EP2502871B1 - Crane control, crane and method - Google Patents
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- EP2502871B1 EP2502871B1 EP12004726.1A EP12004726A EP2502871B1 EP 2502871 B1 EP2502871 B1 EP 2502871B1 EP 12004726 A EP12004726 A EP 12004726A EP 2502871 B1 EP2502871 B1 EP 2502871B1
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- crane
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- B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
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- B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
- B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
- B66C13/00—Other constructional features or details
- B66C13/04—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack
- B66C13/06—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for minimising or preventing longitudinal or transverse swinging of loads
- B66C13/063—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for minimising or preventing longitudinal or transverse swinging of loads electrical
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- B66C13/04—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack
- B66C13/08—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for depositing loads in desired attitudes or positions
- B66C13/085—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for depositing loads in desired attitudes or positions electrical
Definitions
- the present invention relates to a crane control of a crane comprising at least a first and a second cable harness for lifting a load according to the preamble of claim 1.
- the present invention also relates to a method for controlling the interlocking of a crane according to the preamble of claim 10.
- Die Crane control controls the interlocking of the crane.
- the crane is a jib crane which has a boom which is pivotable about a horizontal axis and which is articulated on a tower rotatable about a vertical axis.
- a luffing mechanism and a slewing are provided as interlockings.
- the rope for lifting the load thereby runs over the tip of the jib, in particular via one or more deflection rollers arranged there, so that the load can be moved in the radial direction by rotating the tower in the tangential direction and by rocking the jib.
- both cable strands extend from the tip of the cantilever to a receiving element such as a hoe.
- the length of the rope is adjustable by a corresponding drive to move the load in the vertical direction.
- the crane control according to the invention generally relates to rotary cranes, as well as mobile harbor cranes, ship cranes, off-shore cranes, mobile cranes and crawler cranes.
- the FR 2 445 299 A1 discloses a crane control system for controlling the interlockings of a crane, which has at least a first and a second cable harness for lifting the load, with a load oscillation damping, which is suitable for damping spherical pendulum vibrations of the load.
- a load oscillation damping which is suitable for damping spherical pendulum vibrations of the load.
- the load oscillation damping has a control, in which enter the determined by the first and the second sensor unit rope angle.
- gyroscope units are used to determine the load oscillation, which are arranged in the crane hook and determine the angular speed of the cable.
- the rope angle is determined via an observer circuit, which integrates the movement of the rope.
- a freely oscillating pendulum whose rest position corresponds to a vertical rope angle.
- the crane operator must therefore continue to align the crane by hand and in sight before the stroke or at the beginning of the stroke so that the rope is aligned substantially vertically.
- this is often extremely difficult, so that deviations of the rope angle from the vertical result, which lead to unwanted vibrations when lifting the load.
- the same problem arises when, due to an imbalance of the load, the rope is vertically aligned before the stroke, but the rope angle is changed when lifting the load by the movement of the center of gravity of the load below the load receiving point.
- the yielding of the crane structure under the load when lifting the load can change the rope angle unintentionally.
- the additional problem arises that the rope angle can be changed by a relative movement of a ship carrying the load to the offshore crane.
- a crane control is provided, which allows easier and safe alignment of the crane, in particular before and during the lifting of the load. It is another object of the present invention to provide an improved damping of the spherical pendulum vibrations of the load.
- a crane control according to claim 1.
- This preferably has a sensor unit for determining a Rope angle relative to the direction of gravity force.
- the cable angle can be determined directly relative to the direction of gravitational force, so that the vertical alignment of the cable is considerably simplified. This also increases the security of the hub.
- the sensor unit usually has an element which aligns under the influence of the gravitational force and by which the angle of the rope relative to the direction of gravitational force can be determined.
- any type of electric dragonfly can be used.
- the sensor unit can only determine whether the rope is vertically aligned or not.
- the direction of the deviation from the vertical and in further embodiments the value of the deviation from the vertical can also be determined.
- the sensor unit can thereby determine the cable angle in at least one direction relative to the direction of gravity, e.g. in the radial or in the tangential direction, in order to be able to determine a deviation of the rope angle from the perpendicular in this direction and to be able to compensate if necessary.
- the cable angle is determined both in the tangential and in the radial direction, since only in this way is an actual vertical alignment of the cable possible.
- the sensor unit can have at least two sensors, each of which serves to determine the radial or the tangential cable angle relative to the gravitational force direction.
- the control of the crane control according to the invention is non-linear.
- a non-linear control is of particular advantage, since in particular for jib cranes, the entire system of crane, interlockings such.
- hydraulic cylinders and load is non-linear and thus considerable errors occur in a purely linear control.
- the entire control path from non-linear control and the non-linear behavior of the crane, however, in turn according to the invention results in a linear path, so that the control of the system is considerably simplified.
- the regulation is based on the inversion of a non-linear physical model of the movement of the load as a function of the movements of the interlockings, whereby the inversion serves as the input of the movement of the load in order to control the interlockings.
- this physical model is a nonlinear model, so that its inversion results in the inventive non-linear control.
- the combination of the inverted physical model and the actual movement of the load as a function of the movements of the interlockings then again results in the linear path described above.
- Input variables of the physical model are the state vector of the crane. Based on these inputs, the non-linear model then indicates the movement of the load as the output. By inverting such a system, the movement of the load serves as an input to drive the interlocking of the crane.
- At least one gyroscope unit for measuring a cable angular velocity is furthermore provided.
- this gyroscope unit can continue to be used for vibration damping oscillating load are used, for which the sensor unit for determining the rope angle relative to the gravitational force direction usually can not provide sufficiently accurate data.
- the orientation of the crane can then be carried out first based on the sensor unit for determining the cable angle relative to the direction of gravity force until the load hangs freely on the rope. Thereupon, the automatic cable oscillation damping, which operates on the basis of the gyroscope unit, can be switched on.
- the gyroscope unit measures the cable angular velocity in at least one direction, e.g. in the radial or in the tangential direction.
- both the tangential and the radial cable angular velocity are determined, for which purpose the gyroscope unit advantageously has at least two appropriately arranged gyroscopes.
- the crane control comprises at least two sensor units for determining the cable angles relative to the direction of gravitational force, which are assigned to different cable strands.
- a cable field rotation which corresponds to a rotation of the load, are taken into account. If only one sensor unit were used here with several cable strands, however, a cable field rotation would lead to corrupted measured values.
- the cable field rotation and thus the rotation of the load, can be determined by the at least two sensor units. This makes it possible, before the start of the stroke and the cable field twist z. B. offset by a rotation of the lifting device relative to the load.
- At least two gyroscope units are provided for measuring the cable angular velocities, which are assigned to different cable strands. So the rope field twist z. B. also be taken into account in the vibration damping drive.
- the sensor unit and / or the gyroscope unit are arranged on a cable follower element, which is connected in particular via a gimbal connection with a jib of the crane and which is guided on the cable.
- the cable follower element is preferably connected by the gimbal connection with the boom head of the crane and follows the movements of the rope on which it is guided by rollers. By measuring the movement of the cable follower element so the movements of the rope can be determined.
- the crane has at least two cable strands for lifting the load, advantageously at least two cable follower elements are provided, which are assigned to different cable strands. Since the hook of the crane usually depends on several cable strands, so also rope field distortions can be considered.
- the crane control according to the invention comprises a display unit for displaying a deviation resulting from the measured cable angle, in particular for displaying a cable angle relative to the direction of gravitational force and / or a resulting horizontal deviation of the load.
- This display considerably facilitates the crane operator's alignment of the rope in a vertical position.
- the display shows a vertical cable position optically and / or acoustically. This makes it possible for the crane operator to align the rope accordingly.
- the display further indicates the direction in which the rope deviates from the perpendicular. Further advantageously, the display also indicates the absolute value of the deviation. It is conceivable z. Example, a graphical display in which the angle of the rope relative to the direction of gravitational force and further advantageously displayed the maximum permissible rope angle become. Alternatively or additionally, the horizontal deviation of the load from the position at which the load would be located in the vertical cable position can be displayed, advantageously together with the maximum permissible horizontal deviation. This allows the crane operator to work with well-known distance indications and to align the crane more easily.
