Automatyzacja maszyn transportu bliskiego

(1)

M IĘD Z Y N A R O D O W A K O N FER EN C JA ZESZY TY N A U K O W E N A U K O W O -TE C H N IC Z N A ______________________ PO LITECHN IK I ŚLĄSK IEJ 1999 TR A N SPO R T S Z Y N O W Y -N A U K A -P R Z E M Y S L ’99 T R A N SPO R T z.36, nr kol. 1429

Jerzy T O M C Z Y K

AUTOMATYZACJA MASZYN TRANSPORTU BLISKIEGO

Streszczenie. W referacie przedstaw iono problemy autom atyzacji m aszyn roboczych, pracujących jak o środki transportu bliskiego. Pojawienie się nowych koncepcji oraz środków transportu dalekiego, takich ja k szybki kontenerow iec oraz kom binowany transport lądow y przyspiesza rozwój automatyzacji maszyn transportu bliskiego.

O kreślono zasadnicze zm iany w budow ie układów napędow ych oraz sterow ania i m onitorow ania maszyn.

THE AUTOMATIZATION OF THE TRANSPORT MACHINES

Sum m ary. The problem s o f the automation o f the materials handling m achines have been presented in the paper. The new conceptions o f the long - distance transport technology and facilities as a fast container ship and com bine o f the road - railway transport activate the developm ent o f the m aterials handling m achine autom ation. The principal changes o f the drives, control and m onitoring system s o f the handling m achines have been determ ined in the paper.

1. WSTĘP

M aszyny transportu bliskiego z grupy dźw ignic stanow ią ogniw o w łańcuchu transporto

w ym m ateriałów obejm ujących połączenia sfer produkcji, m agazynow ania, konsum pcji, przetw órstw a oraz składow ania i utylizacji odpadów . G łów nym i elem entam i łańcucha transportow ego s ą środki transportu dalekiego, takie ja k sam ochody, koleje i statki. M aszyny dźw igow e, obsługujące załadunek i rozładunek środków transportu dalekiego, m ają przysto

sow aną budow ę i technologię w ykonyw anych czynności transportow ych do budow y i technologii środków transportu dalekiego, a także do stopnia organizacji tego transportu.

O bserw ow ane ostatnio tendencje zm ian w technologii transportu dalekiego, a także w budow ie środków tego transportu w sk azu ją na konieczność autom atyzacji m aszyn obsługują

cych transport bliski.

(2)

64 J- Tom czyk

2. ZMIANY W BUDOWIE ŚRODKÓW I TECHNOLOGII TRANSPORTU DALEKIEGO

P rzykładem zm ian, ukierunkow anych przede w szystkim na zdecydow any w zrost prędkości transportu dalekiego w transporcie m orskim , m oże być opracow any w Stanach Zjednoczonych i opatentow any szybki statek do przew ozu kontenerów . Statek taki oraz ogólna technologia jeg o załadunku przedstaw iona je s t schem atycznie na rys. ł.

Rys. 1. S zybki statek konten ero w y i tech n o lo g ia je g o załadunku Fig. 1. F ast Container ship and it’s loading technology

Specjalnej konstrukcji kadłub oraz strum ieniow y silnik w odny, napędzany tu rb in ą gazową, um ożliw ia osiągnięcie prędkości m aksym alnej 45 w ęzłów (ok. 80 km /h), przy czym przew i

duje się śred n ią prędkość transportow ą takich statków w ynoszącą ok. 40 w ęzłów . Jest to prędkość dw ukrotnie w iększa od w ystępującej obecnie średniej prędkości kontenerow ców . O znacza to m ożliw ość skrócenia czasu dostarczenia drogą w odną kontenerów z A m eryki do E uropy do jed n eg o tygodnia, gdy obecnie transport ten zajm uje od 14 - 35 dni. T ak znaczący w zrost prędkości transportu m orskiego je s t m ożliw y rów nież ze w zględu na d u żą stateczność statku naw et przy 5-m etrow ej fali oceanicznej. Zainstalow ana m oc napędu je s t oczyw iście znacznie w iększa. N apęd turbinam i gazow ym i silników strum ieniow ych pozw ala jed n ak na uzyskanie w ysokiej spraw ności, małej m asy napędu i znaczne ograniczenie em itow anych zanieczyszczeń w stosunku do tradycyjnych napędów silnikam i w ysokoprężnym i. Małe gabaryty um ieszczonego pod pokładem transportow ym napędu statku p o zw alają na uzyskanie dużej przestrzeni ładunkow ej oraz załadunek i rozładunek statku od rufy konteneram i w taczanym i po szynach, co elim inuje transport pionow y przy bezpośrednim załadunku statku.

