известен (см. стр. 265).

Часто вводится также и третий контур для управления током возбуждения генератора. Он обеспечивает снижение влияния постоянной времени возбуждения.

Для управляющего воздействия на возбуждение генератора и возрастающей мере применяются тиристорные регуляторы с импульсными блоками управления. Расчет тиристорного усилителя зависит также и от того, имеет ли генератор одну или две питаемые раздельно обмотки возбуждения. В случае одной обмотки предусматриваются специальные коммутационные устройства для реверсирования поля или якоря, или же должна применяться полностью управляемая мостовая схема трехфазного тока для изменения полярности напряжения якоря.

На практике в большинстве случаев применяют встречно-параллельную схему с двумя вентильными преобразователями тока, благодаря чему достигается короткое время реверсирования направления тока и потока энергии. При этом необходимы особые меры для максимального уменьшения циркуляционных токов, протекающих между обоими вентильными преобразователями. Изменение направления вращения привода достигается путем увеличения угла зажигания свыше 90°, причем меняется знак результирующего напряжения. Если изменяется направление внешнего момента, например под действием вызываемого грузом тягового усилия, то электродвигатель тормозится с постоянным моментом с обратной запиткой энергии в сеть (инверторный режим). При этом ток автоматически переходит на нужный в том или ином случае вентильный преобразователь.

Рис. 4. Блок-схема автоматики грузовой лебедки с приводом по системе Г—Д с тиристорным управлением.

Рис. 5. Вид на лицевую панель устройства обработки информации типа IVR 101 народного предприятия Elektroprojekt, Берлин (ГДР).

Устройства для управления приводами грузовых лебедок. Приведенные выше описания показывают, что контуры управления, применяемые для различных электрических приводов высокой точности с тиристорным питанием, имеют очень похожую структуру. При наличии достаточно широкого ассортимента тиристорных регуляторов с унифицированными входными величинами, предназначенных для питания различных по типу и величине номинальной мощности машин, необходимо иметь также в значительной мере одцотипное устройство для обработки информации. Для этого можно использовать типовые устройства, выпускаемые большими партиями, благодаря чему их изготовление будет экономичным. Кроме того, выпуск большого количества однотипных устройств позволяет перейти к более дешевой и компактной конструкции.

Учитывая эти условия, народное предприятия VEB Elektro-projekt (ГДР) разработало универсальный системный стандартный элемент с типовым обозначением IVR 101 для управления электроприводами. В него входят в качестве элементарных стандартных элементов два переключающихся транзисторных регулировочных усилителя (например, для применения в качестве регуляторов частоты вращения и тока якоря), два делителя действительных значений напряжения, центральный блок питания, включая источник напряжения заданной величины, а также блок импульсного управления для воздействия на полностью управляемые мостовые схемы трехфазного тока, которые объединены в общем корпусе. Точки измерения выведены на лицевую панель, благодаря чему облегчается контроль наличия неисправности-и определение места его возникновения.

Оптимальное по времени управление грузовыми операциями посредством крановых установок. Повышение производительности грузовых операций требует более высоких рабочих скоростей, и следовательно, сокращения продолжительности разгона. Дополнительное улучшение грузового процесса может быть достигнуто в том случае, если груз переносить от места подъема до места опускания по оптимальной траектории движения. При этом, однако должны учитываться имеющиеся геометрические условия, как например, форма бортовой обшивки судна, палубных надстроек и т. д. При повышении ускорения возникает усиленное качание груза на гаке, что мешает ритмичности работы. Поэтому существенное повышение рабочих скоростей связано одновременно с требованием того, чтобы возникающие при этом качания груза в значительной мере ликвидировались до достижения конечной точки цикла грузовой операции.

Поставленную задачу можно сформулировать как проблему оптимизации. Последняя заключается в том, что груз на гаке должен как можно быстрее переноситься из исходной в конечную позицию с учетом имеющихся геометрических ограничений, а также имеющейся в распоряжении мощности привода, причем в начале и в конце движения груз должен находиться в состоянии покоя.

Сформулированная проблема рассматривалась до сих пор для одномерного случая. Он приблизительно соответствует грузовым операциям со штучными грузами, например контейнерами или насыпными грузами, захватываемыми грейфером, который перемещается с помощью мостового перегружателя при постоянной длине грузового трося.

Рис. 6. Характеристика оптимального по времени движения тележки для двух различных расстояний

Автоматизация перегрузки посредством ленточных транспортеров.

Для перегрузки насыпных грузов судовыми средствами наряду с крановыми установками с грейферами применяются также ленточные транспортеры, на автоматизации которых мы также коротко остановимся.

Внутренняя система транспортировки состоит в этом случае из двух длинных проходящих по обоим бортам ленточных транспортеров для перемещения груза в направлении продольной оси судна, а также нескольких поперечных ленточных транспортеров. Сыпучий груз транспортируется с кормовых поперечных ленточных транспортеров через подъемный транспортер на выступающий за борт стреловидный ленточный транспортер. Кроме того, к системе относится большое количество насыпных заслонок с гидравлическими приводами.

Широкое применение автоматики обеспечивает возможность дистанционного управления грузовым процессом из двух постов управления на палубе (левого и правого борта). С помощью электрической следящей системы управления отдельные ленточные транспортеры пускаются в ход, блокируются между собой и при необходимости останавливаются в нужной последовательности. Кроме того, во время работы осуществляется контроль различных скоростей и нагрузок ленточных транспортеров.


Читать далее:

Категория Автоматизация судов