DE4190587C2 - Transport und Positionierung von Gütern mittels Containerkränen - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Transport von Gütern mittels Containerkränen und auf Ausrü­ stungen zur Durchführung des Verfahrens. Mit Hilfe dieser Kräne können Container auf einem Lagerplatz oder zwischen einem Schiff und dem Kai oder umgekehrt von einer Laufkatze transportiert werden, die auf dem Kran wandert, der auch eine Führerkabine haben kann. Die Laufkatze ist mit einem System aus Hebeseilen, einer Greifvorrichtung (oder Spreader) ausgerüstet, die an dem anderen Ende dieses Systems hängt. Der Spreader ist mit Greifvorrichtungen versehen, die an dem zu verlagernden Container angeschlagen werden.

Stand der Technik - Diskussion des Problems

Da die Last, die aus einem Spreader oder einem Spreizbü­ gel mit einem Container bestehen kann, an Seilen hängt, kann ihre Bewegung relativ zur Laufkatze sowohl in Richtung der Laufkatzenbewegung als auch senkrecht zu dieser Richtung be­ ginnen. Die Pendelbewegung, die durch die Beschleunigung oder Verzögerung der Laufkatze in Bewegungsrichtung der Laufkatze ausgelöst wird, ist normalerweise die größere die­ ser Bewegungen. Diese Bewegung wird natürlich auch dadurch beeinflußt, daß gleichzeitig mit der Laufkatzenbewegung der Spreader mit dem Container relativ zu der Laufkatze geho­ ben oder gesenkt werden muß, um Krangerüsten oder anderen Hindernissen am Kai oder an Bord des Schiffes auszuweichen.

Da die Anforderungen an die Positionierung im Falle vom Anschlagen und Absetzen von Containern auf dem Schiff, am Kai oder auf dem vorhandenen Fahrzeug ±3-5 cm betragen, ist es leicht einzusehen, daß auch relativ kleine Pendelbewegun­ gen für den Kranführer Probleme bereiten können.

Die gleichen Probleme mit Pendelbewegungen und der Positio­ nierung bestehen auch in Zusammenhang mit sogenannten Greif­ kränen.

Betrachtet man die zuvor beschriebenen Probleme, so ist es leicht zu verstehen, daß sehr hohe Anforderungen an einen Kranführer sowohl hinsichtlich Genauigkeit als auch Ausdauer gestellt werden. Um die Arbeit eines Kranführers zu erleich­ tern, wurden über die Jahre mehrere verschiedene Steuer- und Antriebsprogramme entwickelt. Der Zweck dieser Programme be­ steht natürlich auch darin, die Auswirkungen der Pendelbewe­ gungen zu reduzieren und die Positionierung in größtmögli­ chem Umfange zu erleichtern.

Für bedienungsgesteuerte Kranantriebe ist es typisch, daß der Kranführer mittels eines Hebels einen Sollwert in Form einer Stufe oder eines analogen Signals gibt. Für gesteuerte Antriebe wird der Sollwert in Form eines Geschwindigkeits­ sollwertes gegeben. Um die mechanische und die elektrische Ausrüstung zu schützen und um dem Antrieb ein für den Kran­ führer kalkulierbares Verhalten zu verleihen, ist der vom Kranführer einstellbare Sollwert durch eine fest einge­ stellte geneigte Kennlinie begrenzt. Die Neigung der Kennli­ nie ist so eingestellt, daß der Antrieb in allen normalen Fällen imstande ist, der Kennlinie zu folgen. In den meisten Fällen sind die Antriebe auch mit einem sogenannten Drehmo­ mentausfallschutz versehen, welcher überwacht, ob der An­ trieb in der Lage ist, der Sollwert-Kennlinien zu folgen.

Ein Verfahren der oben beschriebenen Art bedeutet jedoch, daß die geneigte Kennlinie für den denkbar ungünstigsten Fall eingestellt werden muß, so daß das Leistungsvermögen des Antriebes in allen anderen Fällen nur ungenügend genutzt wird. Dies ist besonders ausgeprägt bei Laufkatzenbewegun­ gen, bei denen die Belastung nicht nur lastabhängig ist, sondern auch in starkem Maße von der Kombination von Last und Pendelwinkel abhängig ist, d. h. von dem Winkel zwischen der vertikalen Linie durch den Aufhängepunkt des Seils an der Laufkatze und dem Seil. Bei unachtsamer Bedienung können Pendelbewegungen von einer Größe auftreten, die doppelt so groß sind wie das, was ein normal dimensionierter Kran zu bewältigen vermag. Andererseits wird im Falle normaler Be­ dienung der Motor normalerweise weniger als zu 50% ausge­ nutzt.

Viele existierende Steuer- und Bedienungsprogramme für Con­ tainerkräne werden von offenen Steuer-Algorithmen gebildet, d. h., daß sie nicht in einem geschlossenen Regelsystem ver­ wendet werden. Dies bedeutet, daß die Genauigkeit der ge­ steuerten Parameter und deren dynamisches Verhalten nicht in der gewünschten Weise gesteuert werden können.

