DE102018115645A1

DE102018115645A1 - Energieeffiziente Steuerung einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Materialförderung

Info

Publication number: DE102018115645A1
Application number: DE102018115645.6A
Authority: DE
Inventors: Viktor Raaz; Matthias Kalthoff
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Current assignee: KOCH SOLUTIONS GMBH, DE
Priority date: 2018-06-28
Filing date: 2018-06-28
Publication date: 2020-01-02
Also published as: AU2019294387B2; WO2020002407A1; AU2019294387A1

Abstract

Ein Steuerungssystem (2) für eine Vorrichtung (1) zur kontinuierlichen Materialförderung umfasst ein zum Aufnehmen von Material (M) ausgebildetes Arbeitsorgan (101), das durch zumindest einen Antrieb (12-14) in aufeinanderfolgenden Arbeitsvorgängen relativ zu einem Untergrund (U) bewegbar ist, wobei das Steuerungssystem (1) dazu ausgebildet ist, zumindest einen Wert einer von zumindest einem Antrieb (12-15) der Vorrichtung (1) während eines Arbeitsvorgangs aufgenommenen Leistung und/oder Energie zu erfassen; und anhand des zumindest einen Werts der aufgenommenen Leistung und/oder Energie eine Energieeffizienz für den Arbeitsvorgang zu ermitteln.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Schrift betrifft Ausführungsformen eines Steuerungssystems für eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Materialförderung. Außerdem betrifft die Schrift Ausführungsformen eines Verfahrens zur Steuerung einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Materialförderung.
HINTERGRUND
Vorrichtungen zur kontinuierlichen Materialförderung sind weltweit für die Rückladung von Haldengut an Lagerplätzen oder für die Gewinnung von Materialien im Tagebau im Einsatz. Derartige Vorrichtungen zur kontinuierlichen Rückladung und/oder Gewinnung von Material werden nachfolgend auch als Ladegeräte bezeichnet. Beim einem kontinuierlich arbeitendem Ladegerät, z.B. einem Schaufelradbagger oder einem Schaufelradrücklader, wird das zu beladende Material regelmäßig mittels eines kontinuierlich beweglichen Arbeitsorgans (z.B. einem Schaufelrad, einer Schaufel- oder Kratzerkette, einer Fräswalze usw.) von der Halde oder dem Gebirgsverband gelöst, in Schaufeln oder sogenannten Pockets gesammelt, angehoben und auf ein Förderband zum Weitertransport gebracht. Dabei setzt sich ein Arbeitsvorgang eines solchen Ladegeräts regelmäßig aus einer Kombination von nacheinander abwechselnden Zustell- und Vorschubbewegungen bei kontinuierlich bewegtem Arbeitsorgan zur Materialaufnahme zusammen. Die Arbeitsvorgänge können zyklisch wiederholt werden. Bei Schaufelradrückladern und Schaufelradbaggern wird die Vorschubbewegung üblicherweise als eine Schwenkbewegung z.B. eines Auslegers um eine Schwenkachse ausgeführt, während die Zustellbewegung als (lineare) Vorfahrtbewegung durchgeführt wird, insbesondere so, dass die Schwenkachse entlang einer Vorfahrtachse verschoben wird. Dabei rotiert das Arbeitsorgan ständig, z.B. am Ausleger. Bei anderen Ladegeräten werden die Vorschubbewegung als lineare Vorfahrtbewegung und die Zustellbewegung als Schwenkbewegung ausgeführt.
Ladegeräte umfassen regelmäßig einen Unterbau und einen Oberbau. Der Unterbau weist typischerweise ein Fahrwerk auf. Der Oberbau ist auf dem Unterbau gelagert und trägt das Arbeitsorgan. Die Zustellbewegung (insbesondere Vorfahrtbewegung) des Ladegeräts wird üblicherweise mittels des Fahrwerks und in einer Abbaurichtung des jeweiligen Abbaublockes ausgeführt. Typischerweise erfolgt die Zustellbewegung in der Fahrwerksfahrrichtung.
Zwischen zwei Zustellbewegungen steht der Unterbau des Ladegeräts fest am Boden, während der Oberbau mit daran rotierendem Arbeitsorgan (z.B. einem Schaufelrad) seitlich über die gesamte Abbaublockbreite um die vertikale Schwenkachse (z.B. des Auslegers relativ zum Unterbau) geschwenkt wird. Dabei ändert sich die Eintauchtiefe des Arbeitsorgans in die Frontböschung des Materials entsprechend der Vorschubposition (hier dem Schwenkwinkel des Auslegers relativ zum Unterbau um die Schwenkachse). Die Eintauchtiefe lässt sich nach einer entsprechenden Funktion berechnen, die z.B. den Cosinus des Schwenkwinkels Phi umfasst. In Kombination mit einer variablen Abbauhöhe kann so eine vorschubpositionsabhängige Änderung einer seitlichen Spanquerschnittsfläche des Arbeitsorgans bestimmt werden. Um eine konstante Fördermenge zu erhalten, kann eine von der Vorschubposition abhängige Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit eingesetzt werden, die der Änderung der seitlichen Spanquerschnittsfläche entgegenwirkt. Diese Vorschubpositionssteuerung wird durch eine Steuereinheit durchgeführt. Die Steuereinheit erhält als Eingangsgrößen die Vorschubposition (z.B. den Schwenkwinkel), den Zustellparameter (z.B. die Vorfahrtposition oder die Schrittlänge) und eine Scheibenhöhe oder Haldenhöhe des Abbaublocks. Daraus errechnet die Steuereinheit eine Spanfläche und einen Zustellparameter und/oder eine erforderliche Vorschubgeschwindigkeit, um einen vorbestimmten Förderstrom (Material pro Zeiteinheit) konstant zu halten.
Eine solche Steuerung kann als „Cosinus-Phi-Regelung“ bezeichnet werden. Die Schwenkgeschwindigkeit des Arbeitsorgans (relativ zum Unterbau) kann z.B. bei Schaufelradbaggern ungefähr proportional zum Kehrwert des Cosinus-Wertes des Schwenkwinkels geregelt werden. Bei Schaufelrad-Rückladern ist eine solche Regelung regelmäßig komplizierter, da die Halden- oder Scheibenhöhen über den Schwenkwinkelbereich stark variieren können, z.B. aufgrund von flachen Seitenböschungen, durch überstehende Zwickel und dergleichen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Steuerung einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Materialförderung zu verbessern.
BESCHREIBUNG
Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe wird ein Steuerungssystem für eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Materialförderung gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung zur kontinuierlichen Materialförderung ein zum Aufnehmen von Material ausgebildetes Arbeitsorgan umfasst, das durch zumindest einen Antrieb der Vorrichtung in mehreren aufeinanderfolgenden Arbeitsvorgängen relativ zu einem Untergrund bewegbar ist.
Danach ist das Steuerungssystem dazu ausgebildet und vorgesehen, insbesondere für mehrere aufeinanderfolgende Arbeitsvorgänge, zumindest einen Wert einer von zumindest einem Antrieb der Vorrichtung während eines Arbeitsvorgangs (insbesondere insgesamt) aufgenommenen Leistung (insbesondere elektrische Leistung) und/oder aufgenommenen Energie zu erfassen; und anhand des zumindest einen Werts der aufgenommenen Leistung und/oder Energie eine Energieeffizienz für den Arbeitsvorgang zu ermitteln. Die Steuervorrichtung kann hierzu zum Austausch von Daten an die Vorrichtung angeschlossen oder anschließbar sein.
