Báo cáo nghiên cứu khoa học mô HÌNH điều KHIỂN CÔNG đoạn tự ĐỘNG CHO cần TRỤC CONTAINER

MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CÔNG ĐOẠN TỰ ĐỘNG CHO
CẦN TRỤC CONTAINER
THE AUTOMATIC PHASE CONTROL MOCK- UP FOR QUAYSIDE
CONTAINER CRANE
NGUYỄN XUÂN HÙNG
Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng
LÊ BÁ VŨ
Học viên cao học khoá 2004-2007

TÓM TẮT
Bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu thiết kế một mô hình điều khiển công đoạn tự động cho
cần trục container ở các Cảng biển.
ABSTRACT
This article presents the results of research on designing an automatic phase control mock-up
for Quayside Container Crane.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong công cuộc hội nhập kinh tế quốc tế ở nước ta hiện nay, việc đầu tư và đưa vào sử
dụng các cần trục container lớn phục vụ cho hệ thống Cảng biển nước sâu ngày càng nhiều.
Tuy nhiên, do đặc thù công việc, không thể tự động hóa quá trình khai thác xếp dỡ cho các
cần trục này. Chính vì không thể điều khiển tự động được nên quá trình tăng tốc cũng như quá
trình hãm xe lăn trong quá trình khai thác không theo một quy luật nào dẫn đến khối hàng dao
động là điều khó tránh khỏi. Vì vậy năng suất bốc xếp phụ thuộc vào rất nhiều tay nghề người
công nhân vận hành.
Do vậy việc tiếp cận, chế tạo hệ thống điều khiển tự động cho cần trục là vấn đề cấp thiết
về mặt lý luận cũng như thực tiễn.
2. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
Trước khi vào vấn đề chính, xin trình bày mô hình tính toán động lực cơ cấu di chuyển xe
lăn để khảo sát dao động của khối hàng.
2.1. Dao động ngang của khối hàng khi xe lăn tăng tốc hay dừng lại
Sơ đồ tổng quát của kết cấu cần trục thể hiện dưới dạng 2 khối lượng, khối lượng m0

chuyển động thẳng đều, còn khối lượng m2 dao động và gắn liền với khối lượng m0 bằng khớp
nối cứng (không đàn hồi). F(t) - Lực tăng tốc hoặc lực hãm. (xem Hình 2.1)

Hình 2.1. Sơ đồ chuyển động
của xe lăn và khối hàng


Phương trình chuyển động của khối hàng, xe lăn có dạng
 d 2 q d 2 q0  m2 g

m 2  2 
q  0 (2.1)
2 
l
dt
dt


d 2 q0 m 2 g
m0

q  F t  (2.2)
l
dt 2
d 2 q0

Từ phương trình (2.1) ta thu được:
Thay

d 2 q0

dt 2
d 2q
2

d 2q
dt

2

g
q
l



vào phương trình (2.2) ta được phương trình vi phân chuyển động khối hàng:

g
m 0  m 2 q  F t 
l
dt
d 2q g  m 
F t 
 2  1  2  q 
l
m
m0
dt
0 


m0

dt

2





(2.3)

Nghiệm tổng quát của phương trình (2.3) có dạng:
q  A sin

g  m2 
g  m2 
1 
t  B cos
1 
t   t  (2.4)
l 
m0 
l  m0 

(t) - Nghiệm riêng của phương trình (2.3). Lấy gần đúng F(t)  P và thay F(t) vào phương
trình (2.3) ta sẽ có nghiệm riêng
 t  

