DE3627015A1

DE3627015A1 - Automatisches regelsystem fuer eine kontinuierliche schnittkantenregelung

Info

Publication number: DE3627015A1
Application number: DE19863627015
Authority: DE
Inventors: Guenther Dipl Ing Daut
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1986-08-09
Filing date: 1986-08-09
Publication date: 1988-02-11

Description

Die Erfindung betrifft ein automatisches Regelsystem für eine kontinuierliche Schnittkantenregelung mittels berührungsloser Oberflächenmessung an einem Erdräumgerät, insbesondere zum Auftragen einer ölverseuchten Schicht, an einem Pflug oder Mähtisch oder anderen Schneidwerkzeugen bei Schleppern oder Mähdreschern mit Sendern sowie Empfängern für die ausgesandte und durch Reflexion empfangene Strahlung zur Abstandsmessung und einer Auswert- und Regeleinheit zur Einstellung der Schnittkante.

Aus der DE 29 19 505 A1 ist ein automatisches Regelsystem für ein Erdräumgerät bekannt. Im oberen Bereich der Räumschaufel ist höhenverstellbarer Strahlempfänger angeordnet, dessen Höhenverstellung von einer Einrichtung gesteuert ist, an der die Planierhöhe in bezug auf die Höhe eines Referenzlaserstrahles einstellbar ist. Nachteiligerweise muß bei diesen Regelsystemen jedoch der Strahlempfänger eine automatische Sucheinrichtung steuern, die eine Rechts- oder Linksdrehung bzw. Abweichung nach oben oder unten des Strahlempfängers in Abhängigkeit von der Auftreffrichtung des Referenzlaserstrahles auf den Strahlempfänger veranlaßt. Dazu kommt, daß der Laser an einem festen Punkt im Gelände (außerhalb des Gerätebereiches) steht und somit eine Gefahr für die sich im Strahlenbereich des Lasers befindlichen Personen darstellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein automatisches Regelsystem der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem in einfacherer Weise ohne großen apparativen Aufwand und ohne Gefährdung von Personen durch energiereiche kohärente Strahlung eine Schicht gleichbleibender oder vorbestimmbarer Schichtdicken - auch bei unebenem Gelände - abgetragen bzw. abgeschnitten werden kann.

Die Aufgabe wird durch ein automatisches Regelsystem gelöst, bei dem zumindest vor dem Erdräumgerät bzw. dem Schneidwerkzeug jeweils ein oder mehrere Ultraschall-Sender-Empfängerkombinationen vorgesehen sind, die mit einer die abgetragene bzw. abgeschnittene Schichtdicke ermittelnden Auswert- und Regeleinheit, ggf. über Signalverstärker, verbunden sind, und daß die Auswert- und Regeleinheit über ein Stellglied die absolute Erdräumgeräteposition bzw. Schneidwerkzeugposition in der Vertikalen (Höhe) und der Horizontalen (Ebene) regelt.

Vorzugsweise wird als Stellglied ein Hydraulikventil verwendet, das entsprechend eines vorgegebenen Sollwertes angeregelt wird und das mit den Erdräumgeräten bzw. Schneidwerkzeugen verbundene Hydraulikzylinder steuert. Als Erdräumgerät bietet sich ein Schaufelradbagger an.

Nach einer Weiterentwicklung der Erfindung besitzt das Erdräum- bzw. Schneidwerkzeug an seinen äußeren Seitenkanten Sensoren, die bei Abweichung des Werkzeuges von der durch die Flächennormale bzw. Flächenparallele der Erdoberfläche vorgegebenen Stellung ein Regelungssignal an die Hydraulikzylinder abgeben.

Bevorzugt wird ein Abweiserkamm dem Erdräum- bzw. Schneidwerkzeug vorgesetzt, wobei im Verstellzylinder des Abweiserkammes ein Drucksensor zur Sicherheitsabschaltung integriert ist.

Besonders bietet sich das erfindungsgemäße Regelungssystem bei einem Ölaufnahmegerät an, insbesondere im Wattenmeer.

