Đồ án tốt nghiệp thiết kế điều khiển chống lắc cho cẩu khung bánh lốp cảng cát lái

Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống điều khiển chống lắc cho cẩu khung bánh lốp tại cảng Cát Lái, nâng cao hiệu suất và an toàn vận hành.

• Tác giả: Đỗ Ngọc Hiếu
• Người hướng dẫn: TS. An Thị Hoài Thu Anh
• Trường học: Trường Đại học Giao thông Vận tải
• Chuyên ngành: Trang bị điện
• Đề tài: Thiết kế điều khiển chống lắc cho cẩu khung bánh lốp cảng Cát Lái
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế điều khiển chống lắc cho cẩu cảng Cát Lái

Thiết kế điều khiển chống lắc là một giải pháp công nghệ tiên tiến nhằm nâng cao hiệu suất và độ an toàn của cẩu khung bánh lốp tại cảng Cát Lái. Hệ thống này được phát triển để giảm thiểu hiện tượng lắc tải trong quá trình nâng hạ, di chuyển container trên các cầu cảng hiện đại. Điều khiển chống lắc không chỉ bảo vệ hàng hóa mà còn nâng cao hiệu suất làm việc, giảm thời gian vận hành và chi phí maintenance. Công nghệ này kết hợp các ngôn ngữ lập trình PLC, Matlab/Simulink và các cảm biến quang hiện đại. Với những ứng dụng thực tế, hệ thống điều khiển này đã được mô phỏng và thử nghiệm trên các mô hình vật lý tại Trường Đại học Giao Thông Vận Tải, mở ra hướng phát triển mới cho ngành cảng biển Việt Nam.

1.1. Khái niệm về cẩu khung bánh lốp RTG

Cẩu khung bánh lốp (RTG - Rubber Tired Gantry Crane) là loại cẩu cảng tự hành sử dụng bánh lốp cao su. Đây là thiết bị quan trọng trong vận hành cảng hiện đại, có khả năng di chuyển linh hoạt trên mặt đất. RTG được trang bị hệ thống điều khiển tiên tiến, kiểm soát tải trọng (ACL), công nghệ lõi nâng hạ và hệ thống giám sát HMI. Các cẩu khung bánh lốp tại cảng Cát Lái đạt tiêu chuẩn quốc tế, có khả năng nâng tải lên tới hàng chục tấn với độ chính xác cao.

1.2. Tầm quan trọng của điều khiển chống lắc trong vận hành cảng

Hiện tượng lắc tải gây ra mất an toàn, làm hỏng hàng hóa và kéo dài thời gian vận hành. Hệ thống điều khiển chống lắc sử dụng các thuật toán PD (Proportional-Derivative) và mô hình động lực học 3D để tính toán lực điều khiển tối ưu. Công nghệ này giúp giảm góc lắc của tải trọng xuống mức tối thiểu, nâng cao hiệu suất cảng lên 30-40%, và đảm bảo an toàn cho công nhân và hàng hóa.

II. Mô hình hóa và thiết kế hệ thống điều khiển

Thiết kế điều khiển chống lắc bắt đầu từ việc xây dựng mô hình động lực học chi tiết của cẩu khung bánh lốp 3D với chiều dài dây treo không đổi. Mô hình này được phát triển dựa trên các phương trình vật lý, xem xét các lực tác động: lực truyền động, trọng lực, ma sát và lực không khí. Bộ điều khiển PD được thiết kế với các tham số được tối ưu hóa thông qua mô phỏng Matlab/Simulink. Cấu trúc hệ thống bao gồm: khối giá trị đặt, khối điều khiển, khối mô hình động lực học cần cẩu, và khối hiển thị vị trí, vận tốc, góc lắc. Quá trình thiết kế tuân theo các bước: phân tích phụ tải tĩnh, chọn lựa động cơ truyền động, tính toán biến tần, và xác định các thông số điều khiển tối ưu.

2.1. Mô hình cẩu khung bánh lốp 3D và động lực học

Mô hình cẩu khung bánh lốp 3D mô tả chuyển động tập hợp của hệ thống: di chuyển trục X (ngang), di chuyển trục Y (tới lui), nâng hạ trục Z (dọc). Phương trình động lực học được xây dựng để tính toán góc lắc phía trước, sau, trái, phải của tải trọng. Mô hình này cho phép dự báo hành vi của cẩu trong các điều kiện tải trọng khác nhau, từ đó tối ưu hóa các tham số điều khiển.

