CN103303802B - 起重机控制方法、起重机控制器、起重机和多起重机系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于起重机的控制和/或数据采集的方法，其中，位于起重机处的至少一个测量装置提供用于确定至少一个负载提升装置的位置的一个或多个测量值，上述负载提升装置特别是起重机吊钩，其中，基于至少一个测量装置的一个或多个测量值和表征起重机的刚度的一个或多个数据，来实现对负载提升装置的位置的计算。本发明还涉及一种用于执行根据本发明的方法的起重机和一种起重机控制器。

Description

起重机控制方法、起重机控制器、 起重机和多起重机系统

技术领域

本发明涉及一种用于起重机的控制和/或数据采集的方法，其中，起重机处的至少一个测量装置提供一个或多个用于确定负载提升装置（loadlifting means）的位置的测量值。本发明的主题还涉及一种对应的起重机和适当的起重机控制器。

背景技术

对于自动起重机控制方法来说，在起重机操作期间确定精确的吊钩位置是基本的先决条件。

到目前为止，用起重机本体的几何形状关系来计算起重机吊钩的高度，该高度是从起重机开始的半径（通常叫做极限伸距（outreach））的函数。

在起重机的操作期间，整个起重机系统或各个起重机部件容易受到由所施加的力导致的极限负载。然而，这导致起重机的几何形状的相当大的变形，然后，这会导致位置计算中的不准确。

对起重机操作和特殊起重机操作期间的安全性的增长的需求通常要求在操作期间尽可能精确地确定负载提升装置的位置。特别地，可靠的升力限制器需要精确确定吊钩位置。另外，特别是在两个起重机的串联（tandem）操作中，需要正确确定起重机吊钩位置。

发明内容

本发明的目的是，说明一种用于确定负载提升装置的当前位置的方法，与已知的方法相比，其允许更精确地确定位置。

利用根据本发明的方法来实现此目的。

因此，本发明基于这样的事实：位于起重机处的至少一个测量装置提供一个或多个用于确定至少一个负载提升装置的位置的测量值。

优选地，用起重机吊钩作为负载提升装置，但是，也可想到替代的负载提升装置，例如，支撑框架、横梁、抓斗、磁性提升装置等等。

根据本发明，基于至少一个测量装置的该一个或多个测量值和一个或多个表征起重机的刚度（stiffness）的数据，来实现对至少一个负载提升装置的精确位置的计算。优选地，在表征起重机的刚度的数据中，通常表示这样的值，其描述了在起重机操作期间起重机的几何形状与起重机的正常刚性形状的偏离。

在这一点上，表征起重机的刚度的数据特别包括这样的数据，该数据与起重机或某些起重机部件的抗弯刚度和/或抗拉刚度和/或抗扭刚度相关，或者提供关于起重机或某些起重机部件的弯曲度（bend，弯曲）和/或伸长率（elongation，伸长）和/或扭转的测量值。

还可能将起重机或起重机部件的弹簧常数考虑为表征起重机的刚度的数据。

因此，该方法不同于之前的刚性起重机结构的假设，而是考虑对起重机结构的影响，特别是在起重机几何形状上施加的力的效果以及起重机几何形状的相关变形，以便更精确地确定负载提升装置的位置。

优选地计算出负载提升装置在相对于起重机的径向方向R上和相对于起重机的竖直方向V上的位置，或将其计算为竖直方向H上的绝对值。

表征起重机的刚度的数据优选地与至少一个起重机部件的弯曲或抗弯刚度相关。在这一点上，可能的起重机部件包括起重机塔或各个塔元件，以及吊杆系统或各个吊杆元件。

此外，表征起重机的刚度的数据可能考虑一个或多个起重机部件的悬挂（suspension，悬置）。在这一点上，应提到起重机的至少一个悬臂支架（outrigger，悬臂梁）。特别地，应考虑至少一个支撑臂的悬挂，以及可能地，支撑机构（例如对应的支撑缸体（support cylinder，支撑液压缸，支撑圆筒））的悬挂。

所述起重机部件受到变形，可根据所悬挂的负载质量和位置来确定该变形。

表征起重机的刚度（特别是抗拉刚度）的数据可包括至少一条起重缆索（hoisting cable，吊装缆线）的状态。这里，至少一条起重缆索的总刚度，特别是缆索垂度和/或缆索伸长率和/或抗拉刚度，可有助于实现改进的起重机系统的表示，并帮助更精确地确定所使用的负载提升装置的位置。