- a warning device which warns the crane operator when exceeding an allowable value range for a resulting from the measured rope angle deviation, in particular for the rope angle relative to the gravitational force direction and / or for the horizontal deviation of the load, in particular by an optical and / or acoustic signal.
- the crane operator can react when exceeding the permissible value range and avoid damage to the crane structure or accidents.
- the crane operator can stop the movement of the crane when exceeding the permissible angle range, or, if it is an off-shore crane, in which the z. B. load on a ship is moved away by a relative movement of the ship relative to the crane from the off-shore crane, avoid by a partial release of the rope or the slewing gear of the crane overload.
- a safety device in particular an overload protection, is provided, which automatically in the control when exceeding an allowable value range for a resulting from the measured rope angle deviation, in particular for the rope angle relative to the gravitational force direction and / or for the horizontal deviation of the load engages the crane, in particular to prevent overload of the crane.
- the rope angle relative to the gravitational force direction can thus be included in the automatic load moment limitation of the crane. This considerably increases the safety of the operation, since known load torque limitations could not take this parameter into account and the loads resulting from an excessive inclination of the cable had to be taken into account solely via the other transducers.
- the overload protection stops the movement of the crane automatically. This prevents overloading of the crane structure due to excessive skewing of the cable. Likewise, accidents can be avoided by the safety device in addition to the overload of the crane, e.g. if, when the permissible value range is exceeded, lifting of the load is automatically prevented in order to avoid excessive swinging when the load comes free.
- the overload protection, the movement of the crane and / or the rope also at least partially release, the release here is advantageously controlled with a certain counter-force.
- Hooked z As the hook of the crane on a ship, which is expelled from the off-shore crane, can be such.
- B. the rope or the rotational movement of the crane are released in a controlled manner to prevent overloading of the crane.
- the sensor unit for determining a cable angle relative to the direction of gravitational force here results in a very reliable overload protection, while known overload protection relied solely on a cable force sensor, by which an overload case can be difficult to distinguish from a load case.
- the crane control according to the invention in particular the warning device and / or the overload protection, but additionally evaluates data from a cable force sensor.
- the data can be checked by the sensor unit for determining the cable angle relative to the direction of gravitational force, so that an additional security is provided by a redundancy, in particular in an automatic intervention of the crane control in the movement of the crane.
- the cable field rotation of the at least two cable strands is determined. Since in a pure rotation of the load, the outer cables are deflected in opposite directions, respectively, without the load would be deflected from the vertical, this Seilfeldvermosung advantageously taken into account in the determination of the actual cable angle.
- the rope angle which is used in the display, the warning device and / or the overload protection, thereby corresponds to the actual deflection of the load relative to the gravitational force direction, so that oscillation of the load can be effectively prevented and any Seilfeldverrectoder not lead to incorrect values.
- the crane control according to the invention comprises a display unit for displaying the cable field rotation.
- the cable field rotation itself can also be displayed on the display, so that it can be compensated by driving a corresponding rotor unit on the load receiving device.
- the cable field twist can advantageously be included in the control of the warning device and the overload protection.
- a warning device which warns the crane operator when exceeding an allowable value range for the cable field rotation, in particular by an optical and / or acoustic signal.
- the crane operator is warned against a swinging of the load when lifting with a twisted rope field.
- a safety device in particular an anti-rotation, provided which automatically engages in an excess of an allowable value range for the Seilfeldvermosung in the control of the crane. For example, a lifting of the load can be automatically prevented in case of excessive rotation of the rope field.
- the crane control according to the invention has an automatic load oscillation damping.
- the movement of the crane can be controlled so that during a movement of the crane, a swinging of the free-swinging load is prevented.
- the sensor unit for determining the cable angle relative to the direction of gravitational force can thereby at the beginning of the stroke be used for vertical alignment of the rope, while the load swing damping starts when the load is hanging freely on the rope.
- the correct orientation of the rope can prevent the load from swinging during lifting, while the load swing damping prevents the load from oscillating as it moves in the horizontal direction.
- the load oscillation damping is based on the data of at least one gyroscope unit. Since the cable angular velocity can be determined with a gyroscope, it is particularly well suited for use in load swing damping.
- the sensor unit is used for determining the cable angle relative to the direction of gravitational force for monitoring and / or calibration of the gyroscope unit.
- the load-swing damping which usually starts from a free-running load, would otherwise start with incorrect values.
- the sensor units or gyroscope units can also be used for mutual monitoring in order to detect malfunctions.
- a function for automatic alignment of the crane is further provided by which the rope is aligned perpendicular to the load.
- the crane operator no longer has to do this manually with the crane. B. based on the display, but this is done automatically with a corresponding request from the crane operator via an operating unit.
- a security function is provided which z. B. cooperates with a rope force sensor to prevent in case of malfunction of the sensor unit for determining the rope angle relative to the direction of gravity force an uncontrolled movement of the crane.
- a function for automatic alignment of the crane is provided, compensated by which a rope field twist becomes.
- This advantageously controls a rotor unit on the load receiving device, for example on the spreader, through which the connected to the ropes part of the load bearing device can be rotated relative to the load.
- the crane control according to the invention has a memory for storing load data on the basis of the rope angle, which the life calculation and / or documentation z. B. of improper use.
- Such a machine data acquisition of the cable position for load spectrum determination and documentation thus enables a more accurate life cycle calculation and thus increased safety at saved costs.
- the present invention further comprises a method for controlling the interlocking systems of a crane according to claim 10.
- the radial and / or tangential rope angles are determined relative to the gravitational force direction.
- the alignment of the crane before and when lifting the load is considerably simplified.
- the cable field rotation is determined when several cable strands are used to lift the load.
- the cable angles of at least two cable strands are determined relative to the direction of gravitational force. From this data can then be determined both the cable angle, which the deflection of the load, as well as the cable field rotation, which corresponds to the rotation of the load.
- the rope is brought into a vertical orientation before lifting the load.
- This can be prevented by an inclination of the rope when lifting the load this slips laterally, uncontrolled twisted by uneven resting on the surface or already performs a pendulum movement when lifting.
- the vertical orientation of the load can be z. B. by the crane operator based on the display of the cable angle according to the invention relative to the direction of gravitational force. It is also conceivable that this alignment is carried out automatically by the crane control as already described.
- the cable field twist is brought to zero to avoid rotation of the load during lifting. This is done z. B. by corresponding rotation of the load on the load receiving means by means of a rotor assembly.
- a deviation of the cable angle is compensated by the vertical even during the lifting of the load.
- this is determined during the lifting of the load of the rope angle relative to the direction of gravity force, so that any deviations occurring during the lifting process can be compensated.
- an imbalance of the load is determined when lifting the load by determining the occurring deviation of a rope angle of the vertical. If the load is unbalanced, ie if the center of gravity of the load is not below the load pick-up point, the load pick-up point initially moves above the center of gravity when lifting the load so that the rope angle changes. This change in the rope angle, the imbalance of the load can be determined and possibly compensated. Such an imbalance of the load can also be displayed, so that it can be compensated by the crane operator. It is also conceivable to automatically compensate for such an imbalance.
- the imbalance of the load is thereby compensated on the basis of the deviation of a cable angle from the vertical by a movement of the load on the load receiving means, in particular on the spreader.
- the spreader serves to receive containers and has a longitudinal adjustment, by which the load receiving point can be adjusted relative to the container.
- the crane operator can now z. B. based on the deviation of the rope angle of the perpendicular, which is formed when lifting the load by the imbalance and is displayed on the display according to the invention, move the load receiving point on the load receiving means and so compensate for the imbalance.
- the imbalance of the load is determined and displayed, this facilitates the work of the crane operator. It is also conceivable that an automatic compensation of the imbalance takes place.
- the skewing of the rope caused by the imbalance of the load when the load is lifted can also be compensated by movement of the crane. This can either manually via the crane operator z. B. based on a display or automatically.