2.2. Bộ điều khiển PD và tối ưu hóa tham số

Bộ điều khiển PD (Proportional-Derivative) được sử dụng để điều chỉnh lực tác động lên cẩu, giảm góc lắc của tải. Tham số P (hệ số tỷ lệ) và D (hệ số đạo hàm) được tối ưu hóa thông qua mô phỏng Matlab/Simulink, sao cho vừa nhanh chóng ổn định vừa không gây dao động. Quá trình tối ưu hóa dựa trên tiêu chí: thời gian ổn định, sai số cuối cùng, và biên độ dao động.

III. Mô phỏng và kết quả trên Matlab Simulink

Mô phỏng điều khiển chống lắc được thực hiện trên nền tảng Matlab/Simulink, cho phép kiểm tra hiệu quả của hệ thống điều khiển trước khi triển khai thực tế. Các kết quả mô phỏng bao gồm: biểu đồ vị trí theo trục X, Y, góc lắc theo phương Z, vận tốc di chuyển và tín hiệu điều khiển. Những kết quả cho thấy: góc lắc được giảm xuống còn 5-10 độ (so với 30-40 độ khi không có điều khiển), thời gian ổn định khoảng 5-7 giây, và hiệu suất vận hành tăng đáng kể. Đánh giá kết quả cho thấy bộ điều khiển PD hoạt động hiệu quả, và sẵn sàng cho giai đoạn xây dựng mô hình thực nghiệm.

3.1. Quá trình mô phỏng trên Simulink

Sơ đồ mô phỏng bao gồm các khối: khối giá trị đặt (setpoint), bộ điều khiển PD, mô hình động lực học cẩu, và khối hiển thị kết quả. Tín hiệu vào là vị trí mục tiêu, tín hiệu ra là vị trí thực tế và góc lắc. Quá trình mô phỏng chạy với bước thời gian 0.01 giây, tổng thời gian 30 giây cho mỗi kịch bản.

3.2. Phân tích kết quả và hiệu suất

Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống điều khiển hoạt động ổn định với sai số định vị dưới 0.5cm. Góc lắc cực đại được kiểm soát ở mức 8 độ, và thời gian ổn định đạt 6 giây. Hiệu suất được đánh giá thông qua tiêu chí: độ chính xác định vị, tốc độ ổn định, và mức độ giảm lắc tải.

IV. Xây dựng mô hình thực nghiệm và ứng dụng thực tế

Mô hình thực nghiệm được xây dựng để xác thực hệ thống điều khiển chống lắc trong điều kiện thực tế. Mô hình bao gồm: mô hình vật lý thu nhỏ với động cơ Servo AC cho ba trục (X, Y, Z), cảm biến quang để phát hiện vị trí, tủ điện chứa PLC Xinje XDH-60T4-E, Servo Driver, và bộ chuyển đổi nguồn 24V. Hệ thống giám sát HMI (Weintek MT8071ie 7 inch) hiển thị vị trí tải trọng, góc lắc, và các thông số vận hành khác. Lưu đồ thuật toán Grafcet được lập trình trên PLC để điều khiển các động cơ một cách tự động. Ứng dụng Matlab/Simulink được sử dụng để tính toán giá trị điều khiển tối ưu và gửi tới PLC qua cổng Ethernet. Kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình hoạt động tương tự như mô phỏng, với độ chính xác và tính ổn định cao.

4.1. Thiết kế mô hình vật lý và hệ thống điều khiển

Mô hình vật lý được xây dựng với tỷ lệ thu nhỏ 1:20, bao gồm cấu trúc khung bằng nhôm, động cơ Servo Xinje MS6H-60CS30B1-20P4, trục dẫn hướng, và cảm biến quang để phát hiện vị trí. Tủ điện được trang bị PLC Xinje, Servo Driver, aptomat MCB, bộ chia mạng Mercusys MS105G, và bộ chuyển đổi nguồn Omron S8VE 24VDC 10A 240W.

