- Automatyzacja portów
- Mobilne sterowniki przemieniają żuraw portowy w inteligentną maszynę
Mobilny sterownik przemienia żurawie w inteligentne maszyny
Rys. 1: Indusign buduje od 10 do 14żurawi przeładunkowych rocznie. Są one sprzedawane na całym świecie pod nazwą handlową E-Crane.
Szybszy załadunek i rozładunek statków zyskuje na znaczeniu ze względu na rosnący popyt i zwiększającą się liczbę masowców. Oznacza to, że do przeładunku towarów masowych potrzebne są większe żurawie przeładunkowe. Firmy przeładunkowe mają jednak trudności ze znalezieniem doświadczonych operatorów żurawi. Dlatego przemysł poszukuje żurawi o większej mocy, które byłyby tak łatwe w obsłudze, jak to tylko możliwe.
W ostatnich latach trendy te wywołały ewolucję w firmie Indusign – belgijskim producencie żurawi przeładunkowych z siedzibą w Adegem. Firma została założona w 1990r. jako biuro inżynierskie, ale po kilku latach i w odpowiedzi na prośby wielu klientów przestawiła się na produkcję. Obecnie buduje od 10 do 14 żurawi rocznie, które to są używane na całym świecie pod marką E-Crane.
Oto kilka imponujących parametrów: największy żuraw ma wysokość 25m, zasięg 45m, może przemieszczać 45ton na cykl i jest wyposażony w silnik napędowy o mocy 600kW. Wykorzystanie tych gigantów rozpowszechniło się już dawno temu. Jeszcze 10lat temu przeciętny udźwig żurawi przeładunkowych wynosił od 5 do 10ton; dzisiaj jest to od 10do 30ton. Jest to jedyna możliwość przyspieszenia procesów logistycznych w portach. Tego typu żurawie nie mogą być porównywane z żurawiami wyciągowymi: te drugie są zaprojektowane do ograniczonej liczby ruchów w ciągu dnia, natomiast żurawie przeładunkowe mogą być używane stale. Co więcej, od tego typu urządzeń oczekuje się szczególnej elastyczności, ponieważ żurawie muszą być zdolne do przemieszczania kontenerów, podnoszenia ładowarek na pokład itp.
W ostatnich latach dzięki E-Crane firma Indusign wprowadziła elektroniczne sterowanie żurawiami. Pierwszym powodem tego było zastąpienie początkowo używanych manipulatorów drążkowych z zaworami hydraulicznymi wersją elektroniczną, zważywszy na to, że wersja hydrauliczna jest coraz rzadziej używana. Sterownik zapewniał następnie przekształcenie sterowania elektronicznego w sterowanie zaworami hydraulicznymi zainstalowanymi na żurawiu. Po wprowadzeniu sterownika dodawano coraz więcej funkcji, dzięki czemu dziś jest to inteligentna maszyna ze sterowaniem, wizualizacją i nowoczesnymi możliwościami diagnostycznymi.
Zrównoważony projekt
Litera E w nazwie żurawia E-Crane oznacza „equilibrium” i odnosi się do specyficznego dla niego pojęcia równowagi. Wysięgnik (główne ramię) jest równoległobokiem. Drugie ramię jest łącznikiem, który łączy ramię przednie z przeciwwagą żurawia. Ruch przedniego ramienia odbywa się poprzez wychylenie przeciwwagi za pomocą siłownika hydraulicznego, który jest przenoszony na przednie ramię za pomocą drążka łączącego. Rezultat: przeciwwaga odchyla się do tyłu w czasie, gdy przednie ramię porusza się do przodu, dzięki czemu środek grawitacyjny całej konstrukcji pozostaje na swoim miejscu.
