NASZE MAGAZYNY:
Najnowszy numer:

Zapoznaj się z zawartością
najnowszego numeru magazynu
Magazyn Dźwig 3/2019
Prenumerata
Aktualności
Archiwum czasopism
Precyzyjny system napędowy dla każdego

Amtek
Obecnie trudno sobie wyobrazić system sterowania dźwigu bez sterownika mikroprocesorowego czy przetwornicy częstotliwości. Podzespoły te zwykle współpracują ze sobą z wykorzystaniem sygnałów binarnych, a współpraca pomiędzy nimi oraz resztą dźwigu ogranicza się do minimum.

W dzisiejszym artykule opiszemy coś specjalnego – precyzyjny system, który wykorzystuje cyfrową komunikację pomiędzy kluczowymi elementami sterowania napędem.

Systemy mikroprocesorowe

Większość dostępnych na rynku systemów mikroprocesorowych wykorzystuje prostą koncepcję współpracy z urządzeniami peryferyjnymi. Na początku projektowano je z myślą o łatwej migracji ze sterowań przekaźnikowych, a następnie rozszerzano o możliwość użycia płynnej regulacji prędkości. Pozostały jednak wady takiego rozwiązania, wynikające w dużej mierze z przyzwyczajeń konstruktorów i instalatorów.

Nadal używane są czujniki dwustanowe pobudzane magnesami lub przesłonkami. System tego typu, choć mało wygodny i czasochłonny w ustawieniu i późniejszych korektach, dla wielu instalatorów nadal wydaje się rozwiązaniem niezastąpionym. System z przesłonkami jest również mało wygodny, gdy chcemy skorzystać z prędkości pośrednich i przy bardzo krótkich odległościach pomiędzy przystankami. Obecnie produkowane sterowania dźwigowe najczęściej wyposażane są w przetwornice częstotliwości. Ze swojego długoletniego doświadczenia z automatyką napędową mogę stwierdzić, że w wielu przypadkach wykorzystanie przetwornic częstotliwości ogranicza się do złagodzenia rozruchu, czy też możliwości pracy silnika w ogóle (np. silnik synchroniczny), natomiast użyteczne i dostępne bez dodatkowych opłat funkcje nowoczesnych przetwornic nie są wykorzystywane.

Od „przesłonek” do systemu pomiaru pozycji
Prędkość kabiny dźwigu z napędem linowym, ze względu na udział takich zjawisk jak poślizg lin na kole ciernym oraz uchyb regulacji prędkości, zawsze będzie rozbieżna od teoretycznej prędkości wynikającej z zadanej częstotliwości zasilania silnika.

Przy prostym układzie z falownikiem nie określamy dystansu do zatrzymania, a jedynie czas hamowania. Manewr hamowania rozpoczynamy z punktu ustawienia „przesłonki”, a trzeba pamiętać, że odległość każdej z „przesłonek” do przystanku różni się zależnie od precyzji montażu. Jeśli rzeczywista prędkość, z której rozpoczynamy hamowanie, będzie inna niż zakładana w teorii, to pokonany dystans będzie inny niż założyliśmy. Zwykle różnica w precyzji zatrzymania zależy od obciążenia kabiny oraz jest tym większa, im wyższa była prędkość, z której wyhamowujemy.

