DE10042699A1

DE10042699A1 - Anordnung und Verfahren zur Messung des Lastpendelwinkels bei Krananlagen

Info

Publication number: DE10042699A1
Application number: DE2000142699
Authority: DE
Inventors: Rudolf Mecke; Matthias Petrak; Andreas Rink
Original assignee: ELEKTROSCHALTANLAGEN GmbH; Institut fuer Automation und Kommunikation eV
Current assignee: IFAK INSTITUT FUER AUTOMATION & KOMMUNIKATION E.V
Priority date: 2000-08-31
Filing date: 2000-08-31
Publication date: 2002-04-04

Abstract

Eine regelungstechnische Lastpendeldämpfung bei Krananlagen benötigt eine genaue und dynamisch hochwertige Pendelwinkelmessung. Bekannte Verfahren sind mechanisch aufwendig, wartungsintensiv und erfordern relativ hohe Anschaffungskosten. Das neue Verfahren soll eine baulich einfache, kostengünstige, wartungsfreie und universell einsetzbare Pendelwinkelmessung bei Krananlagen ermöglichen, welche bereits mit geringer Rechenleistung realisierbar ist. DOLLAR A Als Meßwertaufnehmer werden kostengünstige, handelsübliche Neigungssensoren (4 bzw. 5) verwendet, von denen jeweils einer am Tragseil in der Nähe des Seilaufhängungspunktes und an der Kranbrücke angebracht ist. Eine nachfolgende Rechenschaltung verknüpft die beiden Meßwerte und dämpft die dem resultierenden Pendelwinkelmeßwert überlagerten höherfrequenten Seilschwingungen, ohne die Grundwelle des Pendelwinkelmeßwertes zu verzögern. DOLLAR A Das Verfahren ist universell bei Krananlagen anwendbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung sowie ein Ver fahren zur Messung des Lastpendelwinkels bei Kran anlagen mittels je eines am Tragseil in der Nähe des Seilaufhängungspunktes und an der Kranbrücke angeordneten Meßwertaufnehmers, mittels einer Re chenschaltung zur Verknüpfung der beiden Meßwerte und zur prozeßangepaßten Filterung des aus der Verknüpfung resultierenden Pendelwinkelmeßwertes.

Ein Hauptproblem bei der Automatisierung von Kran anlagen besteht in den schwach gedämpften und nur langsam abklingenden Pendelbewegungen der an Tragseilen hängenden Last, welche durch jeden Be schleunigungs- und Bremsvorgang der Kranbrücke sowie durch Störgrößen wie zum Beispiel Windkräfte angeregt werden. Diese Lastpendelungen führen zu einer erheblichen Verlängerung der Positioniervor gänge und stellen ein Sicherheitsrisiko für die in un mittelbarer Nähe der pendelnden Last befindlichen Personen und Gegenstände dar. Eine Möglichkeit zur Vermeidung von Lastpendelungen ist die regelungs technische Lastpendeldämpfung. Bei dieser Methode wird der Lastpendelwinkel über einen Verstärkungs faktor als Zusatzsollwert dem kontinuierlich in der Drehzahl verstellbaren elektrischen Antrieb zugeführt, welcher die entsprechende translatorische Bewegung der Kranbrücke (Katz- bzw. Kranfahrbewegung) reali siert. Damit wird durch gezielte Katz- bzw. Kranfahr bewegungen den Lastpendelungen derart entgegen gewirkt, daß diese schließlich vollständig unterdrückt werden. Der Erfolg der regelungstechnischen Lastpendeldämpfung wird maßgeblich durch die Ge nauigkeit und Dynamik der Pendelwinkelmessung bestimmt.