Die maximale und/oder geforderte Förderleistung der Vorrichtung (eines Ladegeräts) kann z.B. mit unterschiedlichen Einstellungen von Zustellparametern (z.B. Vorfahrtpositionen) und Vorschubgeschwindigkeiten (z.B. Schwenkgeschwindigkeiten) erreicht werden. Es hat sich gezeigt, dass die dabei benötigte gesamte Antriebsleistung, insbesondere der Energiebedarf der Antriebe für einen abgeschlossenen Arbeitsvorgang, auch bei gleicher Förderleistung deutlich mit den Einstellungen variieren kann. Für eine bestimmte Abbausituation lässt sich somit eine optimale Zustellposition finden, die einem minimalen Energiebedarf entspricht. Der Wert dieser optimalen Zustellposition kann insbesondere von den Materialeigenschaften, der Arbeitsorgangeometrie, der Blockgeometrie oder Abbauhöhe und der geforderten Fördermenge abhängen. Gegenseitige Abhängigkeiten zwischen diesen Größen sind in der Regel komplex und erschweren eine genaue Prädiktion. Das vorgeschlagene Steuersystem erfasst daher tatsächliche Werte für den Energieverbrauch und ermittelt so eine tatsächliche Energieeffizienz. Anhand dieser ermittelten Energieeffizienz ist es möglich, besonders energiesparende Einstellungen auszuwählen und eine vorgegebene Menge von Material energiesparend zu fördern. Da die eingesetzte Energie einen direkten Einfluss auf den Verschleiß der Vorrichtung, insbesondere des Arbeitsorgans, hat, kann nicht nur der Energieverbrauch reduziert werden, sondern es ist zudem möglich, den Verschleiß der Vorrichtung zu verringern. Hierdurch sind Wartungsintervalle verlängerbar.
Bei dem Arbeitsorgan handelt es sich z.B. um ein Schaufelrad. Das Arbeitsorgan ist dazu ausgebildet, Material, insbesondere Rohstoffe, abzubauen und/oder auf einer Halde gelagertes Material, z.B. in Form von Schüttgut, abzutragen. Die Vorrichtung ist z.B. ein Schaufelradbagger oder ein Schaufelradrücklader.
Gemäß einer Ausführungsform wird zur Ermittlung der Energieeffizienz das Verhältnis der aufgenommenen Energie zu einem Zustellwert des Arbeitsvorgangs berechnet, insbesondere der gesamten aufgenommenen Energie von Arbeitsorgan-, Zustell- und Vorschubantrieben innerhalb eines Arbeitsvorgangs zu einem Zustellwert des Arbeitsvorgangs. Bei dem Zustellwert handelt es sich z.B. um eine Länge. Dieses Verhältnis hat z.B. die Einheit J/m oder kWh/m.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Steuerungssystem dazu ausgebildet, in Abhängigkeit der für den zumindest einen Arbeitsvorgang (insbesondere für mehrere Arbeitsvorgänge) ermittelten Energieeffizienz Steuerdaten in Bezug auf einen nachfolgenden Arbeitsvorgang an die Vorrichtung bereitzustellen. Das Steuerungssystem kann z.B. besonders energiesparende Parameterwerte ermitteln und die Vorrichtung dazu veranlassen, einen Arbeitsvorgang oder mehrere Arbeitsvorgänge mit den energiesparenden Parameterwerten durchzuführen. Auch in diesen Arbeitsvorgängen ermittelt das Steuerungssystem wiederum die Energieeffizienz. Somit kann das Steuerungssystem eine Regelung bereitstellen, die eine oder mehrere Einstellungen der Vorrichtung auf möglichst energieeffiziente Werte regelt.
Das Steuerungssystem kann ferner dazu ausgebildet sein, Sensordaten zu empfangen (insbesondere von der Vorrichtung) und die Steuerdaten in Abhängigkeit der Sensordaten zu berechnen. Die Sensordaten können z.B. eine durch einen oder mehrere Antriebe der Vorrichtung aufgenommene Leistung, eine mittels des Arbeitsorgans aufgenommene Materialmasse, ein mittels des Arbeitsorgans aufgenommenes Materialvolumen, Umweltdaten, Messwerte bezüglich einer Haldengeometrie oder Gebirgsgeometrie umfassen. Die reale Halden- oder Abbaublockgeometrie unterscheidet sich oftmals von einer zuvor festgelegten oder ermittelten Geometrie. Die Vorschub- und Zustellsteuerung in Übergangsbereichen (insbesondere am Haldenanfang, am Haldenende, bei Setzungseffekten, durch einen Böschungsrutsch usw.) ist mittels des Steuerungssystems an die Gegebenheiten vor Ort anpassbar. So kann eine geforderte Förderleistung über die gesamte Förderzeit erreicht werden. Das Steuerungssystem kann adaptiv ausgebildet sein und die reale Halden- bzw. Böschungsgeometrie unmittelbar vor und nach dem Abbau mit Hilfe eines Abstandsensors (z.B. mittels Radar, Laser oder Ultraschall) vermessen, einen aktuellen Spanquerschnitt ermitteln und die Vorschubgeschwindigkeit neu ausregeln. Alternativ ist eine adaptive Regelung über die Messung eines Volumenstroms des Materials möglich. Beispielsweise wird die Vorschubgeschwindigkeit in Abhängigkeit von einem gemessenen Volumenstrom geregelt. Es kann z.B. ein Schwenkgeschwindigkeitsgesetz an einen gemessenen Volumenstrom angepasst werden. Mittels der Sensordaten ist es möglich, das Steuerungssystem als adaptive Regelung auszubilden. Optional umfasst das Steuerungssystem selbst die entsprechenden Sensoren.
Optional ist das Steuerungssystem dazu ausgebildet, zur Ermittlung der Energieeffizienz eine Energieeffizienzkennzahl zu bestimmen. Die Energieeffizienzkennzahl ist z.B. gleich dem Wert der aufgenommenen Energie (angegeben in Joule oder in Kilowattstunden; insbesondere der gesamten aufgenommenen Energie von Arbeitsorgan-, Zustell- und Vorschubantrieben innerhalb eines Arbeitsvorgangs) von einem oder mehreren Antrieben der Vorrichtung geteilt durch ein Gesamtvolumen (angegeben z.B. in Kubikmetern) oder eine Gesamtmasse (angegeben z.B. in Tonnen) von Material, insbesondere des während des Arbeitsvorgangs aufgenommenen Materials. Je niedriger die Energieeffizienzkennzahl, desto höher die Effizienz. Die Energieeffizienzkennzahl hat z.B. die Einheit J/m³, J/t, kWh/m³ oder kWh/t.
Gemäß einer Weiterbildung wird zur Bestimmung der Energieeffizienzkennzahl die aufgenommene Antriebsleistung eines Vorschubantriebs, eines Zustellantriebs, eines Schaufelradantriebs und/oder eines Förderbandantriebs der Vorrichtung, insbesondere sämtlicher der genannten Antriebe, optional sämtlicher Antriebe der Vorrichtung, verwendet. Mittels des Arbeitsorganantriebs ist das Arbeitsorgan an der Vorrichtung bewegbar. Der Arbeitsorganantrieb ist z.B. ein Schaufelradantrieb. Mittels des Vorschubantriebs ist das Arbeitsorgan entlang des aufzunehmenden Materials vorschiebbar. Während dem Vorschub nimmt das Arbeitsorgan Material auf. Mittels des Zustellantriebs ist das Arbeitsorgan, optional die gesamte Vorrichtung, zwischen zwei Vorschüben relativ zum Untergrund bewegbar. Während der Zustellbewegung nimmt das Arbeitsorgan kein oder wenig Material auf. Mittels des Förderbandantriebs wird ein Förderband in eine umlaufende Bewegung versetzt, um das von dem Arbeitsorgan aufgenommene Material abzutransportieren.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Steuerungssystem ferner dazu ausgebildet, durch Variation zumindest eines Variationsparameters über mehrere Arbeitsvorgänge zumindest einen optimierten Variationsparameter zu ermitteln, durch den die Energieeffizienz gegenüber anderen Werten des Variationsparameters erhöht ist, also die Energieeffizienzkennzahl minimiert ist. So kann die tatsächliche Effizienz während des laufenden Betriebs der Vorrichtung ermittelt und sukzessive verbessert werden.