Niezawodne i dokładne pozycjonowanie kabiny zapewnić może układ składający się z: systemu pozycjonowania (tzw. APS – Absolute Positioning System), sterownika i przetwornicy częstotliwości. Elementy te muszą się ze sobą komunikować i wykorzystać dostępne informacje o pozycji oraz prędkości. W niniejszym artykule opiszemy rozwiązanie zbudowane w oparciu o sprawdzony system składający się z falownika Fuji Electric FRENIC Lift LM2A, sterownika Kollmorgen MPK411 oraz liniowego czujnika odwzorowania typu LIMAX.
Napęd dźwigu jest odpowiedzialny zarówno za komfort, precyzję zatrzymania, szybkość wykonania zadania, jak również niezawodność działania dźwigu. Aby to osiągnąć powinniśmy poszczególne elementy takie jak wciągarka z olinowaniem, falownik, instalacja szybowa oraz sterownik rozważać jako kompletny system.
Bez dokładnej stabilizacji prędkości, kontroli pozycji kabiny i proaktywnego zachowania się systemu sterowania trudno wyobrazić sobie bezpieczną i niezawodną pracę dźwigu. Użycie w prezentowanym systemie komunikacji CANopen CiA417 (dedykowanej do systemów napędowych w dźwigach) pozwoliło na bardzo szybkie i niezawodne przekazywanie informacji o pozycji kabiny do sterownika i falownika.

Historia modernizacji
Opisywany w tym artykule system sterowania został przygotowany dla modernizacji istniejącego dźwigu pracującego na promie morskim. Specyfika miejsca instalacji oraz wymogi inwestora przyczyniły się do zastosowania wysokiej jakości komponentów, zapewniających niezawodność pracy i dostępność dźwigu. Dźwig ten jest intensywnie wykorzystywany podczas transportu towarów pomiędzy pokładami (magazyny, sklepy i kuchnia są na innych pokładach) oraz przez załogę statku w czasie pełnienia służby. Głównymi priorytetami były: dostępność oraz skrócony do minimum czas oczekiwania na przejazd.
Naturalnym wydało się zastosowanie systemu z natychmiastową orientacją w szybie (w przypadku możliwej usterki czy przerwy w zasilaniu, sterownik nie musi wykonywać jazdy orientacyjnej), hamowaniem bezpośrednio do poziomu przystanku bez użycia prędkości dojazdowej (skrócony czas przejazdu) oraz dokładnością zatrzymania pozwalającą na bezproblemowe użycie wózków magazynowych.



Składniki systemu napędowego

Za odczyt pozycji absolutnej, czyli niezależnej od momentu odczytu i przerw w zasilaniu, odpowiada czujnik typu LIMAX. Wykorzystuje on kodowaną taśmę magnetyczną na podłożu ze stali nierdzewnej, która pozwala na odczyt z dokładnością do 0,0625mm i prędkością jazdy do 10m/s. W opisywanym rozwiązaniu zastosowano głowicę dla dźwigów o prędkości do 4m/s i rozdzielczości odczytu 0,5mm. Głowica pomiarowa włączona jest do wspólnej szyny CAN. Głowica tego typ została wybrana również z tego powodu, że nie jest wrażliwa na występujące na statku wibracje o dużej amplitudzie oraz znaczne przechyły. Napęd dźwigu stanowi przetwornica częstotliwości FRENIC Lift LM2A (Fuji Electric) wraz z istniejącą wciągarką reduktorową z silnikiem asynchronicznym ujętym w pętlę regulacji prędkościowej. Falownik sterowany jest poprzez protokół CANopen CiA417, co pozwoliło na sterowanie pozycją kabiny zamiast tradycyjnego sterowania prędkościami. Podłączenie sterownika, falownika i czujnika pozycji na wspólnej szynie CAN pozwala na szybszą wymiana informacji pomiędzy urządzeniami, a co za tym idzie polepszenie komfortu i dokładności pozycjonowania kabiny na przystankach. Zasada działania systemu z pełna szyną CAN jest podobna jak w alternatywnym systemie DCP4 (opisywany w numerze 2/2016 Magazynu Dźwig). Jednakże w DCP4 to sterownik zbiera dane o pozycji i po przetworzeniu przekazuje je do falownika jako informację o pozostałej drodze, zatem nieuniknione są opóźnienia w transmisji i przetwarzaniu danych.  Wady tej pozbawiony jest system oparty o protokół CANopen CiA417, w którym wymiana danych pomiędzy urządzeniami jest bezpośrednia i prowadzona przy większej prędkości wynoszącej 250kbps. Układ zasilania silnika wykorzystuje funkcję bezpiecznego wyłączenia momentu STO (SIL3, HFT=1), co przekłada się na zmniejszenie liczby aparatów elektrycznych, czyli także mniejsze prawdopodobieństwo wystąpienia usterek. Co ważne - FRENIC Lift LM2A ma specjalne zabezpieczenie obwodów bezpieczeństwa falownika.  Dodatkowe warstwy ochronne pozwalają na użytkowanie w trudnych warunkach środowiskowych panujących np. na pokładzie statku.
Jednostką centralną opisywanego systemu jest sterownik MPK411 firmy Kollmorgen. Z jego pomocą zredukowano do minimum liczbę przewodów pomiędzy maszynownią a kasetami wezwań, wyświetlaczami piętrowymi i kabiną. Do tego celu wykorzystano wspomnianą wcześniej szynę komunikacji CAN. Oprócz jawnej redukcji liczby przewodów, a co za tym idzie ich kosztów, pozbyto się potencjalnych problemów z zakłóceniami elektromagnetycznymi oraz różnicami potencjałów wynikającymi bezpośrednio ze stosowanej na okrętach topologii sieci zasilającej.