Während die nach der DE 29 19 505 A1 beschriebene Vorrichtung primär zum Einebnen von Geländeflächen geeignet ist, bietet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere auch zum Abtragen ölverseuchter, chemisch oder auch radioaktiv verseuchter Schichten an. Allerdings kann das erfindungsgemäße System auch bei der Pflug- und Mähtischregelung sowie der Schneidwerksteuerung bei Schleppern und Mähdreschern ebenso verwendet werden wie in Fahrzeugen zum Grasschneiden an Böschungen und Straßenbaufahrzeugen für die Asphaltierung. Prinzipiell kann das erfindungsgemäße System überall dort eingesetzt werden, wo die Aufgabe gestellt ist, eine gewisse Materialschichtdicke ab- bzw. aufzutragen.

Zur berührungslosen Abtastung eines beliebigen Geländeprofils kommen Ultraschallsensoren mit Analog- und Digitalausgang zum Einsatz. Anders als induktive, kapazitive und IR-Systeme, die bei Stoffkonfigurationen im Watt, Wasser, im Sand, Schlamm usw. ausscheiden, wird mittels Laufzeitmessung des Ultraschalls der vom Ultraschallsensor gemessene Abstandsistwert zu einer Elektronikeinheit geführt, welche dann nach Vergleich von Soll- und Istwert kontinuierlich über entsprechende Leistungstreiber ein Hydraulikventil ansteuert. Jedoch sind daneben elektrische, pneumatische und rein mechanische Stellzylinder bzw. Stelleinrichtungen sowie deren Kombinationen denkbar.

Selbstverständlich ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch möglich, unabhängig vom Erboberflächenprofil das Erdreich so abzutragen, daß eine ebene Fläche geschaffen wird.

Ein Ausführungsbeispiel des automatischen Regelsystems ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des automatischen Regelsystems,

Fig. 2 und 3 eine Prinzipskizze eines automatischen Regelsystems für eine Abtrageinheit in Seiten- bzw. Draufsicht,

Fig. 4 ein Blockschaltbild für die Schnittkantenregelung eines Ölaufnahmegerätes,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines am Fahrzeug befestigten Ölaufnahmegerätes.

Das erfindungsgemäße System ist mit zwei Sensoren 1 und 2 ausgestattet, die oberhalb der Erdoberfläche 3 (Vorgeschichte), die sich vor dem Abtragegerät befindet, und der Erdoberfläche 4, die sich hinter bzw. unter dem Erdabtragegerät befindet, angeordnet sind. Zwischen der Vorgeschichte und der Nachgeschichte besteht eine Höhendifferenz von Δ a, das ist die Dicke, in der die Erdoberflächenschicht abgetragen worden ist. Medium der Vorgeschichte kann z. B. ein Meerwasserölschlammgemenge sein. Mittels der Ultraschallsensoren 1 und 2 werden die verschiedenen Niveaus a₁ und a₂ (Vorgeschichte und Nachgeschichte) detektiert. Je nach Sollwertvorgabe mittels eines Potentiometers oder Dekadenschalters 6 wird die gewünschte Schichtdicke einer Elektronik 5 vorgegeben. Diese Elektronikeinheit 5 ist mit beiden Sensoren 1 und 2 verbunden und erhält von dort die jeweiligen Istwerte für die gemessenen Größen a₁ und a₂. Aus Differenz ergibt sich die Schichtdicke, die vom Gerät abgetragen wird. Diese Schichtdicke wird mit der Sollwertvorgabe verglichen und bei Abweichung wird ein Impuls an einen Hydraulikverstärker 7 gegeben, der über ein Ventil 8 einen Hydraulikzylinder 9 ansteuert, der die Abtrageinheit, das ist ein Erdräumgerät oder ein Schneidwerkzeug, so lange nach oben bzw. unten in der Vertikalen bewegt, bis Sollwert und Istwert übereinstimmen.