- the load on the crane structure when lifting the load may cause it to deform, causing the rope angle to change even without the load moving.
- the yield of the crane structure under the load is determined and / or the oblique position of the cable caused by the yielding of the crane structure is compensated by a movement of the crane.
- the determination of the deviation or the compensation of this deviation in turn on the crane operator z. B. based on a display, or automatically.
- the crane structure is protected by countermeasures.
- the movement of the crane can be stopped in order to avoid overload.
- the countermeasures advantageously comprise at least partial release of the crane movements and / or of the rope in order, for. B. in a hooking of the lifting device with a ship, which moves away from the off-shore crane, to prevent overloading of the crane.
- the countermeasures can either be initiated by the crane operator, which is advantageously warned by a warning function, or automatically by a corresponding automatic overload protection.
- the present invention comprises a crane, in particular a mobile harbor crane, a ship crane or an off-shore crane, which has a cable for lifting a load and is equipped with a crane control as described above.
- the invention comprises corresponding boom and / or slewing cranes, as well as mobile cranes and crawler cranes. Obviously arise for such a crane the same, already described in the crane control advantages.
- the present invention further comprises a crane control, which even without such a sensor unit in cranes, which have at least a first and a second cable harness for lifting the load, advantageous can be used.
- the crane control serves to control the interlockings of a crane, which has at least a first and a second cable strand for lifting a load, wherein the crane control has a load oscillation damping for damping spherical pendulum vibrations of the load.
- a first and a second sensor unit are now provided, which are assigned to the first and the second cable strand, in order to determine the respective cable angles and / or cable angular velocities of the first and second cable strands.
- the load oscillation damping has a control into which the cable angles and / or cable angular velocities determined by the first and the second sensor unit are received.
- the controlled by the crane control signal boxes are advantageously the slewing gear for rotating the crane and / or the luffing mechanism for luffing the boom.
- the first and the second sensor unit each comprise a gyroscope unit.
- the gyroscopes measure the rope angular velocity, advantageously two gyroscopes are provided to measure the rope angular velocity in both the radial and tangential directions. Gyroscopes are particularly well suited for the requirements of the control of the load oscillation damping.
- first and the second sensor unit of the present invention are each arranged in a cable follower element.
- the cable follower element follows the movement of that cable strand to which it is assigned.
- the sensor unit in turn measures the movement of the cable follower element, from which the movement of the cable strand can be determined.
- the cable follower elements are each connected via a gimbal joint with the boom of the crane and follow the movement of the rope strand, which they are assigned.
- the connection of the cable follower elements via a gimbal joint advantageously serves only the mechanical connection and the guidance of the cable follower element, while the sensor units determine the movement of the cable follower elements via the gyroscope units according to the invention.
- the data measured by the first and the second sensor unit are evaluated by a first and a second observer circuit.
- Such observer circuits are used to offset and interference, such. B. Seiloberschwingungen to suppress.
- the observer circuits serve to integrate the cable angular velocities measured by the gyroscopes and allow a reliable determination of the cable angles.
- a compensation of the data measured by the first and the second sensor unit takes place with respect to the installation angle of the sensor units and the angle of rotation of the crane.
- interference which are caused by incorrect installation, be compensated software technology.
- the sensors proportionally measure the rotational speed of the crane. This is taken into account by the compensation according to the invention.
- sensor errors are detected in the crane control according to the invention by comparing the data measured by the first and the second sensor unit. If one of the sensor units fails, the angular velocity is still detected by the other sensor unit. Thus, the basic function of the crane control can continue to be ensured. By subtraction of the angle signals of both sensor units in the respective directions can continue to detect a sensor error when a threshold value is exceeded. The crane can be brought to a safe condition immediately when a sensor fault occurs.
- the torsional vibration of the cable field is taken into account in the load oscillation damping by an averaging of the cable angles and / or cable angular velocities determined by the first and the second sensor unit.
- Such a cable field twist would affect the control used to dampen the spherical pendulum vibration of the load when using only one sensor unit.
- the sensor units on the two cable follower elements measure exactly an opposite parasitic oscillation both in the tangential and in the radial direction.
- the load-deflection device has a path planning module which predetermines the regulation of target trajectories. These desired trajectories specify the movements which the load is to carry out and are then used, in particular, when using an inverted model as as input variables of the control.
- the non-linear control results in a particularly simple implementation of the path planning module, since this only has to specify desired trajectories for the linear system of non-linear control and non-linear crane behavior. This makes it possible to achieve an extremely fast crane control with an outstanding response to the specifications entered by the crane operator by means of input elements.
- the current system state of the crane enters the path planning module as an input variable.
- the position of the cantilever is important because z. B. depends on the maximum achievable radial velocity of this.
- the cable angles and / or cable angular velocities determined by the first and second sensor units also enter from input variables into the path planning module. This additional control loop thus enables a more accurate path planning taking into account the actual cable angle and / or the actual cable angular velocity.
- restrictions of the system in the generation of the desired trajectories are taken into account. This prevents that calculated from the specifications of the crane operator guide variables, the manipulated variable limitations of the system such. B. violate the maximum speed.
- restrictions of the system that depend on this system state can also be taken into account. For example, the maximum possible radial speed depends on the position of the cantilever.
- the trajectory generation according to the invention is based on optimal control. According to the invention, such optimal control can be implemented particularly well in real time, since the nonlinear system according to the invention Regulation allows a particularly simple implementation of the path planning module.
- the path planning module according to the invention operates in the prediction within the time horizon with an increasing length of the calculation intervals.
- the position and the speed of the boom head is also involved in the regulation of the load oscillation damping. This results in the crane control according to the invention control loops both for the position and the speed of the boom head, as well as for the rope angle and / or rope angular velocity of the rope.
- the system according to the invention with two sensor units has one or more of the features which have been described previously.
- the present invention further comprises a crane for lifting a load, with interlocking mechanisms for moving the crane and the load and with a crane control for controlling the interlockings, wherein the crane control has a load sway loss for damping spherical pendulum vibrations of the load and wherein the crane at least two cable strands for lifting the load.
- the crane control has a load sway loss for damping spherical pendulum vibrations of the load and wherein the crane at least two cable strands for lifting the load.
- two sensor units which are assigned to the two cable strands, are provided in order to determine the respective cable angles and / or cable angular velocities.
- the load oscillation damping in this case has a control, in which enter the determined by the two sensor units rope angle and / or rope angular velocities.
- the crane according to the invention has a crane control, as described above.
- the crane according to the invention as interlockings while a slewing gear for rotating the crane and / or a luffing mechanism for luffing a boom, which are controlled by the crane control.
- a slewing gear for rotating the crane and / or a luffing mechanism for luffing a boom which are controlled by the crane control.
- the present invention further comprises a method for driving the interlocking of a crane, which has at least a first and a second cable string for lifting the load, wherein spherical pendulum vibrations of the load are damped by a load oscillation damping.
- a compensation of the data measured by the first and the second sensor unit with respect to the installation angle of the sensor units and the rotation angle of the crane can be compensated by an exact radial or tangential alignment.
- sensor errors are detected by comparing the data measured by the first and second sensor units. It can be exploited by the inventive use of two sensor units, which are assigned to the respective cable strands, the redundancy gained thereby.
- the torsional vibration of the cable field is taken into account in the load oscillation damping by an averaging of the cable angles and / or cable angular velocities determined by the first and the second sensor unit. So load swing damping can be taken into account that also torsional vibrations of the rope field occur, which influence the data of the sensor units.
- the method according to the invention is carried out with a crane control, as described above.
- FIG. 0a an embodiment of a jib crane according to the invention is shown, here a mobile harbor crane, as they are often used for handling cargo handling operations in ports.
- Such boom cranes can have load capacities of up to 140 t and a rope length of up to 80 m.
- the embodiment of the crane according to the invention in this case comprises a boom 1, which can be pivoted about a horizontal axis 2, with which it is hinged to the tower 3, up and down.
- the tower 3 can in turn be rotated about a vertical axis, whereby the boom 1 is rotated.
