DE4405525C2 - Kran mit einem Fahrantrieb zum horizontalen Verfahren einer an einem Seil hängenden Last - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kran mit einem Fahran­ trieb zum horizontalen Verfahren einer an einem Seil hängenden Last und mit einer Pendelregelungs- und Positioniereinrichtung zur pendelgedämpften Regelung der Verfahrbewegung der Last in Abhängigkeit von ei­ nem Geschwindigkeitssollwert für die Fahrgeschwin­ digkeit des Fahrantriebs.

Bei einem derartigen, aus der DE-OS 30 05 461 be­ kannten Kran werden in einer Recheneinrichtung aus Eingangsgrößen, wie der Seil- bzw. Pendellänge und der Gewichtskraft der Last, auf der Grundlage von für das mechanische Schwingungssystem geltenden Gleichun­ gen Sollverläufe für die Fahrgeschwindigkeit und den Pendelwinkel errechnet und einer Regeleinrichtung für den Fahrantrieb zugeführt. Dabei bezieht die Rechen­ einrichtung mehrere Umschaltpunkte während des An­ fahrens und Bremsens in die Berechnung der Sollwert­ verläufe ein und benutzt diese als Maß für die Vorgabe des Antriebsmoments bzw. Antriebsstroms, wobei die Sollverläufe so bestimmt werden, daß das Antriebsmo­ ment beim Anfahren bzw. Bremsen zunächst einen Ma­ ximalwert annimmt, dann auf annähernd Null absinkt und anschließend bis zum Ende des Anfahrvorganges bzw. Bremsvorganges wieder den Maximalwert auf­ weist. Damit wird erreicht, daß der Pendelwinkel am Ende des Anfahr- bzw. Bremsvorganges Null ist. Bei diesem bekannten Kran erfolgt das Verfahren der Last automatisch.

Es ist ferner bekannt, die Last von Hand zu verfahren, wobei der Fahrantrieb des Krans über einen von Hand betätigbaren Sollwertgeber direkt angesteuert wird. Dies erfordert jedoch große Erfahrung bei dem Kran­ führer, der auftretende Pendelbewegungen der Last ma­ nuell ausregeln muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kran anzugeben, mit dem ein sicherer Lasttransport von Hand möglich ist, ohne vollständig auf die Ge­ schicklichkeit des Kranführers angewiesen zu sein.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch ge­ löst, daß bei dem Kran der eingangs angegebenen Art der Geschwindigkeitssollwert durch einen von Hand betätigbaren Sollwertgeber kontinuierlich vorgebbar ist, daß zwischen dem Sollwertgeber und der Pendelre­ gelungs- und Positioniereinrichtung eine Einrichtung zur Umsetzung der kontinuierlichen Geschwindigkeits­ sollwertvorgabe in eine stufenförmige Geschwindig­ keitssollwertvorgabe eingefügt ist, daß an dem Soll­ wertgeber Mittel zur Anzeige der Sollwertstufen vorge­ sehen sind und daß eine Umschaltvorrichtung vorhan­ den ist, die wahlweise den Fahrantrieb mit der Pendelre­ gelungs- und Positioniereinrichtung oder dem Sollwert­ geber verbindet.