U zyskana duża prędkość i skrócenie czasu transportu m orskiego w ym usza przyspieszenie czasu rozładunku i załadunku statku w porcie. W ym aga to odpow iedniej organizacji i

(3)

A utom atyzacja m aszyn transportu bliskiego 65

autom atyzacji m aszyn obsługujących term inal kontenerowy. K onieczne stanie się opracow a

nie nowej koncepcji system u transportu poziom ego w kom unikacji statek - plac kontenerow y i opracow anie now ych konstrukcji m aszyn i urządzeń realizujących ten transport oraz autom a

tyzacja pracy m aszyn przygotow ujących kontenery do załadunku poziom ego.

T endencją w zrostu prędkości transportu dalekiego m ożem y zaobserw ow ać także w transporcie lądow ym . W tym przypadku zm iany id ą w kierunku zastosow ania transportu kom binow anego: drogow o-kolejow ego przy jednoczesnym w zroście prędkości pociągów tow arow ych. Z m iany system ow e m ają doprow adzić do transportu lądow ego z zastosow aniem pociągu bim odalnego. K olejne fazy form ow ania takiego pociągu przedstaw ione są na rys. 2abc.

L o / T =<x> ’ ^oory

Rys. 2. F orm ow anie po ciąg u bim odalnego Fig.2. T h e com b in in g o f the bi - m odal Irain

W ym agane s ą tu specjalnej konstrukcji naczepy sam ochodow e, łączone w pociąg bim odal- ny na specjalnych, dw uosiow ych w ózkach wagonowych. Pozw oli to na elim inację konieczno

ści użycia m aszyn transportu bliskiego na term inalach drogow o - kolejow ych. W tym przypadku autom atyzacja m oże dotyczyć m aszyn i urządzeń transportu bliskiego rozładow u

jących i załadow ujących ładunki u dostaw cy i odbiorcy naczep.

(4)

66 J. Tom czyk

3. PROGNOZOWANE ZMIANY TRANSPORTU BLISKIEGO MORSKICH TERMINALI KONTENEROWYCH

W zrost prędkości statków kontenerow ych stw arza konieczność skrócenia czasu załadunku i rozładunku kontenerów na statek na term inalu m orskim . W ym aga to zm ian w organizacji transportu bliskiego oraz autom atyzacji i m onitorow ania m aszyn i urządzeń przeładunko

wych.

3.1. O rganizacja portow ego term inalu kontenerow ego

T erm inal portow y, obsługujący statki now ej generacji m usi posiadać optym alną organiza

cję transportu z m ożliw ością centralnego zarządzania urządzeniam i transportow ym i w ykonu

jącym i polecenia centrum z dużym stopniem niezależności od kw alifikacji operatorów . N a rys. 3 przedstaw iony je s t prognozow any schem at organizacyjny term inalu spełniającego staw iane w ym agania. Z apew nione są środki łączności centrali term inalu, za p o m o cą których centrum term inalu będzie otrzym yw ać, zbierać i uzgadniać m ożliw ie ja k najw cześniej inform acje o rodzaju, term inie i adresie dostaw y i wysyłki przepływ ających przez terminal kontenerów i ładunków znorm alizow anych. W sposób ciągły za p o m o cą odpow iedniego oprogram ow ania opracow yw ana będzie optym alna operacja obsługi środków transportu dalekiego i ich klientów . N a tej podstaw ie przesyłane b ę d ą inform acje m ające na celu uzgodnienie dokładnego czasu i sposobu dostarczenia i odbioru ładunków zgodnie z zasadą

„dokładnie na czas” . K om puter centralny prow adził będzie ew idencję i statystykę przepływ a

jący ch ładunków i opracow yw ał zadania rozładunku lub załadunku środków transportu dalekiego dla m aszyn obsługujących term inal. W odpow iednim czasie inform acje te będą przesyłane do kom puterów pokładow ych m aszyn i urządzeń term inalu dla realizacji ich zadań. K om puter pokładow y danej m aszyny będzie zarządzał pracą poszczególnych m echani

zm ów przesyłając odpow iednie rozkazy do ich sterow ników .