Die DE 40 32 332 C2 beschreibt eine mechanische Meßeinrichtung zur Erfassung des Pendelwinkels eines flexiblen Haltemittels für Hebeeinrichtungen mit einem an der Hubvorrichtung angeordneten Tragele ment, mit einem zwischen dem Tragelement und dem Haltemittel befestigten Gelenk kardanischer Art mit rechtwinklig zueinander angeordneten Achsen sowie dem Gelenk zugeordneten, die Bewegung abgreifen den Meßwertaufnehmern. Diese Meßeinrichtung erweist sich als nachteilig, aufgrund des großen me chanischen Aufwandes bei der Installation, wodurch die Anwendbarkeit insbesondere bei der Nachrüstung an bestehenden Krananlagen eingeschränkt ist. Weiterhin ist mit Verschleiß und Wartungsaufwand an den mechanischen Übertragungsgliedern zu rechnen. In der DE 196 31 623 A1 wird eine Anordnung zur ein- oder mehrdimensionalen Bestimmung der Posi tion eines Lastaufnahmepunktes bei Hebezeugen unter Einsatz von Mikrowellenmeßeinheiten auf der Basis von Laufzeitmessungen zwischen den Tragseilaufhängungen und einem Lastangriffspunkt beschrieben. Nachteilig bei dieser Anordnung ist die Notwendigkeit von mindestens drei räumlich zueinan der angeordneten Mikrowellenmeßeinheiten, jeweils bestehend aus Sender und Empfänger, und die damit verbundenen relativ hohen Anschaffungskosten. Aus der DE 41 90 587 C2 ist ein Verfahren zur Bestim mung der Position einer Last, die an einem Hebeseil hängt, bezogen auf die Lage einer beweglichen Auf hängevorrichtung bekannt, welches dadurch gekenn zeichnet ist, daß an der Last eine Markierungsvor richtung in Form von Lichtquellen angeordnet und auf die Aufhängevorrichtung gerichtet ist, daß eine an der Aufhängevorrichtung angeordnete Videokamera auf die Markierungsvorrichtung gerichtet ist und daß anhand der Lage der leuchtenden Markierungen die Position der Last relativ zur Position der Aufhängevor richtung bestimmt wird. Die DE 44 02 787 C2 be schreibt ein Gerät zum Erfassen des Schwingungs ausschlages eines unter Last stehenden Kranseiles, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung je Meß richtung aus jeweils einem Lasersensor und einer im Abstand dazu zugeordneten Laserreflexionsplatte besteht, von denen der Sensor oder die Platte am Kranseil und das andere Element innen an einer Halterung angeordnet ist, durch die das Kranseil verläuft. In der DE 198 36 103 A1 und der EP 09 79 796 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur zweidimensionalen Bestimmung von Last pendelungen an einem Kran durch den kombinierten Einsatz von an einer Laufkatze eines Kranes angebrachter Halbleiterkamera zur zweidimensionalen Bildaufnahme und Infrarot beleuchtungseinheit mit mindestens einem Reflektor an einem Lastaufnahmemittel und einer ent sprechenden Bildverarbeitungs- und Auswerteeinheit beschrieben. Nachteilig bei den obengenannten opto elektronischen Verfahren zur Pendelwinkelmessung sind die hohen Kosten für das Gesamtsystem, beste hend aus Kamera, Bildverarbeitungselektronik und leistungsfähiger Rechentechnik. Weiterhin sind nachteilig der durch Verschmutzung der Lichtquellen und Bilderfassungsgeräte entstehende Wartungs aufwand und die Beeinträchtigung der Zuverlässigkeit sowie die speziellen Anforderungen an die geometrische Gestaltung der Lastaufnahmemittel, um die Anbringung der Lichtquellen bzw. Reflektoren zu ermöglichen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine baulich einfache, kostengünstige, wartungsfreie und universell einsetzbare Möglichkeit zur genauen und dynamisch hochwertigen Pendel winkelmessung bei Krananlagen bereitzustellen, welche bereits mit geringer Rechenleistung realisier bar ist. Die erforderlichen Meßwertaufnehmer sollten auch bei bestehenden Krananlagen einfach zu instal lieren sein. Der Pendelwinkelmeßwert soll zur rege lungstechnischen Pendelwinkeldämpfung verwendet werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen aufgeführten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß als Meßwertaufnehmer ko stengünstige, handelsübliche und wartungsfreie Nei gungssensoren verwendet werden können, daß die Installation einfach und an nahezu jeder Krananlage möglich ist, daß die nachfolgende Rechenschaltung die dem Pendelwinkelmeßwert überlagerten höher frequenten Seilschwingungen beliebig stark dämpfen kann, ohne den Pendelwinkelmeßwert zu verzögern.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfin dung anhand von Zeichnungen beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 eine Prinzipskizze zur Anordnung der Meß wertaufnehmer am Katzfahrwerk eines Brückenkra nes,

Fig. 2 den Signalflußplan der Rechenschaltung zur Weiterverarbeitung der Ausgangssignale der Meß wertaufnehmer,

Fig. 3 die Serienschaltung mehrerer Pendelmodelle aus Fig. 2,

Fig. 4 den Amplituden- und Phasenfrequenzgang des in Fig. 2 dargestellten Pendelmodells und der in Fig. 3 gezeigten Serienschaltung von zwei Pendelmodellen,

Fig. 5 den zeitlichen Verlauf des Pendelwinkelmeß wertes während eines Positioniervorganges.