Ist der Fahrantrieb mit dem Sollwertgeber verbun­ den, so wird die Verfahrbewegung der Last unmittelbar durch den von dem Kranführer kontinuierlich einstell­ baren Geschwindigkeitssollwert gesteuert. Ist dagegen der Fahrantrieb mit der Pendelregelungs- und Positio­ niereinrichtung verbunden, so werden die von dem Kranführer vorgegebenen Geschwindigkeitssollwerte in der Pendelregelungs- und Positioniereinrichtung der­ art verarbeitet, daß Pendelbewegungen beim Verfahren der Last ausgeregelt werden. Da die Pendelregelungs- und Positioniereinrichtung eine gewisse Zeit benötigt, um die Pendelbewegung der Last bei einer Änderung der Verfahrbewegung, also einer Beschleunigung oder Abbremsung der Last zur Ruhe zu bringen, erfolgt die Geschwindigkeitssollwertvorgabe für die Pendelrege­ lungs- und Positioniereinrichtung stufenförmig. Dabei ergibt sich für die Last bei jeder Geschwindigkeitssoll­ wertstufe ein geschwindigkeitsabhängiger Beschleuni­ gungsweg und ein entsprechender geschwindigkeitsab­ hängiger Bremsweg. In diesem Zusammenhang ist eine Anzahl von drei bis fünf Sollwertstufen besonders vor­ teilhaft, da sich der Kranführer die drei bzw. fünf zuge­ hörigen Beschleunigungs- und Bremswege der Last ein­ prägen kann. Außerdem würden zu viele Sollwertstufen zu einem ständigen Wechsel des Geschwindigkeitssoll­ wertes führen, so daß immer wieder ein neuer Ausregel­ vorgang zum Ausregeln der Pendelbewegung gestartet wird, ohne daß der vorangegangene Ausregelvorgang beendet worden ist. Die Last kommt dann nie zur Ruhe, wobei im Extremfall sogar der Kranführer und die Pen­ delregelungs- und Positioniereinrichtung gegenein­ ander arbeiten können. Damit der Kranführer die unter­ schiedlichen Geschwindigkeitssollwertstufen während des Handbetriebs erkennen kann, sind an dem Sollwert­ geber die Mittel zur Anzeige der Sollwertstufen vorge­ sehen. Dabei bestehen die Mittel zur Anzeige der Soll­ wertstufen vorzugsweise aus bei der Betätigung des Sollwertgebers fühlbaren Rastungen.

Um zwischen dem manuellen und einem automati­ schen Verfahren der Last umschalten zu können, ist im Rahmen der Erfindung bei dem Kran eine Rechenein­ richtung vorhanden, die auf der Grundlage von für das von dem Fahrantrieb mit der pendelnden Last gebildete Schwingungssystem gültigen Gleichungen und zugehö­ rigen Eingangsparametern einen Sollverlauf für die Fahrgeschwindigkeit des Fahrantriebs ermittelt, wobei eine Umschalteinrichtung vorhanden ist, die der Pendel­ regelungs- und Positioniereinrichtung wahlweise den von der Recheneinrichtung ermittelten Sollverlauf der Fahrgeschwindigkeit oder die von der Umsetzeinrich­ tung erzeugte stufenförmige Geschwindigkeitsvorgabe zuführt.

Um die Last vollautomatisch und zeitoptimal von ei­ ner Startposition zu einer Zielposition fördern zu kön­ nen, steuert die Pendelregelungs- und Positionierein­ richtung zusätzlich einen Hubantrieb zum vertikalen Verfahren der Last an, wobei in der Recheneinrichtung auf der Grundlage von Positionskoordinaten von Hin­ dernissen entlang des Verfahrweges ein zeitoptimaler Verfahrweg für die Last berechnet und der Pendelrege­ lungs- und Positioniereinrichtung zugeführt wird.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im fol­ genden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genom­ men; im einzelnen zeigen

Fig. 1 unterschiedliche Beispiele für den Transport einer Last mittels eines Krans von einer Startposition zu einer Zielposition,

Fig. 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild für die Steue­ rungsstruktur des erfindungsgemäßen Krans und

