AT402916B - Kransteuersystem - Google Patents

Description

AT 402 916 B

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Steuerung eines Auslegersystems eines Kranes gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei festigkeitstechnischer Dimensionierung der Struktur eines Krans müssen dynamische Belastungen berücksichtigt werden. Sie werden von den Beschleunigungen und Verzögerungen sowohl des eigentlichen Ausiegersystems als auch ganz besonders der zu hebenden Last veranlaßt.

Die größte zulässige Geschwindigkeit des Auslegersystems eines Krans wurde mittels einer hydraulischen Pumpe definiert, deren Volumenstrom auf ein bestimmtes Maximalniveau je nach Kran gestellt wurde. Der zur Verfügung stehende Volumenstrom wurde an verschiedene Bedienungsvorrichtungen, zunächst an hydraulische Zylinder und Regelventile verteilt, die mechanisch durch Hebel gesteuert wurden.

Ein ernster Nachteil bestand darin, daß die größte zulässige Last und Geschwindigkeit des Krans fest und unabhängig von einander waren, d.h. es war notwendig, den Kran gemäß der in der Praxis oft vorgekommenen Situation zu dimensionieren, daß die Maximallast mit einer Maximalgeschwindigkeit verschoben wird. Es war möglich, die Bewegungen zum Anlassen und Anhalten des Auslegersystems sehr schnell auszuführen, weshalb die Kranstruktur während einer Lastverschiebung oft einer Schwingung ausgesetzt wurde. Korrigierungsversuche des Kranführers machten die Schwingung gewöhnlich nur schlimmer, weil die Führungsbewegungen und die Eigenfrequenz der Kranstruktur zusammen eine undämpfbare Schwingungsbewegung zustandebrachten.

So war es, weil die Bewegungen der Bedienungsvorrichtungen des Krans, zunächst die der Ventile der hydraulischen Zylinder, direkt mechanisch gesteuert wurden. Gemäß der allgemeinen Auffassung in diesem Zusammenhang war es nicht möglich, die Stärke der Beschleunigungen durch Verminderung der Öffnungsund Schließgeschwindigkeiten der Regelventile viel zu beeinflussen, weil dabei eine Vorgreifung zur Führung des Krans notwendig wäre, und weil die Führung dadurch ungenau, sogar gefährlich werden würde. ln der US-Schrift 4 006 347 wird eine solche Berücksichtigung der Last vorgeschlagen, daß die Bewegung des Auslegers eines Krans in der Vertikalebene verlangsamt wird, wenn der Ausleger von oben gegen die Horizontalebene schwenkt, respektive diese Bewegung beschleunigt wird, wenn der Ausleger sich von unten nach oben bewegt. Die Führung findet jedoch indirekt mittels eines zusätzlichen Ventils statt, das einen Teil des von der hydraulischen Pumpe erzeugten Volumenstroms an dem Ventil des hydraulischen Zylinders vorbei in den Behälter zurückleitet, weswegen die Führung besonders beim Anlassen und Anhalten des Krans ungenau ist.

Weiters wurde durch die DE-OS 34 20 596 ein Kran vorgeschlagen, bei dem das Lastmoment begrenzbar ist. Dabei wird bei Vorliegen unzulässiger Werte für die Belastung die Bewegungsmöglichkeit des Kranes teilweise gesperrt, um z.B. ein weiteres Ausschwenken zu verhindern.

Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile und Einschränkungen zu vermeiden und eine Einrichtung der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, die es ermöglicht, die auf ein Auslegersystem einwirkenden dynamischen Belastungen zu berücksichtigen.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Auslegersystem der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ist sichergestellt, daß die Verstellgeschwindigkeit des Auslegersystems durch eine entsprechende Steuerung der Geschwindigkeit der Bewegung der Steuerkolben der Steuerventile geregelt wird, wobei durch den Regelalgorithmus ein entsprechender Zusammenhang zwischen den Lastsignalen und der Geschwindigkeit der Bewegung der Steurkolben und damit auch des Auslegersystems sichergestellt ist. Dadurch wird auch erreicht, daß bei höheren Lasten die dynamischen Belastungen durch die verminderte Bewegungsgeschwindigkeit des Auslegersystems vermindert werden und daher insgesamt die Belastungsgrenzen für das Auslegersystem bei freier Beweglichkeit eingehalten werden.

Nach der Erfindung wird zum Vermindern der sich auf den Kran richtenden dynamischen Belastungen die Ölströmung in die hydraulischen Bedienungsvorrichtungen dadurch gesteuert, daß die Bewegungen der Ventile der Bedienungsvorrichtungen direkt auf der Basis der Geschwindigkeitsinformation und der Belastungsinformation des Auslegersystems geregelt werden, wenn die Ventilbewegungsgeschwindigkeiten einen vorbestimmten Wert überschreiten.

