- Hamnautomation
- Mobila styrenheter förvandlar hamnkranen till en intelligent maskin
Mobila styrenheter omvandlar kranar till intelligenta maskiner
Fig.1: Indusign bygger 10 till 14 omlastningskranar per år. De säljs över hela världen under varumärket E-Crane.
På grund av den ökande efterfrågan och det stigande antalet fraktfartyg har en snabbare lastning och lossning av skepp blivit alltmer viktig. Det innebär också att det krävs större omlastningskranar för hanteringen av fraktgods. Lastarna har därför svårigheter att hitta erfarna kranoperatörer. Det är anledningen varför branschen efterfrågar kraftfullare kranar som är så enkla att hantera som möjligt.
Under de senaste åren har dessa trender provocerat fram en evolution hos Indusign, en belgisk tillverkare av omlastningskranar med säte i Adegem. Företaget grundades år 1990 som ett ingenjörskontor, men efter några år och på begäran av flera kunder gick man över till tillverkning. Idag bygger företaget årligen 10 till 14 kranar som används över hela världen under varumärket E-Crane.
Några imponerande siffror: den största kranen har en höjd på 25 m, en räckvidd på 45 m, den kan förflytta 45 ton per cykel och är utrustad med en drivmotor på 600 kW. Användningen av dessa jättar har blivit vanlig sedan länge. Bara för 10 år sedan hade omlastningskranar en genomsnittlig kapacitet på 5 till 10 ton; idag är det 10 till 30 ton. Det är enda möjligheten att påskynda logistikprocesserna i hamnarna. Dessa kranar går inte att jämföra med vanliga lyftkranar. De sistnämnda kranarna är faktiskt konstruerade för ett begränsat antal rörelser per dag, omlastningskranar kan dock användas permanent. Dessutom förväntas dessa maskiner att vara särskilt flexibla eftersom kranarna måste kunna förflytta containrar, lyfta grävmaskiner ombord och liknande.
Under de senare åren har Indusign med E-Crane integrerat ett elektroniskt styrsystem i sina kranar. Den första anledningen var att ersätta de ursprungliga joysticks med hydraulventiler genom en elektronisk version, eftersom den hydrauliska versionen inte längre används i samma omfattning. En styrenhet säkerställer sedan omvandlingen av den elektroniska styrningen till en styrning för hydraulventilerna som är installerade på kranen. Efter att styrenheten hade installerats tillkom stegvis fler och fler funktioner så att den idag har blivit en intelligent maskin med ett styrsystem, en visualiseringsenhet och moderna diagnosmöjligheter.
Ett balanserat projekt
Bokstaven E i E-Crane står för "equilibrium" (=jämvikt) och hänvisar till den kranspecifika balansmetoden. Bommen (huvudarmen) är ett parallellogram. Dess andra arm är en förbindelsestång som länkar ihop den främre armen och kranens motvikt. Den främre armens rörelse uppnås genom att motvikten svängs med hjälp av en hydraulcylinder, och överförs till den främre armen via förbindelsestången. Resultat: motvikten svänger bakåt när den främre armen förflyttas framåt så att tyngdpunkten för hela strukturen stannar kvar på samma plats.
Tack vare denna balanserande jämvikt kan man spara energi p.g.a. att motorkraften endast används för att lyfta den aktuella lasten och, naturligtvis, för att röra på kranen, men inte för att kompensera en ojämvikt. I motsats till kabelkranar erbjuder denna konstruktion en annan fördel: lasten kan inte pendla vilket gör det möjligt att arbeta snabbare och mer oberoende av kranoperatörens skicklighet. Kranarna styrs via två joysticks. Förutom att kunna flytta bommen och framarmen ger de möjligheten att svänga kranen och att öppna, stänga eller rotera griparen. Alla dessa rörelser är hydrauldrivna, därför förfogar kranen över en elmotor och en hydraulisk pump ombord.
Övergången till ett elektroniskt styrsystem förklaras med att de tidigare använda joysticks med hydraulventiler inte längre finns att få. De fick ersättas med elektroniska joysticks och en ny styrenhet som omvandlar elektriska ingångssignaler för styrningen av hydraulventilerna. Snart blev det tydligt att den elektroniska styrningen medförde flera ytterligare möjligheter, som t.ex. accelerations- och inbromsningskontroll vid slutet av arbetszonen. Kranens agerande blir mindre abrupt och har följaktligen en positiv effekt på kranens säkerhet och livslängd.
Samtidigt blev det möjligt att ansluta alla sorts givare till styrsystemet, för att t.ex. anpassa hastigheten till lastens vikt och för att integrera skyddet mot överbelastning av styrsystemet.
En annan logisk utveckling är att kranoperatören idag har ett grafiskt användargränssnitt med numerisk display för kranens status. Kranens last är den viktigaste parametern för operatören, men det visas även en hel serie med felmeddelanden grafiskt på användargränssnittet. Användargränssnittet erbjuder bl.a. ett stort antal diagnosbilder som möjliggör åtkomst till en serie av statusdata för kranen. Ett kompakt flashminneskort i det grafiska gränssnittet sparar varannan sekund värdet av ca 60 variabler.
