Đồ án: Phát triển hệ thống cẩu trục RTG trong khu cảng container

Nghiên cứu phát triển hệ thống cẩu trục RTG tự động cho cảng container. Giải pháp giúp tối ưu hóa vận hành, nâng cao hiệu suất xếp dỡ hàng hóa.

• Tác giả: Nguyễn Phúc Gia Bảo
• Người hướng dẫn: Ts. Phạm Quốc Thiện
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hoá
• Đề tài: Phát Triển Hệ Thống Cẩu Trục RTG Trong Khu Cảng Container
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Cẩu Trục RTG Định Nghĩa và Tầm Quan Trọng

Cẩu trục RTG (Rubber Tyred Gantry Crane) là thiết bị cơ giới hiện đại được sử dụng rộng rãi trong các khu cảng container để tự động hóa quá trình vận hành. Thiết bị này có khả năng di chuyển tự do trên mặt đất cảng, giúp tối ưu hóa việc xếp dỡ và lưu trữ hàng container. Với sự phát triển của ngành xuất nhập khẩu, cẩu trục RTG đã trở thành thiết bị không thể thiếu trong các cảng biển hiện đại. Hệ thống này giảm thiểu tối đa thời gian xử lý hàng hoá, giảm chi phí lao động và tăng hiệu suất làm việc. Đặc biệt, giải pháp tự động hóa này bảo vệ an toàn cho công nhân bằng cách giảm thiểu can thiệp trực tiếp của con người trong các công việc nguy hiểm.

1.1. Khái Niệm Cẩu Trục RTG

Cẩu trục RTG là loại cẩu có bánh xe cao su, cho phép di chuyển linh hoạt trong khu vực cảng. Nó sử dụng hệ thống động cơ bước và bộ truyền động dây curoa để điều khiển chuyển động. Thiết bị này được trang bị các công tắc hành trình để giới hạn phạm vi di chuyển, đảm bảo an toàn khi vận hành trong không gian hạn chế của cảng container.

1.2. Vai Trò trong Xuất Nhập Khẩu

Trong bối cảnh thương mại quốc tế phát triển, cẩu trục RTG đáp ứng nhu cầu xử lý hàng hoá với số lượng lên tới chục tấn. Nó giải quyết bài toán tự động hóa cảng bằng cách nâng cao năng lực xử lý, giảm thời gian chịu tải cho tàu biển, và cải thiện chất lượng dịch vụ cảng.

II. Cấu Trúc Kỹ Thuật và Nguyên Lý Hoạt Động

Hệ thống cẩu trục RTG được thiết kế với ba trục chuyển động chính: trục X (ngang), trục Y (dọc), và trục Z (nâng hạ). Các thành phần cơ học được chế tạo từ thanh nhôm định hình, cung cấp độ bền và trọng lượng tối ưu. Để điều khiển tự động, hệ thống sử dụng bộ điều khiển PLC FX3U-24MT kết hợp với động cơ bước và driver vi bước. Phương pháp phát xung và điều chế tần số được áp dụng để kiểm soát tốc độ và chiều quay của động cơ. Hệ thống nâng hạ sử dụng động cơ DC có hộp số với hai relay trung gian để đảo chiều quay. Các công tắc hành trình trái phải được lắp đặt để giới hạn phạm vi di chuyển, bảo vệ thiết bị và hàng hoá khỏi va đập.

2.1. Hệ Thống Điều Khiển PLC

Board PLC FX3U-24MT là trung tâm điều khiển của hệ thống. Nó xử lý các tín hiệu từ các cảm biến, công tắc và driver vi bước để đưa ra các lệnh điều khiển chính xác. Giao diện lập trình GXW2 cho phép tối ưu hóa các thuật toán điều khiển, đảm bảo vận hành mượt mà và an toàn cho cẩu trục RTG.

