DE3719897C2 - Kransteuersystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein System zum Steuern des Auslegersystems eines Krans gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei festigkeittechnischer Dimensionierung der Struktur eines Krans müssen dynamische Belastungen be­ rücksichtigt werden. Sie werden von den Beschleunigungen und Verzögerungen sowohl des eigentlichen Auslegersystems als auch ganz besonders der zu hebenden Last veranlasst.

Die grösste zulässige Geschwindigkeit des Ausleger­ systems eines Krans wurde mittels einer hydraulischen Pum­ pe definiert, deren Volumenstrom auf ein bestimmtes Maxi­ malniveau je nach Kran gestellt wurde. Der zur Verfügung stehende Volumenstrom wurde an verschiedene Bedienungsvor­ richtungen, zunächst an hydraulische Zylinder und Regel­ ventile verteilt, die mechanisch durch Hebel gesteuert wurden.

Ein ernster Nachteil, bestand darin, dass die grösste zulässige Last und Geschwindigkeit des Krans fest und un­ abhängig von einander waren, d. h. es war notwendig, den Kran gemäss der in der Praxis oft vorgekommenen Situation zu dimensionieren, dass die Maximallast mit einer Maximal­ geschwindigkeit verschoben wird. Es war möglich, die Be­ wegungen zum Anlassen und Anhalten des Auslegersystems sehr schnell auszuführen, weshalb die Kranstruktur während einer Lastverschiebung oft einer Schwingung ausgesetzt wurde. Korrigierungsversuche des Kransführers machten die Schwingung gewöhnlich nur schlimmer, weil die Führungsbe­ wegungen und die Eigenfrequenz der Kranstruktur zusammen eine undämpfbare Schwingungsbewegung zustandebrachten.

So war es, weil die Bewegungen der Bedienungsvor­ richtungen des Krans, zunächst die, der Ventile der hyd­ raulischen Zylinder, direkt mechanisch gesteuert wurden. Gemäss der allgemeinen Auffassung war es nicht möglich, die Stärke der Beschleunigungen durch Verminderung der Öffnungs- und Schliessgeschwindigkeiten der Regelventile viel zu beeinflussen, weil dabei eine Vorgreifung zur Führung des Krans notwendig wäre, und, weil die Führung dadurch ungenau, sogar gefährlich werden würde.

In der US-Schrift 4 006 347 wird eine solche Be­ rücksichtigung der Last vorgeschlagen, dass die Bewegung des Auslegers eines Krans in der Vertikalebene verlang­ samt wird, wenn der Ausleger von oben gegen die Horizontal­ ebene schwenkt, respektive diese Bewegung beschleunigt wird, wenn der Ausleger sich von unten nach oben bewegt. Die Führung findet jedoch indirekt mittels eines zusätz­ lichen Ventils statt, das einen Teil des von der hydrau­ lischen Pumpe erzeugten Volumenstroms an dem Ventil des hydraulischen Zylinders vorbei in den Behälter zurück­ leitet, weswegen die Führung besonders beim Anlassen und Anhalten des Krans ungenau ist.

Weiterhin ist eine Vorrichtung zur Steuerung der Geschwindig­ keit der Bewegungsabläufe von ausfahrbaren Masten o. dgl. bekannt (DE-OS 20 33 469). Bei dieser bekannten Vorrichtung wird die Bewegungsablaufgeschwindigkeit von einem maximalen oder minimalen Wert in Abhängigkeit von dem Erreichen eines bestimmten auf den Mast einwirkenden Kippmoments verändert.

Bei einem als Elektromotor ausgebildeten Antrieb wird dieser Antrieb entsprechend langsamer bzw. schneller betrieben.

Die Erfindung bezieht sich somit auf ein System zum Steuern des Auslegersystems eines Krans, besonders eines hydraulischen Krans, mit wenigstens einem Belastungs­ anzeiger, wobei auf der Basis der Messangaben dieses An­ zeigers die Geschwindigkeit des Auslegersystems so gere­ gelt wird, dass die grösste zulässige Geschwindigkeit des Auslegersystems beim Abnehmen der Belastung zunimmt re­ spektive beim Zunehmen der Belastung abnimmt.