Jeder Arbeitsvorgang umfasst beispielsweise nacheinander eine Zustellbewegung durch den Zustellantrieb und eine Vorschubbewegung durch den Vorschubantrieb (insbesondere in dieser Reihenfolge). Optional umfasst oder beschreibt der zumindest eine Variationsparameter einen Wert (z.B. einen Winkel, eine Winkelgeschwindigkeit, eine Länge oder eine Geschwindigkeit) oder eine Funktion (z.B. ein Geschwindigkeitsverlauf oder Winkelgeschwindigkeitsverlauf) zumindest einer Zustellbewegung. Alternativ oder zusätzlich umfasst oder beschreibt der zumindest eine Variationsparameter einen Wert (z.B. einen Winkel, eine Winkelgeschwindigkeit, eine Länge oder eine Geschwindigkeit) oder eine Funktion (z.B. ein Geschwindigkeitsverlauf oder Winkelgeschwindigkeitsverlauf) zumindest einer Vorschubbewegung.
Gemäß einer Ausführungsform basieren die Steuerdaten auf einem optimierten Wert der Zustellbewegung sowie einer optimierten Geschwindigkeit oder einem optimierten Geschwindigkeitsverlauf der Vorschubbewegung. Optional ist das Steuerungssystem dazu ausgebildet, die optimierte Geschwindigkeit der Vorschubbewegung aus dem Produkt einer vorgegebenen Geschwindigkeit der Vorschubbewegung mit dem Verhältnis eines vorgegebenen Werts der Zustellbewegung zum geänderten Wert der Zustellbewegung zu berechnen. Die Vorschubgeschwindigkeit wird bei der Optimierung somit umgekehrt proportional zum Wert der Zustellbewegung (z.B. einem Winkel oder einer Länge) geändert.
Der zumindest eine Variationsparameter kann eine vorgebbare Höchstförderrate sein oder umfassen. Dies ist insbesondere dann interessant, wenn es nicht zwingend notwendig ist, stets die maximal mit der Vorrichtung erzielbare Förderrate beizubehalten. Steht beispielsweise für die Beladung eines Schiffes ein fester Zeitraum zur Verfügung und würde dieser Zeitraum bei der maximal erzielbaren Förderrate nicht ausgeschöpft werden, kann die Förderrate als Variationsparameter eingesetzt werden.
Optional umfasst das Steuerungssystem eine Benutzerschnittstelle zur Einstellung zumindest eines Variationsparameters. Beispielsweise ermöglicht die Benutzerschnittstelle eine Auswahl eines Variationsparameters aus einer Mehrzahl von Parametern. Die Benutzerschnittstelle umfasst z.B. eine Anzeigeeinrichtung und/oder ein Eingabemittel.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Steuerungssystem dazu ausgebildet, über mehrere Arbeitsvorgänge hinweg Steuerdaten bereitzustellen, die mehrere Antriebe der Vorrichtung (insbesondere den Vorschubantrieb und den Zustellantrieb) dazu veranlassen, mehrere aufeinanderfolgende Arbeitsvorgänge gemäß einer Waltz-Step-Variation auszuführen. Eine Waltz-Step-Variation umfasst mehrere Arbeitsvorgänge, wobei zumindest einer dieser Arbeitsvorgänge einen gegenüber zumindest einem weiteren Arbeitsvorgang verringerten Vorschubbereich aufweist (z.B. durch einen reduzierten Vorschubwinkel). Hierdurch wird an einem oder an beiden Rändern des Vorschubbereichs ein Materialrest liegengelassen. Dieser Materialrest wird dann erst in einem Arbeitsvorgang mit nicht reduziertem Vorschubbereich aufgenommen. Bei flachen Seitenböschungen kann der Rückgang der Scheibenhöhe regelmäßig nicht allein durch eine Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit kompensiert werden, da die Vorschubgeschwindigkeit dabei oftmals den maximal zulässigen Wert erreicht. Um die Förderleistung im Böschungsauslaufbereich zu erhöhen, wird oft eine Reduzierung des Vorschubbereiches unternommen. Diese Reduzierung des Vorschubbereiches kann auf beiden Seiten (Enden) des Vorschubbereiches erfolgen, alternativ oder zusätzlich in einer abwechselnden Reihenfolge der mehreren nacheinander folgenden Vorschubdurchläufen (z.B. Schwenks). Die Waltz-Step-Variation kann bei Schaufelradbaggern auch als Zwickelbildung bezeichnet werden. Die Parameter der Vorschubsteuerung (z.B. der Vorschubbereich und/oder die Reihenfolge von Vorschubbereichen, sowie die Zustellparameter) können an eine festgelegte Halden- oder Abbaublockgeometrie angepasst werden, insbesondere in eine Programmierung der Steuereinheit fest eingegeben sein, um die bestmögliche Effizienz (insbesondere die maximale Fördermenge) zu erreichen.
Gemäß einer Weiterbildung ist der Variationsparameter ein gemäß der Waltz-Step-Variation variierter Wert, z.B. der Vorschubbereich. Hierdurch kann eine besonders effiziente Steuerung erzielt werden.
Optional ist das Steuerungssystem dazu ausgebildet, die gesamte Energieeffizienz mehrerer, insbesondere aufeinanderfolgender, Arbeitsvorgänge (von einem, mehreren oder sämtlichen Antrieben der Vorrichtung) zu ermitteln. So kann die Effizienz einer Gruppe von Arbeitsvorgängen ermittelt werden.
Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Materialförderung bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst ein zum Aufnehmen von Material ausgebildetes Arbeitsorgan, das durch zumindest einen Antrieb in aufeinanderfolgenden Arbeitsvorgängen relativ zu einem Untergrund, auf dem die Vorrichtung angeordnet ist, bewegbar ist. Die Vorrichtung umfasst ferner ein Steuerungssystem nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung.
Die Vorrichtung ist optional als Schaufelradgerät, z.B. als Schaufelradbagger oder als Schaufelradrücklader, ausgebildet.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Steuerung einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Materialförderung mit einem zum Aufnehmen von Material ausgebildeten Arbeitsorgan, das durch zumindest einen Antrieb in aufeinanderfolgenden Arbeitsvorgängen relativ zu einem Untergrund bewegbar ist, bereitgestellt. Zur Durchführung des Verfahrens kann insbesondere ein Steuerungssystem nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung eingesetzt werden. Das Verfahren umfasst den Schritt eines Erfassens zumindest eines Werts einer von zumindest einem Antrieb der Vorrichtung während eines Arbeitsvorgangs aufgenommenen Leistung; und den Schritt des Ermittelns einer Energieeffizienz für den Arbeitsvorgang anhand des zumindest einen Werts der aufgenommenen Leistung.
Gemäß einem Aspekt wird ein Computerprogrammprodukt bereitgestellt, umfassend Programmcode, der, wenn er auf einer Computervorrichtung ausgeführt wird, die Computervorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens veranlasst.
Weitere Merkmale und Vorteile werden dem Fachmann in Anbetracht des Studiums der nachfolgenden detaillierten Beschreibung sowie des Sichtens der begleitenden Zeichnungen deutlich.
Figurenliste
Die in den Figuren gezeigten Teile sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; vielmehr liegt die Betonung in dem Darstellen von Prinzipien der Erfindung. Ferner bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen einander entsprechende Teile.