Im erfindungsgemäßen Steuersystem sind also die von den Beschleunigungen der Last veranlaßten dynamischen Belastungen dadurch vermindert, daß das Regelventil gehindert wird, sich zu schnell zu öffnen und zu schließen, und dadurch, daß die Bewegungsgeschwindigkeiten des Krans besonders bei großen Belastungen vermindert werden. Eine Begrenzung der Geschwindigkeit der Steuerbewegungen des Anwenders vermindert die Beschleunigungen, dämpft die nachteiligen Einflüsse der Fehlerbewegungen ab und verbessert die Steuereigenschaften. Auf Grund der verminderten dynamischen Spannungsschwankungen kann das Hubvermögen des Krans vermehrt, die Steuereigenschaften verbessert, die Haltbarkeit der 2

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Auslegersystemkonstruktionen erhöht oder die Konstruktionen leichter gemacht werden.

Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil eines einfachen Aufbaus, wobei die Zahl der hydraulischen Komponenten, gegenüber einer herkömmlichen Lösung nicht erhöht zu werden braucht.

Durch die Merkmale des Anspruches 3 ergibt sich der Vorteil, daß der entsprechende Regelalgorithmus auf einfache Weise festgelegt werden kann und dieser nachträglich nicht mehr ohne weiteres geändert werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf die beigefügte Zeichnung ausführlicher erläutert.

Figur 1 ist eine Seitenansicht eines Krans.

Figur 2 zeigt ein Prinzipbild eines Steuersystems.

Figur 3 zeigt ein ßlockdiagramm einer elektronischen Steuereinheit.

Figur 4 zeigt ein Blockdiagramm eines vorteilhaften beispielmässigen Programms, das in einem in der Steuereinheit enthaltenen Programmspeicher angeordnet ist.

Figur 5 zeigt eine Beispielsfunktion zwischen Druck und Geschwindigkeit.

Der als Beispiel angeführte Kran der Figur 1 weist ein Gerüst 1, eine Kransäule 2, einen Hebearm 3, einen Verschiebearm 4 und seine Verlängerung 5, einen Greifer 6, einen Abhebezylinder 7 und einen Verschiebezylinder 8 auf.

Am meisten beansprucht die Last des Krans die Kransäule 2 und den Abhebezylinder 7, weshalb es vorteilhaft ist, den wenigstens einen im System enthaltenen Belastungsaufnehmer entweder in Verbindung mit der Kransäule oder dem Abhebezylinder anzubringen. Der Belastungsaufnehmer kann zum Beispiel den Druck im Abhebezylinder oder in dessen Zuführungsschlauch messen, oder an der Oberfläche der Kransäule kann ein Spannungsaufnehmer befestigt werden.

Zu dieser Absicht geeignete Meßaufnehmer sind leicht erhältlich weshalb es nicht nötig sein dürfte, ihre Konstruktion und Funktion hier ausführlicher zu erläutern.

In Figur 2 bezeichnet der Block 9 eine elektronische Regeleinheit, der Block 10 ein Regelventilsystem und der Block 11 steuerbare Bedienungsvorrichtungen (hydraulische Zylinder). Der Pfeil 12 bezeichnet eine Einspeisung einer Stromquelle, der Pfeil 13 Geschwindigkeitsinformationen des Anwenders, der Pfeil 14 eine Belastungsangabe, der Pfeil 15 ein Steuersignal für ein Ventil, und die Pfeile 16 und 17 bezeichnen eine Ölströmung.

In Figur 3 bezeichnet das Bezugszeichen 18 einen Belastungsaufnehmer, dessen Spannungsinformation 19 in einem Analog-Digital-Umsetzer 20 für einen Mikroprozessor 21 in eine digitale Form umgesetzt wird. Aus Steuerpotentiometern 22 erhältliche Geschwindigkeitsinformationen 23 werden auch im A/D-Umsetzer 20 für den erwähnten Mikroprozessor 21 in eine digitale Form umgesetzt. Auf der Basis der Geschwindigkeitsinformationen und der Belastungsangabe führt der Mikroprozessor 21 gemäss einer in einem unlöschbaren Speicher 24 befindlichen Steuerprogrammausrüstung eine Regel- und Filtrierberechnung der Geschwindigkeitsini'ormationen aus. Die verarbeiteten Geschwindigkeitsinformationen 25 werden aus einem Reihenübertragungssteuergerät 27 an Regelventile 26 übermittelt. Die Steuergrösse des Ventils kann auch eine analoge elektrische Information sein, wobei anstatt eines Reihenübertragungssteuergeräts ein Digital-Analog-Umsetzer verwendet wird.

Im folgenden wird eine vorteilhafte Ausführungsform ausführlich erläutert.