- the tower 3 is rotatably arranged for this purpose on an undercarriage 6, which is movable via wheels 7.
- interlockings are present, for rocking the boom 1, the actuator 4.
- the rope 20 for lifting the load 10 is guided over a pulley on the boom head, wherein the Length of the rope 20 can be adjusted via winches.
- a load receiving device is arranged at a load receiving point 25, for.
- the load receiving device additionally has a rotator device, via which the load 10 can be rotated on the load receiving device.
- the crane further comprises at least a first and a second cable strand for lifting the load, wherein all cable strands run from the jib tip to the load receiving device.
- the load can be moved by rotating the tower 3 in the tangential direction and by rocking the boom 1 in the radial direction. In the vertical direction you load 10 is thereby moved by the luffing of the boom 1 and the change in the length of the cable 20.
- the load 10 can be rotated by the rotator unit on the load receiving device.
- a first embodiment of the in Figure 0a shown mobile crane is now equipped with a crane control, which has a sensor unit for determining the cable angle relative to the direction of gravity force.
- the sensor unit has two sensors, by means of which in each case the radial or the tangential cable angle relative to the direction of gravitational force can be determined.
- the crane control according to the invention can be used not only in the illustrated embodiment, ie a mobile harbor crane, but also advantageously in other cranes, such as. As in ship cranes, off-shore cranes, truck cranes and crawler cranes.
- the sensor unit for determining the cable angle relative to the direction of gravitational force is particularly advantageous in the case of jib cranes, since in these known systems, as they are known, for example. B. in cranes with a movable only in the horizontal direction trolley are used and which work on Meßmicrosysteme not be used. In the case of jib cranes, such measuring camera systems would in fact move together with the jib and thus only determine the angle of the rope with respect to the jib, but not with respect to the vertical. In addition, such systems would always have to be located directly behind the cable fix point on the boom head, which is hardly possible with a guided over a pulley on the boom head movable rope.
- the sensor unit for determining the cable angle relative to the direction of gravitational force can easily be mounted in a cable follower element 35, as shown in FIG. 0b is shown, and directly determines the rope angle relative to the gravitational force direction in the tangential and radial directions.
- the rope angle relative to the boom 1 can be completely dispensed with.
- this angle of the rope relative to the boom 1 of interest could also be arranged on the boom 1 another sensor unit for determining the angle of the boom relative to the gravitational force direction to the difference between the respective angle of rope and boom to the gravitational force direction, the angle between rope and to determine boom.
- FIG. 0b shown rope follower element 35, on which the sensor unit is arranged for determining the cable angle relative to the direction of gravity, is attached to the boom head 30 of the boom 1 by gimbals 32 and 33 under the main pulley 31.
- the cable follower element 35 has rollers 36 through which the cable 20 is guided, so that the cable follower 35 follows the movements of the cable 20.
- the gimbals 32 and 33 allow the cable follower element to freely move about a horizontal and a vertical axis, but prevent rotational movements.
- the orientation of the cable follower element 35 and thus of the rope 20 relative to the direction of gravity force can thus be determined via the arranged on the cable follower 35 sensor unit for determining the rope angle relative to the direction of gravity force.
- a gyroscope unit is additionally arranged on the cable follower element 35, via which the cable angular velocity in the radial and tangential direction can be measured, for which purpose at least two appropriately aligned gyroscopes are used.
- the data of the gyroscopes are advantageously a load oscillation damping available, which prevents the oscillation of the load during a movement of the crane.
- corresponding cable follower elements 35 are advantageously assigned to at least two of these cable strands in order to be able to take into account the cable field twist resulting from a rotation of the load-bearing element from the cable-bed level.
- the cable follower elements are arranged on the cable strands arranged in each case outside, so that a cable field rotation is expressed maximally in the difference between the cable angles.
- the actual cable angle relative to the gravitational force direction which corresponds to a deflection of the load from the vertical, can be determined by averaging the values from the sensor units at the respective cable follower elements, the rotation of the load from the difference of the values.
- the universal joint 32 and 33 serves only the mechanical connection of the cable follower element 35 with the boom head 30, the measurement of the cable angle takes place solely via the sensor units integrated in the cable follower elements 35, but not by determining the angle between the cable follower element 35 and the boom 30. As a result, only the relative orientation of the rope with respect to the boom 30 could be determined, but not the rope angle of the rope 20 relative to the direction of gravity force.
- the load-receiving element is suspended on the boom
- these are also associated with corresponding cable follower elements 35, which are equipped with gyroscope units and thus determine the rope speed of these cable strands.
- the determination of the cable speeds of the first and the second cable strand makes it possible to take into account the cable field distortion in the load swing damping for damping spherical pendulum oscillations of the load and to correct measuring errors.
- the sensor units for determining the cable angle relative to the direction of gravitational force can also be dispensed with and the cable follower elements 35 can only be equipped with gyroscope units.
- the crane control according to the invention is now provided with the sensor unit according to the invention for determining a rope angle relative to the direction of gravity force.
- FIG. 1 a shows the basic problem with a non-perpendicular orientation of the rope 20.
- FIGS. 1 a and 1 b is an example of the deflection ⁇ Sr shown in the radial direction.
- the same problem also arises for a deflection of the rope 20 in the tangential direction, which is caused by a faulty position of the tower 3.
- the crane control therefore has a display which indicates the rope angle ⁇ of the rope 20 relative to the gravitational force direction, that is to the vertical.
- the display can be z. B. on the one hand a vertical rope position optically and / or acoustically indicate and also indicate the direction in which the cable 20 is deflected by the perpendicular.
- Such a display can thus z.
- the horizontal deviation of the load from a zero position which corresponds to a vertical orientation of the rope, can be displayed.
- a graphical display of the zero position and the deviation of the load is conceivable, so that the crane operator, the absolute deflection of the load is displayed directly.
- the crane operator can easily align the crane at the beginning of the stroke so that the cable 20 is arranged vertically above the load 10.
- the correct vertical rope position can then z. B. be acoustically displayed by a beep.
- a function for automatic alignment of the rope in the vertical direction is provided, optionally in addition to the display.
- the crane automatically aligns with the load after attaching the load handler so that the rope is in the vertical position.
- this automatic function is advantageously z. B. connected to a Seilkraftmeß worn, which switches off the automatic operation in case of errors.
- the cable field rotation can also be determined via a plurality of sensor units.
- This rope field twist corresponds to the rotation of the load-receiving means, for. As a spreader, and would lead to a rotation of the load when lifting the load. To prevent this, advantageously, in addition to the rope angle relative to the direction of gravitational force or the horizontal deviation of the load, also the rotation of the rope field is advantageously displayed.
- the load receiving means has a rotor device
- the cable field twist can hereby be set to 0 before the stroke, in order to prevent rotation of the load 10 during lifting.
- a function for automatic alignment of the rotor device may be advantageously provided in a further embodiment.
- an embodiment of the crane control next to the display on a warning device which the crane operator when exceeding permissible value range for a resulting from the measured rope angle deviation, in particular for the rope angle relative to the direction of gravity force, for the horizontal deviation of the load and / or the rope field rotation by an optical and / or acoustic signal warns.
- the crane operator has the ability to prevent excessive deflection of the rope and so the crane z. B. to protect against overload. Likewise, too much oscillation of the load when lifting can be avoided.
- an automatic security device e.g. be provided in the form of an overload protection, which automatically engages in the control of the crane when the permissible value range is exceeded.
- the automatic overload protection stops the movement of the crane in order to prevent overloading.
- the overload protection can be integrated into the load torque limit of the crane, which protects the crane against loading by a too large rope angle.
- the deviation of the cable angle from the perpendicular is determined.
- the crane operator checks on the display the rope angle or the horizontal deviation and adjusts the crane during the stroke to compensate for the deviation of the rope angle from the vertical by the imbalance of the load again.
- the imbalance of the load from the deviation of the rope angle from the vertical is determined and displayed, so that the crane operator can respond better.
- the load receiving means comprises a device for the particular linear movement of the load 10 relative to the load receiving point 25, via which the center of gravity 26 of the load can be arranged without tilting the load 10 below the load receiving point 25.