Pl

m 0  m 2 g

Lúc đó (2.4) có dạng
m 
g
Pl
1  2 t 
l 
m0  m0  m 2 g
dq
Điều kiện ban đầu khi t = 0 thì q  0;  0
dt
Pl
Khi đó: A  0; B  
m0  m2 g
q  A sin

q

g  m2 
1 
t  B cos
l  m0 

(2.5)


m 
Pl
g

1  cos
1  2 t  (2.6)
m0  m 2 g 
l 
m0  


Dao động ngang của hàng hóa không phải là điều chúng ta mong muốn. Chúng ta xét một
vài biện pháp giảm dao động sau khi tăng tốc hoặc hãm máy.Lấy đạo hàm phương trình (2.6)
theo t ta được phương trình vận tốc của khối hàng
m 
dq
P
l 
1  2  sin

dt m0  m2  g 
m0 

Khi q  0;

dq
 0 thì
dt

m 
g
1  2 t
l 
m0 

m 
g
1  2 t  2 n
l 
m0 

Với n - số nguyên dương


Rỏ ràng vào thời điểm q  0,

dq
 0 mà không có P (tức P = 0) thì dao động khối hàng
dt

không có. Lực P được lấy bằng không (= 0) khi quá trình tăng tốc hoặc hãm kết thúc. Thành ra
thời gian tăng tốc và dừng lại phải lấy bằng
m0l
m0  m 2 g

t  2n

(2.7)

Với t được chọn như vậy, thì chuyển động của khối hàng sau khi xe lăn tăng tốc hay hãm
chắc chắn là không dao động
2.2. Ứng dụng vào thiết kế hệ thống điều khiển cần trục
Mô hình nghiên cứu được mô tả trên hình 2.2.

Lên / Xuong

Buong may

Xe lan

Vào / Ra

Trai / Phai
1

2

Hình 2.2. Mô hình cần trục

Cần trục có 3 hoạt động chính: Di chuyển qua trái/phải của cần trục, di chuyển vào/ra xe
lăn và di chuyển lên/xuống của ngáng làm hàng. Trong quá trình khai thác, tất cả di chuyển
này đều được điều khiển bởi người vận hành ngồi trong xe lăn. Sau khi bốc dỡ mã hàng thứ
nhất, đến mã hàng thứ hai thì khoảng cách ra/vào xe lăn hoặc khoảng cách lên/xuống của
ngáng làm hàng đã thay đổi. Vì vậy với một cần trục QCC quy mô lớn, hiện đại và được sử
dụng rộng rãi ở các Cảng biển lớn trên thế giới nhưng quá trình khai thác bốc dỡ hàng không
thể tự động được
Mặc dù không thể tự động hoàn toàn các hoạt động của cần trục, chúng ta vẫn có thể tự
động một phần trong các hoạt động đó.
Bài toán được đặt ra như sau:
- Quy định vị trí đỗ xe cố định phía dưới theo đúng các làn đường 1,2 và trên ray xe lăn di
chuyển ta đặt các công tắc hành trình tương ứng với các vị trí làn đường 1, 2 phía dưới.
- Sử dụng một chủng loại xe Container lấy hàng hay tập kết hàng.
Ta sẽ tự động hóa quá trình sau:
Sau khi ngáng container đóng chốt cặp được mã hàng dưới tàu hoặc sau khi ngáng

container mở chốt thả hàng xuống tàu  Mô tơ cơ cấu nâng hạ hoạt động điều khiển ngáng đi
lên đến điểm giới hạn trên  Mô tơ cơ cấu nâng hạ dừng, mô tơ cơ cấu di chuyển hoạt động
điều khiển xe lăn đi vào đến đúng vị trí đậu của xe  Mô tơ cơ cấu di chuyển dừng, mô tơ cơ
cấu nâng hạ hoạt động điều khiển ngáng đi xuống đến giới hạn dưới  Mô tơ cơ cấu nâng hạ
dừng  Kết thúc quá trình.
Qua phân tích nguyên lý vận hành, chúng tôi thiết kế sơ đồ điều khiển như hình 2.3