In der schwedischen Patentschrift mit der Veröffentlichungs­ nummer 429 641 wird beispielsweise ein Verfahren für die seitliche Bewegung einer hängenden Last beschrieben, wobei die Länge des Seils zwischen der Last und der Laufkatze sich während der seitlichen Bewegung verändern kann. Das Verfah­ ren bedeutet, daß eine Geschwindigkeitsänderung in zwei Pha­ sen unterteilt ist mit einer Zwischenphase mit im wesentli­ chen konstanter Geschwindigkeit und daß die betreffenden Be­ schleunigungsphasen unterschiedlich lang sind und mit kon­ stanten Werten in der Weise arbeiten, daß der Längenunter­ schied für die beiden Phasen aus einem Nomogramm bestimmt wird, das im voraus vorbereitet wurde oder einer Tabelle entnommen wird.

Die schwedische Patentschrift mit der Veröffentlichungsnum­ mer 429 748 beschreibt ein Verfahren im Zusammenhang mit dem Absetzen von Gütern während einer seitlichen Bewegung mit Hilfe einer Laufkatze, wobei die Länge des Seils zwischen der Laufkatze und dem Greifer sich verändern kann. Die Lauf­ katze wird hierbei bis zum Stillstand verzögert und unmit­ telbar danach in der entgegengesetzten Richtung beschleu­ nigt.

Versuche wurden auch mit Positionierungssystemen gemacht, die mit mechanischen Systemen zur Unterdrückung von Pendel­ bewegungen zusätzlich ausgerüstet sind. Diese haben jedoch zu Konstruktionen geführt, die sowohl kostspielig als auch raumaufwendig sind und mit denen es sich auch als schwierig erwiesen hat, die Anforderungen an Genauigkeit zu befriedi­ gen, insbesondere bei Verwendung langer Seile.

Die EP-B 0 342 655 A2 beschreibt einen Containerkranantrieb, der kurz gesagt wie folgt arbeitet: Die Lastbewegung erfolgt zunächst in Gestalt einer reinen Hebebewegung. Dann wird die Laufkatze mit der Last in eine Lage gefahren, die senkrecht über der Entladestation liegen soll, worauf die Last herab­ gelassen wird. Pendelbewegungen während des Laufes der Lauf­ katze werden dadurch vermieden, daß der Spreader mit ei­ ner konisch geformten Unterdrückungsvorrichtung versehen ist, die an eine entsprechende konische Öffnung in der Lauf­ katze angeschlossen ist. Ferner wird dort ein Meßsystem mit einem Strahlungsübertrager beschrieben, der an dem Spreader angebracht ist und mit dessen Hilfe die Geschwindigkeit des Spreizbügels relativ zu einer Ziellage gemessen werden kann. Die Geschwindigkeit kann jedoch nicht korrigiert wer­ den, bevor eine Annäherung an die gewünschte Ziellage er­ folgt ist; denn Informationen für die Korrektur stehen erst zur Verfügung, wenn der Spreader sich in einer solchen Lage befindet, daß die Strahlen des Übertragers das Ziel ausmachen können.

Aus der DE 20 53 590 A1 ist eine Ladevorrichtung für Con­ tainer bekannt, bei der Maßnahmen vorgesehen sind, Schrägla­ gen des Spreaders (Greifrahmens) zu beseitigen, bzw. zu un­ terdrücken, um ein genaues Aufsetzen des Spreaders auf dem Container und ein genaues Absetzen des Containers in einer bestimmten Position zu erreichen. Der Spreader hängt an schräg zur Hubrichtung verlaufenden Seilen, von denen jedes über eine Seiltrommel von einem Motor bewegt wird. Auf dem Spreader sind zwei in verschiedene Richtungen weisende Meß­ geräte zur Messung der Abweichungen von der horizontalen Lage angebracht, und die Seiltrommelmotoren werden in Abhän­ gigkeit der gemessenen Schräglagesignale gesteuert. Um ein genaues Absetzen des Containers bei seitlichen Kräften, wie zum Beispiel Windkräften, zu ermöglichen, ist ferner eine Einrichtung vorgesehen, mit deren Hilfe der Container genau unterhalb der Mitte der Laufkatze gebracht werden kann. Zu diesem Zweck ist eine Meßvorrichtung zur Ermittlung der Ab­ weichung einer Containerachse von einer ihr zugeordneten Achse der die Last tragenden Laufkatze vorgesehen. Diese Meßeinrichtung kann aus zwei um 90° versetzte Stablampen auf dem Spreader und einer Fotozellenanordnung an der Laufkatze bestehen. Stimmen die Projektionen der genannten Achsen von Container und Laufkatze nicht überein, so liefert die Meß­ einrichtung Signale, welche die Seiltrommelmotoren zwecks Verstellung beaufschlagen.