4.2. Kết quả thực nghiệm và so sánh với mô phỏng

Kết quả thực nghiệm trên mô hình cho thấy góc lắc được kiểm soát ở mức 7-9 độ, tương tự kết quả mô phỏng. Thời gian ổn định đạt 6-7 giây, độ chính xác định vị dưới 1cm. So sánh với mô phỏng cho thấy sai số không quá 5%, chứng tỏ bộ điều khiển hoạt động hiệu quả và sẵn sàng triển khai trên cẩu cảng thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của ngành vận tải và logistics, các cảng biển và kho bãi đang đối mặt với nhu cầu ngày càng cao trong việc xếp dỡ và vận chuyển container. Trong bối cảnh đó, cẩu trục RTG (Rubber Tyred Gantry crane) đã trở thành một công cụ không thể thiếu, đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả xếp dỡ và tối ưu hóa không gian lưu trữ tại các cảng biển. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành, hiện tượng rung lắc của cẩu trục RTG là một vấn đề đáng lo ngại, gây ảnh hưởng đến độ chính xác, hiệu quả làm việc và đặc biệt là an toàn lao động. Những rung lắc này có thể phát sinh từ nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm điều kiện thời tiết, trọng lượng không đồng đều của container hoặc những dao động từ môi trường xung quanh.

Nếu không được kiểm soát tốt, hiện tượng này có thể dẫn đến hư hỏng thiết bị, gây ra tai nạn lao động và làm giảm năng suất vận hành. Mặc dù các giải pháp kỹ thuật đã được áp dụng tại nhiều cảng biển trên thế giới để giảm thiểu rung lắc, nhưng tại Việt Nam, vấn đề này vẫn chưa được nghiên cứu và triển khai một cách toàn diện. Điều này đặt ra nhu cầu cấp thiết về việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống chống rung lắc cho cẩu trục RTG, nhằm đảm bảo sự ổn định và an toàn trong quá trình vận hành. Đề tài này tập trung vào việc tìm hiểu nguyên nhân gây rung lắc trong quá trình vận hành cẩu trục RTG, từ đó đề xuất các giải pháp kỹ thuật hiệu quả để giảm thiểu hiện tượng này.

Mục tiêu là phát triển một hệ thống chống rung lắc thông minh, có khả năng thích ứng linh hoạt với các điều kiện hoạt động khác nhau, góp phần nâng cao độ an toàn và hiệu suất vận hành của cẩu trục RTG tại các cảng biển Việt Nam. SVTH: Đỗ Ngọc Hiếu Nguyễn Bá Luân 3 Trang Bị Điện 1 Đồ án tốt nghiệp GVHD:TS.An Thị Hoài Thu Anh 1. Tổng quan về cẩu trục RTG Cẩu trục RTG (Rubber Tyred Gantry crane) là một loại cẩu trục chuyên dụng được sử dụng phổ biến trong các cảng biển và bãi container để di chuyển và xếp dỡ container. Đặc trưng của cẩu trục RTG là nó được lắp trên các bánh xe cao su (rubber tyred), cho phép di chuyển linh hoạt trên bề mặt bến cảng mà không cần đường ray.

RTG thường có cấu trúc hình cổng (gantry) với dầm chính nằm ngang và các trụ đứng hai bên. Trên dầm chính, một cơ cấu nâng hạ (hoist) được gắn, cho phép di chuyển qua lại để nâng hạ các container. RTG có thể xếp dỡ container theo hàng, cột và có khả năng xếp chồng các container lên nhau nhiều lớp, giúp tối ưu hóa không gian lưu trữ trong bãi container. Điểm mạnh của cẩu trục RTG nằm ở tính linh hoạt, vì nó có thể di chuyển đến bất kỳ vị trí nào trong bãi mà không cần sự hạn chế của đường ray.

Điều này làm cho RTG trở nên đặc biệt hữu ích trong các bãi container có diện tích rộng và thay đổi vị trí xếp dỡ thường xuyên. Cẩu trục RTG (Rubber-Tyred Gantry Crane) thường được trang bị hệ thống điều khiển tự động hoặc bán tự động, bao gồm công nghệ định vị GPS và hệ thống điều khiển từ xa. Với sự hỗ trợ của các công nghệ tiên tiến này, RTG có thể xác định chính xác vị trí container và điều hướng một cách hiệu quả, giúp giảm thiểu tối đa sự can thiệp của con người trong quá trình vận hành. Nhờ vào hệ thống điều khiển từ xa, người vận hành có thể kiểm soát RTG từ xa, hạn chế rủi ro và đảm bảo an toàn lao động.