- the load handling device z. B. a spreader, z. B. a longitudinal displacement of the load receiving point 25 relative to the load, for. As a container on.
- the crane operator can move the load-bearing point relative to the load until the rope is again aligned vertically.
- the imbalance of the load can be determined and displayed, so that the crane driver controlling the Longitudinal adjustment of the spreader can make use of this display.
- an automatic adjustment of the spreader is conceivable.
- Such an adjustment of the spreader on the basis of the deviation of the rope angle from the vertical is of particular advantage, since a tilting of the container, in particular when loading into a ship can lead to jamming of the container, through which the loading can be significantly impeded.
- FIGS. 3a to 3c Now, another effect can be seen, by which a deviation of the rope angle of the vertical can be caused when lifting the load.
- the rope 20 is still aligned vertically. Since the center of gravity 26 of the load is below the load receiving point 25, so the load has no imbalance, the load receiving point 25 does not move when lifting the load 10 in this case.
- the crane structure yields by the load-lifting load, in which case the tower 3 and boom 1 are slightly bent forward. As a result, the boom tip 30, over which the cable 20 runs, is moved relative to the load receiving point 25, so that there is a deviation of the cable angle from the vertical by the yielding of the crane structure.
- this deviation is compensated in a first embodiment of the method by the crane operator on the basis of the display of the rope angle when lifting the load.
- the deviation of the rope angle from the perpendicular can be determined by the yielding of the crane structure under the load, which can then be displayed to facilitate the work of the crane operator.
- an automatic tracking of the crane for vertical alignment based on the data of the sensor unit for determining a cable angle relative to the direction of gravity force is possible. If the rope angle is again aligned in the vertical direction, the load can, as in Figure 3c shown to be lifted without vibration.
- FIG. 4a is another embodiment of the crane to see.
- This is an off-shore crane, which is arranged on an off-shore platform 50 and z. B. for loading a load 10 from a ship 60 on the platform 50 is used. Since the ship 60 can move relative to the platform 50, the rope angle of the rope 20 relative to the perpendicular can also be altered without movement of the crane by movement of the ship.
- an overload function is provided in one exemplary embodiment of the crane control, which optionally can be used in addition to the warning and safety functions described above.
- countermeasures are initiated when the rope angle exceeds a maximum allowable range.
- the movement of the crane can be partially released, z. B. by the rope 20 is released or the rotational movement of the tower 3. This release is carried out in a controlled manner with a certain counterforce to avoid sudden power surges.
- an overload protection that is simple to perform can be realized, which can only be realized with difficulty by means of a cable force sensor.
- an overload protection which causes a partial release of the crane movement, also an uncontrolled grinding of the load 10 can be prevented via the ship 60.
- the permissible range 70 for the cable angle in the X and Y direction is, for example, in FIG. 4b hatched shown. If the cable angle exceeds this permissible range 70, either the warning function or one of the overload functions is triggered.
- FIG. 4b shows a display element for indicating a deviation from a vertical position of the rope, with an allowable range 70 for the rope angle or for the horizontal deviation in the X and Y direction, that is in the radial and tangential direction.
- the display of the rope angle is thereby graphically, for example by the rope angle in the in FIG. 4b shown diagram is shown as a dot.
- the rope angle and the horizontal deviation of the load from the zero position lying in the middle can be represented, that is, the distance of the load from the position in which it would be at the same crane position, but perpendicular rope.
- the crane driver can thus directly detect the absolute deflection of the load and thus estimate more easily how far the crane has to be moved for the correct alignment of the rope.
- the crane has at least a first and a second strand of rope connecting the load handling means to the boom tip.
- an improved damping of the spherical vibrations of the load is provided by the crane control according to the invention.
- Control and automation concepts for cranes which prevent the pendulum movement of the load on the rope during a crane movement, depend on the exact measurement of the rope angles.
- the gyroscope signals are offset and also detect disturbances such as rope harmonics, observer circuits are used to integrate the velocities to the cable angles.
- the gyroscopes are attached to the rope under the cantilever tip by means of a mechanical construction. Necessary for the detection of the spherical load vibration are two gyroscopes, which are arranged in the tangential and radial directions.
- both the first and the second strand of rope a rope follower element as in Fig. 0b shown is assigned.
- the cable follower elements are equipped with gyroscope units which are better suited for load-swing damping. About this an angular velocity detection of the oscillating crane load.
- FIG. 0b shows a first cable follower element 35, on which in the embodiment shown here, the first cable strand associated with the first sensor unit is arranged.
- the first cable follower element is attached to the boom head 30 of the boom 1 by gimbal connections 32 and 33 under a first pulley 31, over which the first cable strand 20 is guided.
- the cable follower element 35 has rollers 36, through which the first cable strand 20 is guided, so that the cable follower 35 follows the movements of the cable strand 20.
- the gimbals 32 and 33 allow the cable follower element to freely move about a horizontal and a vertical axis, but prevent rotational movements.
- the radial and tangential angular velocity of the first cable follower element 35 and thus of the first cable strand 20 can thus be determined via the first sensor unit arranged on the cable follower element 35, which is designed as a gyroscope unit.
- a second cable follower element with a second sensor unit, which is assigned to a second cable strand, is constructed analogously to the first cable follower element and connected to the cantilever tip. The second cable follower element accordingly measures the angular velocity of the second cable strand.
- the gyroscope signals (angular velocities in the tangential and radial directions) of both cable follower elements are processed and processed using identical algorithms. First of all, interference caused by incorrect installation is compensated by software (see equation 0.1). If the sensitivity levels of the gyroscope sensors are not tilted exactly in the tangential and radial directions, but tilted by incorrect assembly, the sensors measure the rotational speed of the crane proportionally.
- ⁇ ⁇ t / comp ⁇ ⁇ t / r mess - sin ⁇ installation ⁇ ⁇ ⁇ D
- the mounting or mounting angle for each gyroscopic sensor on both cable follower elements is ⁇ installed , ⁇ D is the crane's rotational speed, ⁇ t / rmess is the tangential or radial angular velocity, and ⁇ t / rkomp is the resulting compensated gyroscope signal .
- the compensated measuring signals are integrated offset-free to the cable angles with an observer circuit.
- the rope angles are now available for both cable follower elements in tangential and radial directions.
- the first advantage is the redundancy of the load swing measurement. If a sensor fails on one of the two cable follower elements, the angular velocity is still detected by the sensor of the other mount. Thus, the basic function of the crane control (the pendulum damping and Trajektorien laminate) can be ensured. By subtraction of the angular signals of both cable follower elements in the respective directions can continue when a threshold value is exceeded detect a sensor error. Thus, the crane can be immediately brought to a safe condition when a sensor error occurs.
- the second advantage is the possibility of compensating the torsional vibration of the load.
- Equation 0.2 the mean value of the angle signals of the two cable follower elements in the corresponding direction is calculated.
- ⁇ t ⁇ tbeobH ⁇ 1 + ⁇ tbeobH ⁇ 2 2
- ⁇ r ⁇ rbeobH ⁇ 1 + ⁇ rbeobH ⁇ 2 2
- the cable angle in the tangential direction ⁇ t is thus calculated from the mean value of the observed angle signals of the holder 41 ⁇ tbeobH 1 and holder 42 ⁇ tbeobH 2 .
- the gyroscopes on the cable follower elements 41 and 42 exactly measure an opposing disturbing oscillation in both the tangential and in the radial direction.
- the influence of the torsional vibration can be eliminated by averaging.
- the dynamics of boom movement is characterized by some predominant non-linear effects.
- the use of a linear controller would therefore cause large errors in trajectory tracking and inadequate damping of the load swing.
- the present invention utilizes a non-linear control approach based on the reversal of a simplified nonlinear model.
- This control procedure for the rocking movement of a jib crane allows a swing-free load movement in the radial direction.
- the resulting inventive Crane control a high accuracy Trajektoriennach entry and a good damping of load oscillation. Measurement results are presented to validate the good performance of the nonlinear trajectory tracking controller.