在起重机的操作期间，优选地，可用一个或多个适当的测量装置来检测一个或多个表征起重机的刚度的数据，并可用该数据来计算负载提升装置的位置。

或者，可产生考虑（considering，顾及）起重机刚度的起重机模型（model），并在计算负载提升装置的位置时考虑该模型。对起重机状态建模具有这样的优点：有限数量的传感器足以精确地确定负载提升装置的位置。通过使用可变形的起重机模型，可设法实现更实际的计算。

对于建模，例如，可将一个或多个起重机部件表示成弹性元件（elasticelements），优选地是梁。由于起重机系统的实际建模的原因，在计算负载提升装置的位置时考虑该元件或梁的弯曲。

例如，将起重机的一个或多个塔元件解释为这样的梁，以已知的方式模拟这些梁的弯曲。另外，优选地，可同样地将吊杆系统的元件理解为各个梁，能够确定这些梁的偏转。

便利地，将支撑系统（特别是各个支撑臂或相关的支撑缸体）建模成回弹（resilient）或阻尼（damping）元件。

此外，可用能够延伸（extensible，可延伸）元件来产生起重机模型，其中，这些可延伸元件特别代表至少一条起重缆索的状态。优选地，由此在起重机模型中考虑至少一条起重缆索的可能的缆索垂度（sag）和/或可能的缆索伸长率。

为了确定负载提升装置的位置，可能需要某些描述起重机状态的参数。优选地，至少一个布置在起重机处的测量装置检测所悬挂的负载质量。另外，可计量地检测吊杆架设角度（erection angle，直立角度），特别是通过至少一个布置在起重机处并为此目的而提供的测量装置。当然，也可检测起重机倾角，例如当安装在船上时，以考虑该倾角。

如上面已经说明的，利用到起重机的径向距离R和负载提升装置的竖直高度H，来描述负载提升装置的精确位置。例如，可通过考虑负载质量和可能的吊杆架设角度，来计算吊杆系统的弯曲度、和/或起重机塔的弯曲度、以及支撑装置的可能的弹簧或阻尼运动。在此情况中，直接地或通过测量间接地，便利地确定负载质量和/或吊杆架设角度。

然后，可参考测量值以及所计算的或调整（modulated，调制，模制）的弯曲或弹簧和阻尼运动（特别是来自之前通过转换所确定的值），来确定负载提升装置到起重机的径向距离R。

在该方法的一个实施方式中，可以想到，至少一个测量装置检测未缠绕的起重缆索长度。

优选地，可根据对未缠绕的起重缆索长度检测的值，并考虑所确定的距离R，来计算或建模至少一条起重缆索的缆索伸长率和/或缆索垂度。然后，可从所计算的值中得到负载提升装置的高度H，特别是通过计算。

因此，本发明的方法可特别精确地确定坐标R和H。该方法不需要安装额外的传感器，而是可通过普通的传感器来执行位置确定。

原则上，能够计量地检测各个模型参数和/或参考某些测量值推导出这些参数。通过适当的测量装置检测起重机塔或吊杆系统的弯曲度可能是便利的。这些测量装置应用于表征回弹或阻尼元件和/或能够延伸元件的参数。

在所谓的多起重机控制器（multi-crane controllers）中，负载提升装置的精确位置确定是特别希望有的，因为在这些情况中，普通负载或负载提升装置的实际位置与由控制器确定的位置的微小偏离会导致起重机操作的相当大的危险。根据本发明的方法特别适于控制串联起重机系统。此外，特别是当执行抓斗控制器（grab controllers）或升力限制器时，使用根据本发明的方法是有利的。

此外，本发明涉及一种用于执行上述方法的起重机的起重机控制器。因此，根据本发明的方法的优点和细节可非常明显地用来执行根据本发明的起重机控制，这是为什么在这一点上将省略重申的描述的原因。

此外，本发明涉及一种具有这种起重机控制器的起重机。因此，根据本发明的方法的优点和特性可类似地应用于根据本发明的起重机的设计。

当起重机的至少一个测量装置包括一个或多个DMS元件时，其是特别有利的。各个应变计在起重机系统处的布置允许简单地检测某些起重机部件的变形，特别是弯曲。特别地，在吊杆系统处或在吊杆系统的各个元件处的布置是有利的。另外，在起重机塔处使用一个或多个应变计适合于检测起重机塔或各个起重机塔元件的弯曲度。

当至少一个测量装置包括布置在收缩机构（retracting mechanism）处的传感器单元时，这是进一步有利的。这种传感器单元允许测量未缠绕的缆索长度，特别是计算至少一个负载提升装置（特别是起重机吊钩）的高度H时，要考虑该缆索长度。同样地或替代地，可用一个或多个缆索滑轮提供相应的测量值。