INVERTER

INVERTER

INVERTER

PLC

Hình 2.3. Sơ đồ điều khiển hệ thống

Từ phần mô tả hoạt động của cần trục, ta lập sơ đồ thuật toán điều khiển cho các hoạt
động của cần trục như sau:
Trên Cabin vận hành sử dụng công tắc xoay 2 chế độ: Auto và Manual.
Và công tắc xoay chọn các line 1, line 2.
- Khi vận hành cần trục bằng tay, ta gạt công tắc sang chế độ Manual và thực hiện thao tác
vận hành như vào/ra xe lăn, lên/xuống ngáng container và di chuyển cần trục qua trái/phải.
- Khi chuyển qua công đoạn tự động, ta gạt công tắc sang chế độ Auto. Lúc này công tắc
xoay chọn line 1 và line 2 mới có tác dụng. Khi bắt đầu vận hành công đoạn tự động, ta nhấn
nút Start.
Dừng khẩn cấp

Hạ

Line 2 Line 1

Vào

START
Phải

Trái

Di chuyển
cần trục

Ra

Nâng

Di chuyển
xe lăn

Nâng
hạ hàng

Chế độ làm việc
Manual

Auto

Mở

Khoá

Chốt container

Ghế ngồi

Hình 2.4. Bàn điều khiển

Thuật toán điều khiển công đoạn tự động (Auto)
a) Giản đồ trạng thái
DELAY
t+t

DELAY
t+t

MOTO CO CAU
NANG HA

DELAY
t

n1

t

0
s

NGANG LAM

HANG CONT.

s

b1
b0

MOTO CO CAU DI
CHUYEN

n2

t

0
s

c1

XE LAN
c0
1

CONG TAC GIOI
HAN TREN

0
1

CONG TAC GIOI

HAN LINE i

0
1

CONG TAC GIOI
HAN DUOI

0
t

t

t

Hình 2.5. Giản đồ trạng thái


m0 l
m0  m 2 g

Từ công thức (2.7): t  2n

Ta tính được thời gian tăng tốc cũng như thời gian hãm chuyển động xe lăn để khối hàng
không dao động  t  Tương ứng tính được đoạn đường s
Để an toàn hệ thống, sau khi khối hàng đi lên dừng lại khoảng thời gian t, lúc đó ta mới
khởi động mô tơ cơ cấu di chuyển điều khiển xe lăn đi vào. Tương tự khi xe lăn dừng lại
khoảng thời gian t, lúc đó mới khởi động mô tơ cơ cấu nâng hạ điều khiển khối hàng đi xuống.
Theo sơ đồ điều khiển hệ thống, PLC xuất tín hiệu đến Inverter, sau đó Inverter điều khiển
hoạt động các mô tơ điện. Nên đặt giá trị t+t vào Inverter cho quá trình tăng tốc hoặc hãm

của motor vì vậy có thời gian delay t trên sơ đồ thuật toán.
b) Sơ đồ chức năng
Giải thích:
Auto, satrt
g/h trên:off,g/h line i:off

- Có Auto, start
- g/h trên:off, g/h linei:off
- Xuất M1

0

Ban đầu

1

Mô tơ nâng

- Có M1, g/h trên:on
- Tắt M1, Delay =t+t1

Timer

Delay t+t1

- Sau t+t1
- Xuất M2

2

Mô tơ vào

- Có M2, g/h line i
- Tắt M2, Delay =t+t1

Timer

Delay t+t1

- Sau t+t1
- Xuất M1,

3

Mô tơ hạ

- Có M1, g/h dưới
- Tắt M1, Delay =t

Timer

Delay t

- Sau t

4

Kết thúc

g/h trên

t=t+t1
g/h line i
t=t+t1
g/h dưới
t=t

c) Thiết kế hệ thống điều khiển
- Sơ đồ mạch động lực
R
S
T

Automat

INVERTER

INVERTER

L1 L2

24

L1 L2

K1

L1 L2

KM2

Ro le
nhiet

Ro le
nhiet

M2

24

K5

K4

M1

Mô tơ điều khiển
cơ cấu nâng hạ

24

K3

K2

KM1

INVERTER

K6

M3

Mô tơ điều khiển
cơ cấu di chuyển

Mô tơ điều khiển
di chuyển cần trục

M

M

Mô tơ bơm điều Mô tơ bơm điều
khiển kẹp ray khiển chốt cont.