In einem praktischen Ausführungsbeispiel wird als Abtrageinheit ein motorgetriebener, auf Rädern oder Ketten verfahrbarer Schaufelradbagger 11 verwendet. Dieser Schaufelradbagger besitzt einen Ultraschallsensor 10, der oberhalb der Erdoberfläche (Vorgeschichte) angeordnet ist, die vor dem Bereich des Abtragens liegt. Dieser Ultraschallsensor 10 mißt den Abstand zur Erdoberfläche s₁ und gibt diesen Meßwert s₁ an eine Elektronikeinheit 14, in die über eine Sollwertvorgabe 13 der Schichtdickensollwert s eingegeben wird. Da bei der hier vorgegebenen Anordnung der Abtrageinheit die abgetragene Schichtdicke davon abhängt, wie weit der Stellzylinder 12 ausgefahren ist - ein weiteres Ausfahren ergibt eine Vergrößerung der Schichtdicke s -, kann bereits aus dem Meßwert des Ultraschallsensors 10 und der Signalrückführung, wie der Stellzylinder steht, die Istschichtdicke ermittelt werden. Ebenso wie in Fig. 1 beschrieben, wird bei Abweichung von Soll- und Istwert der Leistungstreiber 15 angesteuert, der ein Stellsignal an den Stellzylinder abgibt, womit ein Aus- bzw. Einfahren des Stellzylinders 12 bewirkt wird. Hierdurch wird die Schichtdicke dem Sollwert angepaßt.

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der Erfindung, bei der zwei Sensoren 17, 17′ vor der Abtrageinheit 11 angeordnet sind. Gleichfalls werden zum Heben und Senken der Abtrageinheit 11 zwei Hubzylinder 16, 16′ verwendet. Eine solche Anordnung empfiehlt sich immer dann, wenn die verwendete Abtrageinheit, z. B. ein Schaufelradbagger, sehr breit ist und verhindert werden soll, daß bei einer singulären Unebenheit (Maulwurfshügel oder entsprechende Mulde) die Höhenverstellung für die Abtrageinheit unnötig hin- und herfährt. Diese Anordnung nutzt aus, daß die Messung der Vorgeschichte für eine Schnittkantenregelung ausreicht.

Das elektrische Gesamtsystem des in Fig. 4 bis 5 dargestellten Ölaufnahmegerätes besteht aus einem Bedienteil, der Elektrik und der Schnittkantenregelung.

Die Schnittkantenregelung gemäß Fig. 4 besteht aus einer Sensorik und dem Lageregelkreis mit zwei unterlagerten Regelkreisen mit Hydraulikstellzylindern. Sie soll die Funktion erfüllen, eine vorgegebene, ölverseuchte Bodenschichtdicke parallel und konstant zu einer gegebenen Geländekonfiguration abzutragen.

Gemäß einem vorgegebenen Geländeprofil (z. B. Watt) wird diese Oberfläche mittels zweier Ultraschallsensoren berührungslos abgetastet. Die Sensoren S 1 und S 2 sind jeweils ca. 500 mm vor der mechanischen Schnittkante angeordnet (Totzeit=T). Die Sensoren sind an den seitlichen Elevatorkanten mechanisch angebunden und zwar so, daß sie je nach Elevatorneigung immer flächennormal zur Wattoberfläche gerichtet sind. Ihr Arbeitsabstand beträgt ca. 420 mm.

Ein Elevator beinhaltet somit zwei Sensoren und eine autarke Schnittkantenregelung.

Drei Elevatoren sind entsprechend mit sechs Sensoren, drei Schnittkantenregelungen und einem Leitsystem mit Logikschaltungen ausgestattet.

Die zwei Ultraschallsensoren S 1, S 2 des Elevators tasten berührungslos das vorliegende Geländeprofil ab und geben ihr Analogsignal (0-2,55 DC-Volt; full scale) an angepaßte Eingangsverstärker 18, 18′ der Regelelektronik weiter. Um parallel zu dem vorgegebenen Geländeprofil zu verfahren, berechnet ein Digitalrechner 19 die erforderliche Neigung und Verkantung des Elevators. Dabei hat der Elevator eine feste mechanische Mitte, woraus sich folgende Rechenoperationen ergeben:

Mittels einer Logikschaltung kann auch eine manuelle Sollwertvergabe für die Stellzylinder 20, 21 erfolgen.