2.2. Cơ Cấu Truyền Động

Bộ truyền động dây curoa được sử dụng để truyền động cho các trục chuyển động. Động cơ bước cung cấp lực với độ chính xác cao, cho phép tự động hóa chính xác vị trí hàng container. Hệ thống này giảm ma sát và tăng hiệu suất năng lượng so với các phương pháp truyền động cơ khí truyền thống.

III. Hệ Thống Kiểm Soát và An Toàn Tự Động

Cẩu trục RTG được trang bị các hệ thống kiểm soát tiên tiến để đảm bảo vận hành an toàn. Công tắc hành trình được đặt tại các vị trí giới hạn để ngăn chặn chuyển động quá phạm vi cho phép. Relay trung gian điều khiển chiều quay của động cơ nâng hạ, ngăn chặn các lỗi điều khiển. Hệ thống kiểm soát này tự động hóa quá trình giám sát, giảm thiểu can thiệp của con người và tăng độ tin cậy. Giao diện HMI (Human Machine Interface) hiển thị trạng thái hoạt động thực thời, cho phép nhân viên quan sát và can thiệp khi cần thiết. Các cảm biến vị trí và cảm biến tải được tích hợp để theo dõi tình trạng hàng hoá, đảm bảo rằng công suất nâng hạ không vượt quá giới hạn an toàn được định trước.

3.1. Công Tắc Hành Trình và Giới Hạn Chuyển Động

Hai công tắc hành trình trái phải được lắp đặt để giới hạn phạm vi di chuyển của trục X. Chúng hoạt động như các điểm dừng tự động, ngăn chặn cẩu trục RTG di chuyển ngoài khu vực an toàn. Hệ thống này là một phần thiết yếu của giải pháp tự động hóa, đảm bảo máy móc hoạt động trong các ranh giới được xác định trước.

3.2. Giao Diện Giám Sát HMI

KinSealStudio3.1 được sử dụng để thiết kế giao diện trạng thái hoạt động của hệ thống. Màn hình HMI hiển thị các thông tin như vị trí hiện tại, tốc độ chuyển động, trạng thái tải và cảnh báo lỗi. Công nghệ này cho phép tự động hóa với sự giám sát của con người, cải thiện hiệu suất và an toàn vận hành của cẩu trục RTG.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn và Triển Vọng Phát Triển

Cẩu trục RTG đã được áp dụng thành công tại các cảng container lớn trên toàn thế giới, từ Singapore, Rotterdam đến các cảng của Việt Nam. Giải pháp tự động hóa này giúp các cảng tăng năng lực xử lý từ 30 đến 50%, đồng thời giảm chi phí vận hành. Trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, cẩu trục RTG được tích hợp với các hệ thống quản lý kho thông minh và robotics nâng cao. Các nghiên cứu tại Trường Đại Học Công Nghệ TP. Hồ Chí Minh đã chứng minh khả năng tự động hóa hiệu quả của hệ thống thông qua mô phỏng thành công các quy trình điều khiển. Trong tương lai, cẩu trục RTG sẽ được nâng cấp với các công nghệ AI, IoT để thực hiện tự động hóa hoàn toàn, không cần can thiệp của con người.

4.1. Các Cảng Áp Dụng Hiện Nay

Nhiều cảng container lớn đã triển khai cẩu trục RTG để tự động hóa quá trình xếp dỡ hàng. Cảng Singapore, Cảng Rotterdam và các cảng Việt Nam như Cảng Tân Vũ, Cảng Phú Hài sử dụng hệ thống này với hiệu suất cao. Giải pháp tự động hóa này không chỉ tăng năng lực mà còn giảm thiểu tai nạn lao động và tác động môi trường.

4.2. Hướng Phát Triển Tương Lai

Tương lai của cẩu trục RTG hướng tới tự động hóa hoàn toàn với công nghệ AI và IoT. Các hệ thống học máy sẽ tối ưu hóa lộ trình di chuyển, giảm thời gian chờ đợi. Những cải tiến như hệ thống phanh tự động, điều khiển từ xa, và đồng bộ hóa với hệ thống quản lý cảng sẽ làm cho giải pháp tự động hóa này hoàn thiện hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu đề tài. Chương này cho giới thiệu tổng quát về đề tài, ứng dụng, phạm vi giới hạn đề tài và phân bổ thời gian làm đề tài. Chương 2: Tổng quan giải pháp. Chương này giúp em tìm hiểu được các mô hình đã có thực tế và được đưa vào hoạt động.

