DE4223561A1 - Zeitoptimierende Kranfahrwerks- bzw. Katzantriebssteuerung und -regelung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine zeitoptimierende Kranfahr­ werks- bzw. Katzantriebssteuerung und -regelung, die den sich im Betrieb ergebenden Auslenkungswinkel und die Auslenkungswinkelgeschwindigkeit der Last zum Zeitpunkt der Beendigung der betriebsnotwendigen Beschleunigungs­ bzw. Bremsphase auf Null reduziert, wobei die Pendellänge der Last des Krans bzw. der Katze während des Vorgangs veränderbar ist.

Verladebrücken haben ebenso wie Drehkräne die Aufgabe, Lasten an einer vorgegebenen Stelle aufzunehmen, sie über eine bestimmte Strecke zu befördern und an einer fest­ gelegten Stelle abzusetzen. Bei der Automatisierung dieses Vorgangs tritt das Problem auf, daß die Last durch das notwendige Anfahren und Abbremsen zu unerwünschten Bewegungen angestoßen wird, die wegen der geringen Eigen­ dampfung des Systems nur langsam abklingen und damit das Aufnehmen und Absetzen der Last erheblich erschweren und verzögern. Da die Förderleistung in starkem Maße von der Schnelligkeit bestimmt wird, mit der ein Aufnahme-Absetz­ vorgang mit Greifer- oder Ladegeschirrückführung (Arbeitsspiel) durchgeführt werden kann, muß man im Interesse einer hohen Förderleistung versuchen, diese Bewegungen durch regelungstechnische Maßnahmen zu verhindern, auf ein tragbares Maß zu vermindern oder sogar auszunutzen. Diese Aufgabe wurde schon verschiedentlich mit den Verfahren der sogenannten zeitoptimalen Regelung bearbeitet.

Beispiele zeigt das Buch von Otto Föllinger "Regelungs­ technik", 4. Auflage 1984, Dr. Alfred Hüthig Verlag, in den Kapiteln 13.4 bis 13.8. Die hier beschriebene Regelung, wird zwar als zeitoptimale Regelung bezeichnet (Kapitel 13.1), wie sich in der Erfindung zeigt, ist jedoch demgegenüber noch eine erhebliche Zeitverkürzung eines Lastspiels möglich, d. h. eine wirkliche Zeit­ optimierung.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Merkmale einer der­ artigen Lösung anzugeben, d. h. anzugeben, wie die bis­ herige, als zeitoptimale Regelung bezeichnete Vorgehens­ weise, wesentlich verbessert werden kann.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Kranfahrwerk bzw. der Katzantrieb zumindest während der Beschleunigungs- und Bremsphase nach voraus berechneten Geschwindigkeitskurven gesteuert wird. Durch vorausberechnete Geschwindigkeits­ kurven ist es überraschenderweise möglich, wesentlich höhere Beschleunigungen der Last als bei der bisherigen, sogenannten zeitoptimalen, Regelung zu erreichen, damit die Zeit eines Arbeitsspiels entscheidend zu verkürzen und trotzdem den vollständigen Laststillstand im Absetzpunkt zu erhalten.

Die Vorausberechnung der Geschwindigkeitskurven für die Steuerung der Beschleunigungs- und Bremsphasen erfolgt vorteilhaft mit Hilfe einer Rechnersimulation unter Zugrundelegung der Anlagendaten und mit lastunabhängigen Algorithmen. So ergibt sich eine Lösung, die von unter­ schiedlichen Greifergewichten unabhängig ist, ebenso von unterschiedlichen Containergewichten und -größen. Dabei wird vorteilhaft die kinetische Energie der ersten Hälfte der angestoßenen Pendelbewegung für die weitere Bewegung der Last ausgenutzt.

In die Algorithmen geht lediglich die Pendellänge ein, diese kann in bekannter Weise durch einen Signalgeber an der Seiltrommel erhalten werden. Die erfindungsgemäßen Geschwindigkeitssteuerkurven sind für die Beschleunigungs- und Bremsphase in drei sich erfindungswesentlich unter­ scheidende Teile zerlegt. Nach einer Anfahrphase mit Maximalbeschleunigung wird der Kran bzw. die Katze ver­ langsamt, damit die zurückgebliebene Last aufholen kann, wobei ihre kinetische Energie ausgenutzt wird, dann wird die Katze wieder so beschleunigt, daß Last und Katze auf gleiche Geschwindigkeit kommen. Der Ausgleich der Rest­ pendelungen, die sich durch in Rechnersimulationen nicht erfaßbare Störgrößen ergeben, z. B. durch Wind oder Temperatureinflüsse in Verbindung mit Reibungsänderungen, werden durch eine bekannte, z. B. die adaptive, Pendel­ dämpfung aufgefangen. Diese wird in gewisser Weise der Vorsteuerung überlagert. Entsprechende adaptive Pendel­ dämpfungen sind z. B. aus der genannten Veröffentlichung "Föllinger" sowie aus dem Aufsatz "Ein adaptiver Beobachter für einen Brückenkran" von U. Schmidt in der Zeitschrift "Regelungstechnik", 28. Jahrgang 1980, Heft 9 bekannt. Beide Veröffentlichungen bilden insofern ein Bestandteil der Anmeldungsunterlagen.