Dzięki takiej równowadze można zaoszczędzić energię, ponieważ moc silnika jest wykorzystywana tylko do podnoszenia rzeczywistego ładunku i, oczywiście, do poruszania żurawia, ale nie do kompensowania nierównowagi. W przeciwieństwie do żurawi kablowych konstrukcja ta ma jeszcze jedną zaletę: ładunek nie może się kołysać, dzięki czemu możliwa jest szybsza praca, która jest bardziej niezależna od doświadczenia operatora żurawia. Żurawie są obsługiwane za pomocą dwóch manipulatorów - joysticków. Oprócz ruchu wysięgnika i ramienia przedniego oferują możliwość obracania żurawia oraz otwierania, zamykania i obracania chwytaka. Wszystkie te ruchy są napędzane hydraulicznie, dlatego żuraw ma na swoim pokładzie silnik elektryczny i pompę hydrauliczną.
Przejście na sterowanie elektroniczne wynika z faktu, że wcześniej stosowane manipulatory z zaworami hydraulicznymi nie są już dostępne. Miały one zostać zastąpione elektronicznymi joystickami i nowym sterownikiem do konwersji elektrycznych sygnałów wejściowych do sterowania zaworami hydraulicznymi. Wkrótce okazało się jednak, że sterowanie elektroniczne oferuje wiele dodatkowych możliwości, takich jak kontrola przyspieszania i zwalniania na końcu strefy roboczej. Zachowanie żurawia jest mniej gwałtowne, co pozytywnie wpływa na jego bezpieczeństwo i trwałość.
Jednocześnie możliwe było podłączenie do sterowania wszelkiego rodzaju czujników, aby dostosować prędkość do ciężaru ładunku oraz zintegrować ochronę przed przeciążeniem sterowania.
Kolejną logiczną zmianą jest to, że operator żurawia ma teraz do dyspozycji interfejs graficzny z cyfrowym odczytem stanu żurawia. Obciążenie żurawia jest najważniejszym parametrem dla operatora, ale interfejs w sposób graficzny przedstawia również całą serię komunikatów o błędach. Interfejs posiada m.in. dużą liczbę ekranów diagnostycznych umożliwiających dostęp do szeregu danych o stanie żurawia. Kompaktowa karta pamięci flash w interfejsie graficznym zapisuje wartości około 60zmiennych co mniej więcej dwie sekundy.
Wszystko to znacznie zmieniło metody pracy operatorów i personelu konserwacyjnego dostawcy. W przeszłości, gdy przykładowo psuł się kabel przyłączeniowy czujnika dynamometrycznego (obciążenia) ramienia żurawia, prowadziło to do unieruchomienia żurawia ze względów bezpieczeństwa, a system bezpieczeństwa był mostkowany w szafie sterowniczej przekaźnika.
Obecnie odbywa się to na poziomie oprogramowania, co oznacza, że wspólnie z dostawcą można podjąć decyzję o tymczasowym mostkowaniu systemu bezpieczeństwa. Procedura ta jest rejestrowana, może wyzwalać alarm itp. i w ten sposób pozwala na tymczasowe zmniejszenie prędkości i zaprogramowanie interwencji konserwacyjnej. Takie rozwiązanie zwiększa wydajność, niezawodność oraz żywotność maszyny.
Mobilny sterownik do pracy w ekstremalnych warunkach
Po dokładnych rozważaniach do tego zastosowania wybrano mobilne sterowniki z serii R360 firmy ifm electronic. Typową zaletą „mobilnych” sterowników PLC w porównaniu ze sterownikami „przemysłowymi” jest ich większa wytrzymałość. W tym przypadku sterowniki posiadają odporność na wstrząsy objętą certyfikatem 1; pracują w zakresie temperatur od -40 do +60°C, posiadają stopień ochrony IP 67 i są wysoce odporne na zakłócenia elektromagnetyczne. Innym ciekawym aspektem tego zastosowania jest niskie napięcie zasilania, które pozwala na zasilanie z akumulatora. Dzięki temu żuraw może funkcjonować samodzielnie.