Allt detta har i betydlig omfattning förändrat arbetsmetoderna för kranoperatören och leverantörens underhållspersonal. Förr i tiden, ledde t.ex. en försämring av anslutningskabeln till kranarmens dynamometriska sensor (lastcell) till att kranen stannade upp av säkerhetsskäl och att säkerhetssystemet fick överbryggas i relästyrskåpet.
Idag görs detta på programvarunivå vilket innebär att du tillsammans med leverantören kan besluta om att temporärt kringgå säkerhetssystemet. Detta förfarande registreras, kan utlösa ett larm m.m. och möjliggör på så sätt en tillfällig hastighetssänkning och programmering av underhållsåtgärder. Detta genomförande förbättrar maskinens effektivitet, pålitlighet och livslängd.
En mobil styrenhet för extrema förhållanden
Efter noggrant övervägande valdes mobila styrenheter i R360-serien från ifm electronic för denna applikation. En typisk fördel av "mobila" PLC-enheter gentemot "industriella" styrenheter är deras större robusthet. I detta fall är styrenheterna stöt- och vibrationsbeständiga och har även E1-godkännande; de fungerar i ett temperaturområde från -40 till +85 °C, har kapslingsklass IP 67 och är högbeständiga mot elektromagnetiska störningar. En annan intressant aspekt hos denna applikation är den låga försörjningsspänningen, vilket tillåter försörjningen med batterier. Därför kan kranen fungera självständigt.
Ett annat viktigt kriterium för krantillverkaren var systemets öppna karaktär. Indusign besitter tekniskt know-how och vill utveckla och behärska tekniken hos sina maskiner. PLC-systemen från ifm har programmerats via CodeSys, en öppen standard för vilket det finns ett komplett bibliotek med programvarumoduler för anläggningen olika komponenter. Därför är företaget inte heller beroende av en enda systemleverantör när det gäller givare, ventiler eller andra komponenter. Med hänsyn till detta know-how har de tillämpat en rätt så spontan men effektiv metod för att involvera alla medarbetare i omställningen till elektronisk styrning. En testinstallation med PLC, ett gränssnitt människa-maskin och en simulering med alla användbara in- och utgångar ställdes till förfogande i matsalen. Varje operatör fick tillfälle att öva under sin fritid. Dessutom hade den tekniska avdelningen en liknande installation för testsyften och för att implementera önskemål från kunderna.
Kranens automatisering baserar på CAN-bussen för vilken den mobila PLC-enheten har ett standardgränssnitt. Det finns fem I/O-öar på bussen: två i drivenheten med motorn och den hydrauliska pumpen, två i förarhytten och minst en i kranchassit nära ventilerna. Även displayen, också utvecklad av ifm, är ansluten till CAN-bussen och ger tillgång till alla systemparametrar. På gränssnittnivå sparas också alla variabler periodiskt på ett minneskort. Denna historik är fördelaktig när det gäller diagnoser och underhåll för vilka specifika gränssnitt åter programmeras på displaynivå.
Fjärrdiagnoser
Automatiseringen av kranar har medfört en annan möjlighet: fjärrdiagnoser. För detta syfte integrerades ett speciellt GSM-modem i systemet på CAN-bussen. Detta modem gör det möjligt att ringa upp varje kran i hela världen från anläggningen i Adegem. Det handlar om ett trebandsmodem som anpassar sig själv till nätverket på plats. Fjärranslutningen är inte tekniskt komplicerad. Anläggningen har åtkomst till samtliga variabler på bussen, precis som displayen på kranen. Med en liknande programvara är det också möjligt att se samma kranar i realtid som kranoperatören. Det tidigare exemplet med en defekt givarkabel kan lösas via modemet, tillsammans med användaren och leverantören. Olika användarnivåer avgör vilket ingrepp som ska genomföras och vem som får delta. De data som tas emot via modemet kan även överföras till testanläggningen i den tekniska avdelningen.
Ett problem som ett sådant koncept med CAN-buss medför är att PLC:n kommer att spela en central men även avgörande roll för kranens fungerande. Medan tidigare erfaren underhållspersonal utförde många individuella justeringar, startas idag samtliga modifikationer med programvaran. För dessa jättar är det en rätt så konstig situation då denna mobila PLC i hänseende till dimensionerna och investeringen verkar vara ett rätt så försumbart element i hela systemet. Indusign tillämpar samma öppna metod för detta problem som vid valet av styrenhet. Med andra ord så får varje kund som vill genomföra ändringar på styrsystemet källkoden från leverantören. I praktiken har en sådan förfrågan ännu inte framförts. Kranarna utgör en del av en marknad som tillverkaren känner till i minsta detalj och där alla funktioner i systemet är utvecklade för att motsvara kraven inom branschen. En sista öppning: från kranens förarhytt kan användaren implementera ett gränssnitt med andra programvarusystem.
