DE10034455C2

DE10034455C2 - Gesteuertes Antriebssystem für den Fahrbetrieb für Katzen von Kranen

Info

Publication number: DE10034455C2
Application number: DE2000134455
Authority: DE
Inventors: Reinhard Bauer
Original assignee: Noell Crane Systems GmbH
Current assignee: Noell Crane Systems GmbH
Priority date: 2000-07-15
Filing date: 2000-07-15
Publication date: 2003-04-10
Anticipated expiration: 2020-07-16
Also published as: DE10034455A1

Description

Die Erfindung betrifft ein gesteuertes Antriebssytem für den Fahrantrieb für Katzen entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches und eine Regelung zur Steuerung des Antriebssystemes.

Die Erfindung ist überall dort einsetzbar, wo Katzen an Kranen besonders schnell beschleunigt und abgebremst werden müssen, insbesondere an Schiffsentladebrücken für Containerumschlagssysteme.

Das rasche Wachstum des Containerverkehrs rund um die Welt erzeugt einen Trend zu immer größeren Containerschiffen und gleichzeitig immer schnelleren Umschlagsgeräten für Container. Mit neuen, hochdynamischen, teilautomatisierten Schiffsentladebrücken versuchen die Seehäfen durch möglichst kurze Liegezeiten für Großschiffe attraktiv zu bleiben und gleichzeitig ihre eigene Wirtschaftlichkeit zu verbessern. Es sind daher vielfältige Bestrebungen zu Gange die Umschlagsleistung von Containerbrücken weiterhin zu steigern.

Von der gesamten Spielzeit eines Lade- oder Entladevorgangs nimmt die Katzfahrzeit zwar nur einen kleinen, aber durchaus nicht unbedeutenden Teil ein - ein Zeitanteil, der wegen der längeren Ausleger über die breiteren Schiffe an Bedeutung sogar zunimmt. Dabei ist eine kräftigere Beschleunigung meist wichtiger als die Endgeschwindigkeit, da häufig sogenannte Spitzfahrten gefahren werden, bei denen die Maximalgeschwindigkeit nicht oder nur kurz erreicht wird, die Fahrzeit also hauptsächlich durch die maximale Beschleunigung und Verzögerung bestimmt ist. Weiterhin sind bei Containerbrücken zur Kontrolle der Lastpendelung und zur Entlastung des Fahrers automatische Pendeldämpfungssysteme üblich, die jedoch zusätzliche Reserven an antriebskraft benötigen, wenn sie die Katzfahrzeiten gegenüber dem Betrieb ohne Pendeldämpfung nicht verlängern sollen. Die neusten Simulationsstudien über die nächste Generation von Containerkranen rechnen daher mit einer maximalen Beschleunigung von 1,5 m/sec² und einer maximalen Geschwindigkeit von 4,33 m/sec der Katzen für die "Jumbo Contaier Cranes" der Zukunft [Verschoof, J., Klaassen, J. B.: Semi automation of ship-to-shore cranes. How the Jumbo Container Crane (JCC) can reduce cycle times and their effect on yard operations. Presents for the 2^nd annual conference "Development in Container Handling Automation & Technologies" of IIR Limited. London, 28/29 February 2000].

Nun sind aber bei den heute üblichen Krankatzen die physikalischen Grenzen für die Kraftübertragung der Antriebsmittel schon lange erreicht. Bei Rad-Schiene-Antrieben sind wegen der Reibungsverhältnisse, die zudem stark witterungsabhängig sind, kaum mehr als 0,7 m/sec² als maximale Beschleunigung oder Verzögerung möglich, sonst gleiten oder schleudern die Antriebsräder. Als Alternative sind seilgezogene Katzen bekannt, welche derartige Reibungsgrenzen zwar nicht haben, bei denen sich jedoch die Seildehnung störend auf die automatische Postionierung der Katze auswirkt, besonders bei den inzwischen üblichen Katzfahrstrecken von über 100 m Länge und entsprechend langen Seilen. Die Elastizität des Seils bildet mit der trägen Masse der Katze ein schwingungsfähiges System, dessen nur schwach gedämpfte Eigenschwingungen sowohl die Positions- und Drehzahlregler als auch das Pendeldämpfungssystem ungünstig beeinflussen und so eine rasche und präzise Positionierung behindern.