- Jib cranes like the LIEBHERR Mobile Harbor Crane LHM are used for the efficient handling of transshipment processes in ports.
- This type of jib crane is characterized by a load capacity of up to 140 tons, a maximum reach of 48 meters and a rope length of up to 80 meters.
- a spherical load oscillation is excited. This load oscillation must be avoided for safety and performance reasons.
- a mobile harbor crane from a mobile platform 6, to which a tower 3 is attached.
- the tower 3 can be rotated about a vertical axis, its position being described by the angle ⁇ D.
- a boom 1 is pivotally mounted, which can be tilted by the actuator 4, wherein its position is described by the angle ⁇ A.
- the load 10 is suspended on a rope of length l s from the head of the boom 1 and can oscillate at the angle ⁇ Sr.
- the following embodiment of the present invention utilizes a flatness-based control approach for the radial direction of a boom crane.
- the approach is based on a simplified nonlinear model of the crane.
- the law of linearizing control can be formulated.
- the zero dynamics of the non-simplified non-linear control loop guarantees a sufficient damping characteristic.
- Fig. 8 shows a schematic representation of the rocking motion, where ⁇ Sr, the radial rope angle, ⁇ Sr, the radial angular acceleration, l S is the cable length, r ⁇ A is the acceleration of the boom end and g is the gravitational constant.
- the second part of the dynamic model describes the kinematics and dynamics of the actuator for the radial direction.
- T W is the time constant
- a zyl is the cross-sectional area of the cylinder
- u W is the input voltage of the servo valve
- K VW is the proportional constant of flow rate to u W.
- Fig. 9 shows a schematic representation of the kinematics of the actuator with the geometric constants d a , d b , ⁇ 1 , ⁇ 2 .
- the operator L f l represents the Lie derivative along the vector field f l or L G l along the vector field g l .
- y l is a non-flat output.
- This simplification is chosen to minimize the computation time for the trajectory generation described in Chapter 3.
- FIG. 10 shows the resulting structure of the linearized and stabilized system.
- the tracking control unit is based on the simplified load oscillation ODE (8) and not on the load oscillation ODE (1). Further, for the controller design, the fictitious output y l * used. The resulting internal dynamics is in the yet unpublished DE 10 2006 048 988 shown, the content of which forms part of the present application.
- the problem of trajectory generation is formulated as a limited open-chain optimal control problem for the linearized state feedback system. Due to the relevant calculation time for the solution of the optimal control problem, the model predictive trajectory generation is performed with a non-negligible sampling time. Also, a discretization of the time axis is introduced by the numerical solution method itself. For the sake of simplicity, however, the optimal control problem is continuously represented in continuous time.
- the state variables x lin are the states of the integrator chain resulting from the linearized system consisting of flatness-based controller (equation (14)) and nonlinear system (equation (6)) and the states of the integrator chain for the reference trajectory. Additional states are introduced to get a smooth input v .
- the initial state x lin. 0 is derived from the states of these integrators, the current system output and its derivatives.
- the outputs y lin of the linear system (Equation (15)) are variables corresponding to the shallow output y * (Equation (12)) and its first and second derivatives. These variables are the position, velocity and acceleration of the load in the radial direction.
- the quality functional J c 1 2 ⁇ t 0 t f y lin - w T ⁇ Q ⁇ y lin - w + r ⁇ u ⁇ lin 2 ⁇ dt considers on the one hand the quadratic deviation of the predicted outputs y lin from their reference prediction w ( t ) and on the other hand the quadratic change of the input quantity u lin .
- the optimization horizon t f - t 0 , the symmetric, positive semi-definite weighting matrix Q and the weighting coefficient r > 0 are essential setting parameters for the model predictive trajectory generation.
- the optimization horizon t f - t 0 should capture the essential dynamic behavior of the process / system. This is defined by the period of load swinging (up to 18 seconds for the crane under consideration). Experiments show that 10 seconds are sufficient for the optimization horizon.
- the reference prognosis w ( t ) for the load position, speed and acceleration is generated from the hand lever signals of the crane operator (set speeds).
- the prediction takes into account speed reductions as the load approaches the limits of the work area.
- the model predictive trajectory generation considers restrictions on the process variables as limitations of the optimal control problem. u lin . min ⁇ u lin ⁇ u lin . Max y lin . min ⁇ y lin ⁇ y lin . Max
- Equation (19) Limitations of this type (Equation (19)) are likely to cause unsolvable optimal control problems under non-nominal conditions, such as model uncertainties or measurement noise, especially for short optimization horizons.
- x lin k . u k and y lin k denote the values of the corresponding variables in the discretization points t k .
- the matrices and vectors A k , b k and C k are obtained by solving the transition equation in [ t k , t k +1 ] from A, b and C.
- the continuous-time optimal control problem becomes a task of quadratic programming for the state variables and manipulated variables x lin k ⁇ u lin k
- the discrete problem approximates and can be solved with a standard "Interior Point" algorithm.
- the algorithm uses the structure of discrete model equations in a RICCATI-like approach to provide a solution to the problem NEWTON step equation with O ( K ( m 3 + n 3 )) to obtain operations. That is, the computational effort increases linearly with the optimization horizon K and cubic with the number of manipulated variables ( m ) and state variables ( n ).
- FIG. 11 shows the speed of the load, once as it is specified by the crane operator by means of an input element, and once as it is specified via the inventive path planning module by means of optimal control as a target trajectory.
- the limitations of the system are taken into account, so that the upper limit for the speed of the load depends on the radial load position, since the geometry of the boom and the luffing cylinder allow different maximum speeds at different boom positions. For the maximum acceleration, however, a constant restriction is given.
- FIG. 12a now compares this desired trajectory with the measured speed of the load.
- the regulation according to the invention follows the desired trajectory, the path planning module compensating for uncertainties in the model by model-based path planning. This results in a fast and subdued movement the load without significant overshoots.
- FIG. 12b then shows the corresponding trajectory of the load position.
- the control according to the invention damps the spherical oscillations of the load by corresponding compensating movements of the boom during and at the end of each maneuver. This is in FIG. 13 shown, from which the counter-movements carried out by the cantilever tip arise, which counteract the vibration of the load. This allows the rope angle to be limited to less than 3 °.
- the computing time required for the online calculation of the optimal solution problem in the path planning module is in FIG. 14 shown. This results in computing times between 54 msec and 66 msec. Decisive for this extremely short response of the path planning to specifications of the crane operator is on the one hand the fast solvability by the downstream linear distance of non-linear control and non-linear crane system, and within the prediction horizon increasing length of the intervals between the bases of the prediction.