Die berechneten Daten werden dem Lageregelkreis Neigungszylinder 20 und dem Lageregelungskreis Verkantungszylinder 21 jeweils zugeordnet und als Führungsgröße übergeben.

Um die Hydraulikstellzylinder 20, 21 gemäß der gewünschten Führungsgröße optimal auszuregeln, wird der Lageregelkreis (Neigungs- und Verkantungszylinder) durch jeweils zwei unterlagerte Positionsregelkreise unterstützt. Hierzu dienen folgende Elemente:

Die jeweiligen Istwerte der Elevatorhöhe (Stellung des Hubzylinders 20) und der Elevatorverkantung (Stellung des Verkantungszylinders 21) werden zusammen mit den am Bedienpult 22 einstellbaren Sollwerten Y _Soll, X _Soll jeweils einem Vergleicher (Komperator) 23, 23′ zugeführt. Selbstverständlich kann mittels eines Schalters 24 auch von automatischer Regelung auf Handsteuerung umgeschaltet werden, wobei die entsprechenden Steuerungssignale ebenfalls dem Vergleicher 23 bzw. 23′ zugeführt werden.

Die Komparatorsignale werden anschließend über einen Begrenzer 25 bzw. 25′ einem Positioniersystem 26, 26′ zugeführt, das mit einer Bildschirmüberwachung 42 ausgestattet ist. Vom Positioniersystem werden entsprechende Signale an den eigentlichen Lageregelkreis für die Neigungs- und Verkantungszylinder 20, 21 abgegeben.

Durch die Rückführung der momentan aktuellen Aussteuerpositionen von Hydraulikstellzylinder (1. Positionsregelkreis) und Hydraulik-Ventil (2. Positionsregelkreis), aufgenommen über spezielle Wegesensoren zum Regler, erhält man die gewünschten Systemeigenschaften wie:

- Ausschaltung von Störgrößen, wie Fahrzeugbewegungen, Rütteln, Hydraulikeinflüsse etc.
- Erhöhung der Regeldynamik
- Linearisierung der Regelstrecke.

Somit werden die Hydraulikstellzylinder gemäß ihrer Arbeitsstellungen und Bewegungen in gewünschter Form realisiert und damit ein einwandfreies Funktionieren des Ölaufnahmegerätes gewährleistet.

Dem Ölaufnahmegerät ist ein nicht dargestellter mechanischer Abweiserkamm vorgeschaltet, in dessen Verstellzylinder ein Drucksensor zur Sicherheitsabschaltung integriert ist.

Bei zu hohen Druckgradienten, d. h. unvorhergesehenen Störgrößen, wird ein elektrischer Impuls der Schnittkantenregelung übermittelt, welche sofort die betroffenen Elevatoren in ihre Ruhestellung (Parkposition) führt. Die Regelung der Schichtdicke mittels Hub- und Verkantungszylinder wird dabei sofort unterbrochen (Reset-Stellung). Eine neue Aktivierung der Regelung erfolgt erst dann wieder, wenn der Elevator durch den Bediener 420 mm über den Wattboden manuell von der Ruhe- in die Arbeitsstellung gebracht wurde und der Automatikbereich eingeschaltet wird.

Der Lageregelkreis besteht jeweils für die Höhen- bzw. Verkantungsregelung aus einem Regler 27, 27′ für die von dem Verkantungs- bzw. Neigungszylinder 20, 21 sowie einem Positioniersystem aus Regler 28, 28′ für Proportionalventile 29, 29′. Das An- und Ablegen des Abweiserkammes erfolgt durch einen Zylinder, der über das Wegeventil elektrohydraulisch gesteuert wird. Die Hydraulikanlage 30 besteht aus einer Zusatzpumpe (50 l/min bei 250 bar) im Wattfahrzeug sowie aus einer hydraulischen Adaption, bestehend aus Druckfilter, Druckregelventil, Hydrospeicher und Druckminderventil.

