Modelling and Assessment of Overhead Crane for Automatic Control

Abstract

Denne bacheloroppgaven ser på muligheten for å automatisere prosessen ved utheising og nedlegging av produktet pressbolt ved Hydros pressboltstøperier. Analysen har tatt utgangspunkt i traverskranen SU-M4-MUN-M60 ved støpesenter 9 på Hydro Sunndals pressboltstøperi. For å unngå nedetid i produksjon og store investeringer på grunn av omfattende ombygninger, er dette forsøkt løst gjennom begrensede inngrep i eksisterende installasjoner. På nåværende tidspunkt utføres denne oppgaven av en operatør ved hjelp av en traverskran utstyrt med et spesialbygd løfteåk. Løfteåket består av en bom, der en rekke løfteringer er koblet til gjennom stållenker. Utheisingsprosessen innebærer å kjøre løfteåket over en pressboltrekke, hvor operatøren manuelt trer løfteringene ned over pressboltene. Når løfteåket heises opp, låses ringene til pressboltene gjennom friksjon. Boltene heises så ut av støpegropen og transporteres til en nedleggingsstasjon for klargjøring til homogenisering.

Å løse denne oppgaven som et rent reguleringsteknisk problem ansees som svært krevende på grunn av kranens størrelse i kombinasjon med presisjonen som kreves. Gjennom modifikasjon av systemets mekaniske løsninger, har presisjonskravene til posisjoneringssystemet blitt redusert betydelig. 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 ett rotasjonsledd. For å sikre presis posisjonering av løfteåket blir det videre foreslått en mekanisk krybbe. 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 i kranens posisjoneringssystem, samt sikre forutsigbarhet og robusthet under drift.

I tillegg til de mekaniske løsningene, er en tilstrekkelig dekkende instrumenteringspakke avgjørende for å oppnå ønsket ytelse fra reguleringssystemet. Instrumenteringskravet avhenger av hvor sofistikert reguleringssystem som til slutt kreves for å oppnå ønsket systemytelse. Denne bacheloroppgaven har likevel hatt som mål å foreslå en instrumenteringspakke som er tilstrekkelig for komplekse reguleringsstrategier, men som kan begrenses dersom behovet for avanserte styringssystemer ikke er til stede. Konkrete forslag til sensorer og instrumenteringsstrategier blir presenterte.

For å ha en plattform for testing av kranens reguleringssystem, er det utviklet en modell av kranens dynamikk i simuleringsverktøyet Simulink. Ved å sammenligne resultater fra simuleringer med videodokumentasjon fra støperiet, har modellen blitt verifisert. Selv om modellen er en forenkling av det faktiske systemet, tilrettelegger den for testing av ulike reguleringstrategier. Et forslag til posisjoneringssystem for traverskranen har videre blitt utarbeidet. Dette styringssystemet dekker baneplanlegging i rommet, samt banefølging og begrensing av pendelutslag. Reguleringssystemet er i stor grad bygd opp ved hjelp av klassiske reguleringsstrategier og nyttegjør PID-regulatorer, foroverkoblinger og en input shaper. PID- regulatoren og foroverkoblingen brukes til posisjonsregulering, og input shaperen bidrar til å dempe 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 de foreslåtte mekaniske endringene.

Oppgaven konkluderes med en rekke forslag til videreutvikling av konseptene presentert, der svakheter i de presenterte løsningene blir adressert. Oppgavens forskning og utvikling peker mot at det er mulig å oppnå automatisk uttak av pressbolt. Av mekaniske løsninger anbefales det å gjøre noen mindre endringer på det foreslåtte løfteåket og løfteringene. Etter designrevisjon bør konseptene videreutvikles til prototyper slik at sikkerhetsaspektene verifiseres i fullskala. På reguleringssiden av oppgaven anbefales det først og fremst å gjennomføre tester på et fysisk system for å verifisere ytelsen til det foreslåtte styringssystemet. Dersom ytelsen til antisving-systemet viser seg å ikke være tilstrekkelig, anbefales det å basere input shaperen på en mer nøyaktig modell av kranens dynamikk. Dersom ytelse og robusthet fortsatt ikke er tilstrekkelig for et fullskala system anbefales det å utvikle et mer sofistikert posisjons-reguleringssystem basert på mer avanserte reguleringsstrategier.

This bachelor’s thesis explores the possibility of automating the pit stripping process at Hydro’s extrusion ingot cast houses. To avoid downtime in production and significant investments, this is proposed solved through moderate modifications to the existing installation. Hydro has 13 casthouses, but this analysis is based on the SU-M4-MUN-M60 overhead crane at casting center 9 in Hydro’s Casthouse at Sunndalsøra. The crane is currently controlled manually by an operator and the task consists of extracting ingots from the casting pit and transporting them to the laydown station. The crane is equipped with a lifting yoke, where billet rings utilise friction to clamp the ingots. The process involves driving the crane directly above the ingots, and lowering the lifting yoke down to the ingots. The operator then manually threads the billet rings onto the ingots, and dislodges them from their starting blocks. When the yoke is lifted, the rings clamp onto the ingots and lift them out of the pit. The ingots are finally transported to the to the laydown station.

Solving this problem, solely through control engineering, is considered challenging due to the crane’s proportions and the precision required. Furthermore, the current lifting yoke is constructed for simple manual handling, but is not suitable for automatic operation. These challenges have lead to the suggested development of various mechanical solutions that could be combined with an automatic control system. These mechanical modifications reduce the accuracy requirements of the crane’s control system and ensures increased robustness. A significant modification involves the redesign of the billet rings, where the chain connecting the ring to the girder is replaced by a rigid stem and a single revolute joint. To ensure the precise positioning of the lifting yoke, a retractable cradle system has been developed. This system effectively guides the lifting yoke into the desired position.

In addition to the mechanical solutions, comprehensive instrumentation is crucial in order to achieve desired control system performance. In terms of instrumentation, the requirements finally depend on the level of control system sophistication. The instrumentation package presented in this thesis aims to suffice for complex control strategies. The complexity of the instrumentation can 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. This model, although somewhat simplified, simulates the dynamics of the crane and allowed for testing of various control strategies. By comparing the developed model with available documentation of 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 system includes path planning, as well as position- and sway control, and is constructed using PID controllers, feedforward control and an input shaper. The PID- and feedforward controllers are responsible for position control, while the input shaper reduces sway. Despite its simple implementation, these control strategies have proven to work satisfactorily in collaboration with the 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, it appears that automatic pit stripping is achievable through modest modifications to the existing installations. The weaknesses in the proposed mechanical solutions are addressed and further improvements are proposed. After the design process is finalised, the functionality and safety aspects of the mechanical solutions will need to be validated through prototyping. In terms of control 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 recommendation for further control engineering consists of developing a more advanced and accurate model of the system. In case the system performance still is inadequate after adapting the suggested control system to the more advanced model, more complex control strategies will have to be utilised.