Fig. 3 ein detaillierteres Blockschaltbild einer Pendel­ regelungs- und Positioniereinrichtung.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Laufkatze 1, die entlang eines Auslegers 2 eines hier nicht weiter dargestellten Containerkrans verfahrbar ist. Auf der Katze 1 ist ein Hubwerk 3 angeordnet, an dem über ein Seil 4 ein Last­ aufnahmerahmen (Spreader) 5 für eine zu transportie­ rende Last 6, hier ein Container, hängt. Der Container 6 soll von einer Startposition x₀, y₀ über ein Containerge­ birge 7 hinweg zu einer Zielposition x_Z, y_Z transportiert werden und dort auf einem Zielcontainer 8 abgesetzt werden. Bei dem mit 9 bezeichneten Verfahrweg wird die Last 6 zunächst bis auf eine sichere Höhe angeho­ ben, horizontal über die Strecke x₀-x_Z verfahren und anschließend auf dem Zielcontainer 8 abgesetzt. Das Hochheben und Absetzen der Last 6 kann durch Steue­ rung des Hubwerks 3 von Hand erfolgen, da hierbei Lastpendelungen in horizontaler Richtung nicht auftre­ ten. Beim horizontalen Verfahren der Laufkatze 1 mit der daran hängenden Last 6 können jedoch Pendelbe­ wegungen auftreten. Daher erfolgt die Steuerung des Fahrantriebs der Laufkatze 1 manuell oder automatisch unter Einbeziehung einer Pendelregelungs- und Positio­ niereinrichtung, die unerwünschte Lastpendelungen ausregelt. Bei dem mit 10 bezeichneten Förderweg der Last 6 erfolgt sowohl die Steuerung des Fahrantriebs für die Laufkatze 1 als auch die Steuerung des Hubwer­ kes 3 automatisch, wobei der Förderweg 10 in Abhän­ gigkeit von der Startposition x₀, y₀, der Zielposition x_Z, y_Z und den Positionskoordinaten x_i, y_i der Hindernisse 7 entlang des Transportweges erfolgt.

Diese Koordinaten können beispielsweise mittels ei­ ner Kamera oder mit Hilfe von Laser-Entfernungspro­ filmeßgeräten, die an der Laufkatze 1 oder dem Kran angeordnet sind, ermittelt werden.

Fig. 2 zeigt schematisch die Steuerungsstruktur des in Fig. 1 gezeigten Krans. Dabei wird der Fahrantrieb 11 für die Laufkatze 1 durch eine Regeleinrichtung mit einem Geschwindigkeitsregler 12 und einem nachge­ ordneten Stromregler 13 in Abhängigkeit von einem Sollwert und einem Istwert für die Geschwindigkeit der Laufkatze 1 angesteuert. Der Geschwindigkeitsistwert v_K wird mittels eines Inkrementalgebers 14 an dem Fahrantrieb 11 erfaßt. Der Geschwindigkeitssollwert wird über eine Umschalteinrichtung 15 wahlweise von einer Pendelregelungs- und Positioniereinrichtung 16 oder einem von Hand betätigbaren Sollwertgeber 17 bezogen, wobei der von dem Sollwertgeber 17 kom­ mende Geschwindigkeitssollwert v_KH* kontinuierlich ein­ stellbar ist. Der Sollwertgeber 17 weist mehrere Rastun­ gen 18 auf, in denen das Betätigungsorgan 19 fühlbar einrastet und die den Verstellbereich für den Geschwin­ digkeitssollwert v_KH* in mehrere Sollwertbereiche un­ terteilen. Dem Sollwertgeber 17 ist eine Einrichtung 20 nachgeordnet, die den kontinuierlich einstellbaren Ge­ schwindigkeitssollwert v_KH* entsprechend den erwähn­ ten Sollwertbereichen in eine stufenförmige Geschwin­ digkeitssollwertvorgabe v_KHS* umsetzt. Diese stufen­ förmige Geschwindigkeitssollwertvorgabe v_KHS* wird über einen Umschalter 21 der Pendelregelungs- und Po­ sitioniereinrichtung 16 zugeführt, die bei jeder Ände­ rung der Geschwindigkeitssollwertvorgabe v_KHS* den von ihr der Regeleinrichtung 12, 13 zugeführten Ge­ schwindigkeitssollwert derart bestimmt, daß uner­ wünschte Lastpendelungen vermieden werden. Zur Ausregelung der Lastpendelungen erhält die Pendelre­ gelungs- und Positioniereinrichtung 16 von dem Inkre­ mentalgeber 14 laufend die Istposition x_K der Laufkatze 1 und von einer die Last 6 beobachtenden Sensorein­ richtung 22 an der Laufkatze 1 den Pendelwinkel ϕ_L der Last 6.