Die Prinzipskizze in Fig. 1 zeigt die Krankatze 1, den Seilaufhängungspunkt 2, die Last 3, den am Tragseil mit der Meßrichtung senkrecht zum Tragseil ange brachten Meßwertaufnehmer 4 und den auf der Kran katze mit der Meßrichtung parallel zur Bewegungs richtung der Krankatze angebrachten Meßwertauf nehmer 5. Die Meßwertaufnehmer 4 und 5 sind Nei gungssensoren (Inclinometer), welche als physikali sche Größe die in Meßrichtung wirkende Beschleuni gung messen. Die beiden Meßwertaufnehmer müs sen näherungsweise die gleiche Genauigkeitsklasse und gleiches dynamisches Übertragungsverhalten besitzen. Besonders günstig ist ein Verzögerungsver halten erster Ordnung mit einer Verzögerungszeit konstante zwischen 200 und 500 ms. Für eine zwei dimensionale Pendelwinkelmessung in Katz- und Kranfahrrichtung sind als Meßwertaufnehmer 4 und 5 zweiachsige Neigungssensoren mit zwei senkrecht zueinander stehenden Meßrichtungen zu verwenden und in der gleichen Weise an der Krananlage anzu bringen, wobei die beiden Meßachsen mit den beiden Bewegungsrichtungen der Krananlage übereinstim men müssen. Das Meßsignal des am Tragseil ange brachten Meßwertaufnehmers 4 ist gemäß Glei chung (1) eine Überlagerung aus dem in Meßrichtung wirkenden Anteil der Gravitationsbeschleunigung (proportional dem Lastpendelwinkel), der durch die Pendelbewegung selbst hervorgerufenen Tangential beschleunigung und der in Pendelrichtung wirkenden translatorischen Beschleunigung der Kranbrücke.

Die durch die Pendelbewegung hervorgerufene Tan gentialbeschleunigung läßt sich für den Fall einer ungedämpften Pendelung gemäß Gleichung (2) als Sinusschwingung beschreiben, deren Amplitude abhängig ist vom Längenverhältnis l₁/l. Der durch diese Komponente verursachte Meßfehler ist dem zufolge vernachlässigbar, wenn der Meßwertaufneh mer 4 mit möglichst geringem Abstand zum Seilauf hängungspunkt am Tragseil angebracht ist. Das Ver hältnis l₁/l sollte kleiner als 1/10 sein.

Die dem eigentlichen Pendelwinkel überlagerte translatorische Beschleunigung der Kranbrücke wird auch mit dem auf der Krankatze angebrachten Meß wertaufnehmer 5 gemessen. Der hierbei auftretende Meßfehler infolge der Neigung des am Tragseil ange brachten Meßwertaufnehmers während der Pende lung beträgt gemäß Gleichung (3) maximal 1,5%, bei Zugrundelegung eines bei Krananlagen maximal auftretenden Pendelwinkels von etwa 10°.

Somit kann der eigentliche Lastpendelwinkel durch Differenzbildung der Ausgangssignale der Meßwert aufnehmer 4 und 5 gemäß Gleichung (4) ermittelt werden.