In den Figuren zeigen:

1 schematisch und exemplarisch eine Ansicht einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Materialförderung in Form eines Schaufelradrückladers beim Abbau einer oberen Scheibe einer Halde;
2 schematisch und exemplarisch eine Draufsicht von oben auf die Vorrichtung und die Halde gemäß 1;
3 schematisch und exemplarisch einen Vorschubbereich der Vorrichtung gemäß 1 in einer Draufsicht von oben;
4 schematisch und exemplarisch eine Querschnittsansicht eines Arbeitsorgans der Vorrichtung gemäß 1 und eines Spans von abzubauendem Material;
5A bis 5F schematisch und exemplarisch den Querschnitt eines Spans von abzubauendem Material an verschiedenen Stellen des Vorschubbereichs gemäß 3;
6 ein exemplarisches Diagramm zur Span-Geometrie über den Vorschubbereich gemäß 3 hinweg;
7 ein exemplarisches Diagramm, das einen Arbeitsvorgang der Vorrichtung gemäß 1 darstellt;
8 ein exemplarisches Diagramm mit vier aufeinanderfolgenden Arbeitsvorgängen gemäß einer Waltz-Step-Variation;
9 ein exemplarisches Diagramm eines vollständigen Abbaus einer Scheibe der Halde gemäß 2 mit einer Vielzahl von Arbeitsvorgängen gemäß einer Waltz-Step-Variation;
10 schematisch und exemplarisch ein Steuerungssystem der Vorrichtung gemäß 1; und
11 ein Verfahren zur Steuerung einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Materialförderung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen durch die Veranschaulichung spezifischer Ausführungsformen gezeigt wird, wie die Erfindung in die Praxis umgesetzt werden kann.
In diesem Zusammenhang kann richtungsangebende Terminologie, wie beispielsweise „oben“, „unten“, „außen“, „innen“ etc., mit Bezug auf die Ausrichtung der Figuren, die beschrieben werden, verwendet werden. Da Teile von Ausführungsformen in einer Reihe von unterschiedlichen Ausrichtungen positioniert sein können, kann die richtungsangebende Terminologie zu Zwecken der Veranschaulichung verwendet werden und ist keinesfalls einschränkend. Es wird darauf hingewiesen, dass andere Ausführungsformen angewandt werden können und strukturelle oder logische Veränderungen ausgeführt werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende detaillierte Beschreibung ist daher nicht in einem einschränkenden Sinn zu verstehen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ist durch die angefügten Ansprüche definiert.
Bezug wird nunmehr im Detail auf verschiedene Ausführungsformen und auf ein oder mehrere Beispiele, die in den Figuren veranschaulicht sind, genommen. Jedes Beispiel wird in erläuternder Art und Weise präsentiert und ist nicht als eine Einschränkung der Erfindung zu deuten. Beispielsweise können veranschaulichte oder als Teil einer Ausführungsform beschriebene Merkmale auf oder im Zusammenhang mit anderen Ausführungsformen angewandt werden, um noch eine weitere Ausführungsform hervorzubringen. Dass die vorliegende Erfindung derartige Modifizierungen und Variationen umfasst, ist beabsichtigt. Die Beispiele werden unter Anwendung einer spezifischen Sprache beschrieben, die nicht als den Schutzumfang der angefügten Ansprüche einschränkend ausgelegt werden sollte. Die Zeichnungen sind keine maßstabgetreue Wiedergabe und dienen lediglich der Veranschaulichung. Zum besseren Verständnis sind, wenn nicht anders angegeben, dieselben Elemente durch dieselben Bezugsziffern in den verschiedenen Zeichnungen gekennzeichnet worden.
1 zeigt eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Materialförderung in Form eines Schaufelradrückladers 1 an einer Halde 3. Der Schaufelradrücklader 1 umfasst einen Oberbau 10, der um eine vertikale Achse Z schwenkbar an einem Unterbau 11 gelagert ist.
Der Oberbau 10 umfasst einen Ausleger 100, der durch mehrere Stützen 102 und Spannseile 103 gehalten wird. Am der vertikalen Achse Z abgewandten Ende des Auslagers 100 ist ein Arbeitsorgan gelagert. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem Arbeitsorgan um ein Schaufelrad 101.
Das Schaufelrad 101 ist durch einen Arbeitsorganantrieb in Form eines Schaufelradantriebs 12 um eine Drehachse D (siehe 4) relativ zum Ausleger 100 drehbar. Die Drehachse D ist senkrecht zur vertikalen Achse Z ausgerichtet. Der Schaufelradrücklader 1 umfasst ferner einen Vorschubantrieb 13, der dazu ausgebildet ist, den Ausleger 100 mit dem Schaufelrad 101 um die vertikale Achse Z relativ zum Unterbau 11 und zu einem Untergrund U zu schwenken. Eine Vorschubbewegung ist im gezeigten Beispiel somit eine Schwenkbewegung. Wird das rotierende Schaufelrad 101 durch den Vorschubantrieb 13 entlang der Halde 3 geschwenkt, kann es Material M der Halde 3 aufnehmen. Durch die Schwenkbewegung schneidet das Schaufelrad 101 bogenförmig in eine angrenzende Böschung der Halde 3 ein. Der Winkelbereich, um den das Schaufelrad 101 dabei geschwenkt wird kann auch als Vorschubbereich bezeichnet werden. Das dabei aufgenommene Material M wird mittels eines Förderbands 17 abtransportiert. Das Förderband 17 wird durch einen Förderbandantrieb 15 angetrieben.
Nachdem das Schaufelrad 101 das Material M in seiner durch den Vorschubantrieb 13 bereitgestellten Reichweite aufgenommen hat, wird der Schaufelradrücklader 1 entlang einer Zustellachse X verschoben (siehe 2). Hierzu umfasst der Schaufelradrücklader 1 ein Fahrwerk 110, z.B. in Form eines Raupenfahrwerks, eines Schienenfahrwerks oder dergleichen. Für eine Zustellbewegung (hier in Form einer Translation) entlang der Zustellachse X umfasst der Schaufelradrücklader 101 einen Zustellantrieb 14. Um neues Material M in einer weiteren Vorschubbewegung aufnehmen zu können, wird der Schaufelradrücklader 101 zwischen zwei Vorschubbewegungen um einen Zustellwert verlagert. Da im gezeigten Beispiel die Zustellbewegung eine geradlinige Bewegung ist, handelt es sich bei dem Zustellwert um eine Länge. Eine Vorschubbewegung und eine Zustellbewegung bilden (in beliebiger Reihenfolge) gemeinsam einen Arbeitsvorgang. Zwei aufeinanderfolgende Arbeitsgänge weisen eine umgekehrte Vorschubrichtung auf.
Der Schaufelradrücklader 1 umfasst ferner eine Sensoreinrichtung 16 mit zumindest einem, hier mehreren Sensoren. Die Sensoreinrichtung 16 ist dazu ausgebildet, kontinuierlich Messdaten in Echtzeit zu erfassen. Die Messdaten zeigen z.B. eine lokale Geometrie der Halde 3 und/oder Umweltbedingungen an. Durch Regen kann das Material M beispielsweise ein erhöhtes spezifisches Gewicht aufweisen.
Der Schaufelradrücklader 1 weist ein Steuerungssystem 2 auf. Das Steuerungssystem 2 ist mit der Sensoreinrichtung 16 wirkverbunden und erhält Sensordaten von der Sensoreinrichtung 16. Das Steuerungssystem 2 ist mit den Antrieben (also dem Schaufelradantrieb 12, dem Vorschubantrieb 13, dem Zustellantrieb 14 und dem Förderbandantrieb 15 und, optional, weiteren Antrieben des Schaufelradrückladers 1) wirkverbunden. Das Sensorsystem 2 ist dazu ausgebildet, die Antriebe des Schaufelradrückladers 1 anzusteuern.