Die Absicht ist, ein neues Steuersystem zu schaffen, das besser als die bekannten Systeme die sich auf den Kran richtenden dynamischen Belastungen berücksichtigt.

Das lösungsgemässe System ist u. a. da­ durch gekennzeichnet, dass zum Vermindern der sich auf den Kran richtenden dynamischen Belastungen die Ölströmung in die hydraulischen Bedienungsvorrichtungen dadurch ge­ steuert wird, dass die Bewegungen der Ventile der Bedie­ nungsvorrichtungen direkt auf der Basis der Geschwindig­ keitsinformation und der Belastungsinformation des Aus­ legersystems geregelt werden und solche Geschwindigkeits­ informationen des Auslegersystems abgefiltert werden gemäss denen die Ventilbewegungsgeschwindigkeiten einen vorbestimmten Wert überschreiten.

Im lösungsgemässen Steuersystem sind also die von den Beschleunigungen der Last veranlassten dynamischen Belastungen dadurch vermindert, dass das Regelventil ge­ hindert wird, sich zu schnell zu öffnen und zu schliessen, und dadurch, dass die Bewegungsgeschwindigkeiten des Krans besonders bei grossen Belastungen vermindert werden. Eine Filtrierung der Steuerbewegungen des Anwenders vermindert die Beschleunigungen, dämpft die nachteiligen Einflüsse der Fehlerbewegungen ab und verbessert die Steuereigen­ schaften. Auf Grund der verminderten dynamischen Spann­ ungsschwankungen kann das Hubvermögen des Krans vermehrt, die Steuereigenschaften verbessert, die Haltbarkeit der Auslegersystemkonstruktionen erhöht oder die Konstruktionen leichter gemacht werden.

Die hydraulischen Ventile werden elektrisch ge­ steuert. Der von dem Führer steuerbare Ölstrom wird da­ durch geregelt, dass die obenerwähnte elektrische Steuer­ information auf Grund der Belastungsangabe beschränkt wird. Dabei wird der Volumenstrom von Öl mit demselben Ventil geregelt, wodurch der Kran auch sonst gesteuert wird. Der Vorteil dieses Arrangements ist, dass die jetzige Anzahl der hydraulischen Komponenten nicht vermehrt werden braucht.

Es ist vorteilhaft, das System zur Geschwindigkeits­ regelung eines Krans beispielsweise in der folgenden Weise zu konstruieren.

Das System enthält eine programmierbare digitale Regeleinheit, die eine Regelung der Maximalgeschwindigkeit auf der Basis einer aus dem Belastungsanzeiger erhältlichen Information ausführt. Die Regeleinheit enthält auch einen digitalen Filterteil, der die Bewegungsgeschwindigkeiten von Steuerstäben kontrolliert, die übergrossen Frequenzen abfiltriert und die Beschleunigungen von Verzögerungen terrassenartig ausführt. Alle Steuer- und Kontrolleigen­ schaften der Regeleinheit können je nach Kran und Bedie­ nungsvorrichtung programmiert werden.

Im folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf die beigefügte Zeichnung ausführlicher erläutert.

Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines Krans.

Fig. 2 zeigt ein Prinzipbild eines Steuersystems.

Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm einer elektronischen Steuereinheit.

Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm eines vorteilhaften beispielmässigen Programms, das in einem in der Steuerein­ heit enthaltenen Programmspeicher angeordnet ist.

Fig. 5 zeigt eine Beispielsfunktion zwischen Druck und Geschwindigkeit.

Der als Beispiel angeführte Kran der Fig. 1 weist ein Gerüst 1, einen Baum 2, einen Hebearm 3, einen Verschie­ bearm 4 und seine Verlängerung 5, einen Greifer 6, einen Abhebezylinder 7 und einen Verschiebezylinder 8 auf.