Eine weitere Alternative - Linearmotoren (EP 0 842 890 A1) - haben alle die genannten Nachteile nicht, da sie auf direktestem Wege, ohne Elastizitäten, Lose oder Reibschluss ihre Kraft aufbringen können. Sie sind deshalb schon seit langem als Katzantriebe vorgeschlagen worden. Sie haben sich jedoch in der Praxis nicht durchgesetzt, da zur Erreichung der notwendigen Antriebskraft eine Vielzahl von Linearmotoren auf der Katze notwendig wären, die aber aus Platzgründen nicht unterzubringen sind. Der Grund liegt darin, dass der magnetische Fluss im Luftspalt eines Linearmotors nicht unbegrenzt gesteigert werden kann, da das Eisen des Motors in seine magnetische Sättigung geht. Damit ist die maximale Schubkraft eines Linearmotors durch seine Baugröße bestimmt. Weil aber der Einbauplatz auf der Katze beschränkt ist, begrenzt also auch hier die Physik die maximal erzeugbaren Kräfte.

Ebenfalls als Katzenantriebe nicht durchgesetzt haben sich formschlüssige Antriebe, wie z. B. Zahnstangen- oder Zahnriemenantriebe, vor allem, weil sie bei den zu übertragenden Kräften derartig groß dimensioniert werden müssen, dass sie nicht aus den marktüblichen Standard- Industriekomponenten aufgebaut werden können, sondern sehr aufwändige, teurere Sonderanfertigungen notwendig sind. Außerdem haben solche Antriebe bekanntlich einen höheren Verschleiß als die anderen Antriebssysteme.

Aus DE 37 22 738 A1 ist ein Kransteuerverfahren zur transversalen Bewegungssteuerung einer Krankatze bekannt, an der über ein Seil eine zu transportierende Fracht hängt und die Beschleunigung sowie die Verzögerung der Katze so gesteuert wird, dass die Schwingbewegung der Fracht möglichst gering ist. Bei diesem Antriebssystem wird die Katze nur über einen Antrieb verfahren.

Aus DE 41 22 400 A1 geht eine Laufkatze hervor, mit der das Verfahren nicht nur über Stützräder erfolgt, sondern auch über einen Doppel- Zahnriemen insbesondere um Gefällestrecken zu überwinden. Eine Steuerung zwischen dem Einsatz von Stützrädern und Doppel- Zahnriemenantrieb erfolgt nicht. Aufgabe dieser Erfindung ist es auch nicht eines besonders hohe Geschwindigkeit beim Umschlag von Lasten zu erreichen.

Auch aus DE 41 22 401 A1 ist die Kombination verschiedener Antriebsarten mit Rädern bekannt. Diese Vorrichtung verfügt nur über eine Fortbewegungsart, nämlich einen Radantrieb.

Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Antriebssystem für den Fahrantrieb von Katzen in Kranen zu entwickeln, welches eine schnellere Beschleunigung und ein schnelleres Verzögern ermöglicht, als die bisher bekannten Systeme.

Diese Aufgabe wird durch ein gesteuertes Antriebssystem nach den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst.

Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, dass jeweils zwei unterschiedliche Antriebssysteme miteinander kombiniert eingesetzt und von einem Regelsystem so angesteuert werden, dass jeweils einer der beiden Antriebe einen Teil der Antriebskraft bis zu seinen physikalischen Grenzen aufbringt und die darüber hinaus benötigte Beschleunigungskraft vom zweiten Antrieb unterstützend aufgebracht wird. Es sind folgende Kombinationen möglich:

a) Radantrieb + Seilzug
b) Radantrieb + Linearmotoren
c) Seilzug + Linearmotoren
d) Formschlüssiger Antrieb + Radantrieb, Seilzug oder Linearmotoren