Zalety systemu

Przy okazji omawiania systemu sterowania należy wspomnieć o znacznym uproszczeniu układu elektrycznego. Na fotografii widzimy przejrzysty układ tablicy sterowej dźwigu. Mała liczba podzespołów to nie tylko oszczędność miejsca, ale także wpływ na niezawodność czy szybkość usunięcia usterek. Dodatkowo sterownik zapewnia rozbudowane opcje diagnostyki sytemu, tzn. odwzorowania, modułów piętrowych i kabinowych, obwodu bezpieczeństwa.
Dostęp odbywa się przez interfejs graficzny na komputerze lub smartfonie. W razie potrzeby można skorzystać z połączenia zdalnego poprzez sieć Ethernet i uzyskać nie tylko zdalny dostęp do sterownika, ale również do wirtualnej konsoli programowania falownika.
Sterownik zapewnia także szybkie uruchomienie dźwigu oraz kalibrację poziomów przystanków. Użycie systemu sterowania pozycją kabiny powoduje, że nie są konieczne żmudne kalibracje czasów przyspieszania i hamowania, korekty prędkości dojazdowej (która w tym systemie nie występuje). Cały profil jazdy oraz możliwe do osiągnięcia na danym odcinku prędkości ustawiane są automatycznie z uwzględnieniem komfortu jazdy. Również liczba koniecznych do ustawienia w falowniku parametrów ograniczona jest do niezbędnego minimum.
Dokładność zatrzymania, jaką uzyskano w tym dźwigu i widoczna z poziomu sterownika wynosi 0mm, czyli idealnie w zadaną pozycję. Przy prędkości dźwigu wynoszącej 1m/s i bezpośrednim zatrzymaniu (bez prędkości dojazdowej) należy wynik uznać za doskonały.

Podsumowanie

Wdrożenie nowoczesnego systemu napędowego dźwigu elektrycznego nie musi wiązać się z wyjątkowym stopniem skomplikowania i ponadstandardową wiedzą inżynierską czy informatyczną. Wystarcza użycie sprawdzonych podzespołów komunikujących się specjalną wersją dźwigową CANopen. Taki system obniża koszty zarówno uruchomienia, późniejszej konserwacji, jak i energii elektrycznej zużywanej przez napęd. Otwiera również możliwości zadanego monitorowania i predykcyjnej konserwacji.
Na koniec chciałbym podziękować producentowi systemu sterowania - firmie MSDL Radosław Lemański za udostępnienie zdjęć oraz danych pomiarowych z wykonanej modernizacji, jak również za podzielenie się spostrzeżeniami z eksploatacji opisywanego dźwigu.

Tomasz Śliwakowski
www.amtek.pl
admin | dodano 2019-06-05
TAGI: Magazyn Dźwig | napędy | Amtek