Fig. 2 enthält den Signalflußplan der Rechenschal tung zur Weiterverarbeitung der Ausgangssignale der Meßwertaufnehmer. Der Signalflußplan beinhaltet zunächst die Gleichung (4), in Form der Subtraktions stelle 6 und des Proportionalgliedes 7 mit der inver sen Gravitationskonstante als Parameter. Des Weite ren beinhaltet der Signalflußplan ein Pendelmodell mit den Eingangsgrößen Pendelwinkel und Katzbe schleunigung. Das Pendelmodell besteht im einzel nen aus dem Proportionalglied 8 mit der inversen Gravitationskonstante als Parameter, der Subtrakti onsstelle 9, dem Proportionalglied 10 mit dem Quoti enten aus Gravitationskonstante und Tragseillänge als Parameter, dem Integrator 11, der Subtraktions stelle 12, dem Integrator 13, der Subtraktionsstelle 14 und dem Proportionalglied 15 mit dem Rückführungs parameter K. Der für eine regelungstechnische Pen delwinkeldämpfung aufbereitete Pendelwinkelmeß wert α_M steht am Ausgang des Integrators 13 zur Verfügung. Das Pendelmodell hat die Aufgabe, die Grundwelle des Pendelwinkelmeßwertes ungedämpft und ohne Zeitverzögerung am Ausgang zur Verfü gung zu stellen und die dem Meßsignal überlagerten höherfrequenten Seilschwingungen ausreichend zu dämpfen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß da durch gelöst, daß der Rückführungsparameter des Proportionalgliedes 15 in Abhängigkeit von der Tragseillänge gemäß Gleichung (5) eingestellt und das Pendelmodell mit der translatorischen Katzbe schleunigung am Eingang des Proportionalgliedes 8 vorgesteuert wird.

Die Rechenschaltung in Fig. 2 wird zweckmäßiger weise durch digitale Signalverarbeitung mittels Auto matisierungsgerät oder Mikrocontroller realisiert.

Fig. 3 zeigt die Serienschaltung der Pendelmodelle aus Fig. 2, wobei das Eingangssignal für den Pen delwinkel eines Pendelmodells jeweils das Aus gangssignal des vorherigen Pendelmodells ist. Als zweites Eingangssignal wird von allen in Serie ge schalteten Pendelmodellen gemeinsam die translato rische Beschleunigung der Kranbrücke verwendet. Eine derartige Kaskadierung der Pendelmodelle er möglicht eine multiplikative Dämpfung der höherfre quenten Seilschwingungen mit -20 dB/Dekade durch jedes in Serie geschaltete Pendelmodell, wobei der Pendelwinkelmeßwert am Ausgang des letzten Pendelmodells keine Zeitverzögerung gegenüber der Grundwelle des Pendelwinkelmeßwertes am Eingang des ersten Pendelmodells aufweist. Eine solche Kas kadierung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn dem Pendelwinkelmeßwert Seilschwingungen mit großer Amplitude überlagert sind oder wenn die Fre quenzen von Lastpendel und Seilschwingungen nicht weit genug auseinander liegen. Prinzipiell können zur Gewährleistung der erforderlichen Dämpfung beliebig viele solcher Pendelmodelle in Serie geschaltet werden.

Fig. 4 zeigt den Amplitudenfrequenzgang 16 und den Phasenfrequenzgang 17 des in Fig. 2 dargestellten Pendelmodells sowie den Amplitudenfrequenzgang 18 und den Phasenfrequenzgang 19 der in Fig. 3 dargestellten Serienschaltung von zwei Pendelmo dellen. In jedem Falle durchläuft die Grundwelle des Lastpendels mit der Kreisfrequenz ω_Pen das Pendel modell ungedämpft und ohne Phasenverschiebung, während die dem Pendelwinkelmeßwert überlagerten Seilschwingungen mit der Kreisfrequenz ω_S gedämpft werden. Eine weitere positive Eigenschaft der durch das Pendelmodell erzeugten Übertragungsfunktion ist die Eliminierung eines im Pendelwinkelmeßwert enthaltenen Gleichanteils, wie am Abfall des Amplitu denfrequenzganges bei niedrigen Frequenzen zu erkennen ist. Ein solcher Gleichanteil im Pendelwin kelmeßwert kann beispielsweise durch ungenaue Justierung des am Tragseil angebrachten Meßwert aufnehmers entstehen. Auch kann die Nullposition des am Tragseil angebrachten Meßwertaufnehmers bei Krananlagen mit mehreren Tragseilaufhängungs punkten in Abhängigkeit von der Tragseillänge variieren, so daß ein Nullpunktabgleich für den gesamten Hubweg bei derartigen Krananlagen prinzipiell nicht möglich ist. Aus diesem Grund ist die mit dem Pendelmodell erreichte Eliminierung eines im Pendelwinkelmeßwert enthaltenen Gleichanteils eine unabdingbare Voraussetzung für die Verwendung des Pendelwinkelmeßwertes für eine regelungstechnische Pendelwinkeldämpfung.

