크레인 흔들림

제어 시스템

1. 개요

오늘날 산업 현장에서 물류의 운송 목적으로 많은 종류의 다양한 크레인이 사용되고 있다. 사용 목적에 따라 크레인의 형태 및 구조, 크기, 속도, 물체의 결속 방식 등이 모두 다르다. 그러나 이들의 공통점은 물건을 매달아 공중으로 목적지까지 이송한다는 것이고 그 과정에서 흔들림이 발생한다는 것이다.

이동시 발생되는 흔들림으로 인하여 크레인 운전자의 흔들림을 줄이기 위한 조심스러운 조작 기술이 필요하다. 흔들림은 작업 시간의 지연뿐만 아니라 안전사고의 위험이 있어 산업 현장 개선 사항 중 핵심이다.

상기의 문제점을 개선하고자 천정 크레인에 C.S.C.S(Crane Sway Control System) 기술을 적용하여 흔들림을 최소화한 최적시스템을 제안하고자 한다.

2. 서론: 흔들림을 알고 검출하기

먼저 흔들림을 제어하기 위해서는 흔들림을 알아야 한다. 흔들림이 왜 만들어지는지? 어떤 변수와 어떠한 상관이 있는지 알아 본다. 하기 [그림 2-1] 의 구조에서 설명한다.

Anti-Sway

케이티에스코리아

모든 크레인을 위한 Anti-Sway

2.1) 흔들림은 누가 만드는가?

트롤리가 만든다. 즉, 트롤리의 움직임이 흔들림을 만든다. 훅은 와이어에 매달려 트롤리에 종속되어 있기 때문에 트롤리의 움직임이 없다면 훅은 건물의 진동이나 바람에 의한 미동만이 존재 할 것이다.

2.2) 흔들림은 크기는 누가 결정 하는가?

트롤리의 속도가 흔들림의 크기를 결정한다. 즉, 트롤리의 속도가 빠르면 흔들림도 더 많이 발생하게 된다.

2.3) 흔들림과 줄의 길이 (진자 운동)

흔들림은 한번 만들어 지면 중력에 의하여 지속 되어지는 속성이 있다. 즉, 진자운동, 시계 추의 원리다.

흔들림의 주기는 L(줄의 길이)에 의해서 결정 된다는 것이다. 동일한 트롤리의 Movement(이동량)에 줄이 짧은 경우 빠른 주기로 여러 번 움직이고 긴 경우, 서서히 소량 움직인다는 것이다.

다음은 동일 패턴으로 운전 할 때 줄 길이에 따른 흔들림의 변화를 시뮬레이션한 결과다.

-. 줄길이: 5, 10, 15 meters

-. 속도: 70 m/min

-. Acc: 5 Sec.

-. Dec: 5 Sec

[그림 2-2]줄길이 5메타에 따른 각도 변화

[그림 2-3]줄길이 10메타에 따른 각도 변화

[그림 2-4]줄길이 15메타에 따른 각도 변화

2.4) 흔들림 검출하기
흔들리는 물체의 흔들림 각을 알기 위한 연구는 계속되고 있으나 에러 없이 현재까지 검증되고 사용되어지고 있는 방법은 적외선 카메라와 비컨을 이용한 방법이다.

트롤리 상부에 하향식 설치된 카메라에서 비컨의 위치를 실시간 검출하여 위치 값을 상위 제어기에 전송한다.

3. 본론: 흔들림 제어하기
3.1) 제어기의 기본 구성도는 하기와 같다.

[그림 3-1]흔들림 제어기 구성도

3.2) 흔들림 제어 원리
이제 제어기는 알고 있다. 흔들림이 왜 발생하는지? 어떤 경우에 얼마나 큰 흔들림이 발생하는지?
A.   주어진 상황에서 흔들림을 최소화 하기 위한 최적의 속도 명령을 드라이브에 인가한다.
B.   실시간 카메라를 통하여 입력된 Angle 값을 이용하여 훅의 위치를 계산하고 추적 제어를 한다.
C.   하기의 수식을 적용하면 실시간 위치 값을 알 수 있다.

[그림 3-2]실시간 비컨 위치

3.3) 흔들림 제어 성능 (시뮬레이션)
하기 조건으로 동일패턴으로 운전 할 때 줄 길이에 따른 흔들림의 변화를 시뮬레이션한 아주 이상적인 결과이다.
-. 줄 길이: 5, 10, 15 meters
-. 속도: 70 m/min
-. Acc: 5 Sec.
-. Dec: 5 Sec

3.3) 흔들림 제어 성능 (시뮬레이션)

하기 조건으로 동일패턴으로 운전 할 때 줄 길이에 따른 흔들림의 변화를 시뮬레이션한 아주 이상적인 결과이다.

-. 줄 길이: 5, 10, 15 meters

-. 속도: 70 m/min

-. Acc: 5 Sec.

-. Dec: 5 Sec

[그림 3-3] 5meter 흔들림 제어 성능

[그림 3-4] 10meter 흔들림 제어 성능

[그림 3-5] 15meter 흔들림 제어 성능

4. 결론

크레인의 이동에 따른 흔들림을 시뮬레이션 해 보았고 그에 대한 이상적인 제어 결과도 시뮬레이션을 통해 알 수 있었다. 실제 현장 크레인에 적용시 다수의 변수가 존재 하겠지만 카메라 시스템을 통하여 흔들림 각도를 측정하고 이탈 거리를 제어함으로써 흔들림을 방지함은 물론 산업 재해를 방지하고 생산성 향상에 큰 기여할 것이다.