C ała przestrzeń transportow a term inalu będzie zorganizow ana w sposób przedstaw iony na rys.4.

W płaszczyźnie pionow ej przestrzeń będzie podzielona num erycznie na odpow iednie poziom y przem ieszczeń ładunków w ich ruchach poziom ych (PPŁi - rys. 4a). O kreślone zo stan ą także poziom y dostaw iania (D Ł) i pobierania (PŁ) ładunku oraz autom atycznego lub ręcznego jeg o rozłączania (RŁ).

(5)

R ys. 3. Pro g n o zo w an y sch em at o rganizacji zarząd zan ia transportem d la term inalu k o n tenerow ego Fig. 3. Pro g n o stic o rg an isatio n sch ém a o f thc tran sp o rt m anagem ent for thc Container term inal

W płaszczyźnie poziom ej określone zostaną w spółrzędne stanow isk dostaw iania i pobiera

nia ładunków (A ,B,... - rys. 4b). U m ożliw i to autom atycznie w ybór, optym alnej w edług kryterium czasu transportu, drogi ładunku („P”, „X Y ”, „Ł ”) m iędzy punktam i jeg o poboru i dostaw iania. W yboru optym alnej drogi oraz poziom u transportu dokona kom puter pokładow y, uw zględniając przeszkody, które znalazły się na odpow iednich poziom ach transportu.

O dpow iednia dla w ybranego poziom u m apa transportu realizow anego za p om ocą suw nicy kontenerow ej z zaznaczoną w ybraną drogą oraz aktualną pozycją ładunku w idoczna będzie dla operatora na m onitorze kom putera pok ład o w eg o jak przedstaw iono to na rys. 5

D aje to rów nież operatorow i pogląd na m ożliw ości transportu ładunku na określonym poziom ie przem ieszczenia w przypadku przejścia na sterow anie ręczne, poniew aż w trakcie podnoszenia zm ien iają się m apy uw idaczniające istniejące przeszkody dla ładunku o określonych w ym iarach.

Przedstaw iona prognoza organizacji transportu bliskiego na kontenerow ym terminalu m orskim oznacza konieczność autom atycznego pozycjonow ania ładunków . W ym aga to odpow iedniej budow y układów napędow ego i sterow ania m aszyną z zastosow aniem płynnego sterow ania prędkością ruchów roboczych.

(6)

68 J. Tom czyk

Ładunek

Przeszkoda PPŁk-

Poziom odniesienia

O--- 0

Rys. 4. P rzestrzeń tran sp o rto w a term inalu Fig. 4. T h e term inal tran sp o rt area

x

Jazda mostu y

Rys. 5. M ap a p o la tra n sp o rtu po zio m eg o ładunku Fig. 5. T h e m ap o f the h o rizontal load transport

P P Ł 3 --- PPŁ2--- PPŁ1---

DŁ2B--- RŁ2B PŁ2B

Jazda wózka

3.2. A utom atyzacja pracy m aszyn transportu bliskiego

Przystosow ane do now ych w ym agań m aszyny transportu bliskiego b ę d ą pracow ały w początkow ych fazach rozw oju autom atyzacji w system ach półautom atycznych z nadzorem operatora, którego praca będzie w spom agana przez m ikroprocesory pokładow e.