Die erfindungsgemäße Steuerung und Regelung ist vorzugs­ weise digital ausgebildet und besitzt einen Speicher mit Vorsteuerungskurven für die Katz- bzw. Kranbewegungen. Die gespeicherten Sollkurven können gegebenenfalls vorteilhaft einer Selbstadaption unterzogen werden, z. B. nach in einem weiteren Speicherteil abgelegten Einzelbewegungs-Grenz­ werten. So können insbesondere gefährliche Zustände, die zu einem Anschlagen der Last führen könnten, vermieden werden. Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, insbe­ sondere bei automatischem mannlosen Betrieb, die Verbin­ dung mit einer Lastbewegungs-Überwachungseinrichtung, z. B. einem Laserscanner. Ein derartiges System ist aus der EP-0 412 400 A1 für Tagebaufördergeräte bekannt. Vorteil­ haft kann mit derartigen Geräten auch eine Überwachung der sich ergebenden Schüttkegel, der Containerstellpositionen etc. vorgenommen werden. Durch die Kombination der Vor­ steuerung mit einer Bewegungsüberwachung und gegebenen­ falls Regelung ist ein bisher unerreicht schneller, mit Maximalbeschleunigungen und -geschwindigkeiten arbeitender Arbeitsablauf voll automatisch möglich, ohne daß Sicher­ heitsvorkehrungen gegen Überschütten, Falschpositionie­ rung, zu großen Lastbewegungen, etc. vernachlässigt würden.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert, aus denen die Unterschiede zum bisherigen Stand der Technik deutlich erkennbar sind und aus denen ebenso wie aus den Ansprüchen weiteren Einzelheiten der Erfindung entnommen werden können. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 die bekannte adaptive Pendeldämpfung,

Fig. 2 eine digitale Pendeldämpfung in bekannter Ausführung und

Fig. 3 die erfindungsgemäße Vorsteuerung mit Geschwindigkeitskurven in ihrem Zeitverhalten.

In Fig. 1 bezeichnet γ die Kran- bzw. Katzgeschwindigkeit und T die Einzelzeiten auf der Zeitachse t. Die Beschleu­ nigungs- bzw. Verzögerungszeit ist gleich der natürlichen Pendelschwingungszeit

zu wählen, um einen schwingungsfreien Betrieb zu erhalten. 1 bedeutet die Lastpendellänge und g die Erdbeschleunigung.

In Fig. 2, die eine digitale Pendeldämpfung in bekannter Form zeigt, wird die Endgeschwindigkeit γ erst erreicht, nachdem eine Phase mit konstanter Geschwindigkeit, etwa bei γ/2 durchfahren worden ist. Vor und hinter der Fahrtgeschwindigkeitsphase mit γ/2 liegen Beschleunigungs­ phasen im Bereich von T/6. Es ergibt sich bei dieser bekannten digitalen Pendeldämpfung eine gute Anpassung an die jeweiligen Gegebenheiten eines Krans bzw. einer Katze. Insgesamt ist jedoch die Zeit für ein Arbeitsspiel relativ groß.

Die in Fig. 3 gezeigte erfindungsgemäße Steuerung und Regelung eines Krans bzw. einer Katze weist drei unter­ schiedliche Beschleunigungs- T1-T3 bzw. Bremsphasen T4-T6 auf, in denen Geschwindigkeitsverläufe a1 bis a6 vorgegeben werden. Zwischen den Beschleunigungs- T1-T3 und Bremsphasen T4-T6 liegt die Zeit der Verfahrung mit konstanter, vorzugsweise Höchstgeschwindigkeit.