Im Prinzip ist das Positionierungsproblem ein drei-dimensio­ nales Problem. Wenn man annimmt, daß die Kaiebene eine x/y- Ebene ist, wobei beispielsweise die x-Koordinate senkrecht zur Kaimauer verläuft und folglich die y-Achse längs der Kaimauer verläuft. Die rechtwinklig zur Kaimauer auf ge­ stellte Kran kann dann zweckmäßigerweise in den Nullpunkt der y-Koordinate gelegt werden. Für die dreidimensionale Po­ sitionsbestimmung des Containers, der Laufkatze, des Spreaders, möglicherweise mit dem Container, und die gewünschte Lage der Last an Bord des Schiffes wird eine x/z-Ebene senk­ recht zur x/y-Ebene hinzugefügt, die sich zweckmäßigerweise durch y=0 erstreckt. Während eines Ladevorganges werden die Koordinaten für die Laufkatze und den Spreader mit dem Container verändert.

Die Lage der Beladestation und der Entladestation, der Lauf­ katze und der Last in der xy-Ebene kann zweckmäßigerweise als der Schwerpunkt der auf die Ebene projizierten Oberflä­ che definiert werde. Aus praktischen Gründen, wie weiter un­ ten beschrieben wird, kann es notwendig sein, eine andere Definition für die Lage zu verwenden.

Da ein Schiff an der Kaimauer festgemacht ist, hat eine de­ finierte Lastlage an Bord eine feste und gegebene Position in der xy-Ebene. Wenn der Kran so positioniert wird, daß die y-Koordinate der Laufkatze mit der y-Koordinate der Lastlage zusammenfällt und zugleich mit Hilfe eines Fahrzeugs am Kai dafür gesorgt wird, daß auch die y-Koordinate des Container mit den y-Koordinaten der Last und der Laufkatze zusammen­ fällt, reduziert sich das Positionierungsproblem zu einem im wesentlichen zwei-dimensionalen Problem. Dies bedeutet na­ türliche eine beträchtliche Vereinfachung des Schwierig­ keitsgrades der Positionierung, da keine Pendelbewegungen senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Schiffes ausgelöst werden. Es ist jedoch klar, daß solche Pendelbewegungen durch den Wind oder andere Faktoren hervorgerufen werden können. Da es schwierig ist, eine exakte Ausrichtung der y- Koordinaten zu erreichen, kann in der Praxis auch eine ge­ wisse Drehung des Containers beim Anheben auftreten, die ih­ rerseits zu einer seitlichen Pendelbewegung führen kann. Eine auf diese Weise ausgelöst Pendelbewegung ist jedoch sehr klein im Vergleich zu der Pendelbewegung in Bewegungs­ richtung der Laufkatze.

Da der Laderaum des Schiffes sukzessive gefüllt wird, verän­ dern sich die x- und y-Koordinaten der Ladestation, was eine seitliche Bewegung sowohl des Krans und des Ortes des Con­ tainers am Kai notwendig macht. Die oben beschriebenen Posi­ tionierungsprobleme gelten natürlich sowohl für das Beladen wie für das Entladen von Fracht. Die Reduzierung der Posi­ tionierung auf ein zwei-dimensionales Problem gehört zum Stand der Technik.

Die ein Pendel mit bewegtem Aufhängepunkt beschreibenden physikalischen Gesetze sind so gut bekannt, daß ein mathema­ tisches Modell für das gesamte Kransystem oder, wie es oft genannt wird, für den gesamten Prozeß hergestellt werden kann. Bei Kenntnis der beteiligten Parameter, wie der Länge des Pendels, des Gewichtes der Last und der Lage, Geschwin­ digkeit und Beschleunigung des Aufhängepunktes und der Last, usw., für einen bestimmten Bewegungspfad sind mathematische Bedingungen zur Bestimmung des Ortes der aufgehängten Last in jedem Zeitpunkt mit Hilfe des Modells vorhanden. Unglück­ licherweise jedoch liefert eine solche "Meßmethode" keine genügende Auflösung und Genauigkeit, die augenblicklich als Istwert in einer geschlossenen Lageregelung verwendet werden können.

Mit der Zeit hat sich die Container-Handhabung zunehmend auf hochspezialisierte Terminals mit hohen Anforderungen an die Effizienz konzentriert. Die Möglichkeiten zur Vergrößerung der Effizienz durch erhöhte Hebe- und Laufkatzgeschwindig­ keiten sind gering, da diese bereits sehr hoch sind. Studien am Arbeitszyklus eines Krans zeigen, daß mit der heutigen Technik kleinere Transport- und Positionierungsoperationen mehr als 50% der Zykluszeit ausmachen. Beim Kauf neuer Kräne und auch bei der Ergänzung älterer Kräne wird heute daher immer verlangt, daß diese Kräne mit einem Positionierungssy­ stem sowie einem aktiven Pendelungsunterdrückungssystem aus­ gerüstet sind. Da der Stand der Technik, wie oben beschrie­ ben, wenig Möglichkeiten zur Erfüllung dieser Forderungen vorsieht, besteht ein großes Bedürfnis für einen neuen tech­ nischen Ansatz auf diesem Gebiet.