Am meisten beansprucht die Last des Krans den Baum 2 und den Abhebezylinder 7, weshalb es vorteilhaft ist, den wenigstens einen im System enthaltenen Belastungsan­ zeiger entweder in Verbindung mit dem Baum oder dem Ab­ hebezylinder anzubringen. Der Belastungsanzeiger kann zum Beispiel den Druck im Abhebezylinder oder in dessen Zu­ führungsschlauch messen, oder an der Oberfläche des Baums kann ein Spannungsmesser befestigt werden.

Zu dieser Absicht geeignete Messgeber sind leicht erhältlich, weshalb es nicht nötig sein dürfte, ihre Kon­ struktion und Funktion hier ausführlicher zu erläutern.

In Fig. 2 bezeichnet der Block 9 eine elektro­ nische Regeleinheit, der Block 10 ein Regelventilsystem und der Block 11 steuerbare Bedienungsvorrichtungen (hyd­ raulische Zylinder). Der Pfeil 12 bezeichnet einen Feder einer Stromquelle, der Pfeil 13 Geschwindigkeitsinforma­ tionen des Anwenders, der Pfeil 14 eine Belastungsangabe, der Pfeil 15 ein Steuersignal eines Ventils, und die Pfeile 16 und 17 bezeichnen eine Ölströmung.

In Fig. 3 bezeichnet die Referenznummer 18 einen Belastungsanzeiger, dessen Spannungsinformation 19 in einem Analog-Digital-Umsetzer 10 für einen Mikroprozessor 21 in eine digitale Form umgesetzt wird. Aus Steuerpoten­ tiometern 22 erhältliche Geschwindigkeitsinformationen 23 werden auch im A/D-Umsetzer 20 für den erwähnten Mikro­ prozessor 21 in eine digitale Form umgesetzt. Auf der Ba­ sis der Geschwindigkeitsinformationen und der Belastungs­ angabe führt der Mikroprozessor 21 gemäss einer in einem unlöschbaren Speicher 24 befindlichen Steuerprogrammaus­ rüstung eine Regel- und Filtrierberechnung der Geschwin­ digkeitsinformationen aus. Die verarbeiteten Geschwindig­ keitsinformationen 25 werden aus einem Reihenübertragungs­ steuergerät 27 an Regelventile 26 übermittelt. Die Steuer­ grösse des Ventils kann auch eine analoge elektrische In­ formation sein, wobei anstatt eines Reihenübertragungs­ steuergeräts ein Digital-Analog-Umsetzer, verwendet wird.

Im folgenden wird eine vorteilhafte Ausführungs­ form ausführlicher erläutert.

Das System besteht aus einem digital steuerbaren Regelventil, einer Steuerelektronik, elektrischen Steuer­ hebeln und einen Druckgeber.

An dem Sitz des Führers sind zwei Stück Steuerhebel befestigt, welche beide zur Steuerung von drei Bedienungs­ vorrichtungen (hydraulischen Zylindern) entweder zusammen oder separat verwendet werden können. Am Steuerhebel sind drei Potentiometer so angeordnet, dass wenn der Hebel in der Horizontalebene geschwenkt wird, zwei Potentiometer aus ihrer Mittelstellung nach der einen oder anderen Sei­ te abgelenkt werden, und wenn die am Hebel angeordneten Drucktasten gedrückt werden, wird das dritte Potentiometer abgelenkt. Alle Potentiometer sind mit einer Gleichspan­ nung von 5 V parallelgeschaltet, was eine Ausgangsspannung von 2.5 V ergibt, wenn die Abgleitung des Potentiometers in der Mittelstellung ist. Von dem Steuerhebel werden also insgesamt 6 Stück Ausgangsspannungen erhalten, die nach der jeweiligen Lage der Steuerhebel zwischen 0 V und 5 V variieren. Wenn die Ausgangsspannung < 2.5 V ist, bewegt sich der hydraulische Zylinder hinein und entsprechend, wenn die Spannung < 2.5 V ist, bewegt sich der hydraulische Zylinder heraus, d. h. seine Länge nimmt zu. Wenn die Span­ nung 2.5 V ist, bleibt der Zylinder an seinem Platz. Je näher jede Ausgangsspannung dem Wert 0 V oder 5 V ist, je grössere Geschwindigkeitsinformation erhält die bezügliche Bedienungsvorrichtung.