Chương 3: Phương pháp giải quyết. Chương này tìm hiểu và đề ra giải pháp cho mô hình. 2 Chương 4: Quy trình thiết kế phần cứng và phần mềm. Chương này là thiết kế mô hình, tính toán, thiết kế cơ khí, lập bảng giá thành vật liệu.

Chương 5: Thi công mô hình thực nghiệm và đánh giá kết quả. Chương này thi công, lắp ráp phần cơ khí. Thi công, lắp phần điện, điện tử điều khiển. Viết phần mềm điều khiển và giám sát.

Chạy thử, chỉnh sửa, hoàn thiện sản phẩm. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển. Nêu những mục tiêu đạt được trong mô phỏng và những mục tiêu không làm được, phương hướng phát triển cho mô hình. 3 Chương 2 TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 2.

Giới thiệu về hệ thống cẩu trục RTG trong khu cảng container 2.1 Giới thiệu Đi cùng sự phát triển của xã hội loài người, phát triển sản xuất là một yếu tố hàng đầu. Lượng hàng hoá sản xuất ra ngày càng nhiều do nhu cầu sử dụng của con người. Điều này dần trở thành vấn đề đối với những hoạt động sản xuất truyền thống sử dụng nhiều tới sức người: Việc sử dụng sức người để nâng hạ, vận chuyển hàng càng ngày càng trở nên khó khăn. Năng suất lao động không cao đi cùng những ảnh hưởng tới sức khoẻ người lao động.

Nhu cầu nâng hạ, vận chuyển hàng hoá có khối lượng lớn, cồng kềnh. 1 Cẩu trục bằng sức người (Nguồn: Internet) Việc đưa vào sử dụng những sản phẩm hàng hoá có khối lượng lớn, cồng kềnh, việc sử dụng sức người truyền thống sẽ tốn rất nhiều sức lao động và thời gian, trong khi hiệu quả là rất thấp. Điều này là cần thiết để các thế hệ máy nâng ra đời giúp con người trong những công việc cực kì nặng nhọc này.2 Sự phát triển của cẩu trục Trải qua hàng ngàn năm sản xuất, hệ thống cẩu phục vụ trong sản xuất ngày càng được cải tiến, hoàn thiện. Và đến giai đoạn của cuộc cách mạng khoa học kĩ thuật vào cuối thế kỉ XVIII đầu thế kỉ XIX, hệ thống cẩu mới có một bước tiến đáng kể khi động cơ hơi nước được đưa vào sử dụng, và cầu trục cũng được ra đời giai đoạn này.

Thời kì này các thiết bị khá thô sơ so với tiêu chuẩn hiện đại như ngày nay. Hệ thống sản xuất hàng loạt phát triển rộng rãi vào khoảng 1876, được phát triển bới các công ty của Anh. Sau đó các công ty Đức, mà tiêu biểu là Ludwig Stuckenholz, đã tiến hành sản xuất hàng loạt vào những năm 1830. Nhưng cho tới năm 1840 mới ghi nhận sự những sản phẩm cẩu trục dầm đơn đầu tiên, và điều này cũng đã được thực hiện ở Đức.

Trong suốt những năm qua các cẩu trục đã cải tiến. Một trong những cải tiến, mà không phải là tiêu chuẩn nữa, là hệ thống tải Weston. Hệ thống Weston đã làm việc với các đĩa ma sát có chức năng như các vi phạm đối với trục tải. Hệ thống có nhiều bộ phận, trong đó cho phép người sử dụng cần trục để duy trì quyền kiểm soát tải trọng ở tất cả các thời gian.