Über ein komfortables, externes Bedienpult 22 mit geeigneten Bedienelementen, wie Taster, Schalter und Meisterschalter, wird die Einstellung der erforderlichen Elevator-Arbeitsbewegungen gewährleistet. Eine LED-Anzeige ermöglicht einen kontinuierlichen Ablesevorgang über die abgetragene Schichtdicke (Anzeige: Abstand Ölaufnahmegerät-Schnittkante zur Wattoberfläche).

Das Bedienpult beinhaltet folgende Funktionen:

- Sollwertvorgabe Elevatorantriebsdrehzahl
- Schichtdickensollwertvorgabe
- Wahlschalter für verschiedene Arbeitsweise des gesamten Ölaufnahmegerätes bei 3 Elevatoren
- Bereichsschalter für die manuelle Schnell- und Langsampositionierung des Ölaufnahmegerätes und die Umschaltung Manuell/Automatik
- Meisterschalter zum manuellen Verfahren und der Positionierung der Elevatoren in der Neigung (Höhe) und Verkantung.

Das elektrische Gesamtsystem wird durch die 24 Volt DC-Bordspannung versorgt. Einzelne Stabilisierungsstufen mit Transientenunterdrückung und DC/DC-Spannungswandler bewerkstelligen die Spannungsversorgung der Elektronikkomponenten.

Die Verbindung der einzelnen Komponenten wird über Kabel und Steckverbinder realisiert, wobei einige, aufgrund der Umwelteinflüsse, in wasserdichter Ausführung installiert sind.

Der mechanische Aufbau des Ölaufnahmegerätes ist in Fig. 5 dargestellt.

Ein mit Ketten 31 ausgestattetes wattgängiges Fahrzeug 32 trägt an seiner Vorderseite ein Ölaufnahmegerät 33, das mittels eines Hubzylinders 20 in der Höhe verstellbar ist. Das Ölaufnahmegerät besteht aus einem Kratzerförderer, der durch einen hydrostatischen Antrieb 39 mittels zwei Endlosketten 34 angetrieben wird. An diesen Ketten sind Kunststoffmitnehmerstege 35 befestigt. Die Ketten laufen über das Umlenkrad 36 im Bereich der Schneidkante 37 um und werden durch zwei Kettenspanner 38 im Obertrum auf die nötige Vorspannung gebracht. In Fahrstellung befindet sich das Ölaufnahmegerät ca. 2000 mm über der Erdoberfläche und kann in die entsprechende Arbeitsstellung ca. 420 mm heruntergefahren werden.

Der Ventilblock 43 für die Hydraulikzylinder 20, 21 kann entweder am Rohrträger 40 des Ölaufnahmegerätes selbst als auch am Aufnahmeträger 41 für das Ölaufnahmegerät und schließlich auch am Fahrzeug 32, etwa im Wannenbug, angeordnet sein. Die Anordnung am Rohrträger hat den Vorteil des kürzest möglichen Weges (ca. 800 mm) zum Hubzylinder. Andererseits muß der Ventilblock dann alle Hubbewegungen mitmachen und wird er einer großen Verschmutzungsgefahr ausgesetzt.

Auch bei einer Anordnung des Ventilblocks am Aufnahmeträger besteht eine Verschmutzungsgefahr, der Weg zum Hydraulikzylinder beträgt etwa 2000 mm, von Vorteil ist jedoch die ruhige Lage.

Hinsichtlich der ruhigen Lage als auch einer minimalen Verschmutzung bietet sich die letzte Möglichkeit der Ventilblockanordnung, nämlich im Wannenbug des Fahrzeuges 32 an: Nachteiligerweise ist der Weg zu den Zylindern mit < 2500 mm sehr groß.

Die hydraulische Einrichtung für das Ölaufnahmegerät ist modular aufgebaut und besteht aus:

- der hydraulischen Energieversorgung im Wattfahrzeug
- der hydraulischen Adaptionsgruppe
- dem zu jeder Elevatoreinheit gehörenden Ventilblock für die Schnittkantenregelung und Abweisersteuerung
- dem Hydromotor für den Elevatorantrieb
- den Hydraulikzylindern für die Elevatorverstellung.