Mittels der Umschalteinrichtung 21 kann der Pendel­ regelungs- und Positioniereinrichtung 16 wahlweise die stufenförmige Geschwindigkeitssollwertvorgabe v_KHS* oder ein in einer Recheneinrichtung 23 berechneter Sollverlauf v_K* der Fahrgeschwindigkeit der Laufkatze 1 zugeführt werden. Die Recheneinrichtung 23 erhält über einen Eingang 24 Eingangsparameter, wie z. B. die Masse der Last 6, die Masse der Laufkatze 1, die aktuel­ le Seillänge und maximal zulässige Grenzwerte für die Fahrgeschwindigkeit der Laufkatze 1, und bestimmt daraus neben dem Sollverlauf für die Fahrgeschwindig­ keit v_K* der Katze 1 auch noch Sollverläufe für die Lastgeschwindigkeit v_L*, den Lastweg bzw. die Lastpo­ sition x_L*, den Pendelwinkel ϕ_L* und das Antriebsmo­ ment M_K* bzw. entsprechende Ersatzgrößen, wie der Antriebsstrom i_K* für den Fahrantrieb 11. Die Bestim­ mung dieser Sollverläufe folgt in der Recheneinrichtung 23 durch analytische Berechnung oder Simulation auf der Grundlage von für das von dem Fahrantrieb 11 mit der pendelnden Last 6 gebildete mechanische Schwin­ gungssystem gültigen Gleichungen, wie sie z. B. in der eingangs erwähnten DE-OS 30 05 461 angegeben sind.

Der Hubantrieb 3 wird ebenso wie der Fahrantrieb 11 durch eine Regeleinrichtung mit einem Geschwindig­ keitsregler 25 und einem nachgeordneten Stromregler 26 in Abhängigkeit von einem Sollwert und einem Ist­ wert für die Hubgeschwindigkeit angesteuert. Der Ge­ schwindigkeitsistwert v_H wird mittels eines Inkremen­ talgebers 27 an dem Hubwerk 3 erfaßt. Der Geschwin­ digkeitssollwert wird über eine Umschalteinrichtung 28 wahlweise von der Pendelregelungs- und Positionier­ einrichtung 16 oder einem von Hand betätigbaren Soll­ wertgeber 29 bezogen. Dabei erfolgt normalerweise die Steuerung des Hubwerks 3 von Hand, wenn gleichzeitig die Laufkatze 1 stillsteht und so keine Lastpendelungen verursacht. Ein Beispiel hierfür ist das Aufnehmen und Absetzen der Last 6 bei dem in Fig. 1 gezeigten Förder­ weg 9. Erfolgt dagegen das Aufnahmen und Absetzen der Last 6 bei gleichzeitiger Verfahrbewegung der Laufkatze 11, so erfolgt die Steuerung des Hubwerkes 3 vorzugsweise automatisch, wobei der Verfahrweg (z. B. 10, vgl. Fig. 1) in der Recheneinrichtung 23 berechnet wird und der Pendelregelungs- und Positioniereinrich­ tung 16 aufgegeben wird, die in Abhängigkeit davon den Hubantrieb 3 so steuert, daß unerwünschte Lastpende­ lungen nicht auftreten.

Schließlich kann die Pendelregelungs- und Positio­ niereinrichtung 16 auch bei manueller Steuerung der Verfahrbewegung der Last 6 von dem Kranführer mit­ tels eines Schalters 30 aktiviert werden. Dies ist z. B. dann erforderlich, wenn eine aus welchen Gründen auch immer über dem anzusteuernden Ziel pendelnde Last 6 über dem Ziel zur Ruhe gebracht werden muß, so daß sie abgesetzt werden kann. Hierzu betätigt der Kran­ führer in dem Augenblick, in dem die Last 6 das Ziel überquert den Schalter 30. Die Pendelregelungs- und Positioniereinrichtung 16 beginnt dann die Lastpende­ lung auszuregeln und plaziert die Last 6 ohne Restpen­ delung über dem Ziel.