Bei diesen Kombinationen wird der jeweils steifere der beiden Antriebe als Leitantrieb in Drehzahl- beziehungsweise Geschwindigkeitsregulierung betrieben, der andere, elastischere Antrieb wird kraft- beziehungsweise momentgeregelt betrieben. Während der Leitantrieb die rasche und präzise Positionierung der Katze steuert und daher seinen Drehzahl- beziehungsweise Geschwindigkeitssollwert direkt vom Positionsregler beziehungsweise Pendeldämpfungsystem bekommt, bringt der zweite Antrieb nur zeitlich geglättet, stoß- und ruckfreie Zusatzkraft zur Unterstützung des 1. Antriebes auf. Die vereinten Kräfte beider Antriebe verhelfen damit der Katze zu einer stärkeren Beschleunigung oder Bremsung, als es mit nur einem einzigen Antriebsystem möglich wäre. Die Regelung zur Steuerung des Antriebsystemes nach den Ansprüchen 1 bis 5 erfolgt in der Weise, dass ein Pendeldämpfungs- und Positionierungssystem für die Katze als Eingangssignal den Positionssollwert für die Krankatze von der automatischen Katzsteuerung sowie den Positionsistwert der Katze vom Positionsgeber und den Drehzahlsollwert für den Handbetrieb vom Meisterschalter erhalten, woraus der Drehzahlsollwert für die Katzantriebe gewonnen wird und welcher zum Hochlaufgeber für den Drehzahlsollwert gelangen. Das daraus entstehende Signal wird einerseits mit dem Drehzahlistwert des Leitantriebes verglichen, woraus ein Signal für den Drehzahlregler gewonnen wird, dessen Ausgangssignal wiederum den Momentensollwert für den Leitantrieb ergibt. Anderseits wird das Ausgangssignal des Drehzahl-Hochlaufgebers für den Drehzahlsollwert einem Differenziertglied zugeführt, welches für den Beschleunigungsanteil für die Kraft- beziehungsweise Momentenregelung des Folgeantriebes erzeugt. Ein Kennlinienglied erzeugt einen Zusatzsollwert für den Fahrwiderstandsanteil der Kraft- beziehungsweise der Momentenregelung des Folgeantriebs, welcher dem Beschleunigungsanteil aufaddiert wird. Beide Ausgangssignale werden nachdem sie einen Glättungsfilter oder einen Hochlaufgeber passiert haben als Momenten- beziehungsweise Kraftsollwert dem Folgeantrieb zugeführt.

Im Folgenden soll ein mögliches Reglungskonzept für das erfindungsgemäße Antriebssystem und eine Vorrichtung an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden.

Die Figuren zeigen:

Fig. 1 Prinzipdarstellung des Regelsystems zur Erfindung

Fig. 2 Verladekran Katzantrieb mit Linearmotor und Reibradantrieb.

Die Fig. 1 zeigt als Prinzipdarstellung die Regelung des Katzantriebes. Die gezeigte Reglerstruktur kann in einem digitalen Motorregler von modernen handelsüblichen Frequenzumrichtern durch entsprechende Parametrierung der Reglungssoftware problemlos realisiert werden.

Während die Regelungsstruktur des Leitantriebes der allgemeinüblichen Kaskadenregelung mit Hochlaufgeber 6, Drehzahlregler 7 und Momenten beziehungsweise (bei AC-Antrieben feldorientierten) Stromregelung entspricht, wird der Momenten- beziehungsweise Kraftsollwert 14 für den Folgeantrieb durch Differenzieren 10 des Drehzahlsollwerts 15 am Ausgang des Drehzahl-Hochlaufgebers 6 gebildet und anschließend mittels Glättungsglied 13 geglättet. Damit wird durch den Folgeantrieb eine Kraft erzeugt, die proportional zur aktuell gewünschten Beschleunigung und wegen der Sollwertglättung 13 nahezu stoß- und ruckfrei ist, damit keine Schwingungen angeregt werden können.