Das System besteht aus einem digitalen steuerbaren Regelventil, einer Steuerelektronik, elektrischen Steuerorganen und einem Druckaufnehmer.

An dem Sitz des Führers sind zwei Stück Steuerhebel befestigt, wqlche beide zur Steuerung von drei Bedienungsvorrichtungen (hydraulischen Zylindern) entweder zusammen oder separat verwendet werden können. Am Steuerhebel sind drei Potentiometer so angeordnet, dass wenn der Hebel in der Horizontalebene geschwenkt wird, zwei Potentiometer aus ihrer Mittelstellung nach der einen oder anderen Seite abgelenkt werden, und wenn die am Hebel angeordneten Drucktasten gedrückt werden, wird das dritte Potentiometer abgelenkt. Alle Potentiometer sind mit einer Gleichspannung von 5 V pralleigeschaltet, was eine Ausgangsspannung von 2.5 V ergibt, wenn der Schleifkontakt des Potentiometers in der Mittelstellung ist. Von dem Steuerhebel werden also insgesamt 6 Stück Ausgangsspannung erhalten, die nach der Jeweiligen Lage der Steuerhebel zwischen 0 V und 5 V variieren. Wenn die Ausgangsspannung < 2.5 V ist, bewegt sich der hydraulische Zylinder hinein und entsprechend, wenn die Spannung > 2.5 V ist, bewegt sich der hydraulische Zylinder heraus, d.h. seine Länge nimmt zu. Wenn die Spannung 2.5 V ist, bleibt der Zylinder an seinem Platz. Je näher jede Ausgangsspannung dem Wert 0 V oder 5 V ist, je grössere Geschwindigkeitsinformation erhält die bezügliche Bedienungsvorrichtung.

Die obigen Steuerspannungen sind an eine Steuereinheit angeschlossen, wo eine Verarbeitung und Behandlung von Daten sowie ihre Übertragung weiter auf Regelventile stattfinden. Die Steuereinheit weist u.a. einen Mikroprozessor, d.h. eine "Ausführer", eine Analog-Digital-Umsetzer, einen Programmspeicher, einen Arbeitsspeicher, ein Reihenübertragungssteuergerät und einen Oszillatorkristall auf. Der Programm- 3

Claims (1)