In Fig. 3 ist die den Fahrantrieb 11 des Krans enthal­ tende Regelstrecke mit den zugehörigen Meßgebern 14 und 22 zum Messen der Istverläufe des Fahrweges x_K und des Pendelwinkels ϕ_L mit 31 bezeichnet Der Fahr­ antrieb 11 wird durch den Stromregler 13 angesteuert, der eingangsseitig über eine Strombegrenzung 32 mit dem von der Recheneinrichtung 23 bestimmten Sollver­ lauf des Antriebsstromes i_K* bzw. Antriebsmoments M_K* beaufschlagt ist. Bei automatischer Steuerung der Fahrbewegung der Last 6 wird also der Fahrantrieb 11 direkt mit dem vorbestimmten Momentenverlauf M_K* gesteuert. Abweichungen zwischen dem so modellhaft berechneten bzw. simulierten Schwingungsverhalten und dem tatsächlichen Schwingungsverhalten der Last 6 werden durch den Geschwindigkeitsregler 12 ausgere­ gelt, dem eingangsseitig die Differenz zwischen dem von der Recheneinrichtung 23 bestimmten Sollverlauf der Fahrgeschwindigkeit v_K* oder den von Hand vorge­ gebenen Geschwindigkeitssollwerten v_KH* bzw. v_KHS* und dem gemessenen Istverlauf der Fahrgeschwindig­ keit v_K zugeführt wird und dessen Ausgangssignal zu dem vorbestimmten Sollverlauf des Antriebsmoments M_K* hinzuaddiert und dem Stromregler 13 zugeführt wird. Der dem Geschwindigkeitsregler 12 zugeführte Sollverlauf der Fahrgeschwindigkeit v_K* bzw. V_KH* oder v_KHS* wird durch eine Geschwindigkeitsbegren­ zung 33 begrenzt.

Um in Zielnähe eine exakte Positionierung der Last 6 zu ermöglichen, ist zusätzlich ein Wegregler 34 vorgese­ hen, dem eingangsseitig die Differenz zwischen dem in der Recheneinrichtung 23 bestimmten Sollwert des Lastweges x_L* und dem gemessenen oder bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel durch eine Beobachter­ einrichtung 35 ermittelten Istwert des Lastweges x_L zu­ geführt wird. Der Wegregler 34 ist ausgangsseitig über eine Schalteinrichtung 36 mit langsam ansteigender Ein­ schaltcharakteristik und einem nachfolgenden Begren­ zer 37 mit einem Summierknoten 38 verbunden, an dem der von dem Wegregler 34 kommende Korrekturwert dem von der Recheneinrichtung 23 bestimmten Sollver­ lauf der Fahrgeschwindigkeit v_K* aufgeschaltet wird. Da der Wegregler 34 die Stabilität der gesamten Rege­ lung herabsetzen kann, wird er erst dann über die bei­ spielsweise durch die Recheneinrichtung 23 gesteuerte Schalteinrichtung 36 der Regelung sanft zugeschaltet, wenn sich die Last 6 in Zielnähe befindet.

Zur Stabilisierung der Regelung wird die Differenz zwischen dem von der Recheneinrichtung 23 bestimm­ ten Sollverlauf der Lastgeschwindigkeit v_L* und deren Istwert v_L sowie die Differenz zwischen dem von der Recheneinrichtung 23 bestimmten Sollverlauf des Pen­ delwinkels ϕ_L* und dessen Istverlauf ϕ_L über Verstär­ kungsglieder 39, 40, 41 und 42 mit unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren K₃₉, K₄₀ und K₄₁ und K₄₂ an ei­ nem Summierpunkt 43 dem von der Recheneinrichtung 23 oder dem Sollwertgeber 17 kommenden Geschwin­ digkeitssollwert v_K* oder v_KHS* und an einem Sum­ mierpunkt 44 dem Ausgang des Wegreglers 33 aufge­ schaltet. Die Verstärkungsfaktoren K_ÿ werden in Ab­ hängigkeit von der Länge des Seils 4, an dem die Last 6 hängt, variiert. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Istwerte für die Lastgeschwindigkeit v_L und den hier von Störanteilen befreiten Pendelwinkel ϕ_LoW nicht direkt gemessen, sondern von der bereits erwähn­ ten Beobachtereinrichtung 35 geliefert, weswegen die entsprechenden Istwerte zur Unterscheidung von ge­ messenen Istwerten unterstrichen sind. Die Beobachter­ einrichtung 35 berechnet aus dem gemessenen Fahrweg x_K der Laufkatze 1 und in Abhängigkeit von der eben­ falls gemessenen Seillänge l auf der Grundlage der Pen­ delgleichung für kleine Pendelausschläge