Das eigentliche große Problem für Containerkräne nach dem Stand der Technik besteht im Fehlen eines genauen Lagemeß­ gliedes, welches in jedem Augenblick einen Meßwert für die Lage der Last liefert. Da es leicht ist, die Lage der Lauf­ katze zu messen, würde ein Meßglied ausreichen, welches die Lage der Last relativ zur Laufkatze erfaßt. Wenn ein solches Meßglied verfügbar wäre, würde es möglich sein, mit den heu­ tigen hochentwickelten geschlossenen Regelsystemen und der Simulationstechnik einen großen Schritt in Richtung auf einen Prozeß zu machen, der den Anforderungen nach optimaler Ausnutzung der Motorantriebe, einer guten Positionierung und einer Unterdrückung von Pendelbewegungen genügen würde.

Zusammenfassung der Erfindung; Vorteile

Die Erfindung umfaßt eine Ausrüstung für die Containerhand­ habung mit Hilfe eines Kranes. Zu dem Kran gehört eine be­ wegbare Laufkatze, die über Hebeseile einen Spreader für die zu transportierenden Container trägt. Zu der Ausrüstung gehört unter anderem ein speziell hergestelltes Meßsystem für eine praktisch kontinuierliche Bestimmung der Lage der Last relativ zur Laufkatze während des Transportes. Ferner gehören zu der Ausrüstung Antriebe sowohl für die Bewegung der Laufkatze wie für die Hebebewegung sowie auch ein Reg­ ler, der bestimmte Rechnungen durchführt und Steuersignale für die Antriebsvorrichtungen enthält. Zu der Ausrüstung ge­ hören auch Meßglieder für die Lage der Laufkatze auf dem Kran und für die Geschwindigkeit der Laufkatze sowie ein Meßglied für die augenblickliche Länge des Hebeseils.

Äußerlich arbeitet die Ausrüstung wie eine Lageregelung, welche die Aufgabe hat, einen Container von einer gegebenen ersten Position in eine gegebene zweite Position zu trans­ portieren. Daher sind auch Vorrichtungen vorhanden, um der Ausrüstung die entsprechenden Positionen und die Kenntnis des möglichen Bewegungspfades zwischen diesen Positionen zu­ zuführen.

Um die geschlossene Lageregelung bestmöglich stabilisieren zu können, ist es wünschenswert, interne Regelschleifen mit Rückführung der Geschwindigkeit und der Beschleunigung der geregelten Größe zu haben. In diesem besonderen Falle sind diese Größen natürlich nicht direkt verfügbar. Um von ihnen die bestmöglichen Werte zu erhalten, gehört zu der Ausrü­ stung ein mathematisches Modell des Prozesses wie oben be­ schrieben. Dadurch, daß dieselben gewünschten Werte sowohl dem aktuellen Prozeß als auch dem Modell zugeführt werden und die Differenz der Ergebnisse kontinuierlich zur Anpas­ sung des Modells in der Weise verwendet werden, daß die Dif­ ferenz so klein wie möglich wird, können von dem Modell zu­ verlässige Werte für die Lage, Geschwindigkeit und Beschleu­ nigung der geregelten Größe erhalten werden.

Ferner ist das Positionierungssystem derart beschaffen, daß während des Startzyklus die Laufkatze in der Weise beschleu­ nigt wird, daß die Geschwindigkeit der schwingenden Last in der Bewegungsrichtung der Laufkatze, d. h. in der x-Richtung, genauso groß ist, wie die Geschwindigkeit der Laufkatze, wenn die x-Koordinaten der Last und der Laufkatze zusammen­ fallen. Das bedeutet, daß dann, wenn die Last die Laufkatze "eingeholt" hat, der Transport der Last frei von Pendelbewe­ gungen gerade unter der Last und mit der gleichen Geschwin­ digkeit wie die Laufkatze stattfindet.

Das Gleichungssystem des Modells sowie bekannte und gemes­ sene Parameter geben auch eine Möglichkeit, zu jedem Zeit­ punkt das Drehmoment zu berechnen, das von dem Antriebssy­ stem der Laufkatze entwickelt werden muß, um die Last auf die Geschwindigkeit der Laufkatze zu beschleunigen. Bei Kenntnis des vorhandenen Trägheitsmomentes, der Getriebe­ übersetzung des Antriebssystems usw. kann auch die Beschleu­ nigung für eine maximale Ausnutzung des verfügbaren Drehmo­ mentes errechnet werden. Dieses kann dann umgewandelt werden in eine kontinuierlich angepaßte geneigte Sollwert-Kennlinie (ramp reference). Dies bedeutet, daß die Sollwert-Kennlinie der Last und dem betreffenden Seilwinkel angepaßt werden kann, wobei das verfügbare Antriebsmoment des Systems in je­ dem Zeitpunkt ausgenutzt werden kann. Wenn es gewünscht wird, aus mechanischen oder anderen Gründen einen bestimmten Bereich für das Drehmoment bei Nennlast zu haben, kann die Sollwert-Kennlinie dem sehr leicht angepaßt werden. Im Ge­ gensatz zum Stand der Technik, wo, wie oben beschrieben, eine Sollwert-Kennlinie auf der Grundlage der schwierigsten Bewegungsbahn bestimmt wird und daher im Falle von Bewe­ gungsbahnen, die ein geringeres Drehmoment erfordern, das verfügbare Drehmoment nicht für eine größere Beschleunigung ausgenutzt wird, kann eine maximale Ausnutzung erreicht wer­ den, welche die Laufzeiten verkürzt.