Landscapes
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- Mechanical Engineering (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Control And Safety Of Cranes (AREA)
- Jib Cranes (AREA)
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kransteuerung eines Kranes, welcher mindestens einen ersten und einen zweiten Seilstrang zum Heben einer Last aufweist gemäß den Oberbegriff des Anspruchs 1. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Verfahren zum Ansteuern der Stellwerke eines Kranes gemäß den Oberbegriff des Anspruchs 10. Die Kransteuerung steuert dabei die Stellwerke des Kranes an. Insbesondere handelt es sich bei dem Kran um einen Auslegerkran, welcher einen um eine horizontale Achse schwenkbaren Ausleger aufweist, der an einem um eine vertikale Achse drehbaren Turm angelenkt ist. Hierzu sind als Stellwerke ein Wippwerk und ein Drehwerk vorgesehen. Das Seil zum Heben der Last läuft dabei über die Spitze des Auslegers, insbesondere über eine oder mehrere dort angeordnete Umlenkrollen, so dass die Last durch ein Drehen des Turms in tangentialer Richtung und durch ein Aufwippen des Auslegers in radialer Richtung bewegt werden kann. Bei der Ausführung der Erfindung verlaufen beide Seilstränge von der Spitze des Auslegers zu einem Aufnahmeelement wie z.B. einem Hacken. Die Länge des Seils ist dabei durch einen entsprechenden Antrieb einstellbar, um die Last in vertikaler Richtung zu bewegen. Insbesondere betrifft die erfindungsgemäße Kransteuerung dabei allgemein Drehkrane, sowie Hafenmobilkrane, Schiffskrane, Off-Shore-Krane, Autokrane und Raupenkrane.The present invention relates to a crane control of a crane comprising at least a first and a second cable harness for lifting a load according to the preamble of
Aus
Aus
Die
Bei den oben genannten Kransteuerungen werden dabei zur Bestimmung der Lastschwingung Gyroskopeinheiten eingesetzt, welche im Kranhaken angeordnet sind und die Winkelgeschwindigkeit des Seils bestimmen. Der Seilwinkel wird dabei über eine Beobachterschaltung, welche die Bewegung des Seils aufintegriert, bestimmt. Um den dabei entstehenden Offset ausgleichen zu können, wird von einem frei schwingenden Pendel ausgegangen, dessen Ruhestellung einem lotrechten Seilwinkel entspricht. Ein solches Vorgehen ist zwar für die Seilpendeldämpfung gut geeignet, da hierzu vor allem die Bewegungen des Seils bei freiem Schwingen der Last am Seil überwacht werden müssen. Eine Bestimmung der absoluten Ausrichtung des Seils, insbesondere bevor die Last frei schwingen kann, ist bei den bekannten Kransteuerungen jedoch weder vorgesehen noch möglich. Weiterhin hatten bekannte Sensoranordnungen und Kransteuerungen den Nachteil, dass Störeinflüsse wie die Seilfeldverdrehung bei der Lastpendeldämpfung zur Dämpfung der sphärischen Pendelschwingungen der Last unberücksichtigt blieben.In the crane controls mentioned above, gyroscope units are used to determine the load oscillation, which are arranged in the crane hook and determine the angular speed of the cable. The rope angle is determined via an observer circuit, which integrates the movement of the rope. In order to be able to compensate for the resulting offset, it is assumed that a freely oscillating pendulum whose rest position corresponds to a vertical rope angle. Although such a procedure is well suited for the rope pendulum damping, since this especially the movements of the rope with free swinging of the load on the rope must be monitored. However, a determination of the absolute orientation of the rope, especially before the load can swing freely, is neither provided nor possible in the known crane controls. Farther Known sensor arrangements and crane controls had the disadvantage that disturbances such as the rope field rotation in the load swing damping for damping the spherical pendulum vibrations of the load were disregarded.
Bekannte Systeme, wie sie z. B. bei Kränen mit einer lediglich in horizontaler Richtung bewegbaren Laufkatze zum Einsatz kommen und welche Meßkamerasysteme einsetzen, um den absoluten Seilwinkel zu bestimmen, sind aber insbesondere bei Auslegerkranen nicht einsetzbar. Meßkamerasysteme müssen immer direkt hinter dem Seilfixpunkt angeordnet seien, um den Seilwinkel bestimmen zu können. Bei Auslegerkranen, bei welchen das Seil beweglich über eine am Auslegerkopf angeordnete Umlenkrolle geführt ist, ist jedoch kein Seilfixpunkt gegeben, da sich der Seilaustrittspunkt mit dem Seilwinkel ebenfalls ändert. Meßwertgeber, welche den Seilwinkel relativ zum Ausleger mechanisch bestimmen, sind zur Messung des absoluten Seilwinkels ebenso wenig geeignet, da diese erstens ungenau arbeiten und außerdem bei einer Verformung des Kranes zu falschen Ergebnissen führen. Außerdem bestimmen all diese Systeme immer nur den Seilwinkel relativ zum Ausleger, und wären damit nur indirekt zur Bestimmung des absoluten Seilwinkels geeignet, so dass auf solche Lösungen bisher ganz verzichtet wurde.Known systems, such as. B. in cranes with a movable only in the horizontal direction trolley are used and which Meßkamerasysteme use to determine the absolute rope angle, but are not used in particular in jib cranes. Measuring camera systems must always be arranged directly behind the rope fixing point in order to be able to determine the rope angle. at Jib cranes, in which the rope is movably guided over a deflection roller arranged on the boom, however, no rope fixation point is given, since the rope exit point also changes with the rope angle. Transducers, which mechanically determine the rope angle relative to the boom, are equally unsuitable for measuring the absolute rope angle, since, firstly, they work inaccurate and, moreover, lead to incorrect results when the crane is deformed. In addition, all these systems always determine only the rope angle relative to the boom, and would thus only indirectly suitable for determining the absolute rope angle, so that was previously dispensed with such solutions entirely.
Der Kranführer muss deshalb vor dem Hub bzw. zu Beginn des Hubes den Kran weiterhin per Hand und auf Sicht so ausrichten, dass das Seil im wesentlichen lotrecht ausgerichtet ist. Gerade bei der großen Entfernung von der Last ist dies aber oftmals nur äußerst schwierig möglich, so dass sich Abweichungen des Seilwinkels von der Lotrechten ergeben, welche bei einem Anheben der Last zu ungewünschten Schwingungen führen. Die gleiche Problematik ergibt sich, wenn durch ein Ungleichgewicht der Last das Seil zwar vor dem Hub lotrecht ausgerichtet ist, der Seilwinkel beim Anheben der Last aber durch die Bewegung des Schwerpunkts der Last unter den Lastaufnahmepunkt verändert wird. Auch das Nachgeben der Kranstruktur unter der Belastung beim Anheben der Last kann den Seilwinkel ungewollt verändern. Bei Off-Shore-Kränen entsteht zusätzlich das Problem, dass durch eine Relativbewegung eines die Last tragenden Schiffs zum Off-Shore-Kran der Seilwinkel verändert werden kann.The crane operator must therefore continue to align the crane by hand and in sight before the stroke or at the beginning of the stroke so that the rope is aligned substantially vertically. However, especially at the great distance from the load, this is often extremely difficult, so that deviations of the rope angle from the vertical result, which lead to unwanted vibrations when lifting the load. The same problem arises when, due to an imbalance of the load, the rope is vertically aligned before the stroke, but the rope angle is changed when lifting the load by the movement of the center of gravity of the load below the load receiving point. The yielding of the crane structure under the load when lifting the load can change the rope angle unintentionally. In the case of offshore cranes, the additional problem arises that the rope angle can be changed by a relative movement of a ship carrying the load to the offshore crane.
Eine Kransteuerung wird zur Verfügung gestellt, durch welche eine leichtere und sichere Ausrichtung des Krans insbesondere vor und während des Anhebens der Last ermöglicht. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Dämpfung der sphärischen Pendelschwingungen der Last zu ermöglichen.A crane control is provided, which allows easier and safe alignment of the crane, in particular before and during the lifting of the load. It is another object of the present invention to provide an improved damping of the spherical pendulum vibrations of the load.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe von einer Kransteuerung gemäß Anspruch 1 gelöst. Diese weist vorzugsweise eine Sensoreinheit zur Bestimmung eines Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung auf. Durch diese Sensoreinheit kann der Seilwinkel relativ zur Gravitationskraftrichtung direkt bestimmt werden, so dass die lotrechte Ausrichtung des Seils erheblich vereinfacht wird. Hierdurch wird zudem die Sicherheit beim Hub erhöht.According to the invention this object is achieved by a crane control according to
Die Sensoreinheit weist dabei üblicherweise ein Element auf, welches sich unter Einfluss der Gravitationskraft ausrichtet und durch welches der Winkel des Seils relativ zur Gravitationskraftrichtung bestimmt werden kann. Insbesondere kann dabei jede Art von elektrischer Libelle zum Einsatz kommen. In der einfachsten Ausführung kann die Sensoreinheit dabei lediglich bestimmen, ob das Seil lotrecht ausgerichtet ist oder nicht. In aufwendigeren Ausführungen kann zudem die Richtung der Abweichung von der Lotrechten und in weiteren Ausführungen den Wert der Abweichung von der Lotrechten bestimmt werden.The sensor unit usually has an element which aligns under the influence of the gravitational force and by which the angle of the rope relative to the direction of gravitational force can be determined. In particular, any type of electric dragonfly can be used. In the simplest embodiment, the sensor unit can only determine whether the rope is vertically aligned or not. In more elaborate embodiments, the direction of the deviation from the vertical and in further embodiments the value of the deviation from the vertical can also be determined.
