Precisione di posizionamento del tamburo del verricello di ormeggio: come i sistemi di feedback dell'encoder eliminano la sovrapposizione dei cavi nelle operazioni di rimorchio portuale.

Perché la sovrapposizione dei cavi sui tamburi degli argani di ormeggio non è "solo un fastidio": le conseguenze in termini di danni meccanici.

Da quindici anni lavoro presso Yining Hydraulic, progettando sistemi di controllo per verricelli di ormeggio e servendo operatori portuali da Rotterdam a Singapore. Il problema operativo più frequente che mi segnalano è la sovrapposizione dei cavi: il cavo di ormeggio si incrocia con lo strato precedente sul tamburo, creando un punto di schiacciamento che deforma i trefoli del cavo, innesca cricche da fatica e riduce la durata utile del cavo del 60-70%.La sovrapposizione dei cavi non è un problema estetico; è un meccanismo di danneggiamento strutturale che trasforma un cavo di ormeggio da 15.000 dollari in un rottame entro 2-3 anni, anziché entro la sua durata di servizio prevista di 8-10 anni.Il meccanismo di danneggiamento: quando si verifica un incrocio dei cavi, lo strato superiore del cavo applica un carico puntiforme concentrato sul trefolo inferiore, pari a circa 3-5 volte il carico distribuito che il cavo è progettato per sopportare. Questo carico puntiforme schiaccia i singoli trefoli, creando punti di concentrazione delle sollecitazioni che innescano cricche da fatica entro 50-100 cicli di carico.

La causa principale della sovrapposizione dei cavi:I sistemi di controllo idraulico ad anello aperto per verricelli non dispongono di alcun meccanismo di feedback che correli l'angolo di rotazione del tamburo con la posizione della guida del cavo.L'operatore del verricello controlla la velocità del tamburo con una leva di una valvola proporzionale e la posizione della guida del cavo manualmente o con una leva separata. Quando la temporizzazione dell'operatore tra la velocità del tamburo e la velocità della guida del cavo si desincronizza, anche solo di 200-300 millisecondi, il cavo inizia ad avvolgersi in modo irregolare. Dopo 10-15 avvolgimenti irregolari, si verifica un incrocio. Nelle operazioni di rimorchio portuale, dove un verricello di ormeggio esegue 20-40 cicli al giorno, ciò significa 2-4 incroci al giorno, ovvero circa 700-1.400 incroci all'anno, ognuno dei quali danneggia progressivamente il cavo.Yining HydraulicAbbiamo dotato i verricelli di ormeggio di celle di carico per cavi che hanno mostrato picchi di carico del 300-400% in ogni punto di incrocio: un cavo caricato a 10 tonnellate in condizioni operative normali subisce una forza di schiacciamento localizzata di 30-40 tonnellate in un punto di incrocio.

Principi fondamentali del feedback dell'encoder: come il controllo di posizione a circuito chiuso elimina la sovrapposizione dei cavi

Un sistema di posizionamento del cavo a circuito chiuso basato su encoder è costituito da due sensori e un controllore: un encoder rotativo sull'albero del tamburo misura la posizione angolare del tamburo con una risoluzione inferiore al grado, e un encoder lineare (o un secondo encoder rotativo sulla vite di comando della guida del cavo) misura la posizione laterale della guida del cavo.Il controllore, in genere un PLC o un controllore di movimento dedicato, calcola il numero di giri al minuto (RPM) richiesto per ogni data posizione della guida del cavo in base alla geometria del tamburo (diametro, larghezza, diametro del cavo, numero di strati) e comanda la valvola proporzionale idraulica per adattare la velocità del tamburo alla posizione della guida in tempo reale.