Bei ständiger Kenntnis von Lage und Geschwindigkeit der Last und der Laufkatze sowie der Koordinaten der Entladestation kann das Positionierungssystem mit Hilfe des Modells eine Verzögerung bestimmen, um die Laufkatze und die Last zum Stehen zu bringen. Während des ersten Teils der Verzögerung der Laufkatze wird die Last mit der gleichen Geschwindigkeit weiterbewegt, d. h. sie macht eine Schwingungsbewegung in Richtung ihrer Bewegung, die sie vor die Laufkatze führt. Mit Hilfe des Modells und bei Kenntnis des verfügbaren Ver­ zögerungsmomentes, kann der Zeitpunkt, in welchem der Verzö­ gerungsprozeß beginnen soll, sowie das Verzögerungsmoment und die Sollwert-Kennlinie der Verzögerung derart bestimmt wer­ den, daß bei der Geschwindigkeit Null der Laufkatze die Last sich im schwingungsfreien Zustand direkt über der Entlade­ station befindet.

Zusammenfassend ergibt sich aus dem Vorhergehenden, daß die Pendelbewegung der Last mit Hilfe der Bewegung der Laufkatze gesteuert wird. Dies wird durch kontinuierliche Regelung der Geschwindigkeit der Laufkatze während eines Beschleunigungs- /Verzögerungsprozesses mittels eines Sollwertes erreicht, der mit Hilfe des Modells und eines Reglers berechnet und angepaßt wird.

Allgemein gefaßt, besteht die Aufgabe des Meßsystems darin, die Lage einer an einem Seil hängenden Last zu bestimmen, bezogen auf eine bewegliche Aufhängevorrichtung für das Seil. Aus diesem Grunde gehört zu dem Meßsystem eine Mar­ kiervorrichtung, die an der Last angebracht ist und auf die Aufhängevorrichtung gerichtet ist und die mit einer Anzahl aktiver Markierungen in Form von Lichtquellen und einer Vi­ deokamera ausgerüstet ist, die auf der Aufhängevorrichtung angeordnet ist und auf die Markiervorrichtung gerichtet ist.

Der Verschluß der Videokamera öffnet synchron mit der Zün­ dung der Lichtquellen. Auf diese Weise erhält die Videoka­ mera ein digitales Bild der xy-Ebene mit einer klaren Sicht der Lichtquellen. Ein Videoprozessor verarbeitet dieses Bild und liefert x- und y-Koordinaten für den Schwerpunkt der Be­ reiche, die auf dem Bild beleuchtet sind.

Für den Gegenstand gemäß der Erfindung besteht die Aufhänge­ vorrichtung aus der Laufkatze eines Containerkranes. Bei Kenntnis darüber, wo die Lichtquellen auf dem Spreader angeordnet sind, kann auch der Schwerpunkt der Last für die auf die xy-Ebene projizierte Fläche der Last bestimmt wer­ den. Da die Länge des Hebeseiles in jedem Zeitpunkt bekannt ist, kann ein Meßwert für die drei-dimensionale Lage der Last relativ zur Laufkatze in jedem Augenblick in sehr ein­ facher Weise bestimmt werden. Dieser Meßwert zusammen mit der Lage der Laufkatze wird dann als Istwert für die oben beschriebene geschlossene Lageregelung verwendet.

Die beschriebene Erfindung unterscheidet sich von der oben erwähnten EP-Veröffentlichung in einer Vielzahl von Punkten. Die Unterschiede be­ stehen unter anderem in der Tatsache, daß gemäß der Erfin­ dung zu Beginn eines Arbeitszyklus eine erste gegebene Lage angenommen wird und die Ziellage für eine zweite gege­ bene Lage, d. h., die Lage, zu der die Last transportiert werden soll, angezeigt wird. Der Transport wird dann automa­ tisch durchgeführt, d. h. ohne Eingriff seitens des Kranfüh­ rers, bei gleichzeitiger Hebebewegung und Transportbewegung der Laufkatze, um die Transportzeit zu minimieren, und wenn die Ziellage erreicht worden ist, bleibt die Last ohne Ent­ stehung einer Pendelbewegung stehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt die Konfiguration des Meßsystems,

Fig. 2 zeigt in großen Zügen die Beziehung zwischen dem Prozeß, einem Modell für den Prozeß und dem Regler der Ausrüstung in einem Lageregelsystem für die x- Richtung,

Fig. 3 zeigt die grundlegende Beziehung zwischen der inne­ ren Regelschleife des Rückkopplungsregelsystems, dem Modell, dem Regler und dem Laufkatzen-Betrieb.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiel

Zur Einführung wird das Meßsystem, welches für die Lagean­ zeige der Last relativ zur Laufkatze verwendet wird, anhand der Fig. 1 beschrieben. Zu dem Meßsystem gehört eine Video­ kamera mit digitaler Reproduktion, die auf der Laufkatze plaziert ist. Es wird angenommen, daß eine Markiervorrich­ tung 2, die auf dem Spreader 3 des Krans für einen Con­ tainer 4 angeordnet ist, im Sichtfeld 5 der Videokamera liegt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Mar­ kiervorrichtung mit vier Platten ausgerüstet, die mit Leuchtdioden (LEDs) besetzt sind, und mit einer Diffusor­ platte 6 und einem auf die Kamera gerichteten Schirm verse­ hen. Der Schirm hat zwei große und zwei kleine kreisförmige Öffnungen, die im folgenden als die aktiven Markierer 7, 8 beziehungsweise 9, 10 bezeichnet werden und die gerade über den mit LEDs besetzten Platten orientiert sind. Die Zentren der aktiven Markierer liegen auf einer Linie, und die klei­ nen aktiven Markierer liegen symmetrisch zwischen den äuße­ ren großen aktiven Markierer. Der Grund für diese doppelte Ausführung besteht darin, daß im Falle einer kurzen Seil­ länge die äußeren großen aktiven Markierer außerhalb des Sichtfeldes der Videokamera liegen. Daher sind während des Laufes entweder nur die beiden großen äußeren oder die bei­ den kleinen inneren aktiven Markierer eingeschaltet. Die Entscheidung darüber, welche der beiden aktiven Markierer eingeschaltet werden, erfolgt durch das Steuersystem, wel­ ches in jedem Zeitpunkt die Seillänge mißt.

Ein Videoprozessor 11 synchronisiert den Verschluß der Vi­ deokamera und die Einschaltung (Zündung) der LEDs derart, daß die LEDs gezündet werden, wenn der Verschluß offen ist. Um zu verhindern, daß die Videokamera zufälliges Licht ver­ schiedenster Art registriert, ist sie mit einer automati­ schen Verstärkungsvorrichtung derart versehen, daß nur das relativ starke Licht, das von den aktiven Markierer ausgeht, erkannt wird, d. h. die Videokamera arbeitet mit geringer Verstärkung. Das digitale Bild der Videokamera wird zu dem Videoprozessor übertragen, der das Bild verarbeitet. Das Bild wird dann zerlegt in Bildelemente (Pixel), und die Bildelemente, die von den beiden aktiven Markierern beleuch­ tet werden, werden zu separaten Flächen addiert, deren Schwerpunktskoordinaten bestimmt werden. Diese Werte werden zu einer Steuervorrichtung oder einem Regler 12 geleitet und bilden zusammen mit der Lage des Laufkatze die Grundlage für die endgültige Lagebestimmung der Last. Eine Anpassung der Koordinatenwerte der Videokamera an einen Lagewert der Last relativ zur Laufkatze ist notwendig. Der Grund hierfür be­ steht darin, daß die Anbringung der Videokamera an der Lauf­ katze und die Anbringung der Markiervorrichtung an dem Spreader nicht immer an-den Stellen mit denselben x/y-Ko­ ordinaten möglich ist.

Die Antriebssysteme für die Laufkatze und die Hebevorrich­ tung bestehen aus herkömmlichen Motorantrieben. Mit Hilfe eines geeigneten an ihnen montierten Gebers können daher die x-Lage x_T der Laufkatze und die Geschwindigkeit _T des Laufkatze in jedem Augenblick verfügbar gemacht werden. In ähnlicher Weise ist bei Kenntnis des Trommeldurchmessers des Hebeseiles und der Anzahl von Windungen, die das Seil aufge­ wickelt ist, ist ebenfalls ständig die Länge Li des Seiles zwischen dem Laufkatze und der Last bekannt. Das Gewicht P der Last kann ebenfalls mit bekannten Meßmethoden bestimmt werden.

Wie im Abschnitt "Zusammenfassung der Erfindung" beschrieben wurde, ist es aus der Sicht der Lageregelung wünschenswert, zur Stabilisierung Kenntnis von Geschwindigkeit und Be­ schleunigung der Last zu haben. Um gute Maße für diese Größen zu erhalten, wird ein Modell der schwingenden Last während der Bewegung der der Laufkatze verwendet. Das Modell ist nach den klassischen Gesetzen, die eine solche Bewegung beschreiben, aufgebaut, und wird hier deshalb nicht be­ schrieben. Die grundlegende Beziehung zwischen dem Prozeß, d. h. dem Kranantrieb als solchen, dem Modell und dem Regler der Anordnung in einem Lageregelsystem für die x-Richtung zeigt Fig. 2.