Nếu có bất kỳ thất bại giữa các mối quan hệ ma sát nó sẽ không ảnh hưởng đến sự kiểm soát mà bạn có. Cho đến khi xuất hiện cáp tải thì hệ thống weston vẫn còn được sử dụng, kể từ khi pa lăng ra đời thì đã có quá nhiều sự thay đổi một số chức năng hiện đại là quạt làm mát, lọc dầu từ, thậm chí như rèn thép cường độ cao. Mãi cho đến những năm 1850 thì một cơ chế tời hạng nặng đã được tạo ra. Điều này tạo ra một sự phát triển vĩ đại khi lần đầu tiên cần cầu trục có thể tải trọng lượng cực lớn đến như thế.

Ngày nay, cẩu trục vẫn luôn không ngừng được cải tiến, nó đem lại một sức mạnh tuyệt vời để con người chúng ta sử dụng chúng. Hệ thống động cơ điện ngày càng hiện đại, sức nâng đã tăng lên rất nhiều so với trước kia. Sự hoàn thiện của hệ thống cầu trục qua từng năm tháng đi cùng chất lượng ngày một cao, an toàn trong sử dụng ngày một đảm bảo, điều này giúp cẩu trục ngày càng trở nên không thể thiếu trong rất nhiều các hoạt động sản xuất của con người.3 Thực trạng hệ thống cẩu trục hiện nay Cẩu trục cảng container được lắp đặt ở các cảng biển ở Việt Nam và trên thế giới. Với nhu cầu cầu phục vụ cho việc sắp xếp hàng hoá tại cảng cửa biển từ tàu có trọng tải lớn lên bờ.

Nâng cao hiệu quả tối ưu hoá sử dụng năng lượng và nguồn tài nguyên ngay từ giai đoạn thiết kế, xây dựng và lựa chọn các thi bị cho các công trình xây dựng và san suất. Đây là hoạt động thật sự quan trọng và cần thiết. Tối ưu hoá chi phí đầu tư và chi phí vận hành công trình xây dựng sản suất. 2 Cẩu trục RTG (Nguồn: Internet) 2.4 Các cẩu trục sử dụng ở cảng biển hiện nay Cẩu trục QC: Cẩu giàn QC (hay còn gọi là cẩu container, cẩu giàn, cẩu bờ, cẩu QC) là loại cẩu lớn được đặt tại các cảng biển hoặc các cảng container chuyên dụng.

Với khả năng bốc xếp linh hoạt container tại các cảng biển lớn, thiết bị cẩu giàn QC đang ngày càng được nhiều chủ đầu tư lựa chọn sử dụng hiện nay. 3 Cẩu Trục QC (Nguồn : Internet) Thiết bị này sử dụng năng lượng điện ba pha để bốc dỡ vật tư máy móc, container… tại bến cảng, cửa biển lên bờ hoặc xuống dưới tàu. Là loại cẩu trục cổng có công son liên kết bản lề chuyển động trên đường ray. Trên cầu trục, buồng máy chính được đặt lên phần cố định của giàn công song.

Buồng máy được đặt các động cơ truyền động của cơ cấu nâng chính, di chuyển xe con và nâng hạ công son. Tủ điện cao áp được đặt cách ly với panel điều khiển phía thấp áp. Cabin của người vận hành được đặt cố định trên xe con. Tại cabin này, người điều khiển có thể thao tác vận hành di chuyển xe con, nâng hạ hàng và di chuyển chân đế.

Để nâng hạ công song, người vận hành buộc phải lên cabin và điều khiển nâng hạ công son đặt lên khung dầm công son. Trên cabin phụ có thể thực hiện di chuyển chân đế với tốc độ không đổi bằng nút ấn. Cẩu trục RMG: Cần trục giàn container được thiết kế để nâng cao hiệu quả hoạt động của bãi container. Có nhiệm vụ xếp, xếp và dỡ container, việc vận chuyển container do xe 7 đầu kéo container thực hiện.

