Повышение эффективности грузоподъемного оборудования: решения Balluff

Кранами до сих пор вынуждены управлять вручную, и оператору могут помочь в этом лишь дополнительные системы, обеспечивающие безопасность и облегчающие управление краном в определенных режимах. В руках оператора по-прежнему остаются позиционирование крана и управление грузовыми навесными устройствами. Однако новые возможности в сфере автоматизации процессов и цифровая трансформация производства на фоне постоянно растущих требований к продолжительности рабочего цикла и эффективности предприятия в целом неизбежно ведут к тому, что крановые системы в скором будущем будут работать в полуавтоматическом или полностью автоматическом режимах.

За последние годы современная техника управления уже сделала грузоподъемные механизмы более мощными и функциональными. Так, в автомобильной промышленности 80-тонные краны для транспортировки инструмента перемещаются на свои позиции автоматически и с миллиметровой точностью. Ответственность за разгон, торможение и аккуратную установку заготовок лежит не на операторе, а на электронной системе управления. Электронное маятниковое управление и демпфирующие системы обеспечивают подвеску грузов на крюке, грейфере или магните без качаний. Полностью автоматизированные технологические краны «общаются» в режиме реального времени с системой верхнего уровня — управления производством. Благодаря эффективной работе с инструментами и оптимальному взаимодействию с производственными установками автоматизированные крановые системы открывают новые возможности для повышения эффективности производства в целом.

Главное ожидание от современных грузоподъемных устройств — обеспечение быстрого, эффективного и безопасного потока материалов при максимальной надежности. На передовых производствах технологические краны уже рассматриваются как маневренные роботы большой грузоподъемности. Тем самым автоматизация, будь она полной или частичной, становится уже обязательным требованием рынка к производителям кранового оборудования.

В свою очередь, никакая автоматизация невозможна без измерительных датчиков или систем, которые фактически служат фундаментом любой системы управления. В нынешних условиях к этому уровню предъявляются высокие требования в части надежности: как оборудования, так и проводимых ими измерений, причем в самых жестких условиях.

В частности, при работе с кранами в области интралогистики оператор или система управления должны всегда точно знать абсолютное положение крана, чтобы через «цифровой склад» (электронную схему содержимого цеха/склада) можно было осуществлять автоматическое или полуавтоматическое перемещение грузов, быстро находить нужный товар или оборудование.

Эта задача становится особенно актуальной, когда на одной площадке работают два и более крана, поскольку возникает необходимость предотвращать их столкновения и перекосы.

Для определения положения кранов и предотвращения столкновений предпочтительны лазерные датчики, отвечающие общим требованиям к производительности при нормальных условиях окружающей среды. Если степень загрязнения в зале высока или если краны эксплуатируются на открытом воздухе, лазерные системы становятся менее надежными и эффективными. Для применения в таких условиях, а также для всех сфер, в которых требуется очень высокая точность измерения положения и скорости, компания Balluff разработала систему измерения абсолютного положения Magnettrack, которая может определять позиции объектов на расстоянии нескольких сотен метров с точностью до 0,5 мм и с такой же воспроизводимостью (повторяемостью значения координаты).

Система Magnettrack

Система Magnettrack состоит из трех основных элементов:

• магнитострикционный преобразователь линейных перемещений Balluff BTL (рис. 1);
• набор магнитных маркеров, каждый из которых представляет собой один или несколько магнитов в защитном корпусе;
• программный модуль Magnettrack, интегрируемый в управляющий контроллер.

Рис. 1. Установка преобразователя Balluff BTL

Преобразователь Balluff BTL устанавливается непосредственно на движущийся объект и вместе с ним перемещается вдоль магнитной трассы, состоящей из отдельных магнитных маркеров (рис. 2). Преобразователь считывает положение каждого магнита, над которым проезжает, относительно своей активной зоны и передает эти данные в управляющий контроллер, где программный модуль Magnettrack вычисляет расстояние между соседними магнитами и на основании этих данных строит абсолютную систему координат.