2 zeigt in einer Draufsicht von oben den Schaufelradrücklader 1 und die Halde 3. Um eine Ebene der Halde 3 abzutragen, führt der Schaufelradrücklader 1 eine Vielzahl an Arbeitsvorgängen aus. Beispielsweise beginnt der Schaufelradrücklader 1 am rechten Rand der 2. Dort, wo ausgehend vom rechten Rand der 2 der Radius R_SC/BW eingezeichnet ist, beginnt das Schaufelrad 101 durch eine Vorschubbewegung mit Material M der Halde 3 in Berührung zu kommen. Dabei schneidet das Schaufelrad 101 seitlich in die ansteigende Böschung der Halde 3 ein. Der Bereich der Position des Schaufelradrückladers 1 entlang der Zustellachse X, in dem der Vorschubbereich durch die seitlich abfallende Böschung im Vergleich zu einem Mittelteil mit der Länge L_MPR entlang der Zustellachse X begrenzt wird, kann als „cut-in-“ oder Einschnittbereich bezeichnet werden. Die Länge L_CI des Einschnittbereichs entlang der Zustellachse X ist in 2 dargestellt. Entsprechend schließt sich an der gegenüberliegenden Seite des Mittelteils ein „cut-out-“ oder Ausschnittbereich mit einer Länge L_CO entlang der Zustellachse X an. Im Mittelteil ist der Schwenkwinkel φ des Vorschubbereichs durch einen linken, maximalen Schwenkwinkel φ_Lmax und einen rechten, maximalen Schwenkwinkel φ_Rmax begrenzt (siehe 3). Die maximalen Schwenkwinkel φ_Lmax , φ_Rmax hängen von der Länge des Auslegers 100 und der Tiefe der Halde 3 (senkrecht zur Zustellachse X und zur vertikalen Achse Z) ab. Diese Tiefe kann je nach Höheneinstellung (mittels einer Höhenverstelleinrichtung 18) des Schaufelrades 101 variieren, wie insbesondere anhand von 1 erkennbar ist.
Der Radius R_SC/BW entspricht dem Radius von der Schwenkachse (vertikale Achse Z) bis zur Drehachse D des Schaufelrades 101 (siehe 3 und 4). Der in 2 am Beginn des Mittelteils und am Ende des Ausschnittbereichs eingezeichnete Radius Rwsc entspricht dem Radius von der Schwenkachse (vertikale Achse Z) bis zum Schnittpunkt der geraden Verlängerung der Rückseite eines Schaufelradspans 30 mit der waagrechten Oberfläche der Halde 3 unterhalb des Schaufelrades 101, wie insbesondere in 4 veranschaulicht. 4 zeigt ferner den Radius Rsc, der dem Radius von der Schwenkachse bis zum Schwerpunkt 31 des Schaufelradspans 30 entspricht.
Um eine möglichst hohe Förderrate von pro Zeiteinheit aufgenommenem Material M zu erzielen, wird der Zustellwert so bemessen, dass dem Schaufelrad 101 ein Schaufelradspan 30 mit einer ausreichend großen Querschnittsfläche A_s bereitgestellt wird, siehe insbesondere 4. Die Querschnittsfläche A_s hängt vom Schwenkwinkel φ, vom Radius des Schaufelrades 101 und von den Böschungswinkeln β_SB und β_IB zu einer an der Unterseite des Schaufelrades 101 angrenzenden Waagrechten ab. Ferner hängt die Förderrate auch von der Vorschubgeschwindigkeit ab, im vorliegenden Beispiel also von der Schwenkgeschwindigkeit. Die Vorschubgeschwindigkeit ist mittels des Vorschubantriebs 13 bis zu einer maximalen Vorschubgeschwindigkeit einstellbar.
Die 5A bis 5C und die 5D bis 5F zeigen die Böschung der Halde 3 und den jeweiligen Schaufelradspan 30 sowie dessen Schwerpunkt 31 in verschiedenen Stadien beim Vorschub am (von der Zustellachse X beabstandeten) äußeren Rand bzw. am (zur Zustellachse X benachbarten) inneren Rand des Abbaublocks.
6 zeigt die anhand der 5A bis 5F ersichtliche Abhängigkeit der Querschnittsfläche A_s des Schaufelradspans 30 und den Radius Rsc gegen den Schwenkwinkel φ. Dabei bezeichnen OB den Bereich am äußeren Rand und IB den Bereich am inneren Rand des Abbaublocks. Um für eine im Wesentlichen konstante Förderrate die veränderliche Querschnittsfläche A_s zu kompensieren, wird die Vorschubgeschwindigkeit umgekehrt proportional zur Querschnittsfläche A_s eingestellt.
7 zeigt einen vollständigen Arbeitsvorgang mit einem Vorschub und einer anschließenden Zustellung. Auf der Abszissenachse ist die Zeit dargestellt, auf den Ordinatenachsen die Querschnittsfläche A_s , die Vorschubgeschwindigkeit V_bw und die Zustellgeschwindigkeit V_T , sowie die Förderrate Q. Der Vorschub beginnt im hier gezeigten Beispiel im äußeren Randbereich und endet im inneren Randbereich, sodass der Verlauf der Querschnittsfläche A_s dem gemäß 6 ähnelt. Da die Querschnittsfläche A_s im äußeren Randbereich verhältnismäßig klein ist, wird hier eine hohe Vorschubgeschwindigkeit V_bw eingestellt. In den ersten Sekunden erreicht diese allerdings einen Maximalwert, sodass die Förderrate Q unterhalb einer Zielfördermenge (von hier knapp 9000 m²/h) liegt. Im Mittelteil wird die Vorschubgeschwindigkeit V_bw so eingestellt, dass zusammen mit der jeweiligen Querschnittsfläche A_s die Zielförderrate erreicht wird. Auch im inneren Randbereich wird die stark abfallende Querschnittsfläche A_s durch eine entsprechend starke Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit V_bw kompensiert. Nach dem Abschluss des Vorschubs wird eine Zustellbewegung ausgeführt. Die Zielförderrate entspricht z.B. der maximalen Förderrate, die z.B. begrenzt ist durch die Kapazität des Förderbandes 17, des Schaufelrades 101 oder eines anderen Teils des Schaufelradrückladers 1 oder durch eine durch den Schaufelradrücklader 1 mit Material M versorgte Vorrichtung.
Durch die Randbereiche wird zu den entsprechenden Zeitpunkten nicht die Zielförderrate erreicht. Um die durchschnittliche Förderrate zu erhöhen, kann der Schaufelradrücklader 1 gemäß einer sogenannten Waltz-Step-Variation gesteuert werden.
8 zeigt vier aufeinanderfolgende Arbeitsvorgänge gemäß einer Waltz-Step-Variation. Dabei wird (insbesondere im Mittelteil des Abbaublocks) nicht in jedem Arbeitsvorgang der gesamte Vorschubbereich abgefahren, sondern in einigen Arbeitsvorgängen nur ein reduzierter Vorschubbereich, sodass an einem oder beiden Rändern Material M liegengelassen wird. In einem darauffolgenden Arbeitsvorgang mit an einem solchen Rand nicht reduziertem Vorschubbereich kann das Schaufelrad 101 dann entsprechend mehr Material M aufnehmen.
9 zeigt die Schwenkwinkel φ und die Dauer t_A eines Arbeitsvorgangs über eine Vielzahl von N Arbeitsvorgängen, mit denen eine gesamte Scheibe der Halde 3 abgetragen wird. Deutlich erkennbar ist der Einschnittbereich Cl, Der Mittelteil MP und der Ausschnittbereich CO. Im Mittelteil wird der Schaufelradrücklader 1 gemäß einer Waltz-Step-Variation gesteuert, was hier zu einer regelmäßigen Variation der Dauer der Arbeitsvorgänge und der maximalen Schwenkwinkel φ führt.