另外，便利地，可在摆动装置（luffing gear，变幅机构，变幅齿轮）处设置传感器单元，以测量摆动装置的状态或吊杆系统的摆动角度（luffingangle，俯仰角度）。还可能有这样的角度传感器，该角度传感器安装在吊杆系统处或安装在摆动接头处并检测吊杆系统的实际架设角度。

本发明的另一主题涉及一种由至少两个起重机组成的串联起重机系统。根据本发明，至少一个起重机或整个串联起重机系统包括至少一个根据任何上述有利实施方式的起重机控制器。优选地，用同一起重机控制器操作两个或更多个起重机，因此它们可同时由起重机操作员进行控制。

此外，本发明涉及一种具有用于起重机控制器的所储存的软件的数据载体（data carrier），其适于执行根据本发明的方法或根据本发明的方法的有利实施方式。因此，所要求的数据载体的优点和特性与根据本发明的方法的那些优点和特性相对应。

附图说明

将参考以下附图详细描述本发明的其他优点和细节，在附图中：

图1示出了一种用于计算负载提升装置的精确位置的起重机模型草图，以及

图2示出了用于确定负载提升装置的位置的计算流程图。

具体实施方式

将参考传统的起重机，更详细地说明根据本发明的方法。该起重机包括竖直起重机塔，该起重机塔安装在可相对于底架旋转的转盘（turntable）上。将底架设计为，具有各个支撑臂的对应支撑装置和用于操作这些支撑臂的对应支撑缸体。将转盘经由旋转环（slewing ring）与底架连接。此外，该起重机包括吊杆，该吊杆通过摆动装置可摆动地附接至起重机塔。起重缆索（hoisting cable）经由起重机塔处的塔顶上的多个缆索滑轮从缆索绞盘（winch）向前延伸至吊杆系统的顶部。最后，将起重机吊钩作为负载提升装置进行附接。可将起重缆索分成三条单独的缆索件，具体是，沿着起重机塔的缆索部分、塔和吊杆顶部之间的缆索部分、以及吊杆顶部和起重机吊钩之间的缆索部分，其中，通常将这些缆索件设计为滑轮组（blockand tackle，滑车组）系统。

此外，起重机具有起重机控制器，该控制器至少用于基本的控制任务。控制任务的一部分需要控制器知道负载或负载提升装置的实际位置。为此目的，控制器具有在起重机操作的期间确定负载提升装置的当前位置的对应模块。

到目前为止，已经基于起重机结构的几何形状关系，将起重机吊钩的高度作为起重机吊钩到起重机的径向距离（即，起重机极限伸距）的函数来计算。已经总是采用一种刚性起重机模型，其总是保持其最初的几何形状结构。然而，仅将实际上由于所施加的力（特别是负载质量）而出现的起重机变形认为是不充分或完全忽略的。不利地，这导致确定位置时出现相当大的不准确。

另一方面，由起重机控制器执行的根据本发明的方法执行提供更精确地确定起重机吊钩的位置的方法，因为，通过考虑一个或多个表征起重机的变形的数据，更实际的计算变得可能。为此目的，该起重机控制器提供适当的软件模块，该软件模块通过用实例在图1中示出的起重机模型对起重机进行建模。

经由竖直定向的弹簧阻尼器元件对由支撑臂和支撑缸体组成的支撑装置2的弹性进行建模，这意味着模拟沿着弹簧轴线的回弹运动（resilientmovement）。

经由多个弹性梁对起重机本体本身进行建模，其中，将底架1和安装于其上的转盘3建模成一些水平梁，并且将起重机塔4建模成两个放在一起的竖直梁。将建模成梁的吊杆5摆动地铰接至起重机塔4，并且吊杆远离起重机塔4从铰接点向前延伸，相对于水平面成吊杆架设角度9。另外，所产生的起重机模型考虑了起重缆索的可伸长性（extensibility），其中，特别地，沿着起重机塔以及在塔和吊杆顶部之间，在缆索件处采用了缆索垂度6、7，并对应地进行建模。

经由布置在起重机处（特别是摆动装置处）的测量装置检测吊杆架设角度9，并且将其传递至起重机控制器。另外，经由另一测量装置检测吊钩质量10或负载质量，并将对应的测量值传递至起重机控制器。起重缆索绞盘11提供与起重缆索的未缠绕的缆索长度相关的额外信息。优选地，采用绞盘位置和/或一个或多个缆索滑轮的位置来确定缆索长度。