Eine Last soll aus einer bestimmten ersten Lage in eine be­ stimmte zweite Lage übergeführt werden, d. h. in eine x-Lage x_LR, welche den gewünschten (Soll)-Wert für das Lageregelsy­ stem darstellt. Die Differenz zwischen der berechneten x- Lage der Last, d. h. x_LB, und dem Sollwert wird sowohl dem Prozeß 13, der in der Figur mit PROCESS bezeichnet ist, als auch dem mit MODEL bezeichneten Modell 14 zugeführt. In der vorgestellten Grundausführung gehört zu dem Prozeß das oben genannte Meßsystem für die Lage der Last im Verhältnis zum Laufkatze. Durch Ergänzung mit der Lage x_T der Laufkatze er­ hält man einen Meßwert x_LM für die Lage der Last in Bezie­ hung auf den Kai. Die x-Lage x_T des Laufkatze, die Geschwin­ digkeit _T des Laufkatze und die Länge Li des Seiles zwi­ schen dem Laufkatze und der Last werden kontinuierlich dem Modell zugeführt. Mit Hilfe des oben angegebenen Gleichungs­ systems ist das Modell nun in der Lage, kontinuierlich einen berechneten Wert x_LB für die Lage der Last zu liefern. Der gemessene Wert x_LM wird dann mit dem berechneten Wert x_LB verglichen, und die Differenz wird wieder dem Modell zuge­ führt, um dieses so abzuändern, daß die Differenz auf ein Minimum gebracht wird. Dieses Verfahren bedeutet, daß der berechnete Wert x_LB zu jeder Zeit ein gültiger Wert der x- Lage der Last ist und daher als Augenblickswert für die x- Lageregelung verwendet werden kann.

Mit Hilfe des Modells ist es nun eine einfache Operation, die erste und zweite Ableitung der Funktionen der Lastlage zu erhalten, d. h. die Lastgeschwindigkeit _LB und die Last­ beschleunigung _LB, die zusammen mit x_LB dem Regler 12 zu­ geführt werden.

Die grundlegende Beziehung zwischen der Rückkopplungsregel­ schleife, dem Modell, dem Regler und dem Laufkatzenantrieb für das x-Lageregelsystem geht aus Fig. 3 hervor. Wie in Fig. 2 wird der Sollwert x_LR mit der berechneten Lage x_LB der Last verglichen. Die Differenz wird sowohl dem Modell 14 als auch dem ersten Verstärker 15, der in Wahrheit zum Reg­ ler 12 gehört, zugeführt. Die Ausgangsgröße des ersten Ver­ stärkers stellt ihrerseits den Sollwert für die Beschleuni­ gungsrückkopplung dar. Die Differenz zwischen diesem Soll­ wert und dem Istwert _LB der Beschleunigung, die mit dem Modell berechnet wurde, wird dem zweiten Verstärker 16 zuge­ führt, der auch in dem Regler integriert ist. Die Ausgangs­ größe des zweiten Verstärkers bildet nun den Sollwert für die Geschwindigkeitsrückführung. Die Differenz zwischen die­ sem Sollwert und dem Istwert _LB für die Geschwindigkeit der Lastbewegung, berechnet von dem Modell, wird dem Modell zugeführt, dem zusätzlich und in Übereinstimmung mit Fig. 2 auch die Lage und Geschwindigkeit der Laufkatze und die au­ genblickliche Seillänge zugeführt werden. Zusätzlich zu dem oben genannten Gleichungssystem gehören zu dem Modell auch notwendige Integratoren 17 und 18 zur Gewinnung der ge­ wünschten Werte der Geschwindigkeit und Beschleunigung der Last.

Zu der Prozeßregelung gehört auch ein entsprechendes System für die Regelung der z-Lage. Da dieses System in der glei­ chen Weise aufgebaut ist wie das x-Lageregelsystem, wird es nicht näher beschrieben. Die beiden Systeme sind sowohl hin­ sichtlich des Modells als auch hinsichtlich der Antriebs- Strategie integriert und bilden zusammen das vollständige x/z-Lageregelung. Sie arbeiten auch in der Weise zusammen, daß der Lasttransport im Bereich möglicher Bewegungspfade stattfindet.

Claims (6)

1. Verfahren zur Bestimmung der Lage einer Last (3), die an einem Hebeseil hängt, bezogen auf die Lage (x_T) einer beweg­ lichen Aufhängevorrichtung für das Seil, dadurch gekennzeichnet, daß an der Last eine Markier­ vorrichtung (2) angeordnet ist, die auf die Aufhängevorrich­ tung gerichtet ist und die mit einer Anzahl aktiver Markie­ rungen (7, 8, 9, 10) in Form von Lichtquellen ausgerüstet ist, und daß an der Aufhängevorrichtung eine Videokamera (1) angeordnet ist, die auf die Markiervorrichtung gerichtet ist, und daß der Verschluß der Videokamera synchron mit der Zündung der Lichtquellen öffnet mit Hilfe eines Videoprozes­ sors (11), der auch das von der Videokamera aufgenommene Bild in solcher Weise verarbeitet, daß die Lage (x_LM) der leuchtenden Markierungen und der Last relativ zur Lage (x_T) der Aufhängevorrichtung bestimmt wird.