(7)

W spom aganie będzie polegało głów nie na optym alizacji transportu dla kryterium m inim a

lizacji jeg o czasu z uw zględnieniem w ystępujących ograniczeń technicznych i eksploatacyj

nych. B ęd ą elim inow ane lub ograniczane w ystępujące w m aszynach problem y techniczne i eksploatacyjne i zw iększana prędkość ruchów transportow ych. Projektow ane układy półautom atycznego sterow ania b ędą m ogły być w ostatecznej fazie rozw oju transportu w łatw y sposób przystosow ane do pracy autom atycznej, ale będzie także m ożliw e przejście na sterow anie ręczne.

P rzykładem obrazującym przedstaw ione wyżej tendencje dla transportu pionow ego może być opracow any układ autom atycznego sterow ania m echanizm em podnoszenia, którego schem at przedstaw iony je s t na rys. 6.

P o m ia r sity w linach

Rys. 6. Schem at au to m aty czn ie sterow anego m echanizm u podnoszenia Fig. 6. T h e au to m atic hoisting m echanism schem a

W idoczne s ą przesyłane do sterow nika m echanizm u i za pośrednictw em sterow nika m aster do kom putera pokładow ego m aszyny sygnały zastosow anych sprzężeń zw rotnych układów regulacji przem ieszczenia i prędkości podnoszenia, sygnały określające m asę ładunku oraz pracę ham ulca i w yłącznika krańcow ego.

A utodiagnostykę pracy m echanizm u um ożliw iają sygnały pom iaru m asy ładunku i pracy ham ulca m echanicznego, który zapada po zaham ow aniu elektrycznym układu. Z m niejszenie

(8)

70 J. Tom czyk

czasu transportu pionow ego uzyskano dzięki zastosow aniu quasi-regulatora stałej m ocy, który na podstaw ie pom iaru m asy ładunku dokonyw anego w początkow ej fazie podnoszenia dostosow uje prędkość podnoszenia zasadniczego ładunku, tak aby m oc zainstalow ana w m echanizm ie była w pełni wykorzystana.

Pozycjonow anie ładunku i zaw iesia z w ym aganą dokładnością uzyskano dzięki zastosow a

nej regulacji przem ieszczenia, przy czym strefa regulacji przem ieszczenia położona je s t w pobliżu poziom ów dostaw iania ładunku. R egulacja przem ieszczenia w yw iera rów nież duży w pływ na zm niejszenie obciążeń dynam icznych przy ham ow aniu układu.

O graniczenie obciążeń dynam icznych przy rozruchu uzyskano przez zastosow anie kasow ania luzów kinem atycznych w ięzi i m ałych prędkości podnoszenia w początkow ej fazie ruchu, w której dokonuje się także pom iaru m asy ładunku.

O pracow any układ autom atycznego sterow ania m echanizm em podnoszenia pozw ala także na rozw iązanie problem ów autodiagnostyki pracy m echanizm u.

E fekty autom atyzacji m echanizm u w idoczne s ą doskonale na uzyskanych eksperym ental

nie przebiegach przedstaw ionych na rys. 7, uzyskanych przy podnoszeniu ładunku z podłoża do zadanego położenia.

N a rys. 7a m ożna zaobserw ow ać rozruch m echanizm u do m ałej prędkości podnoszenia (proporcjonalnej do m ierzonej prędkości kątow ej silnika 0^), w zrost prędkości po dokonaniu pom iaru m asy ładunku z łagodnym przejściem do je j m aksym alnej, w ynikającej z zasady stałej m ocy w artości, a następnie zm niejszanie prędkości z łagodnym dojazdem do zadanego położenia w strefie regulacji przem ieszczenia ładunku. Zam ieszczone na rys. 7b przebiegi czasow e m om entu na w ale silnika M s oraz siły w linach S| św iadczą o znacznym , w stosunku do klasycznych układów napędow ych, zm niejszeniu w spółczynników dynam icznych.

Przeciążenia m om entu nie przekraczają 30% , a przeciążenia siły w linach 10% w artości obciążeń statycznych tych elem entów .