Die Beschleunigungsphase T1-T3 läuft im einzelnen wie folgt ab: Nach der Sollkurve a1 beschleunigt die Last mit von der Mechanik und der elektrischen Leistung bestimmten Höchstwerten, dann sorgt die Vorsteuerung entsprechend a2 für ein Einholen der Last und die Vorgabekurve A3 sorgt schließlich für eine Synchronisierung der Bewegung von Last und Kran bzw. Katze. Entsprechend, jedoch natürlich mit negativer Beschleunigung, wird für die Bremsphase mit den Kurvenverläufen a4, a5 und a6 verfahren. Vorteilhaft, jedoch nicht zwingend notwendig, wird zumindest für die Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit eine adaptive Lastpendeldämpfung überlagert.

Die Rechnersimulation des Bewegungsvorganges wird mit Algorithmen durchgeführt, in die der Auslenkungswinkel und die Auslenkungswinkelgeschwindigkeit des Lastpendels zum Zeitpunkt der Beendigung des Beschleunigungs- bzw. Verzögerungsvorganges eingehen. Auslenkungswinkel und Auslenkungsgeschwindigkeit werden in den Endpositionen auf Null zurückgeführt, hier hängt jeweils die Last ruhig. Eine Änderung der Pendellänge während der Kran bzw. Katzbeschleunigung kann dabei mit berücksichtigt werden.

Theoretisch kann mit der vorgesehenen Steuerung und Regelung eine Bewegung der Last mit einer Beschleunigung von 1 g erreicht werden. Aus praktischen Gründen wird jedoch eine Begrenzung auf höchstens 0,8 g gewählt, da sonst mit unkontrollierbaren Lastbewegungen, insbesondere während der Bremsphase, gerechnet werden muß.

Vorteilhaft wird die erfindungsgemäße Steuerung und Regelung durch ein Laserüberwachungs- und gegebenenfalls Positionierungssystem ergänzt, da bei den erreichten hohen Beschleunigungen und Geschwindigkeiten ein erhebliches Gefahrenpotential vorliegt. Die Geschwindigkeitskurven selbst werden in bekannter Weise verrundet und erhalten einen ruckfreien Übergang, gegebenenfalls durch eine bekannte Fuzzy-Logic.

Claims (9)

1. Zeitoptimierende Kranfahrwerks- bzw. Katzantriebs­ steuerung und -regelung, die den sich im Betrieb ergeben­ den Auslenkungswinkel und die Auslenkungswinkelgeschwindig­ keit der Last zum Zeitpunkt der Beendigung der betriebs­ notwendigen Beschleunigungs- bzw. Bremsphase auf Null reduziert, wobei die Pendellänge der Last des Krans bzw. der Katze während des Vorgangs veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kranfahrwerk bzw. der Katzantrieb zumindest während der Beschleunigungs- (T1,2,3) und Bremsphase (T4,5,6) nach vorausberechneten Geschwindigkeitskurven (a, b) gesteuert werden.

2. Steuerung und Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorausberechnung der Geschwindigkeitskurven (a, b) mit Hilfe einer Rechnersimulation unter Zugrundelegung von Anlagendaten, z. B. maximal zulässigem Drehmoment und maximal zulässiger Geschwindigkeit, mit lastunabhängigen Algorithmen erfolgt.

3. Steuerung und Regelung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kran bzw. die Katze nach einer Anfahrphase (T1) mit Maximalbeschleunigung, verlangsamt wird und die zurückgebliebene Last aufholt (T2) und daß dann wieder derart beschleunigt wird (T3), daß Last und Katze auf gleiche Geschwindigkeit kommen.

4. Steuerung und Regelung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die Beschleunigungsphase (T1-3) der Last eine Phase mit konstanter Geschwindigkeit, vorzugsweise Maximalgeschwindigkeit, von Kran bzw. Katze und eine Bremsung (T4-6) entsprechend dem Vorgang bei der Beschleunigung anschließt.

5. Steuerung und Regelung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß während der Phase konstanter Geschwindigkeit (b) von Kran bzw. Katze eine adaptive Lastpendeldämpfung erfolgt.

6. Steuerung und Regelung nach einem der oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie digital ausgebildet ist und einen Speicher mit Vorsteuerungskurven (a1-6) für die Katz- bzw. Kranbewe­ gungen aufweist.

7. Steuerung und Regelung nach einem der oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Selbstadaption der Vorsteuerungskurven (a1-6) nach einem vorgegebenen Kranverhaltensmuster aufweist, insbesondere in Grenzwertfeldern.

8. Steuerung und Regelung nach einem der oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie, insbesondere für mannlosen automatischen Betrieb, eine Lastbewegungs-Überwachungseinrichtung, z. B. einen Laserscanner, aufweist.

9. Steuerung und Regelung nach einem der oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung gespeicherter Vorsteuerungskurven (a1-6) im Betrieb eines Krans oder einer Krankatze.