2. Verfahren zum Transport und zur Positionierung einer Last (3) mit Hilfe eines Containerkranantriebes, wobei der Trans­ port und die Positionierung mit Hilfe einer wandernden Lauf­ katze mit einem Hebeseil erfolgt, an dessem Ende die Last hängt, die aus einem Spreader (3) oder einem Spreader mit einem Container (4) besteht, erreicht wird, wobei der Containerkran einen Motorantrieb für die Transportbewegung der Laufkatze und einen Motorantrieb für die Hebebewegung der Last hat und Informationen über die Lage (x_T) und die Geschwindigkeit (_T) der Laufkatze, die Länge (Li) des He­ beseiles und des Gewichtes (P) der Last verfügbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Trans­ port und die Positionierung von einer ersten gegebenen Lage zu einer zweiten gegebenen Lage (x_LR) mit Hilfe eines Lage­ regelsystems erfolgt, welches kontinuierlich mit den genann­ ten Informationen sowie mit Informationen über die Lage (x_LM) der Last relativ zur Lage (x_T) der Laufkatze versorgt wird, und daß das Lageregelsystem derart aufgebaut ist, daß die Transportbewegung der Laufkatze und die Hebebewegung der Last gleichzeitig stattfinden zur Minimierung der Zeit für den Transport.

3. Verfahren zum Transportieren und Positionieren eines Last (3) nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß während der Beschleunigungsbewegung und der Verzögerungsbewegung der Laufkatze eine veränderliche maximale Beschleunigung beziehungsweise Verzögerung, die auf der Basis der bekannten Informationen berechnet wird, derart verwendet wird, daß das verfügbare Drehmoment für die Lauf­ katzenbewegung des Motorantriebes ausgenutzt wird.

4. Verfahren zum Transportieren und Positionieren einer Last (3) nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Beschleunigungsbewegung der Last derart angepaßt wird, daß, wenn die Lage (x_L) der Last mit der Lage (x_T) der Laufkatze zusammenfällt, die Geschwin­ digkeit (_L) der Last gleich der Geschwindigkeit (_T) der Laufkatze ist, und daß die Verzögerungsbewegung der Last derart angepaßt wird, daß, wenn die Lage der Last gleich der zweiten gegebenen Lage ist, die Geschwindigkeit (_L) der Last Null ist.

5. Meßvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Be­ stimmung der Lage (x_LM) einer Last (3), die an einem Hebe­ seil hängt, relativ zu der Lage (x_T) einer beweglichen Auf­ hängevorrichtung für das Seil nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß zu der Meßvor­ richtung eine Markiervorrichtung (2) gehört, die an der Last angeordnet ist und auf die Aufhängevorrichtung gerichtet ist und mit einer Anzahl aktiver Markierungen (7, 8, 9, 10) in Form von Lichtquellen ausgerüstet ist, daß eine auf die Mar­ kiervorrichtung gerichtete Videokamera (1) an der Aufhänge­ vorrichtung angeordnet ist, daß Mittel vorgesehen sind, da­ mit der Verschluß der Videokamera synchron mit der Zündung der Lichtquellen öffnet mit Hilfe eines zur Meßvorrichtung gehörenden Videoprozessors 11, der auch im Stande ist, durch Analysieren des von der Videokamera aufgenommenen Bildes die Lage (x_LM) der Last relativ zur Lage (x_T) der Hebevorrich­ tung anzugeben.

6. Lageregelsystem für den Transport und die Positionierung einer Last (3) mit Hilfe eines Containerkranantriebes, zu welchem gehören: eine verfahrbare Laufkatze mit einem Hebe­ seil, an dessen einem Ende die Last hängt, die aus einem Spreader (3) oder einem Spreader mit einem Container (4) besteht, ein Motorantrieb für die Transportbewegung der Laufkatze und ein Motorantrieb für die Hebebewegung der Last, und Meßvorrichtungen für die Lage (x_T) und die Ge­ schwindigkeit (_T) der Laufkatze, der Länge (Li) des Hebe­ seils und des Gewichtes (P) der Last, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Lageregelsystem zum Trans­ portieren und Positionieren der Last von einer ersten gege­ benen Lage zu einer zweiten gegebenen Lage umfaßt

• - eine Meßvorrichtung für die Lage (x_L) der Last relativ zur Lage (x_T) der Laufkatze und
• - einen Regler (12), der in der Lage ist, auf der Grundlage der zugeführten Meßdaten und eines eingebauten mathemati­ schen Modells des Containerkranantriebes
  • 1. die Beschleunigungsbewegung und die Verzögerungsbewe­ gung der Laufkatze mit einer veränderlichen maximalen Beschleunigung beziehungsweise Verzögerung zu steuern, wobei das verfügbare Drehmoment des Motorantriebes der Laufkatze maximal ausgenutzt wird,
  • 2. die Geschwindigkeit (_L) der Last während der Be­ schleunigungsbewegung derart zu steuern, daß, wenn die Lage (x_L) der Last mit der Lage (x_T) der Laufkatze zu­ sammenfällt, die Geschwindigkeit (_L) der Last gleich der Geschwindigkeit (_T) der Laufkatze ist und
  • 3. während der Verzögerungsbewegung die Ge­ schwindigkeit (_L) der Last derart zu steuern, daß, wenn die Lage der Last gleich der zweiten gegebenen Lage ist, die Geschwindigkeit (_L) der Last Null ist.