Algoritmo di controllo: la velocità di rotazione del tamburo è una funzione della posizione laterale della guida del cavo (x) divisa per il passo del cavo (diametro + 2 mm di spaziatura tra le spire), moltiplicata per un fattore di correzione dello strato. Sul primo strato di cavo: velocità di rotazione del tamburo = velocità della guida / (pi x Ddrum), dove Ddrum è il diametro del tamburo. Sul secondo strato: velocità di rotazione del tamburo = velocità della guida / (pi x (Ddrum + 1,732 x Dcable)), tenendo conto del percorso elicoidale del cavo sul secondo strato.Il fattore di correzione dello strato è essenziale perché il cavo non si impila verticalmente sopra il primo strato, ma si incastra nelle scanalature tra i cavi adiacenti del primo strato, creando un percorso di avvolgimento elicoidale con un diametro effettivo che è 1,732 volte maggiore del diametro del cavo rispetto al diametro del tamburo, e non 2 volte maggiore.Senza questa correzione, la velocità del tamburo è errata di circa il 13% sul secondo strato e l'errore di posizionamento si accumula progressivamente con ogni strato aggiuntivo. SecondoSAESecondo gli standard di controllo idraulico, il controllo di posizione a circuito chiuso con feedback dell'encoder raggiunge una precisione di posizionamento di +/-0,5 mm sulla guida del cavo, rispetto a +/-8-12 mm per il controllo idraulico a circuito aperto alle velocità operative tipiche.

Selezione dell'encoder: requisiti assoluti o incrementali, a più giri per applicazioni con verricelli di ormeggio

La scelta tra encoder rotativi assoluti e incrementali per il rilevamento della posizione del tamburo del verricello di ormeggio dipende dalle esigenze operative: gli encoder assoluti memorizzano la posizione del tamburo anche in caso di interruzione di corrente, mentre gli encoder incrementali richiedono una sequenza di azzeramento all'avvio.Per i verricelli di ormeggio dei rimorchiatori portuali, dove un'interruzione di corrente durante un'operazione di ormeggio rappresenta un evento critico per la sicurezza, gli encoder assoluti multigiro sono la scelta standard. Un encoder assoluto genera un codice digitale univoco per ogni posizione dell'albero all'interno del suo campo di misura, consentendo al PLC di leggere immediatamente la posizione assoluta del tamburo all'accensione, senza che sia necessario ruotare il tamburo fino a un sensore di posizione iniziale. Un encoder assoluto multigiro con una risoluzione a 12 bit per giro singolo (4.096 posizioni per giro) e un contatore multigiro a 12 bit (campo di misura di 4.096 giri) fornisce 16.777.216 posizioni angolari univoche, più che sufficienti per il tamburo di un verricello di ormeggio che compie da 50 a 100 giri dal cavo vuoto a quello completamente avvolto.

Considerazioni sul montaggio dell'encoder: l'encoder deve essere montato direttamente sull'albero del tamburo o accoppiato tramite un giunto flessibile senza gioco, mai tramite un treno di ingranaggi.Il gioco degli ingranaggi di 0,1-0,2 gradi nell'ingranamento si traduce in un errore di posizionamento del cavo di 5-10 mm su un diametro del tamburo di 500 mm, annullando completamente la precisione dell'encoder. Il montaggio diretto sull'albero elimina questa fonte di errore. Protezione ambientale: l'encoder deve avere un grado di protezione IP67 minimo per applicazioni su ponti marini, con un alloggiamento in acciaio inossidabile (304 o 316). Il cavo tra l'encoder e il PLC deve essere a doppino intrecciato schermato con la schermatura messa a terra solo all'estremità del PLC (per evitare anelli di massa che generano rumore sul segnale dell'encoder).Yining HydraulicI nostri pacchetti di encoder per verricelli di ormeggio includono un encoder assoluto multigiro, grado di protezione IP67, alloggiamento in acciaio inossidabile, montaggio diretto sull'albero del tamburo, cavo schermato pre-terminato e integrazione PLC con algoritmi di auto-homing e compensazione degli strati.

Regolazione del circuito di controllo: parametri PID che convertono i dati dell'encoder in un avvolgimento del cavo fluido

La qualità dei dati dell'encoder dipende esclusivamente dalla qualità del circuito di controllo che li elabora: un regolatore PID tarato in modo errato genera oscillazioni incontrollate che causano il gioco del cavo sul tamburo, un problema altrettanto dannoso quanto la sovrapposizione.Il circuito di controllo PID per la posizione del tamburo dell'argano: il setpoint è la posizione angolare desiderata del tamburo (derivata dalla posizione della guida del cavo), la variabile di processo è la posizione angolare effettiva del tamburo (proveniente dall'encoder) e l'uscita del controllore è il segnale di tensione inviato alla valvola proporzionale idraulica. L'obiettivo di regolazione: il tamburo deve seguire la posizione della guida con un errore a regime nullo (eliminato dal termine integrale), un overshoot minimo (inferiore al 2% del setpoint, controllato dal termine derivativo) e un tempo di assestamento inferiore a 100 millisecondi per una variazione a gradino del 10% della velocità di guida.

