Modelling and Assessment of Overhead Crane for Automatic Control
Bachelor thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3075897Utgivelsesdato
2023Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Denne bacheloroppgaven ser på muligheten for å automatisere prosessen ved utheising ognedlegging av produktet pressbolt ved Hydros pressboltstøperier. Analysen har tatt utgangspunkti traverskranen SU-M4-MUN-M60 ved støpesenter 9 på Hydro Sunndals pressboltstøperi. For åunngå nedetid i produksjon og store investeringer på grunn av omfattende ombygninger, er detteforsøkt løst gjennom begrensede inngrep i eksisterende installasjoner. På nåværende tidspunktutføres denne oppgaven av en operatør ved hjelp av en traverskran utstyrt med et spesialbygdløfteåk. Løfteåket består av en bom, der en rekke løfteringer er koblet til gjennom stållenker.Utheisingsprosessen innebærer å kjøre løfteåket over en pressboltrekke, hvor operatøren manuelttrer løfteringene ned over pressboltene. Når løfteåket heises opp, låses ringene til pressboltenegjennom friksjon. Boltene heises så ut av støpegropen og transporteres til en nedleggingsstasjonfor klargjøring til homogenisering.
Å løse denne oppgaven som et rent reguleringsteknisk problem ansees som svært krevende pågrunn av kranens størrelse i kombinasjon med presisjonen som kreves. Gjennom modifikasjon avsystemets mekaniske løsninger, har presisjonskravene til posisjoneringssystemet blitt redusertbetydelig. En vesentlig endring involverer omstrukturering av løfteringenes oppheng på løfteåket.Ifra å henge i stål-lenker, er det foreslått en ny type ring som bare kan pendle rundt ettrotasjonsledd. For å sikre presis posisjonering av løfteåket blir det videre foreslått en mekaniskkrybbe. Den monteres slik at løfteåket guides til ønsket posisjon over en boltrekke i støpegropen.Totalt sett vil disse mekaniske løsningene kompensere for mindre svingninger og usikkerhet ikranens posisjoneringssystem, samt sikre forutsigbarhet og robusthet under drift.
I tillegg til de mekaniske løsningene, er en tilstrekkelig dekkende instrumenteringspakke avgjørendefor å oppnå ønsket ytelse fra reguleringssystemet. Instrumenteringskravet avhenger av hvorsofistikert reguleringssystem som til slutt kreves for å oppnå ønsket systemytelse. Dennebacheloroppgaven har likevel hatt som mål å foreslå en instrumenteringspakke som er tilstrekkeligfor komplekse reguleringsstrategier, men som kan begrenses dersom behovet for avansertestyringssystemer ikke er til stede. Konkrete forslag til sensorer og instrumenteringsstrategier blirpresenterte.
For å ha en plattform for testing av kranens reguleringssystem, er det utviklet en modell avkranens dynamikk i simuleringsverktøyet Simulink. Ved å sammenligne resultater fra simuleringermed videodokumentasjon fra støperiet, har modellen blitt verifisert. Selv om modellen er enforenkling av det faktiske systemet, tilrettelegger den for testing av ulike reguleringstrategier.Et forslag til posisjoneringssystem for traverskranen har videre blitt utarbeidet. Dettestyringssystemet dekker baneplanlegging i rommet, samt banefølging og begrensing avpendelutslag. Reguleringssystemet er i stor grad bygd opp ved hjelp av klassiskereguleringsstrategier og nyttegjør PID-regulatorer, foroverkoblinger og en input shaper. PID-regulatoren og foroverkoblingen brukes til posisjonsregulering, og input shaperen bidrar til ådempe svingninger i løfteåkets posisjon.
Gjennom simuleringer av automatisk uttak av pressbolt har denne reguleringstekniske løsningen,til tross for sin relativt enkle utforming, vist seg å fungere tilfredsstillende i kombinasjon med deforeslåtte mekaniske endringene.