1. AT 402 916 B Speicher ist vom Typ Nur-Lese-Speicher (Read Only Memory), der mit einer separaten Programmierungsvorrichtung programmiert wird. Die Daten des Programmspeichers überstehen Unterbrechungen in der Elektrizität. Das Steuerprogramm hat die Form einer endlosen Programmschleife, die mehrere Male pro Sekunde durchgeführt wird, wenn die Anordnung in Funktion ist. Das Blockdiagramm des im Programmspeicher angebrachten Programms wird in Figur 4 gezeigt. Wenn eine Spannung an die Steuereinheit angeschlossen wird, fängt der "Ausführer" an, das Programm des Programmspeichers zu verwirklichen. Zuerst werden die von einem Unterbrechungssteuergerät und dem Reihenübertragungssteuergerät benötigten Initialmassnahmen ausgeführt, und zwar dadurch, dass gewisse Silben in Speicherumordner dieser Steuergeräte eingeschrieben werden. Die Umordner befinden sich in einem sog. Schreib-Lese-Speicher (Random Access Memor), dessen Informationen im Fall einer Unterbrechung in der Stromversorgung gelöscht werden. Die Ausführung der eigentlichen Programmschleife beginnt mit dem Lesen der Steuerdaten. Solche Steuerdaten sind die von den ober erwähnten Steuerorganen kommenden Steuerspannungen (6 Stück) und die von dem Druckaufnehmer kommende Spannung. Als Druckaufnehmer dient ein Aufnehmer vom Typ Dehnungsstreifen, dessen Maximialausgang 100 mV ist, wenn die Speisespannung 10 V ist, weshalb die Drucksignale vor dem Analog-Digital-Umsetzer auf einen Pegel von 0-5 V gebracht werden. In dem Analog-Digital-Umsetzer werden die den Steuerinformationen entsprechenden Spannungen in eine digitale Form (mit 0-255 Dezimalstellen) umgesetzt. Danach wird die Druckinformation so filtriert, dass das durchschnittliche Druckniveau im Abhebezylinder ermittelt wird, welches Druckniveau keine von den Schwingungen der Last veranlassten Druckspitzen zeigt. Durch Filtrierung wird verhindert, dass das Steuersystem mit den Schwingungen der Last in Resonanz gerät. Zur Filtrierung wird ein mathematischer Algorithmus verwendet, wobei der neue filtrierte Wert dadurch erhalten wird, dass der erstere filtrierte Wert und der Unterschied zwischen dem Aufgabenwert und dem ersteren filtrierten Wert addiert werden, und zwar so, dass der Unterschied mit einem bestimmten Parameter multipliziert wird, d.h. die Formel lautet wie folgt: X2 = X1 + a' (0-X1), wobei X1 = der erstere filtrierte Wert, X2 = der neue filtrierte Wert, a = Parameter, 0 = Aufgabenwert. Durch Änderung des Parameters a wird eine erwünschte Filtrierfunktion zustandegebracht. In der Praxis hat eine Filtrierung zur Folge, dass der neue filtrierte Wert X2 den Aufgabenwert 0 terrassenartig, d.h. innerhalb einer gewissen, für die Filter charakteristischen Anstiegzeit, erreicht. Danach werden auch die von den Steuerorganen erhältlichen Steuerinformationen durch Verwendung des erwähnten Algorithmus filtriert. Dir Filterparameter der verschiedenen Steuerinformationen können so erwählt werden wie sie für jeden einzelnen Kran geeignet sind. Durch Filtrierung der Steuerinformationen werden die Öffnungs- und Schliessgeschwindigkeiten der Regelventile und dadurch die Beschleunigungen und Verzögerungen der Bedienungsvorrichtungen und der Last vermindert. Die Regelung der Bewegungsgeschwindigkeit einer einzelnen Bedienungsvorrichtung wird auf Grund einer Druckinformation ausgeführt. Das Steuerprogramm erhöht die grösste zulässige Geschwindigkeit der Kranbewegungen beim Abnehmen des Druckes und vermindert sie entsprechend beim Zunehmen des Druckes, und zwar z.B. gemäss der graphischen Darstellung der in Figur 5 gezeigten Funktion. Der Einfluss der Druckinformation auf die maximale Bewegungsgeschwindigkeit der Bedienungsvorrichtung kann je nach der Bedienungsvorrichtung variieren. Die am Anfang an den Steuerorganen gemessenen Steuerinformationen sind auf der Basis des Steuer-und Belastungszustandes des Krans zur Übermittlung an Regelventile verarbeitet worden. Am Ende der Programmschleife werden die Steuerinformationen über das Reihenübertragungssteuergerät 27 an Ventile 26 übermittelt. Als Regelventil wird ein Ventil verwendet, das durch Digitalsteuerung gesteuert werden kann. In diesem erfolgt die Entschlüsselung der Steuersignale und die Regelung des Durchflußquerschnittes in eine erwünschte Stellung. Ein Kran hat in der Regel mehrere Regelventile für verschiedene Bewegungen. Diese Ventile sind der Einfachheit halber in Figur 3 nur durch Punkt 28 umrissen. Wie es aus Figur 3 ersichtlich ist, kann die Funktion aller erforderlichen Ventile je nach dem Bedienunggerät und Kran geändert werden, und zwar durch Änderung des Steuerprogramms. Patentansprüche 1. Einrichtung zur Steuerung eines Auslegersystems eines Kranes, insbesondere eines hydraulischen Kranes, mit wenigstens einem Belastungsaufnehmer, welche Einrichtung die Geschwindigkeit der Verstellung des Auslegersystems in Abhängigkeit von den Signalen des Belastungsaufnehmers regelt und bei zunehmender Belastung die Verstellgeschwindigkeit vermindert, wobei hydraulische Betätigungseinrichtungen zur Steuerung der Bewegung des Auslegers, Steuerventile zur Steuerung des Stromes einer Flüssigkeit zu den hydraulischen Betätigungseinrichtungen, sowie eine Eingabeeinrich- 4 AT 402 916 B tung zur Vorgabe einer gewünschten Verstellgeschwindigkeit vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Einstellung der Verstellgeschwindigkeit des Auslegersystems die Geschwindigkeit der Bewegung von Steuerkolben der Steuerventile in Abhängigkeit von nach einem bestimmten Regler-Algorithmus verarbeiteten, den vorgegebenen Geschwindigkeiten und den Lastsignalen entsprechenden Signalen steuert. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einer hydraulischen Betätigungseinrichtung zugeordnete Regelventil (10) elektrisch gesteuert ist und dem elektrischen Antrieb des Regelventiles (10) ein Steuerblock (9) vorgeschaltet ist, der mit einem Steller (22) und einem Belastungsaufnehmer (18) verbunden ist und Steuersignale in Abhängigkeit von den Signalen des Stellers (22) und dem Belastungsaufnehmer (18) liefert. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steller (22) und der Belastungsaufnehmer (18) über einen Analog-Digitalwandler (20) mit einem Mikroprozessor (21) verbunden sind, der mit einem nicht-flüchtigen, einen vorgegebenen Regelalgorithmus enthaltenden Speicher, z.B. einem EPROM (24) eingangsseitig verbunden ist, wobei der Mikroprozessor (21) über eine Ausgangsschaltung (27) mit einem Regelventil verbunden ist. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 5