(9)

a)

80 --[1/s]

70 -- 60 -■

50 40 30 20 10

+

0

ots

Z u-

I b l

-H 1-- 1-- 1-- I-

10 12

-■ls

0.5lb

t(s ]

Rys. 7. B ad an ia ekspery m en taln e m echanizm u podnoszenia Fig. 7. T h e ex p erim en tal tests o f the hoisting winch

3.3. M onitorow anie pracy m aszyn i urządzeń term inalu

W prow adzenie autom atycznego sterow ania p racą m aszyn transportow ych um ożliw i nie tylko prow adzenie statystyki dokonyw anych przeładunków , ale rów nież w prow adzenie autodiagnostyki ich pracy. Pozw oli to na racjonalne określanie term inów przeglądów i rem ontów w oparciu o zbierane dane statystyczne.

N a rys. 8 przedstaw iono przew idyw any system autodiagnostyki, zbierający i przechow ują

cy dane statystyczne o czasie pracy, przeładunkach i obciążeniu maszyny. D la odpow iedniego zabezpieczenia dane te s ą przechow yw ane w podstawow ej form ie przez sterow nik układu oraz przesyłane i przetw arzane przez kom puter pokładow y, ja k rów nież przesyłane w form ie przetw orzonej do kom putera centralnego, zarządzającego całym procesem transportow ym .

(10)

72 J. Tom czyk

Rys. 8. S y stem au to d iag n o sty k i m aszyny transportow ej Fig. 8. T h e au to -d iag n o stic system o f thc transport m achinę

D la każdego z m echanizm ów , a także zespołów i podzespołów m aszyny rejestrow any m oże być czas rzeczyw istej pracy przez zliczanie liczby oraz czasów cykli obejm ujących okres pom iędzy w yłączeniem i załączeniem ham ulca układu napędow ego na podstaw ie istniejących w układzie sterow ania sygnałów bez konieczności instalow ania dodatkow ej aparatury pom iarow ej. O bciążenie m aszyny m oże być podzielone na o dpow iednią liczbę przedziałów i przyjm ow ane na podstaw ie obciążenia m echanizm u podnoszenia lub dla bardziej rozbudow anych system ów na podstaw ie w artości prądów rejestrow anych dla silników napędow ych poszczególnych m echanizm ów .

N a rys. 9 przedstaw iono przykładow e diagram y czasów pracy tmp w cyklach oraz liczby cykli nrap, zliczane w skojarzeniu z przedziałam i obciążenia Q m echanizm u podnoszenia. W rezultacie obliczeń m ożna dla danego okresu czasu oraz w trybie aktualizow anym otrzymać inform acje o rzeczyw istym czasie pracy zespołu i podzespołu oraz o liczbie cykli pracy w danym przedziale obciążenia.

a)

1600--

1200--

800

400-- t{XT>

[hl

^b)

4 --

3

2 1

-Qi

Cmp

x103

0.5 1.0 Q„ 0.5

Rys. 9. D iagram y p racy m echanizm u p o dnoszenia, a) czas pracy, b) liczba cykli Fig. 9. T h e hoistin g m echanism w ork diagram , a) the tim e o f work, b) num ber o f cycles

-Ql 1.0 Q

(11)

A u to d iag n o sty k a daje m o żliw o ść porów nania aktualnego stanu pracy m aszyny i je j m ech a

nizm ów ze stanem norm atyw nym przew idyw anym przy projektow aniu. M ożliw e staje się określenie term inów p rzeg ląd ó w i rem ontów kapitalnych lub w ym iany p o d zespołów dla założonej d la m aszy n y grupy n atężen ia pracy, w ynikającej w przypadku m echanizm ów z zakładanej klasy je g o w ykorzystania oraz k lasy obciążenia. M ożliw e staje się rów nież uzyskanie d odatkow ych inform acji, takich ja k średnie obciążenie cyklu pracy m echanizm u i m aszyny.

4. PODSUMOWANIE

N o w e ro zw iązan ia środków transportu m orskiego oraz technologie transportu lądow ego ukierunkow ane s ą przed e w szystkim na w zro st prędkości i skrócenie czasu transportu.