Рис. 2. Преобразователь Balluff BTL, установленный на каретке мостового крана

Magnettrack обладает высокими надежностью и точностью и является абсолютной системой измерения положения, что позволяет восстанавливать координату в случае сброса питания, а адаптивный алгоритм программного модуля обеспечивает автоматическую перенастройку системы в случае внесения изменений в магнитную трассу, например после ремонта рельсовых путей.

Основные характеристики комплекса Magnettrack:

• бесконтактный и неоптический принцип действия;
• дистанция позиционирования: 3–700 м и более;
• точность, воспроизводимость: от 0,5 мм (доступны бюджетные версии с погрешностью на уровне 10 мм);
• максимальная скорость движения объекта: до 7 м/с;
• ударопрочность: 150g/6 мс в соответствии с IEC 60068-2-27;
• вибростойкость: 20g при 10–2000 Гц в соответствии с IEC 60068-2-6;
• степень защиты: IP67 в соответствии с IEC 60529.

Система Magnettrack (рис. 3) работает без износа, не требует технического обслуживания и нечувствительна к ударам, вибрациям и загрязнениям. Расчетный срок службы системы составляет 15 лет.

Рис. 3. Система антистолкновения кранов на базе системы Magnettrack

Сравнительно высокую точность и надежность при использовании крана обеспечивает высокоточная магнитная система измерения длины BML с магнитно-кодируемой лентой или кольцом. Для точного позиционирования крюка в динамических приложениях используются точные, надежные и быстро работающие датчики с магнитной кодировкой. Они подходят как для линейного, так и для вращательного применения. В обычных случаях применяется измерительная система, основанная на косвенном измерении размотки троса через привод канатного барабана, однако этого не всегда достаточно, поэтому некоторые пользователи используют датчик перемещения BML, который обеспечивает кран второй, прямой измерительной системой.

Сенсорные системы для мониторинга состояния

Во всем мире среди производителей кранов набирает оборот применение систем контроля состояния, которые обеспечивают раннее оповещение о повреждениях приводов, подвижных частей, колесных пар и рельсовых путей. Компания Balluff вывела на рынок компактный датчик контроля состояния (BCM), с помощью которого можно контролировать сразу несколько физических величин, таких как вибрация, температура, влажность и давление окружающей среды (рис. 4).

Рис. 4. Датчик мониторинга состояния BCM

Все измеряемые величины обрабатываются и передаются в систему управления верхнего уровня через двунаправленный интерфейс IO-Link. Датчики крепятся либо к приводным двигателям, либо к тележкам крана (рис. 5).Система управления немедленно обнаруживает любые отклонения от нормы, и оператор может вмешаться до того, как возникнут массивные повреждения и система остановится на несколько часов. Надежные датчики с уровнем защиты IP69K нечувствительны к воздействию грязи и воды.

Рис. 5. Пример установки датчика BCM

Применение таких систем востребовано на крупнотоннажных транспортных кранах, поскольку позволяет предотвратить незапланированные и дорогостоящие простои.

Система визуальных предупреждений для операторов и персонала

Предупреждения и демонстрацию операторам кранов различных рабочих состояний можно организовать с помощью универсальной светодиодной сигнальной лампы SmartLight производства Balluff.

У SmartLight есть несколько режимов индикации: «Световой индикатор» (Stacklight), «Уровень» (Level), «Бегущая строка» (Runlight) и «Флексовый режим» (Fleximode), и они позволяют передавать визуально большое количество сообщений. Каждым сегментом лампы можно управлять отдельно, а цвета и зоны — свободно программировать. Светодиодная сигнальная лампа, помимо обычных событий, таких как «кран готов» (зеленый непрерывный свет) или «неисправность» (красный мигающий), может сигнализировать посредством свободно выбираемого цвета бегущей лампы о процессе подъема или транспортировки, показывать через увеличивающееся цветовое наполнение лампы, сколько процентов максимально допустимой нагрузки висит на крюке, и т. д. Опыт показывает, что у производителей кранов востребованы такие задачи для индикации через SmartLight, как:

• выполнение подъема, транспортировки;
• уровень весовой нагрузки;
• скорость транспортировки;
• уровень вибрации и температуры (контроль состояния оборудования и рельсовых путей).