Das Steuerungssystem 2 oder eine mit dem Steuerungssystem 2 wirkverbundene Steuerungseinheit ist dazu ausgebildet, die vorstehende Steuerung durchzuführen. Ein Computerprogrammprodukt kann entsprechenden Programmcode umfassen.
Da die tatsächliche Geometrie der Halde 3 von einer vorgegebenen (z.B. errechneten oder simulierten) Geometrie abweichen kann, ermittelt die Sensoreinrichtung 16 laufend die tatsächliche Geometrie. Das Steuerungssystem 2 (und/oder die optionale Steuerungseinheit) passt die Größe des Vorschubbereichs jedes Arbeitsvorgangs in einem Regelungsverfahren entsprechend an.
Je nachdem wie der Zustellwert eingestellt wird, stellt das Steuerungssystem 2 oder die mit dem Steuerungssystem 2 wirkverbundene Steuerungseinheit die Zustellgeschwindigkeit so ein, dass die Zielförderrate erreicht wird.
10 zeigt das Steuerungssystem 2 des Schaufelradrückladers 1. Das Steuerungssystem 2 umfasst mehrere Eingänge 20 und mehrere Ausgänge 21. An den Eingängen 20 ist das Steuerungssystem 2 an die weitere Steuerungseinheit oder einen oder mehrere der Antriebe 12 bis 15 des Schaufelradrückladers 1 angeschlossen, und zwar derart, dass es zumindest einen Wert einer von zumindest einem der Antriebe 12-15 des Schaufelradrückladers 1 während eines Arbeitsvorgangs aufgenommenen Leistung (insbesondere elektrischen Leistung) erfassen kann. Optional kann das Steuerungssystem 2 Werte der während eines Arbeitsvorgangs aufgenommenen Leistung von mehreren, insbesondere sämtlichen der Antriebe 12-15 erfassen. Der Wert oder die Werte kann/können die während des vollständigen Arbeitsvorgangs insgesamt aufgenommene Leistung angeben. Optional ist das Steuerungssystem 2 dazu eingerichtet, über die Eingänge 20 Sensordaten zu empfangen, die eine Zustellposition, eine Vorschubgeschwindigkeit und/oder eine Förderleistung (insbesondere ein gefördertes Materialvolumen und/oder eine geförderte Materialmasse) angeben. Alternativ oder zusätzlich kann das Steuerungssystem 2 dazu eingerichtet sein, über die Eingänge 20 Sensordaten zu empfangen, die eine aktuelle Böschungskontur angeben (z.B. von zumindest einem Radar-, Ultraschall- oder Lasersensor) und/oder Umweltdaten.
Das Steuerungssystem 2 umfasst eine Recheneinheit 24, die den Wert oder die Werte der aufgenommenen Leistung erhält. Das Steuerungssystem 2 erhält ferner eine Angabe über die in dem Zeitraum, in dem die aufgenommene Leistung aufgenommen wurde, geförderte Materialmenge, z.B. das Materialvolumen und/oder das Materialgewicht. Die Angabe gibt z.B. das Materialvolumen und/oder das Materialgewicht an, das in dem entsprechenden Arbeitsvorgang durch das Schaufelrad 101 (allgemein das Arbeitsorgan) aufgenommen wurde. Das Material M kann gewogen und/oder vermessen werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Gewicht und/oder das Volumen geschätzt werden. Der Schaufelradrücklader 1, insbesondere das Steuerungssystem 2, kann einen oder mehrere entsprechende Sensoren umfassen, die z.B. am Förderband angeordnet sein können.
Anhand des Werts oder der Werte der aufgenommenen Leistung und der Angabe über die geförderte Materialmenge ermittelt das Steuerungssystem 2 eine Energieeffizienz für den Arbeitsvorgang. Hierzu berechnet das Steuerungssystem (mittels der Recheneinheit 24) eine Energieeffizienzkennzahl als der zumindest eine Wert der aufgenommenen Leistung geteilt durch das Gesamtvolumen oder die Gesamtmasse des während des Arbeitsvorgangs aufgenommenen Materials M. Die Energieeffizienzkennzahl wird optional separat für jede Vorschubrichtung (nach links schwenken, nach rechts schwenken) und/oder jede Scheibe der Halde 3 ermittelt. Es kann eine Abfolge von Energieeffizienzkennzahlen für einen Teil oder den gesamten Abbaublock ermittelt werden.
Das Steuerungssystem 2 umfasst eine Benutzerschnittstelle 22 mit einer Anzeigeeinrichtung 220. Die ermittelte Energieeffizienz, insbesondere die errechnete Energieeffizienzkennzahl stellt das Steuerungssystem 2 mittels der Anzeigeeinrichtung 220 dar. Ein Benutzer kann an dieser Information ablesen, wie energieeffizient die im zugeordneten Arbeitsvorgang gewählten Einstellungen waren und optional Einstellungen entsprechend manuell anpassen.
Die Benutzerschnittstelle 22 umfasst ferner ein Eingabemittel 221. Optional kann vorgesehen sein, dass ein Benutzer über das Eingabemittel 221 Einstellungen (z.B. den Zustellwert, den Vorschubbereich und/oder eine Zielförderrate) vornehmen oder anpassen kann, die das Steuerungssystem 2 dann für einen aktuellen und/oder einen oder mehrere nachfolgende Arbeitsvorgänge einstellt. Zum Vornehmen von Einstellungen ist das Steuerungssystem 2 über die Ausgänge 21 an die weitere Steuerungseinheit und/oder an einen oder mehrere der Antriebe 12-15 angeschlossen. Über die Ausgänge 21 gibt das Steuerungssystem 2 dann z.B. entsprechende Steuerdaten aus.
Auf diese Weise ist es möglich, bei einer im Wesentlichen unveränderten Förderrate die Energieeffizienz des Schaufelradrückladers 1 zu verbessern.
Die Benutzerschnittstelle 22 kann z.B. einen Bildschirm als Anzeigeeinrichtung 220 umfassen, als Eingabemittel 221 kann der Bildschirm berührungsempfindlich sein, alternativ oder zusätzlich kann ein Tastenfeld oder dergleichen bereitgestellt werden. Ferner ist es auch möglich, die Benutzerschnittstelle 22 über eine Webanwendung, z.B. als Website, bereitzustellen.
Ferner umfasst das Steuerungssystem 2 einen Speicher 25 zum Speichern von computerlesbaren Daten. Im Speicher 25 ist ein optionales Optimierungsmodul 26 gespeichert. Im Speicher 25 sind mehrere Variationsparameter 27 gespeichert. Der Speicher 25 ermöglicht ein laufendes Speichern und Analysieren von Werten. Der Speicher 25 kann fest installiert oder abnehmbar sein. Der Speicher 25 ist ein Com puterprogram m produkt.
Das Steuerungssystem 2 führt das Optimierungsmodul 26 mittels der Recheneinheit 24 aus. Das Optimierungsmodul 26 erhält zumindest einen Variationsparameter 27, z.B. den Zustellwert. Im hier gezeigten Beispiel ist der Zustellwert eine Länge, z.B. eine Länge zwischen 0,1 m und 1 m. Im Allgemeinen kann der Zustellwert alternativ z.B. ein Winkel sein. Das Steuerungssystem 2 variiert den Variationsparameter 27 über mehrere Arbeitsvorgänge hinweg. Das Optimierungsmodul 26 ermittelt denjenigen Wert des zumindest einen Variationsparameters, bei dem die beste Energieeffizienz ermittelt worden ist, insbesondere bei dem die Energieeffizienzkennzahl minimiert ist, als optimierten Variationsparameter. Das Optimierungsmodul 26 kann den Variationsparameter nach jedem Zyklus bewerten und/oder über mehrere Arbeitsvorgänge hinweg iterativ optimieren. Optional optimiert das Optimierungsmodul 26 mehrere Variationsparameter, z.B. nacheinander.