Parametri PID iniziali per un verricello idraulico di ormeggio Yining serie IYJ con motore da 250 cc/giro e valvola proporzionale Bosch Rexroth 4WREE: Kp = 0,8, Ki = 0,15, Kd = 0,05, con un tempo di aggiornamento del ciclo di 10 millisecondi.Questi valori sono un punto di partenza: i parametri effettivi richiedono una messa a punto in loco perché l'inerzia del sistema (massa del tamburo più del cavo) varia significativamente tra un tamburo vuoto e un tamburo completamente carico (peso del cavo di 300-500 kg per un cavo di ormeggio di 100 metri con diametro di 36 mm). La soluzione: programmazione del guadagno: i guadagni PID sono una funzione dell'inerzia del tamburo calcolata in base al numero di strati di cavo sul tamburo misurato dall'encoder. Ad esempio, Kp potrebbe essere 0,8 con uno strato di cavo (bassa inerzia, risposta rapida) e aumentare a 1,2 con cinque strati (alta inerzia, risposta più lenta che richiede un guadagno proporzionale maggiore).Yining HydraulicI nostri programmi PLC includono una programmazione del guadagno basata sull'inerzia che mantiene la precisione del tracciamento della posizione entro +/-0,5 mm sull'intera gamma di riempimento del tamburo, da vuoto a pieno.

Caso di studio: Ammodernamento del verricello di ormeggio della flotta di rimorchiatori del porto di Ningbo, 2023

Nel 2023, l'operatore della flotta di rimorchiatori del porto di Ningbo si è rivolto a Yining Hydraulic per un problema di sostituzione dei cavi: i suoi 12 rimorchiatori sostituivano i cavi di ormeggio in media ogni 2,2 anni, con un costo di circa 18.000 dollari USA per cavo (36 mm x 110 m, acciaio ad alta resistenza, con raccordi terminali, manodopera per l'installazione e un giorno di fermo del rimorchiatore). Il costo annuale per la sostituzione dei cavi dell'intera flotta di 12 rimorchiatori superava i 98.000 dollari USA. La causa principale è stata identificata grazie alla registrazione video ad alta velocità dei verricelli durante le operazioni di ormeggio: si verificava una sovrapposizione dei cavi in ​​media 2,8 volte per ciclo di ormeggio e ogni evento di sovrapposizione generava un picco di carico del 350-450% misurato dagli estensimetri sul cavo.

La soluzione di ammodernamento: Yining Hydraulic ha installato encoder assoluti multigiro (Heidenhain ECN 413, risoluzione a 25 bit) sugli alberi dei tamburi, potenziometri lineari sui carrelli di guida dei cavi e ha aggiornato i PLC dell'argano con il nostro algoritmo di controllo PID a compensazione di livello proprietario.Costo hardware per verricello: 3.200 dollari USA (encoder + potenziometro + cavo schermato + staffa di installazione), più 1.800 dollari USA per la programmazione e la messa in servizio del PLC. Costo totale di ammodernamento per verricello: 5.000 dollari USA. Costo totale della flotta: 120.000 dollari USA (12 rimorchiatori x 2 verricelli per rimorchiatore = 24 verricelli). Risultati dopo 18 mesi: incidenti di sovrapposizione dei cavi ridotti del 97% (da 2,8 per ciclo a 0,08 per ciclo), durata media di servizio dei cavi estesa da 2,2 anni a una stima di oltre 7,5 anni (estrapolata dalle attuali misurazioni dell'usura) e costo annuale di sostituzione dei cavi ridotto da 98.000 dollari USA a una stima di 28.000 dollari USA.L'investimento di 120.000 dollari per l'ammodernamento è stato completamente recuperato in 17 mesi grazie al solo risparmio sulla sostituzione dei cavi.

Riferimenti esterni: SAE International · Classificazione DNV · Regole ABS · Sistemi idraulici ISO 4413 · Registro di Lloyd · ISO 5001 · CETOP RP100 · Materiali IOM3