Der langsamlaufende Hydromotor 39 treibt direkt die Elevatorketten 34 an und wird im geschlossenen Kreislauf von der Schwimmpumpe im Wattfahrzeug versorgt. An der Schwimmpumpe wird für den Elevatorantrieb der Förderstrom umgekehrt. Über einen Zahnradmengenteiler wird der Förderstrom auf die Hydromotoren der Aufnahmeelevatoren verteilt. Somit wird auch bei unterschiedlicher Elevatorbelastung eine gleichmäßige Kratzerbandgeschwindigkeit erreicht. Die Drehzahl des Hydromotors ist stufenlos durch eine Volumenstromänderung der Schwimmpumpe regelbar. Die Steuerung erfolgt über einen Drehpotentiometer am Bedienpult. Als hydraulisches Stellglied für die Schnittkantenregelung ist für jede Elevatoreinheit ein Hubzylinder 20 und Verkantungszylinder 21 mit integriertem Induktiv-Wegaufnehmer (linear-variabler Differential-Transformator (LVDI-Verfahren)) oder potentiometrischer Wegaufnehmer oder Ultraschallwegaufnehmer vorgesehen.

Mit dem in Fig. 4 und 5 dargestellten Ölaufnahmegerät können bei einer Elevatoreinheit 4300 m²/h bei einer Vorschubgeschwindigkeit v _s=1 m/s und einer Schnittiefe von ca. 10 mm bearbeitet werden, die Aufnahmeleistung bei einer Aufnahmebreite von 1200 mm lag im Schlickwatt bei 35 m³/h, im Mischwatt bei 50 m³/h und im Sandwatt bei 60 m³/h.

Claims

1. Automatisches Regelsystem für eine kontinuierliche Schnittkantenregelung mittels berührungsloser Oberflächenmessung an einem Erdräumgerät, insbesondere zum Abtragen einer ölverseuchten Schicht, an einem Pflug oder Mähtisch oder einem anderen Schneidwerkzeug bei Schleppern oder Mähdreschern mit Sendern sowie Empfängern für die ausgesandte und durch Reflexion empfangene Strahlung zur Abstandsmessung und einer Auswert- und Regeleinheit zur Erstellung der Schnittkante, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest vor dem Erdräumgerät bzw. dem Schneidwerkzeug jeweils ein oder mehrere Ultraschall-Sender-Empfängerkombinationen vorgesehen sind, die mit einer die abtragende bzw. abgeschnittene Schichtdicke ermittelnden Auswert- und Regeleinheit, ggf. über Signalverstärker verbunden sind, und daß die Auswert- und Regeleinheit über ein Stellglied die absolute Erdräumgeräteposition bzw. Schneidwerkzeugposition in der Vertikalen (Höhe) und der Horizontalen (Ebene) regelt.

2. Automatisches Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied ein Hydraulikventil ist, das entsprechend eines vorgegebenen Sollwertes angeregelt wird und mit den Erdräumgeräten bzw. Schneidwerkzeugen verbundene Hydraulikzylinder steuert.

3. Automatisches Regelsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Erdräumgerät ein Schaufelradbagger verwendet wird.

4. Automatisches Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den äußeren Seitenkanten des Erdräum- bzw. Schneidwerkzeuges Sensoren vorgesehen sind und daß bei Abweichung des Werkzeuges von der flächennormalen bzw. flächenparallelen Stellung zur Erdoberfläche ein Regelungssignal abgegeben wird.

5. Automatisches Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Erdaufnahme- bzw. Schneidwerkzeug ein mechanischer Abweiserkamm vorgeschaltet ist, in dessen Verstellzylinder ein Drucksensor zur Sicherheitsabschaltung integriert ist.

6. Verwendung des automatischen Regelsystems bei einem Ölaufnahmegerät, insbesondere im Wattenmeer.