Für einen aktuellen und/oder einen oder mehrere nachfolgende Arbeitsvorgänge nimmt das Steuerungssystem 2 dann Einstellungen gemäß dem optimierten Variationsparameter vor, z.B. indem es über die Ausgänge 21 entsprechende Steuerdaten ausgibt. Optional optimiert das Optimierungsmodul 26 einen Variationsparameter, z.B. den Zustellwert, und stellt einen anderen Parameter proportional oder umgekehrt proportional dazu ein. Beispielsweise ändert das Optimierungsmodul 26 (im Allgemeinen das Steuerungssystem 2) eine Vorschubgeschwindigkeit umgekehrt proportional zur Änderung des Zustellwerts. Auf diese Weise wird die Förderrate beibehalten.
So kann eine energetisch effiziente Rückladung (oder bei einem Bagger ein Baggern) von aufgeschütteten oder gewachsenem Material M bei Beibehaltung der erforderlichen Förderleistung erzielt werden.
Optional werden die Zustellwerte für jede zugeordnete Vorschubrichtung und jeweils von Arbeitsvorgang zu Arbeitsvorgang optimiert.
In einer optionalen Ausgestaltung optimiert das Optimierungsmodul 26 eine maximale Förderrate, insbesondere die Zielförderrate, als Variationsparameter. In einigen Fällen ist ein Auftrag nicht zeitkritisch, z.B. wenn ein Schiff mittels des Schaufelradrückladers 1 mit einem vorgegebenen Materialvolumen oder -gewicht zu beladen ist und hierfür mehr Zeit zur Verfügung steht als mit der maximal einstellbaren Förderrate nötig. Dann kann alternativ oder zusätzlich zu anderen Variationsparametern die Zielförderrate als Variationsparameter optimiert werden.
Als Variationsparameter kann insbesondere zumindest ein gemäß der Waltz-Step-Variation variierter Wert sein, z.B. zumindest eine Grenze des Vorschubbereichs und/oder die abwechselnde Schwenkreduzierung von links/rechts, und/oder die Überlappungszeit für die Zustellbewegungen mit der oder den Vorschubbewegungen.
Optional wird zwischen zwei Energieeffizienz-Optimierungsvorgängen die durchschnittliche Förderleistung für beide Vorschubrichtungen oder für mehrere zusammenhängende Vorschubbewegungen (z.B. vier Schwenks der Waltz-Step-Variation) durch eine förderleistungsteigernde Optimierung erhöht. Hierzu können Vorschubbereichs-Reduzierungswerte (z.B. die Schwenkwinkel-Reduzierungswerte von beiden Seiten des Schwenkbereiches und der Waltz-Step-Variation) dermaßen geändert werden, dass die Förderleistungseffizienz bei der Beibehaltung der Zustellwerte und der maximal zulässigen Fördermenge verbessert, insbesondere maximiert wird.
Optional ist mittels des Eingabemittels 221 einstellbar, welcher einstellbare Parameter als Variationsparameter optimiert werden soll.
Das Steuerungssystem 2 kann das zentrale Steuerungssystem des Schaufelradrückladers 1 sein. Alternativ stellt es ein zusätzliches, mit einer oder mehreren anderen Steuerungseinheiten des Schaufelradrückladers 1 wirkverbundenes Steuerungssystem 2 dar. Optional ist das Steuerungssystem 2 an einem vorhandenen Schaufelradrücklader nachrüstbar. Optional kann das Steuerungssystem 2 über analoge Schnittstellen und/oder ein Feldbussystem mit einer bestehenden Maschinensteuerung und/oder mit Sensoren (und/oder anderen Steuerungsorganen, z.B. zumindest einem Frequenzumrichter) kommunikativ in Verbindung gebracht werden, z.B. über eine gängige industrielle Kommunikationsschnittstelle.
Die einzelnen, in 10 gezeigten Komponenten des Steuerungssystems 2 können an oder in einem gemeinsamen Gehäuse montiert sein. Alternativ sind einzelne oder sämtliche Komponenten an verschiedenen Orten (z.B. an verschiedenen Stellen des Schaufelradrückladers 1) angeordnet und miteinander wirkverbunden.
11 zeigt ein Verfahren zur Steuerung einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Materialförderung.
Zum Start wird eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Materialförderung bereitgestellt, z.B. der vorstehend beschriebene Schaufelradrücklader 1.
In Schritt S1 wird mit der Vorrichtung zumindest ein Arbeitsvorgang durchgeführt, der insbesondere eine Zustellbewegung und eine Vorschubbewegung umfasst.
In Schritt S2 wird zumindest ein Wert einer von mindestens einem Antrieb der Vorrichtung während des Arbeitsvorgangs aufgenommenen (insbesondere elektrischen) Leistung erfasst, z.B. mittels des zuvor beschriebenen Steuerungssystems 2. Beispielsweise wird das Integral aller aufgenommenen Antriebsleistungen sämtlicher Antriebe der Vorrichtung über einen vollen Arbeitsvorgang ermittelt.
In Schritt S3 wird eine Energieeffizienz für den Arbeitsvorgang anhand des zumindest einen erfassten Werts der aufgenommenen Leistung ermittelt. Beispielsweise wird hierzu die beschriebene Energieeffizienzkennzahl berechnet.
In Schritt S4 werden in Abhängigkeit von der ermittelten Energieeffizienz Steuerdaten für einen oder mehrere nachfolgende Arbeitsvorgänge bereitgestellt (z.B. mittels des Steuerungssystems 2), insbesondere an die Vorrichtung.
Optional werden die Schritte S1 bis S4 in einer Schleife durchgeführt. Ein mögliches Abbruchkriterium ist das vollständige Abtragen der Scheibe der Halde.
Durch die adaptive energieeffiziente Regelung kann für die kontinuierlich fördernde Vorrichtung somit ein Steuerungsverfahren mit schrittweiser Änderung des Zustellwertes (z.B. Vorfahrt) und/oder eines Vorschubparameters (z.B. des Schwenkwinkelbereichs mit einer Schwenkwinkelreduzierung) in einer definierten Reihenfolge bereitgestellt werden. Dies erlaubt eine schrittweise Annäherung des spezifischen Energiebedarfs (bezogen auf das geförderte Materialvolumen) an einen minimal möglichen Wert bei einer Beibehaltung einer vorgegebenen Förderleistung.
Vorstehend wurde die Vorrichtung zur kontinuierlichen Materialförderung exemplarisch als Schaufelradrücklader 1 beschrieben. Selbstverständlich gelten die vorstehenden Angaben in entsprechender Weise auch für andere kontinuierlich arbeitende Ladegeräte, z.B. für Schaufelradbagger.
Das vorbeschriebene Steuerungssystem 2, der damit ausgestattete Schaufelradrücklader 2 und das Verfahren ermöglichen und stellen insbesondere einen oder mehrere der folgenden Betriebsmodi bereit.
Es kann der gesamte energetische Aufwand für die Materialaufnahme, Materialförderung und Materialabsetzung für eine definierte Fördermenge (z.B. Scheibenvolumen, Block- oder Stockpilevolumen) minimiert werden.
Eine Energieminimierung (und Kostenminimierung) für die Rückladung oder das Baggern einer vorgegebenen Menge von aufgeschüttetem oder gewachsenem Material M bei Vorgabe einer zulässigen Förderleistungsreduzierung oder maximalen Förderzeit für diese Menge ist möglich.
Ferner ist eine automatische Adaptierung der Vorschubbereiche an die sich ändernde Stockpile- oder Blockgeometrie mit dem Ziel der Beibehaltung der Förderleistungseffizienz und/oder Energieeffizienz möglich.