Những tính năng này không chỉ cải thiện năng suất làm việc mà còn góp phần giảm chi phí vận hành và bảo trì trong dài hạn, nhờ quy trình tự động hóa và các thao tác chính xác, ổn định. Với các ưu điểm vượt trội về công nghệ và độ linh hoạt, cẩu trục RTG đã trở thành một phần không thể thiếu trong các cảng container hiện đại, giúp tối ưu hóa quy trình xếp dỡ, lưu trữ và quản lý hàng hóa. Sự xuất hiện của RTG giúp các cảng xử lý khối lượng lớn container nhanh chóng, cải thiện tốc độ luân chuyển hàng hóa và tối ưu hóa không gian SVTH: Đỗ Ngọc Hiếu Nguyễn Bá Luân 4 Trang Bị Điện 1 Đồ án tốt nghiệp GVHD:TS.An Thị Hoài Thu Anh cảng. Đây là giải pháp thiết yếu để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành vận tải biển, đóng góp vào sự phát triển bền vững của hệ thống logistics toàn cầu.

Cẩu trục RTG 1. Cấu tạo cẩu trục RTG 1. Xe tời Hình 1. Xe tời • Hệ thống kiểm soát tải trọng chủ động (ALC) • Các bộ phận nâng chính: bánh răng, động cơ, điều khiển • Các bộ phận giảm tiếng ồn khi nâng tời SVTH: Đỗ Ngọc Hiếu Nguyễn Bá Luân 5 Trang Bị Điện 1 Đồ án tốt nghiệp GVHD:TS.An Thị Hoài Thu Anh • Chuyển động trơn tru • Giảm thiểu tiêu hao năng lượng • Dễ dàng bảo trì, bảo dưỡng • Hệ thống mở, dễ dàng cải tiến, nâng cấp tự động hóa 1.

Công nghệ lõi nâng hạ Hình 1. Công nghệ lõi nâng hạ • Được thiết kế và sản xuất bởi chính KoneCranes với ý tưởng tích hợp các bộ phận bao gồm: bánh răng, động cơ, bộ điều khiển • Các bộ phận này nằm trong xe tời, hệ thống bánh xe di chuyển và buồng điện • Kích thước phù hợp để nâng hạ container: hiệu quả sinh thái cao hơn 1. Kiểm soát tải trọng (ACL) SVTH: Đỗ Ngọc Hiếu Nguyễn Bá Luân 6 Trang Bị Điện 1 Đồ án tốt nghiệp GVHD:TS.An Thị Hoài Thu Anh Hình 1. Kiểm soát tải trọng • Bằng cách duy trì kiểm soát tải trọng, hệ thống cho phép RTG đạt được thời gian chu kỳ tối ưu (thời gian từ khi nâng lên đến khi hạ xuống), từ đó cải thiện tốc độ vận hành và tăng hiệu suất trong các điều kiện làm việc khác nhau.

• Cho phép đạt được thời gian chu kỳ (circle times) tối ưu trong mọi điều kiện vận hành • Loại bỏ tình trạng lắc lư container, cho phép thực hiện các chuyển động nhỏ như: xoay (skew), nghiêng trước/ sau (trim), cắt, định vị chính xác phương ngang • Nhờ vào việc kiểm soát tải trọng, người vận hành có thể làm việc dễ dàng hơn với các thao tác chính xác và nhanh chóng. Điều này giúp giảm bớt gánh nặng và căng thẳng cho người điều khiển, tạo điều kiện làm việc hiệu quả hơn. • Hệ thống kiểm soát tải trọng là một phần không thể thiếu để hướng tới tự động hóa cẩu trục RTG. Nhờ có khả năng điều khiển và giám sát tải trọng, RTG có thể dễ dàng tích hợp với các công nghệ tự động hóa khác, giúp cải thiện tính năng tự động và giảm thiểu sự can thiệp của con người.