W ym usi to k o n iecz n o ść zw ięk szen ia prędkości ruchów roboczych m ech an izm ó w m aszyn transportu b lisk ieg o o ra z zm ian w technologii tego transportu. C ele te m o żn a osiągnąć w prow adzając n o w e układ y n apędow e z płynnym sterow aniem p ręd k o ścią ruchów roboczych, co u m o żliw i au to m aty zację m aszyn i zm iany technologii przenoszenia ładunków . Sterow anie autom atyczne lub p ó łautom atyczne pozw oli na rozw iązanie p o dstaw ow ych problem ów m aszyn tran sp o rto w y ch , takich ja k ograniczenie obciążeń dynam icznych przy rozruchu i ham ow aniu, p o zy cjo n o w an ie ładunku z w ym aganą dokładnością, zm n iejszen ie czasu transportu. M ożliw e staje się także m onitorow anie i autodiagnostyka pracy m aszyn p o zw ala

ją c a n a statystykę p rzenoszonych ładunków oraz racjonalne p lan o w an ie przeglądów , rem ontów i w ym iany podzespołów .

Literatura

1. B ed n arsk i S, C in k J.: R egulacja m ocy w m echanizm ie podnoszenia dźw ignicy. K o n feren cja N au k o w o -T ech n iczn a N ap ęd y M aszyn T ransportow ych. U stroń Śląski, w rzesień 1996.

2. B ednarski S, M alen ta P.: M odel i badania sym ulacyjne oraz eksperym entalne w ciągarki bęb n o w ej z nap ęd em falow nikow ym . III K onferencja O krętow nictw o i O ceanografia.

M ięd zy zd ro je 1997.

3. C hrzan o w sk i P.: G rom adzenie danych z badań diagnostycznych m aszyn, na przykładzie n arzęd zia opracow anego z użyciem M S A C C E SS. V III K onferencja „P ro b lem y R ozw oju M aszyn R o b o czy ch ” , Z akopane 1995.

(12)

74 J. T om czyk

4. C ink J., T o m czy k J.: R ozw iązanie podstaw ow ych problem ów transportu w iotko p o d w ie

szo n y ch ład u n k ó w suw nicam i sterow anym i num erycznie. Z eszyty N au k o w e P olitechniki Ś ląskiej. Seria: T R A N S P O R T z. 33, 1998.

5. G iles D. L.: Statki p rzyszłości. Ś w iat N auki, N r 12, 1996.

6. M etelsk i J.: Po szynach po drogach. W iedza i Życie, N r 11, 1997.

7. O ziem ski S.: P ro g n o za rozw oju system u budow y m aszyn roboczych. P roblem y M aszyn R oboczych N r 1/1993 - K B M -PA N .

8. T o m czy k Jerzy: P ro b lem y autom atyzacji krajow ych m aszyn ro boczych. Problem y M aszyn R oboczych, K om itet B udow y M aszyn PA N , z.4, vol. 4. W arszaw a 1994.

9. T o m czy k Jerzy: S ystem zb ieran ia danych statystycznych pracy i o bciążeń dźw ig n icy w procesie ek sp lo atacji. X K onferencja „P roblem y R ozw oju M aszyn R o b o czy ch ” , Zakopane

1997.

10. T o m czy k J i inni.: B ad an ia dynam iki m aszyn d źw igow o-transportow ych sterow anych za p o m o c ą m ik roprocesorów . Praca badaw cza K BN n r 7 T 07C 028 09, Ł ó d ż-B y to m 1998.

11. T o m czy k J.: T en d en cje ro zw ojow e w b udow ie dźw ignic i m aszyn transportow ych.

P ro b lem y M aszyn R oboczych. K olegium T w órczości T echnicznej A kadem ii Inżynierskiej w P olsce, s.23-40. W arszaw a 1998.

12. T o m czy k J., C ink J.: T h e O ptim isation o f the F lexibly Suspended L oads T ran sp o rt by M icro p ro cesso r C ontrolled O verhead C ranes. C o m p u ter A ided O ptim um D esign of S tru ctu res VI. W IT press, S outham pton, B oston, p.43-54, 1999.

13. W o jn aro w sk i J., G ierlo tk a K.: O ew olucji sterow ania w system ach m aszyn roboczych.

P ro b lem y M aszyn R oboczych, Z. 10, V ol. 10, W arszaw a 1997.