Wie hier verwendet, sind die Begriffe „umfassend“, „aufweisend“, „einschließend“, und ähnliches offene Begriffe, welche das Vorhandensein von angeführten Elementen oder Merkmalen anzeigen, zusätzliche Elemente oder Merkmale jedoch nicht ausschließen. Es wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht durch die vorangegangene Beschreibung eingeschränkt wird, und auch nicht durch die begleitenden Zeichnungen eingeschränkt wird. Die vorliegende Erfindung ist vielmehr lediglich durch die folgenden Ansprüche und deren legale Äquivalente eingeschränkt.
Bezugszeichenliste

1: Schaufelradrücklader (Vorrichtung zur kontinuierlichen Materialförderung)
10: Oberbau
100: Ausleger
101: Schaufelrad (Arbeitsorgan)
102: Stütze
103: Spannseil
11: Unterbau
110: Fahrwerk
12: Schaufelradantrieb (Arbeitsorganantrieb)
13: Vorschubantrieb
14: Zustellantrieb
15: Förderbandantrieb
16: Sensoreinrichtung
17: Förderband
18: Höhenverstelleinrichtung
2: Steuerungssystem
20: Eingang
21: Ausgang
22: Benutzerschnittstelle
220: Anzeigeeinrichtung
221: Eingabemittel
24: Recheneinheit
25: Speicher
26: Optimierungsmodul
27: Variationsparameter
3: Halde
30: Schaufelradspan
31: Schwerpunkt
D: Drehachse
M: Material
N: Anzahl Arbeitsvorgänge
U: Untergrund
X: Zustellachse
Z: vertikale Achse
φ: Schwenkwinkel

Claims

Steuerungssystem (2) für eine Vorrichtung (1) zur kontinuierlichen Materialförderung mit einem zum Aufnehmen von Material (M) ausgebildeten Arbeitsorgan (101), das durch zumindest einen Antrieb (12-14) in aufeinanderfolgenden Arbeitsvorgängen relativ zu einem Untergrund (U) bewegbar ist, wobei das Steuerungssystem (1) dazu ausgebildet ist, - zumindest einen Wert einer von zumindest einem Antrieb (12-15) der Vorrichtung (1) während eines Arbeitsvorgangs aufgenommenen Leistung und/oder Energie zu erfassen; und - anhand des zumindest einen Werts der aufgenommenen Leistung und/oder Energie eine Energieeffizienz für den Arbeitsvorgang zu ermitteln.
Steuerungssystem (2) nach Anspruch 1, wobei zur Ermittlung der Energieeffizienz das Verhältnis der gesamten aufgenommenen Energie von Arbeitsorgan-, Zustell- und Vorschubantrieben innerhalb eines Arbeitsvorgangs zu einem Zustellwert des Arbeitsvorgangs berechnet wird.
Steuerungssystem (2) nach Anspruch 1 oder 2, das ferner dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit der für den Arbeitsvorgang ermittelten Energieeffizienz Steuerdaten in Bezug auf einen nachfolgenden Arbeitsvorgang an die Vorrichtung (1) bereitzustellen.
Steuerungssystem (2) nach Anspruch 3, das ferner dazu ausgebildet ist, Sensordaten zu empfangen und die Steuerdaten in Abhängigkeit der Sensordaten zu berechnen.
Steuerungssystem (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zur Ermittlung der Energieeffizienz eine Energieeffizienzkennzahl als der Wert der gesamten aufgenommenen Energie von Arbeitsorgan-, Zustell- und Vorschubantrieben innerhalb eines Arbeitsvorgangs geteilt durch das Gesamtvolumen oder die Gesamtmasse des während des Arbeitsvorgangs aufgenommenen Materials (M) bestimmt wird.
Steuerungssystem (2) nach Anspruch 5, wobei zur Bestimmung der Energieeffizienzkennzahl die aufgenommene Antriebsleistung eines Vorschubantriebs (13), eines Zustellantriebs (14), eines Arbeitsorganantriebs (12) und/oder eines Förderbandantriebs (15) der Vorrichtung (1), insbesondere sämtlicher Antriebe (12-15) der Vorrichtung (1), verwendet wird.
Steuerungssystem (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das ferner dazu ausgebildet ist, durch Variation zumindest eines Variationsparameters über mehrere Arbeitsvorgänge zumindest einen optimierten Variationsparameter zu erhalten, durch den die Energieeffizienz gegenüber anderen Werten des Variationsparameters erhöht ist.
Steuerungssystem (2) nach Anspruch 7, wobei jeder Arbeitsvorgang nacheinander eine Zustellbewegung durch einen Zustellantrieb (14) und eine Vorschubbewegung durch einen Vorschubantrieb (13) umfasst und der zumindest eine Variationsparameter einen Wert zumindest einer Zustellbewegung und/oder einen Wert zumindest einer Vorschubbewegung umfasst.
Steuerungssystem (2) nach Anspruch 8, soweit rückbezogen auf Anspruch 3, wobei die Steuerdaten auf einem optimierten Wert der Zustellbewegung sowie einer optimierten Geschwindigkeit der Vorschubbewegung basieren und wobei das Steuerungssystem (2) ausgebildet ist, die optimierte Geschwindigkeit der Vorschubbewegung aus dem Produkt einer vorgegebenen Geschwindigkeit der Vorschubbewegung mit dem Verhältnis eines vorgegebenen Werts der Zustellbewegung zum optimierten Wert der Zustellbewegung zu berechnen.
Steuerungssystem (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der zumindest eine Variationsparameter eine Höchstförderrate umfasst.
Steuerungssystem (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, ferner umfassend eine Benutzerschnittstelle (22) zur Einstellung zumindest eines Variationsparameters.
Steuerungssystem (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das ferner dazu ausgebildet ist, Steuerdaten bereitzustellen, die eingerichtet sind, mehrere Antriebe (12-15) der Vorrichtung (1) dazu zu veranlassen, mehrere Arbeitsvorgänge gemäß einer Waltz-Step-Variation auszuführen.
Steuerungssystem (2) nach Anspruch 12, soweit rückbezogen auf Anspruch 7, wobei der Variationsparameter ein gemäß der Waltz-Step-Variation variierter Wert ist.
Steuerungssystem (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das ferner dazu ausgebildet ist, die gesamte Energieeffizienz mehrerer Arbeitsvorgänge zu ermitteln.
Vorrichtung (1) zur kontinuierlichen Materialförderung, umfassend ein zum Aufnehmen von Material (M) ausgebildetes Arbeitsorgan (101), das durch zumindest einen Antrieb (12-14) in aufeinanderfolgenden Arbeitsvorgängen relativ zu einem Untergrund (U) bewegbar ist, und ein Steuerungssystem (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 15, wobei die Vorrichtung (1) als Schaufelradbagger oder als Schaufelradrücklader ausgebildet ist.
Verfahren zur Steuerung einer Vorrichtung (1) zur kontinuierlichen Materialförderung mit einem zum Aufnehmen von Material (M) ausgebildeten Arbeitsorgan (101), das durch zumindest einen Antrieb (12-14) in aufeinanderfolgenden Arbeitsvorgängen relativ zu einem Untergrund (U) bewegbar ist, insbesondere unter Verwendung eines Steuerungssystems (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, das Verfahren umfassend: - Erfassen (S2) zumindest eines Werts einer von zumindest einem Antrieb (12-15) der Vorrichtung während eines Arbeitsvorgangs aufgenommenen Leistung und/oder Energie; und - Ermitteln (S3) einer Energieeffizienz für den Arbeitsvorgang anhand des zumindest einen Werts der aufgenommenen Leistung und/oder Energie.
Computerprogrammprodukt umfassend Programmcode, der, wenn er auf einer Computervorrichtung ausgeführt wird, die Computervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 17 veranlasst.