除了吊钩质量10和梁产生的变形（即底架1、转盘3以及起重机塔4和吊杆5产生的变形），以及支撑系统2的弹簧或阻尼运动以外，吊杆角度9确定半径R。然后，可通过缆索绞盘11和建模的缆索垂度6、7的额外信息，来确定吊钩高度H。通过测量在吊钩和对应位置处悬挂的负载，来实现对建模成梁的起重机部件1、3至5的对应吊杆的弯曲度的计算。

图2示出了计算流程图，该流程图示出了各个方法步骤的时间顺序。

一开始，经由测量装置来确定起重机吊钩10处的负载质量。考虑所施加的力，特别是负载质量的重力，通过起重机模型来确定表征起重机刚度的必要数据。包括起重机部件1、3至5的梁的变形或弯曲的数据与支撑装置2的弹簧运动（spring movement，弹性运动）相关。通过转换所述值，可确定起重机吊钩10在径向方向R上的位置。

通过距离R和与起重缆索的状态相关的额外信息，可相当精确地模拟起重缆索的实际路线，特别是可能的缆索曲线和起重缆索的缆索伸长率，并且将其用于计算负载在起重机占地面积上方的高度。从径向距离R及此额外信息出发，可通过计算来确定关于竖直吊钩高度H的值H。

考虑起重缆索的变形参数和精确路线及其伸长率，可导致确定起重机吊钩10的位置，与现有技术相比，其更精确。另外，基于模型的方法不需要额外的用于检测某些参数的传感器单元。除了负载质量以外，必须确定吊杆5的吊杆架设角度9。总之，通常存在为此目的所必需的测量装置。通过起重机控制器的软件更新，可改进现有的起重机系统，以执行根据本发明的方法。

另外，可能不计算所有梁或各个梁上的梁弯曲度，但是经由所安装的DMS元件来对其进行确定，以能够对起重机模型提供精确的测量值。

Claims (18)

1.一种用于起重机的控制和/或数据采集的方法，其中，位于所述起重机处的至少一个测量装置提供用于确定至少一个负载提升装置的位置的一个或多个测量值，

其中，基于至少一个测量装置的所述一个或多个测量值和表征所述起重机的刚度的一个或多个数据，来实现对所述负载提升装置的位置的计算，

其特征在于，创造出考虑所述起重机的刚度的起重机模型，并且将所述起重机模型考虑到所述负载提升装置的位置的计算中。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述负载提升装置是起重机吊钩。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，表征所述起重机的刚度的一个或多个数据包括：至少一个塔元件或吊杆元件的弯曲度、和/或至少一条起重缆索的缆索垂度和/或缆索伸长率、和/或至少一个支撑装置的悬挂。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述悬挂是至少一个支撑臂的悬挂和/或至少一个支撑缸体的悬挂。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，表征所述起重机的刚度的一个或多个数据是测量的和/或计算的。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过一个或多个弹性元件、和/或一个或多个回弹或阻尼元件、和/或一个或多个能够延伸的元件，在所述起重机模型中调整一个或多个起重机部件。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述弹性元件是梁。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，至少一个测量装置检测负载质量和/或吊杆架设角度和/或未缠绕的起重缆索长度和/或缆索角度。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，参考所测量的负载质量和/或所测量的吊杆架设角度，与从中计算出的吊杆系统的弯曲度和/或起重机塔的弯曲度和/或所述支撑装置的弹簧运动结合，来确定所述负载提升装置到所述起重机的径向距离R。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述负载提升装置到所述起重机的径向距离R和/或缆索伸长率和/或缆索垂度和/或未缠绕的起重缆索长度和/或负载，来确定所述负载提升装置的高度H。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法适于控制多起重机控制器。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法适于控制串联起重机系统。

13.一种用于起重机的起重机控制器，所述起重机控制器用于执行根据权利要求1至12中任一项所述的方法。

14.一种起重机，具有根据权利要求13所述的起重机控制器。

15.根据权利要求14所述的起重机，其特征在于，所述起重机的至少一个测量装置包括一个或多个DMS元件。

16.根据权利要求15所述的起重机，其特征在于，至少一个所述DMS元件被布置在吊杆系统处和/或起重机塔处。

17.根据权利要求14至16中任一项所述的起重机，其特征在于，至少一个测量装置包括位于收缩机构处的用于测量未缠绕的缆索长度的传感器单元以及/或者位于摆动装置处的用于测量架设角度的至少一个传感器单元。

18.一种多起重机系统，包括具有至少一个根据权利要求13所述的起重机控制器的至少两个起重机。