Cần trục giàn container điển hình bao gồm hai loại chính: cần trục giàn lắp trên ray và cần trục giàn cao su. Cần cẩu giàn gắn trên ray, còn được gọi là Cần cẩu RMG, là một sự lựa chọn tuyệt vời để xếp dỡ và xếp chồng các thùng hàng lớn. Nó chạy dọc theo đường ray, nâng và xếp các container trong phạm vi quy định của bãi container. Cơ cấu nâng hạ, cơ cấu xe đẩy và cơ cấu di chuyển của cầu trục hầu hết được điều khiển bằng chuyển đổi tần số AC.

Cơ cấu vận thăng nói chung có dạng tang trống đơn, cũng có thể được thiết kế dạng tang trống kép theo yêu cầu. 4 Cẩu trục RMG (Nguồn: Internet) Cơ cấu nâng: Cơ cấu nâng hạ bao gồm động cơ điện, phanh đĩa, hộp giảm tốc và tang trống kép. Cơ cấu nâng tang trống cuộn dây được điều khiển bởi động cơ AC, và trống rãnh dây một lớp được dẫn động bởi hộp giảm tốc bánh răng xoắn ốc khép kín để cuốn dây. Động cơ có đủ công suất để đảm bảo hiệu suất tăng tốc tốt.

Một khớp nối đàn hồi với đĩa phanh được cung cấp giữa động cơ nâng và hộp giảm tốc. Phanh là phanh đĩa dạng thanh đẩy thuỷ lực được giải phóng bởi thanh đẩy phanh lò xo. 8 Một công tắc tăng tốc được cung cấp trên đầu trục tốc độ cao của cơ cấu nâng. Khi tốc độ động cơ vượt quá 115% tốc độ định mức, toàn bộ máy sẽ được dừng trong trường hợp khẩn cấp.

Được phát hiện bởi cảm biến trọng lượng, khi tải trọng dưới máy rải từ 100% đến 110% tải trọng định mức, đèn báo tải trọng định mức trong ca- bin của người lái sẽ hiển thị. Khi tải dưới máy rải vượt quá 110% tải định mức, còi báo động, đèn báo quá tải nhấp nháy và PLC cấm cơ cấu nâng tiếp tục nâng lên trên, nhưng cho phép giới hạn tốc độ nâng hạ và hạ tải. Cơ chế di chuyển xe đẩy: Cơ cấu chạy xe đẩy nói chung bao gồm một bộ bánh xe, một động cơ, một bộ giảm tốc, một phanh, một khớp nối,… hoặc một bộ giảm tốc ba trong một và một bộ bánh dẫn hướng. Cơ cấu di chuyển cần trục: Cơ cấu di chuyển của cần trục RMG chủ yếu bao gồm bộ truyền động giảm tốc ba trong một, kẹp ray, đệm, kẹp bánh xe, v.

Cẩu trục RTG: RTG là loại cẩu cỡ lớn, thường gặp ở các khu cảng xuất nhập hàng, ICDs, depot, khu công nghiệp, khu chế xuất… được thiết kế kiểu dáng thông minh để có thể vận hành và bốc xếp những container hàng hoá. Cảng container là phần lớn là cảng chuyên dụng để đón tàu container chuyên dụng. Vì vậy, đòi hỏi thiết bị xếp dỡ cầu cảng hay trong bãi hàng cũng phải chuyên dụng để có thể giải phóng tàu và hàng nhanh nhất có thể. Cấu trúc của RTG gồm một khung có chân đế gắn vào bánh lăn trên ray hoặc bánh lăn lốp cao su và một xe điện con (còn gọi là trolley) di chuyển dọc khung dầm.

5 Cẩu trục RTG (Nguồn: Internet) Cẩu khung bánh lốp RTG (vỏ RTG) khá phổ biến vì đó là sự kết hợp của kỹ thuật Kiểm soát tải linh hoạt (ALC), kết cấu thép thông minh, cùng với cabin thông minh hơn giúp cho loại RTG này hoạt động hiệu quả và đáng tin cậy nhất trên thế giới.