Die obigen Steuerspannungen sind an eine Steuerein­ heit angeschlossen, wo eine Verarbeitung und Behandlung von Daten sowie ihre Übertragung weiter auf Regelventile stattfinden. Die Steuereinheit weist u. a. einen Mikropro­ zessor, d. h. einen "Ausführer", einen Analog-Digital-Um­ setzer, einen Programmspeicher, einen Arbeitsspeicher, ein Reihenübertragungssteuergerät und einen Oszillator­ kristall auf. Der Programmspeicher ist vom Typ Nur-Lese- Speicher (Read Only Memory), der mit einer separaten Prog­ rammierungsvorrichtung programmiert wird. Die Daten des Programmspeichers überstehen Unterbrechungen in der Elek­ trizität. Das Steuerprogramm hat die Form einer endlosen Programmschleife, die mehrere Male pro Sekunde durchge­ führt wird, wenn die Anordnung in Funktion ist. Das Block­ diagramm des im Programmspeicher angebrachten Programms wird in Fig. 4 gezeigt. Wenn eine Spannung an die Steuer­ einheit angeschlossen wird, fängt der "Ausführer" an, das Programm des Programmspeichers zu verwirklichen. Zuerst werden die von einem Unterbrechungssteuergerät und dem Reihenübertragungssteuergerät benötigten Initialmassnahmen ausgeführt, und zwar dadurch, dass gewisse Silben in Speicherumordner 30 dieser Steuergeräte eingeschrieben werden. Die Umordner befinden sich in einem sog. Schreib- Lese-Speicher (Random Access Memory), dessen Informationen im Fall einer Unterbrechung in der Elektrizität gelöscht werden.

Die Ausführung der eigentlichen Programmschleife beginnt mit dem Lesen der Steuerdaten. Solche Steuerdaten sind die von den obenerwähnten Steuerstäben kommenden Steuerspannungen (6 Stück) und die von dem Druckgeber kom­ mende Spannung. Als Druckgeber dient ein Geber vom Typ Dehnungsstreifen, dessen Maximalausgang 100 mV ist, wenn die Speisespannung 10 V ist, weshalb die Druckinformation vor dem Analog-Digital-Umsetzer auf das Niveau 0-5 V be­ stätigt wird. In dem Analog-Digital-Umsetzer werden die den Steuerinformationen entsprechenden Spannungen in eine digitale Form (mit 0-255 Dezimalstellen) 3 umgesetzt. Danach wird die Druckinformation so filtriert, dass das durchschnittliche Druckniveau im Abhebezylinder ermittelt wird, welches Druckniveau keine von den Schwingungen der Last veranlassten Druckspitzen zeigt. Durch Filtrierung wird verhindert, dass das Steuersystem mit den Schwingungen 32 der Last in Resonanz gerät. Zur Filtrierung wird ein mathematischer Algorithmus verwendet, wobei der neue fil­ trierte Wert dadurch erhalten wird, dass der erstere fil­ trierte Wert und der Unterscheid zwischen dem Aufgabenwert und dem ersteren filtrierten Wert addiert werden, und zwar so, dass der Unterschied mit einem bestimmten Parameter multipliziert wird, d. h. die Formel lautet wie folgt: X2 = X1 + a . (0 - X1), wobei X1 = der erstere filtrierte Wert, X2 = der neue filtrierte Wert, a = Parameter, 0 = Aufgabenwert. Durch Änderung des Parameters a wird eine erwünschte Filtrierfunktion zustandegebracht. In der Praxis hat eine Filtrierung zur Folge, dass der neue filtrierte Wert X2 den Aufgabenwert 0 terrassenartig, d. h. innerhalb einer gewissen, für die Filter charakteristischen Anstieg­ zeit, erreicht.