- Sơ đồ mạch điều khiển thủy lực
X y la nh A

I1.5
a0

I1.4
a1
A
A

X y la nh B

I1 .7

b0

+

I1.6
b1
B

-

B

+
-

Xy lanh A:
CH 1
Q 1.0

CH2
Q 1.1

CH 3
Q 1.2

Xy lanh B:

C H4
Q 1.3

+:

A Đóng kẹp ray B+:Đóng chốt Cont.
A-: Mở kẹp ray

B-: Mở chốt Cont.


- Sơ đồ kết nối PLC với các thiết bị ngoài
N
I 0.0
I 0.1
I 0.2

Q 0.0

I 0.3

Q 0.1

I 0.4
Q 0.2

I 0.6

Q 0.3

I 0.7
Q 0.4

I 1.1

Q 0.5

I 1.4
I 1.5

PLC S7-200

I 1.0

I 1.3

K1
K4

I 0.5

I 1.2

K2

Q 0.6

K3
K6
K5

K1

Điều khiển quá trình nâng hàng

K2

Điều khiển quá trình hạ hàng

K3

Điều khiển xe lăn vào

K4

Điều khiển xe lăn ra

K5

Điều khiển cần trục qua trái

K6

Điều khiển cần trục qua phải

C

Còi báo hiệu cần trục di chuyển

Q 0.7
Q 1.0

CH 1

Cuộn hút van dầu điều khiển đóng kẹp ray

Q 1.1

CH 2

Cuộn hút van dầu điều khiển mở kẹp ray

I 2.1

Q 1.2

KM1

Khởi động từ mô tơ bơm ĐK kẹp ray

I 2.2

Q 1.3

KM2

Khởi động từ mô tơ bơm ĐK chốt container

I 2.4

Q 1.4

CH 3

Cuộn hút van dầu điều khiển đóng chốt container

I 2.5

Q 1.5

CH 4

Cuộn hút van dầu điều khiển mở chốt container

I 1.6
I 1.7
I 2.0

I 2.3

I 2.6
I 2.7
I 3.0
I 3.1
I 3.2

3. KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN
Từ công thức nghiên cứu động lực học các cơ cấu công tác của cần trục. Xây dựng được
mô hình điều khiển một công đoạn tự động cho cần trục. Trong đó, giải quyết tốt các vấn đề:
- Thiết kế sơ đồ mạch động lực hệ thống
- Thiết kế hệ thống điều khiển nối kết với PLC
- Thiết lập được chương trình điều khiển tự động PLC
4. KẾT LUẬN

Việc tiếp cận và tự thiết kế một công đoạn điều khiển tự động cho cần trục Quayside
Container Crane dẫn đến giảm chi phí đầu tư, tăng năng suất bốc xếp.
Góp phần vào sự phát triển lãnh vực thiết kế chế tạo hệ thống tự động điều khiển đáp ứng
được yêu cầu của chiến lược phát triển Khoa học và công nghệ đến 2010 của ngành Tự động
hoá và Cơ điện tử.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]

Lê Hoài Quốc, Chung Tấn Lâm (2006), Bộ điều khiển lập trình PLC. NXB Đại học
quốc gia, TP Hồ Chí Minh.
Trần Xuân Tuỳ (2002), Hệ thống điều khiển tự động thuỷ lực, NXB Khoa học và Kỹ
thuật.
Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Vũ Văn Hà (2000), Tự động hóa với S7–200,
NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
Yaskawa Siemens, Tài liệu hướng dẫn vận hành PLC trên cần trục QCC, Japan.
Комаров М. С. (1968), Динамика грузоподъемных машин, Машгиз