Die Fig. 2 zeigt einen Verladekran Katzantrieb, bei dem die Krankatze 16, die beidseitig des Auslegers 21 aufgehangen ist, mittels einem Antriebsmotor 19 für ein Reibrad 22 und einem Linearmotor 18 mit Statoren angetrieben wird. Die Linearmotorstatoren 18 bewegen sich an beidseitig auf dem Ausleger 21 angeordnetem Flachmaterial 17, wobei die Linearmotorstatoren 18 mittels Haltekonstruktionen 23 mit der Krankatze 16 verbunden sind. Als Leitantrieb ist der Antriebsmotor 19 des Reibrades 22 ausgebildet, wohingegen der Linearmotor 18 als Folgeantrieb in Kraft- bzw. Momentenregelung betrieben wird. Während die Regelungsstruktur des Leitantriebes der allgemein übliche Kaskadenregelung mit Hochlaufgeber, Drehzahlregler, und Momenten- bzw. (bei AC-Antrieben feldorientierten) Stromregelung entspricht, wird der Momenten- bzw. Kraftsollwert für den Folgeantrieb durch Differenzieren des Drehzahlsollwertes am Ausgang des Drehzahl-Hochlaufgebers gebildet und anschließend geglättet. Damit wird durch den Folgeantrieb eine Kraft erzeugt, die proportional zur aktuell gewünschten Beschleunigung und wegen der Sollwertglättung nahezu stoß- und ruckfrei ist, damit keine Schwingungen angeregt werden können.

Der Folgeantrieb unterstützt also nur die Beschleunigung oder Bremsung der Katze, während das Ausregeln von Störeinflüssen und das exakte Positionieren weiterhin dem Leitantrieb überlassen bleibt.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, den Folgeantrieb auch einen Anteil an der Antriebskraft zur Überwindung des Fahrtwiderstandes bei Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit aufbringen zu lassen. Dazu wird ein fahrtrichtungsabhängiger, konstanter Zusatzsollwert auf den Momentensollwert des Folgeantriebes aufaddiert, so dass der Folgeantrieb den Leitantrieb auch bei Konstantfahrt unterstützt.

Mit einem solchen kombinierten Antriebssystem, wie hier an einem möglichen Beispiel gezeigt, kann die Dynamik von Krankatzen und damit die Umschlagleistung von Kranen über die bisher bekannten physikalischen Grenzen hinaus gesteigert werden.

Bezugszeichenliste

1

Positions-Sollwert für die Krankatze (von automatischer Katzsteuerung)

2

Positons-Istwert der Katze (von Positionsgebern)

3

Pendeldämpfungs- und Positiioniersystem für die Katze

4

Drehzahlsollwert für die Katzantriebe

5

Drehzahlsollwert (Handbetrieb, vom Meisterschalter)

6

Hochlaufgeber für Drehzahlsollwert

7

Drehzahlregler

8

Drehzahllistwert des leitantriebs

9

Momentensollwert Leitantriebes

10

Differenzierglied für den Beschleunigungsanteil der Antriebskraft des Folgeantriebes

11

Kennlinienglied für den Fahrtwiderstandsanteil der Antriebskraft des Folgeantriebes

12

Zusatzsollwert für den Fahrtwiderstandsanteil der Antriebskraft des Folgeantriebes

13

Glättungsfilter oder Hochlaufgeber

14

Momenten- beziehungsweise Kraftsollwert für den Folgeantrieb

15

Drehzahlsollwert

16

Krankatze

17

Flachmaterial

18

Linearmotor-Statoren

19

Antriebsmotor des Reibrades

20

Schiene

21

Ausleger

22

Reibrad

23

Haltekonstruktion

Claims

1. Gesteuertes Antriebssystem für den Fahrantrieb für Katzen von Kranen insbesondere von Schiffsentladungsbrücken für den Containerumschlag gekennzeichnet dadurch, dass zwei unterschiedliche Antriebssysteme mit unterschiedlichen physikalischen Prinzipien oder Kraftübertragungen gemeinsam die Krankatze (16) antreiben.

2. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennnzeichnet, dass die beiden Antriebssysteme so miteinander kombiniert sind, dass jeweils der steifere der beiden Antriebe als Leitantrieb drehzahlgeregelt ist und der andere als Folgeantrieb in Kraft- bzw. Momentenregelung betrieben wird.

3. Antriebssystem nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Antrieb ein Radantrieb und der zweite Antrieb ein Seilzugantrieb darstellt.

4. Antriebssystem nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Antrieb einen Radantrieb und der zweite Antrieb eine Linearmotorantrieb darstellt.

5. Antriebssystem nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Antrieb einen Seilzugantrieb und der zweite Antrieb eine Linearmotorantrieb darstellt.

6. Antriebssystem nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Antrieb einen formschlüssigen Antrieb und der zweite Antrieb einen Radantrieb, Seilzugantrieb oder Linearmotorantrieb darstellt.