Danach werden auch die von den Steuerstäben erhält­ lichen Steuerinformationen durch Verwendung des erwähnten Algorithmus 33 filtriert. Die Filterparameter der ver­ schiedenen Steuerinformationen können so erwählt werden wie sie für jeden einzelnen Kran geeignet sind. Durch Filtrierung der Steuerinformationen werden die Öffnungs- und Schliessgeschwindigkeiten der erwünschten Regelventile und dadurch die Beschleunigungen und Verzögerungen der Be­ dienungsvorrichtungen und der Last vermindert.

Die Regelung der Bewegungsgeschwindigkeit einer ein­ zelnen Bedienungsvorrichtung wird auf Grund einer Druck­ information 34 ausgeführt. Das Steuerprogramm erhöht die grösste zulässige Geschwindigkeit der Bedienungsvor­ richtung beim Abnehmen der Druckinformation und vermindert sie entsprechend beim Zunehmen der Druckinformation, und zwar z. B. gemäss der graphischen Darstellung der in Fig. 5 gezeigten Funktion. Der Einfluss der Druckinformation auf die maximale Bewegungsgeschwindigkeit der Bedienungs­ vorrichtung kann je nach der Bedienungsvorrichtung variieren.

Die am Anfang an den Steuerstäben gemessenen Steuer­ informationen sind auf der Basis des Steuer- und Belastungs­ zustands des Krans, zur Übermittlung an Regelventile verar­ beitet worden. Am Ende der Programmschleife werden die Steuerinformationen über das Reihenübertragungssteuergerät an Ventile 35 übermittelt. Als Regelventil wird ein Ven­ til verwendet, das durch serienmässige Digitalsteuerung gesteuert werden kann. In dem eigentlichen Ventil werden die Entschlüsselung der Steuersignale und die Regelung des Ventils in eine erwünschte Stellung erledigt.

Ein Kran hat in der Regel mehrere Regelventile für verschiedene Bewegungen. Diese Ventile sind der Einfach­ heit halber in Fig. 3 nur durch Punkte 25 umrissen. Wie es aus Fig. 3 ersichtlich ist, kann die Funktion aller erforderlichen Ventile je nach dem Bedienungsgerät und Kran in eine erwünschte geändert werden, und zwar durch Änderung des Steuerprogramms.

Claims (4)

1. System zum Steuern des Auslegersystems eines Krans, besonders eines hydraulischen Krans, mit wenigstens einem Belastungsanzeiger, wobei auf der Basis der Messan­ gaben dieses Anzeigers die Geschwindigkeit des Auslegersys­ tems so geregelt wird, dass die grösste zulässige Geschwin­ digkeit des Auslegersystems beim Abnehmen der Belastung zunimmt respektive beim Zunehmen der Belastung abnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ver­ mindern der sich auf den Kran richtenden dynamischen Be­ lastungen die Ölströmung in die hydraulischen Bedienungs­ vorrichtung dadurch gesteuert wird, dass die Bewegungen der Ventile der Bedienungsvorrichtugnen direkt auf der Basis der Geschwindigkeitsinformation (13) und der Belast­ ungsinformation (14) des Auslegersystems geregelt werden und solche Geschwindigkeitsinformationen des Auslegersys­ tems abgefiltert werden, gemäss denen die Ventilbewegungs­ geschwindigkeiten einen vorbestimmten Wert überschreiten.

2. System nach Patentanspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die hydraulischen Ventile elektrisch gesteuert werden und dass der von dem Führer steuerbare Ölstrom dadurch geregelt wird, dass die elek­ trische Steuerinformation auf Grund der Belastungsangabe beschränkt wird.

3. System nach Patentanspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Volumenstrom von Öl mit demselben Ventil geregelt wird, wodurch der Kran auch sonst gesteuert wird.

4. System nach Patentanspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass es eine programmierbare, vorzugsweise digitale Regeleinheit zur Regelung der Maxi­ malgeschwindigkeit enthält, und dass die Regeleinheit ei­ nen vorzugsweise auch digitalen Filterteil aufweist, und zwar zum Überwachen der Bewegungsgeschwindigkeiten von Steuerstäben und zur Abfiltrierung der übergrossen Frequenzen.