Oppgaven konkluderes med en rekke forslag til videreutvikling av konseptene presentert, dersvakheter i de presenterte løsningene blir adressert. Oppgavens forskning og utvikling peker motat det er mulig å oppnå automatisk uttak av pressbolt. Av mekaniske løsninger anbefales detå gjøre noen mindre endringer på det foreslåtte løfteåket og løfteringene. Etter designrevisjonbør konseptene videreutvikles til prototyper slik at sikkerhetsaspektene verifiseres i fullskala. Påreguleringssiden av oppgaven anbefales det først og fremst å gjennomføre tester på et fysisk systemfor å verifisere ytelsen til det foreslåtte styringssystemet. Dersom ytelsen til antisving-systemetviser seg å ikke være tilstrekkelig, anbefales det å basere input shaperen på en mer nøyaktigmodell av kranens dynamikk. Dersom ytelse og robusthet fortsatt ikke er tilstrekkelig for etfullskala system anbefales det å utvikle et mer sofistikert posisjons-reguleringssystem basert påmer avanserte reguleringsstrategier. This bachelor’s thesis explores the possibility of automating the pit stripping process at Hydro’sextrusion ingot cast houses. To avoid downtime in production and significant investments, thisis proposed solved through moderate modifications to the existing installation. Hydro has 13casthouses, but this analysis is based on the SU-M4-MUN-M60 overhead crane at casting center 9in Hydro’s Casthouse at Sunndalsøra. The crane is currently controlled manually by an operatorand the task consists of extracting ingots from the casting pit and transporting them to thelaydown station. The crane is equipped with a lifting yoke, where billet rings utilise friction toclamp the ingots. The process involves driving the crane directly above the ingots, and loweringthe lifting yoke down to the ingots. The operator then manually threads the billet rings onto theingots, and dislodges them from their starting blocks. When the yoke is lifted, the rings clamponto the ingots and lift them out of the pit. The ingots are finally transported to the to thelaydown station.
Solving this problem, solely through control engineering, is considered challenging due to thecrane’s proportions and the precision required. Furthermore, the current lifting yoke is constructedfor simple manual handling, but is not suitable for automatic operation. These challenges havelead to the suggested development of various mechanical solutions that could be combined withan automatic control system. These mechanical modifications reduce the accuracy requirementsof the crane’s control system and ensures increased robustness. A significant modification involvesthe redesign of the billet rings, where the chain connecting the ring to the girder is replaced by arigid stem and a single revolute joint. To ensure the precise positioning of the lifting yoke, aretractable cradle system has been developed. This system effectively guides the lifting yoke intothe desired position.
In addition to the mechanical solutions, comprehensive instrumentation is crucial in order toachieve desired control system performance. In terms of instrumentation, the requirements finallydepend on the level of control system sophistication. The instrumentation package presented inthis thesis aims to suffice for complex control strategies. The complexity of the instrumentationcan however be limited once the final needs of the control system are known.To perform tests, a mathematical model of the crane was developed in MATLAB’s Simulink. Thismodel, although somewhat simplified, simulates the dynamics of the crane and allowed for testingof various control strategies. By comparing the developed model with available documentationof the crane and videos taken at the Casthouse, the model was verified.
A control system was developed for the model of the crane’s dynamics. This control systemincludes path planning, as well as position- and sway control, and is constructed using PIDcontrollers, feedforward control and an input shaper. The PID- and feedforward controllersare responsible for position control, while the input shaper reduces sway. Despite its simpleimplementation, these control strategies have proven to work satisfactorily in collaboration withthe proposed mechanical alterations.
This bachelor’s thesis results in a set of proposed mechanical alterations to the crane system,as well as proposals for control strategies. From this thesis’ research and development, itappears that automatic pit stripping is achievable through modest modifications to the existinginstallations. The weaknesses in the proposed mechanical solutions are addressed and furtherimprovements are proposed. After the design process is finalised, the functionality and safetyaspects of the mechanical solutions will need to be validated through prototyping. In terms ofcontrol engineering, it is proposed to first test the suggested control system on a physical system.If the performance is deemed inadequate, further development is needed. The recommendationfor further control engineering consists of developing a more advanced and accurate model of thesystem. In case the system performance still is inadequate after adapting the suggested controlsystem to the more advanced model, more complex control strategies will have to be utilised.