m_L · l²·d²ϕ_L/dt² = -m_L · g · l · ϕ_L,

mit m_L = Masse der Last 6 und g = Erdbeschleunigung, die Istwerte für den Pendelwinkel ϕ_L, die Lastgeschwin­ digkeit v_L und den Lastweg x_L. Unter Einbeziehung des gemessenen Istwertes des Pendelwinkels ϕ_L und dem von der Beobachtereinrichtung 35 errechneten Istwert ϕ_L wird ein von Störeinflüssen, wie insbesondere auf die Last 6 einwirkende Windkräfte, befreiter Istwert des Pendelwinkels ϕ_LoW ermittelt. Die Pendelregelungs- und Positioniereinrichtung 16 ist zusammen mit der Re­ cheneinrichtung 23 und der Beobachtereinrichtung 35 in der deutschen Patentanmeldung P 44 02 563.7 ausführ­ lich beschrieben.

Claims (5)

1. Kran mit einem Fahrantrieb (11) zum horizonta­ len Verfahren einer an einem Seil (4) hängenden Last (6) und mit einer Pendelregelungs- und Posi­ tioniereinrichtung (16) zur pendelgedämpften Re­ gelung der Verfahrbewegung der Last (6) in Ab­ hängigkeit von einem Geschwindigkeitssollwert für die Fahrgeschwindigkeit (v_K) des Fahrantriebs (11), dadurch gekennzeichnet, daß der Geschwin­ digkeitssollwert (v_KH*) durch einen von Hand betä­ tigbaren Sollwertgeber (17) kontinuierlich vorgeb­ bar ist, daß zwischen dem Sollwertgeber (17) und der Pendelregelungs- und Positioniereinrichtung (16) eine Einrichtung (20) zur Umsetzung der konti­ nuierlichen Geschwindigkeitssollwertvorgabe (v_KH*) in eine stufenförmige Geschwindigkeitssoll­ wertvorgabe (v_KHS*) eingefügt ist, daß an dem Sollwertgeber (17) Mittel (18) zur Anzeige der Soll­ wertstufen vorgesehen sind und daß eine Um­ schaltvorrichtung (15) vorhanden ist, die wahlweise den Fahrantrieb (11) mit der Pendelregelungs- und Positioniereinrichtung (16) oder dem Sollwertge­ ber (17) verbindet.

2. Kran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Sollwertstufen drei bis fünf be­ trägt.

3. Kran nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mittel zur Anzeige der Sollwert­ stufen aus bei der Betätigung des Sollwertgebers (17) fühlbaren Rastungen (18) bestehen.

4. Kran nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Recheneinrich­ tung (23) vorhanden ist, die auf der Grundlage von für das von dem Fahrantrieb (11) mit der pendeln­ den Last (6) gebildete Schwingungssystem gültigen Gleichungen und zugehörigen Eingangsparame­ tern einen Sollverlauf (v_K*) für die Fahrgeschwin­ digkeit des Fahrantriebs (11) ermittelt, und daß eine Umschalteinrichtung (21) vorhanden ist, die der Pendelregelungs- und Positioniereinrichtung (16) wahlweise den von der Recheneinrichtung (23) er­ mittelten Sollverlauf der Fahrgeschwindigkeit (v_K*) oder die von der Umsetzeinrichtung (20) er­ zeugte stufenförmige Geschwindigkeitsvorgabe (v_KHS*) zuführt.

5. Kran nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pendelregelungs- und Positioniereinrich­ tung (16) zusätzlich einen Hubantrieb (3) zum verti­ kalen Verfahren der Last (6) ansteuert und daß in der Recheneinrichtung (23) auf der Grundlage von Positionskoordinaten (x_i, y_j) von Hindernissen (7) entlang des Verfahrweges ein zeitoptimaler Ver­ fahrweg (10) für die Last (6) berechnet und der Pendelregelungs- und Positioniereinrichtung (16) zugeführt wird.