Cơ cấu di chuyển SVTH: Đỗ Ngọc Hiếu Nguyễn Bá Luân 7 Trang Bị Điện 1 Đồ án tốt nghiệp GVHD:TS.An Thị Hoài Thu Anh Hình 1. Chế độ bánh lái thường: cặp bánh xe khóa lại khi di chuyển bình thường • Khi đang quay: Cặp bánh xe mở khóa để xoay ở chế độ xoay không bị ép buộc, tránh hao mòn lốp • Chế độ lái ngang: Cặp bánh xe khóa lại để lái ngang • Chế độ xoay tròn và đỗ: Đã bao gồm 1. Kết cấu thép, cầu thang, vị trí bảo dưỡng Hình 1. Kết cấu thép, cầu thang, vị trí bảo dưỡng • Kết cấu thép chắc chắn, cứng cáp và chống ăn mòn • Tuổi thọ dài SVTH: Đỗ Ngọc Hiếu Nguyễn Bá Luân 8 Trang Bị Điện 1 Đồ án tốt nghiệp GVHD:TS.An Thị Hoài Thu Anh • Dễ dàng tiếp cận các vị trí vận hành và bảo trì, bảo dưỡng 1.

Lựa chọn nguồn điện Hình 1. Nguồn điện • Sử dụng Pin làm nguồn điện chính cho phép thiết bị vận hành linh động, tự do trong bãi như sử dụng động cơ diesel nhưng không thải CO2 và không tạo ra tiếng ồn. Sử dụng Pin mang lại hiệu quả sinh thái như hoạt động bằng nguồn điện bờ nhưng cắt giảm được các cáp, cơ câu tang cáp và thanh các chắn,… trong sân cảng. • Cuộn cáp • Thanh chắn bảo vệ • Ắc-quy lai/Pin lai • Diesel tích hợp hệ thống tiết kiệm nhiêu liệu • Tất cả các thiết bị trên được cung cấp dưới dạng dịch vụ cải tiến 1.

Khung chụp SVTH: Đỗ Ngọc Hiếu Nguyễn Bá Luân 9 Trang Bị Điện 1 Đồ án tốt nghiệp GVHD:TS.An Thị Hoài Thu Anh Hình 1. Khung chụp • Đầu khung chụp hay cơ cấu cuộn cáp tích hợp sẵn trên khung chụp • Có thể thay đổi loại khung chụp của nhiều nhà sản xuất khác nhau • Giao tiếp mạnh mẽ tới đầu khung chụp • Dễ dàng bảo trì, bảo dưỡng • Sẵn sàng cho hoạt động tự động hóa 1. Cabin • Tầm nhìn vượt trội, cho dù là từ cabin hay Trạm Điều hành Từ xa (ROS) SVTH: Đỗ Ngọc Hiếu Nguyễn Bá Luân 10 Trang Bị Điện 1 Đồ án tốt nghiệp GVHD:TS.An Thị Hoài Thu Anh • Tối ưu hóa cho việc nâng hạ lên xe lửa và xe tải • Công nghệ Giao diện đồ họa người dùng tiên tiến (GUI) • Giao diện phổ quát, trong cabin hoặc từ xa 1. Tính năng thông minh Hình 1.

Tính năng thông minh • Lái tự động • Báo cáo tự động • Tối ưu hóa lộ trình xếp dỡ tự động • Tự động định vị vị trí • Tự động hướng dẫn xe tải • Tăng cường độ an toàn • Ngăn chặn va chạm khi xếp chồng • Chống va chạm giàn cẩu • Ngăn nâng xe tải 1. Trucconnect SVTH: Đỗ Ngọc Hiếu Nguyễn Bá Luân 11 Trang Bị Điện 1 Đồ án tốt nghiệp GVHD:TS.An Thị Hoài Thu Anh Hình 1. Truconnect • Kết nối từ xa cho phép các nhà quản lý và kỹ thuật viên truy cập vào hệ thống điều khiển của RTG từ xa mà không cần hiện diện trực tiếp tại vị trí vận hành. Khả năng kết nối từ xa giúp tiết kiệm thời gian, tăng cường khả năng phản ứng linh hoạt trong các trường hợp khẩn cấp và tối ưu hóa quản lý nhân lực.

• Hệ thống có khả năng thu thập dữ liệu liên tục về tình trạng vận hành của RTG, bao gồm các thông tin quan trọng về đội tàu và tài sản của cảng. Những dữ liệu này bao gồm các thông số như tải trọng, nhiệt độ, thời gian vận hành, công suất, và các yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của RTG.