Kolejnym ważnym kryterium dla konstruktora żurawia był otwarty charakter systemu. Firma Indusign posiada specjalistyczną wiedzę inżynierską i chce rozwijać i opanować technologię swoich maszyn. Sterowniki PLC firmy ifm są programowane za pomocą CodeSys, otwartego standardu, dla którego dostępna jest kompletna biblioteka z modułami oprogramowania dla różnych elementów instalacji. Dzięki temu firma nie jest uzależniona od jednego dostawcy systemów w zakresie czujników, zaworów i innych komponentów. W odniesieniu do wspomnianej wiedzy specjalistycznej zastosowała ona dość spontaniczną, ale skuteczną metodę zaangażowania wszystkich pracowników w przejście na sterowanie elektroniczne. W zakładowej stołówce umieszczono instalację testową ze sterownikiem PLC, interfejsem człowiek-maszyna i symulacją wszystkich odpowiednich wejść/wyjść. Każdy operator miał możliwość poćwiczyć jej obsługę w swoim wolnym czasie. Ponadto dział techniczny otrzymał podobną instalację do celów testowych i wdrożenia wymagań klientów.
Automatyzacja żurawia oparta jest na magistrali CAN, dla której mobilny sterownik PLC posiada standardowy interfejs. W magistrali znajduje się pięć wysp wejściowych/wyjściowych: dwie w „zespole napędowym” z silnikiem i pompą hydrauliczną, dwie w kabinie kierowcy i ostatnia na podwoziu żurawia w pobliżu zaworów. Nawet wyświetlacz, który również został opracowany przez ifm, jest podłączony do magistrali CAN i zapewnia dostęp do wszystkich parametrów systemu. Na poziomie interfejsu dostępne są też wszystkie zmienne okresowo zapisywane na karcie pamięci. Historia ta jest przydatna w przypadku diagnostyki i konserwacji, dla których określone interfejsy zostały ponownie zaprogramowane na poziomie wyświetlacza.
Zdalna diagnostyka
Automatyzacja żurawi przyniosła ze sobą jeszcze jedną możliwość: zdalnej diagnostyki. W tym celu zintegrowano specjalny modem GSM z systemem na magistrali CAN. Modem ten pozwala na połączenie się z każdym żurawiem z zakładu w Adegem, niezależnie od tego, w jakim miejscu na świecie taki żuraw się znajduje. Jest to modem trzypasmowy, który dostosowuje się do sieci w miejscu, w którym się znajduje. Zdalne połączenie nie jest trudne pod względem technicznym. Zakład ma taki sam dostęp do zmiennych na magistrali, jak wyświetlacz na żurawiu. Możliwy jest więc podgląd tych samych żurawi, co ich operator, w czasie rzeczywistym, za pomocą podobnego oprogramowania. Poprzedni przykład z uszkodzonym kablem czujnika mógłby zostać rozwiązany przez modem wspólnie z użytkownikiem i dostawcą. Różne poziomy użytkowników określają, kto może brać udział w jakiej interwencji. Dane otrzymane przez modem mogą być również przesyłane do instalacji testowej działu inżynieryjnego.
Problemem wynikającym z takiej koncepcji z magistralą CAN jest to, że sterownik PLC będzie odgrywał centralną, ale i kluczową rolę dla funkcjonowania żurawia. Choć wcześniej wieloma poszczególnymi regulacjami sprzętu zajmowali się doświadczeni pracownicy utrzymania ruchu, dziś wszystkie modyfikacje są rozpoczynane za pomocą oprogramowania. W przypadku tych gigantów jest to dość dziwna sytuacja, jako że mobilny sterownik PLC na pierwszy rzut oka wydaje się być mało istotnym elementem całego systemu, jeśli chodzi o wymiary czy wartość. Firma Indusign stosuje takie samo otwarte podejście do tego problemu, jak przy wyborze sterownika. Innymi słowy, każdy klient, który chciałby dokonać adaptacji sterowania, otrzyma od dostawcy kod źródłowy. W praktyce takie żądanie nie zostało jeszcze przedstawione. Żurawie te są częścią rynku, który producent zna dogłębnie i w którym wszystkie funkcje systemu są opracowywane tak, aby sprostać wymaganiom branży. Ostatnie wyjście: istnieje też możliwość wdrożenia interfejsu z innymi systemami oprogramowania użytkownika z kabiny żurawia.