Fig. 5 zeigt den an einer Krananlage während eines Positioniervorganges mittels der oben beschriebenen Anordnung und des Verfahrens gemessenen zeitlichen Verlauf des Pendelwinkelmeßwertes am Eingang (Kurve 20) und am Ausgang (Kurve 21) des in Fig. 2 gezeigten Pendelmodells. Im Ausgangs signal des Pendelmodells ist die Dämpfung der höherfrequenten Seilschwingungen zu erkennen, wobei keine Zeitverzögerung der Grundwelle des Pendelwinkelmeßwertes auftritt.

Claims

1. Anordnung und Verfahren zur Messung des Lastpendelwinkels bei Krananlagen mittels je ei nes am Tragseil in der Nähe des Seilaufhän gungspunktes und an der Kranbrücke angeord neten Meßwertaufnehmers, mittels einer Rechen schaltung zur Verknüpfung der beiden Meßwerte und zur prozeßangepaßten Filterung des aus der Verknüpfung resultierenden Pendelwinkelmeß wertes, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßwertaufnehmer zur Erfassung des Lastpendelwinkels Neigungssensoren verwendet werden, welche als physikalische Größe die in Meßrichtung wirkende Beschleunigung messen.

2. Anordnung und Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die eindimensionale Pendelwinkelmes sung ein Meßwertaufnehmer mit der Meßrichtung senkrecht zum Tragseil am Tragseil mit möglichst geringem Abstand zum Seilaufhängungspunkt an gebracht ist.

3. Anordnung und Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die eindimensionale Pendelwinkel messung ein zweiter gleichartiger Meßwertauf nehmer mit der Meßrichtung parallel zur Bewe gungsrichtung der Krananlage an der Krananlage angebracht ist und dessen Meßwert von dem des am Tragseil angebrachten Meßwertaufnehmers subtrahiert wird.

4. Anordnung und Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die am Tragseil und am Kran angebrachten Meßwertaufnehmer jeweils gleiches nicht schwingendes dynamisches Übertragungsver halten besitzen.

5. Anordnung und Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine zweidimensionale Pendelwinkel messung am Tragseil und an der Krananlage je weils ein zweiachsiger Neigungssensor mit zwei senkrecht zueinander stehenden Meßrichtungen derart angebracht wird, daß die beiden Meßach sen mit den beiden Bewegungsrichtungen der Krananlage übereinstimmen.

6. Anordnung und Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pendelwinkelmeßwert in einer nachfol genden Rechenschaltung mit in Abhängigkeit von der Tragseillänge eingestelltem Parameter derart weiterverarbeitet wird, daß die dem Meßsignal überlagerten höherfrequenten Seilschwingungen ausreichend gedämpft werden und die Grundwelle ungedämpft und ohne Phasenverschiebung am Ausgang zur Verfügung steht.

7. Anordnung und Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenschaltung über einen zweiten Eingang mit der, durch den an der Krananlage befestigten Meßwertaufnehmer gemessenen, translatorischen Beschleunigung vorgesteuert wird, damit die insbesondere während der Be schleunigung und des Bremsens der Kranfahrt hervorgerufene Dämpfung der Grundwelle des Pendelwinkelmeßwertes kompensiert wird.

8. Anordnung und Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur besseren Dämpfung der höherfrequenten Seilschwingungen ohne zusätzliche Zeitverzö gerung der Grundwelle des Pendelwinkel meßwertes mehrere Rechenschaltungen derart in Serie geschaltet werden, daß das Eingangssignal des Pendelwinkels einer Rechenschaltung jeweils das Ausgangssignal der vorherigen Rechen schaltung ist und als zweites Eingangssignal von allen in Serie geschalteten Rechenschaltungen gemeinsam die translatorische Beschleunigung der Kranbrücke verwendet wird.

9. Anordnung und Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenschaltung einen Gleichanteil im Pendelwinkelmeßwert eliminiert, so daß eine ex akte horizontale Justierung des am Tragseil an gebrachten Meßwertaufnehmers für die Funkti onsfähigkeit der Pendelwinkelmessung nicht zwingend notwendig ist.