SmartLight предлагает множество настраиваемых под пользователя вариантов отображения информации. Преимущество лампы заключается в том, что при внесении изменений или дополнений она не требует демонтажа или установки дополнительных сегментов.

Автоматизация учета с помощью машинного зрения

В последнее время на предприятиях тяжелой промышленности все чаще применяется машинное зрение для решения задач по учету и отслеживанию перемещаемых на производстве единиц технологического оборудования, заготовок или готовых изделий. Примером могут служить перемещения сталеразливочных ковшей, слябов и рулонов стали. В стандартных решениях комплектующие систем машинного зрения устанавливаются как посты контроля на пути перемещения контролируемых объектов, и идентификация объектов происходит по нанесенным на них штрих-кодам, 2D-кодам или цифро-буквенным обозначениям (нанесенным с использованием стандартных шрифтов). При таком подходе возникают трудности в отслеживании объектов, перемещаемых кранами, особенно если места загрузки или разгрузки не предопределены и оперативно выбираются персоналом в соответствии с обстановкой. Как правило, учет перемещаемых таким образом объектов ведется вручную, кто ведет к задержке в передаче информации в электронную систему управления производством и увеличению вероятности ошибки в учете объектов. В свою очередь, это способствует:

• увеличению количества простоев, связанных с потерей и поиском необходимых объектов;
• ошибкам в выборе заготовок, имеющих отличные от необходимых геометрические размеры или химический состав;
• повышению вероятности ошибки при отгрузке заказчикам готовых изделий с последующим получением рекламаций.

Для надежного контроля объектов, перемещаемых кранами, компания Balluff разработала систему машинного зрения, которая позволяет производить учет объектов непосредственно на подвесе крана. При использовании этой системы совместно с системой позиционирования кранов Magnettrack появляется возможность построить систему динамического контроля за перемещаемыми промаркированными объектами по территории всего цеха с четким определением мест загрузки и разгрузки. В результате это помогает избежать ошибок, описанных ранее, получить максимальный экономический эффект от проведенной модернизации, а также подготовить инфраструктуру для создания цифрового двойника цеха или производства.

Оборудование компании Balluff позволяет создавать надежные системы учета и отслеживания объектов на предприятиях тяжелой промышленности благодаря широкому спектру компонентов, входящих в систему машинного зрения. Среди них:

• Широкая номенклатура индустриальных камер с разрешением 1,3–24 Mп. Это позволяет гибко выбирать решения, в том числе работать с кодами небольшого размера на больших расстояниях, передавая полученные изображения в контроллер пост­обработки.
• Большой выбор объективов с различными фокусными расстояниями. С помощью них можно подбирать необходимое и достаточное поле зрения для конкретной задачи.
• Широкая линейка смарт-камер, в которые встроено программное обеспечение BVS-Cockpit. Благодаря простой схеме управления смарт-камеру можно быстро интегрировать в текущий процесс. Широкие возможности настройки инструментов для работы с полученным изображением позволяют камерам предоставлять системе управления готовый результат анализа.
• Контроллер SmartVision со встроенным пользовательским интерфейсом BVS-Cockpit управляет подключенными индустриальными видеокамерами. Программное обеспечение включает развитую систему стандартных инструментов для работы с изображением, а также предоставляет возможность использовать свои пользовательские инструменты на основе библиотек компании HALCON для решения нестандартных задач. Контроллер передает результаты обработки изображения в центральную систему управления.
• Защитные корпусы для всех видов камер со степенью защиты IP67, с опциями обогрева (при установке в уличных условиях) или охлаждения (при работе в условиях «горячих» цехов).
• Светильники для подсветки объектов в видимом и ИК-диапазонах, предназначенные для надежного распознавания кодов на различных дистанциях.

В целом решения компании Balluff обеспечивают фундамент для автоматизации грузоподъемных механизмов, которая позволяет значительно повысить эффективность производств. Решения Balluff уже успешно применяют производители кранов, например Bang Kransysteme GmbH & Co. KG, что помогло им обеспечить полную загрузку производства заказами даже в трудный экономический период.

Система Magnettrack была реализована в России и апробирована на крупных металлургических предприятиях, поэтому ее возможностями могут воспользоваться и отечественные компании.