Durch die Sensoreinheit kann dabei der Seilwinkel in mindestens einer Richtung relativ zur Gravitationsrichtung bestimmt werden, z.B. in radialer oder in tangentialer Richtung, um eine Abweichung des Seilwinkels von der Lotrechten in diese Richtung bestimmen und gegebenenfalls ausgleichen zu können. Vorteilhafterweise wird der Seilwinkel dabei sowohl in tangentialer als auch in radialer Richtung bestimmt, da nur so eine tatsächlich lotrechte Ausrichtung des Seils möglich ist. Hierfür kann die Sensoreinheit mindestens zwei Sensoren aufweisen, welche jeweils der Bestimmung des radialen bzw. des tangentialen Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung dienen. Durch eine solche Sensoreinheit wird eine genaue Ausrichtung des Kranes beim Anheben der Last möglich, so dass das Seil lotrecht ausgerichtet ist. Ebenso lässt sich die Sensoreinheit für Überwachungs- und Sicherungsfunktionen einsetzen.The sensor unit can thereby determine the cable angle in at least one direction relative to the direction of gravity, e.g. in the radial or in the tangential direction, in order to be able to determine a deviation of the rope angle from the perpendicular in this direction and to be able to compensate if necessary. Advantageously, the cable angle is determined both in the tangential and in the radial direction, since only in this way is an actual vertical alignment of the cable possible. For this purpose, the sensor unit can have at least two sensors, each of which serves to determine the radial or the tangential cable angle relative to the gravitational force direction. By such a sensor unit, a precise alignment of the crane when lifting the load is possible, so that the rope is aligned vertically. Similarly, the sensor unit can be used for monitoring and security functions.
Erfindungsgemäß ist die Regelung der erfindungsgemäßen Kransteuerung nicht-linear. Eine solche nicht-lineare Regelung ist von besonderem Vorteil, da insbesondere bei Auslegerkranen das Gesamtsystem aus Kran, Stellwerken wie z. B. Hydrozylindern und Last nicht-linear ist und somit bei einer rein linearen Regelung erhebliche Fehler auftreten. Die gesamte Regelungsstrecke aus nicht-linearer Regelung und dem nicht-linearen Verhalten des Kranes ergibt dagegen wiederum erfindungsgemäß eine lineare Strecke, so dass die Ansteuerung des Systems erheblich vereinfacht wird. Weiterhin beruht die Regelung dabei auf der Inversion eines nicht-linearen physikalischen Modells der Bewegung der Last in Abhängigkeit von den Bewegungen der Stellwerke, wobei durch die Invertierung die Bewegung der Last als Eingangsgröße dient, um die Stellwerke anzusteuern.According to the invention, the control of the crane control according to the invention is non-linear. Such a non-linear control is of particular advantage, since in particular for jib cranes, the entire system of crane, interlockings such. As hydraulic cylinders and load is non-linear and thus considerable errors occur in a purely linear control. The entire control path from non-linear control and the non-linear behavior of the crane, however, in turn according to the invention results in a linear path, so that the control of the system is considerably simplified. Furthermore, the regulation is based on the inversion of a non-linear physical model of the movement of the load as a function of the movements of the interlockings, whereby the inversion serves as the input of the movement of the load in order to control the interlockings.
Vorteilhafterweise handelt es sich bei diesem physikalischen Modell dabei um ein nicht-lineares Modell, so dass sich aus seiner Inversion die erfindungsgemäße nicht-lineare Regelung ergibt. Die Kombination aus dem invertierten physikalischen Model und der tatsächlichen Bewegung der Last in Abhängigkeit von den Bewegungen der Stellwerke ergibt dann wieder die oben beschriebene lineare Strecke. Eingangsgrößen des physikalischen Modells sind dabei der Zustandsvektor des Kranes. Auf Grundlage dieser Eingangsgrößen gibt das nicht-lineare Modell dann die Bewegung der Last als Ausgangsgröße an. Durch die Invertierung eines solchen Systems dient die Bewegung der Last als eine Eingangsgröße, um die Stellwerke des Kranes anzusteuern.Advantageously, this physical model is a nonlinear model, so that its inversion results in the inventive non-linear control. The combination of the inverted physical model and the actual movement of the load as a function of the movements of the interlockings then again results in the linear path described above. Input variables of the physical model are the state vector of the crane. Based on these inputs, the non-linear model then indicates the movement of the load as the output. By inverting such a system, the movement of the load serves as an input to drive the interlocking of the crane.
Weiterhin vorteilhafterweise ist neben der Sensoreinheit zur Bestimmung eines Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung weiterhin mindestens eine Gyroskopeinheit zur Messung einer Seilwinkelgeschwindigkeit vorgesehen. Insbesondere kann diese Gyroskopeinheit weiterhin zur Schwingungsdämpfung bei frei schwingender Last eingesetzt werden, wozu die Sensoreinheit zur Bestimmung des Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung üblicherweise nicht ausreichend genaue Daten liefern kann. Die Ausrichtung des Krans kann dann zunächst auf Grundlage der Sensoreinheit zur Bestimmung des Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung erfolgen, bis die Last frei am Seil hängt. Daraufhin kann die automatische Seilpendeldämpfung, welche auf Grundlage der Gyroskopeinheit arbeitet, zugeschaltet werden.Furthermore advantageously, in addition to the sensor unit for determining a cable angle relative to the direction of gravitational force, at least one gyroscope unit for measuring a cable angular velocity is furthermore provided. In particular, this gyroscope unit can continue to be used for vibration damping oscillating load are used, for which the sensor unit for determining the rope angle relative to the gravitational force direction usually can not provide sufficiently accurate data. The orientation of the crane can then be carried out first based on the sensor unit for determining the cable angle relative to the direction of gravity force until the load hangs freely on the rope. Thereupon, the automatic cable oscillation damping, which operates on the basis of the gyroscope unit, can be switched on.
Die Gyroskopeinheit misst die Seilwinkelgeschwindigkeit dabei in mindestens einer Richtung, z.B. in radialer oder in tangentialer Richtung. Vorteilhafterweise werden aber sowohl die tangentiale als auch die radiale Seilwinkelgeschwindigkeit bestimmt, wofür die Gyroskopeinheit vorteilhafterweise mindestens zwei entsprechend angeordnete Gyroskope aufweist.The gyroscope unit measures the cable angular velocity in at least one direction, e.g. in the radial or in the tangential direction. Advantageously, however, both the tangential and the radial cable angular velocity are determined, for which purpose the gyroscope unit advantageously has at least two appropriately arranged gyroscopes.
Die Kransteuerung umfasst mindestens zwei Sensoreinheiten zur Bestimmung der Seilwinkel relativ zur Gravitationskraftrichtung, welche unterschiedlichen Seilsträngen zugeordnet sind. Hierdurch kann eine Seilfeldverdrehung, welche einer Rotation der Last entspricht, berücksichtigt werden. Würde hier bei mehreren Seilsträngen lediglich eine Sensoreinheit eingesetzt, würde eine Seilfeldverdrehung dagegen zu verfälschten Meßwerten führen.The crane control comprises at least two sensor units for determining the cable angles relative to the direction of gravitational force, which are assigned to different cable strands. As a result, a cable field rotation, which corresponds to a rotation of the load, are taken into account. If only one sensor unit were used here with several cable strands, however, a cable field rotation would lead to corrupted measured values.
Insbesondere kann durch die mindestens zwei Sensoreinheiten die Seilfeldverdrehung, und damit die Verdrehung der Last, bestimmt werden. Dies ermöglicht es, vor Beginn des Hubs auch die Seilfeldverdrehung z. B. durch eine Drehung des Lastaufnahmemittels relativ zur Last auszugleichen.In particular, the cable field rotation, and thus the rotation of the load, can be determined by the at least two sensor units. This makes it possible, before the start of the stroke and the cable field twist z. B. offset by a rotation of the lifting device relative to the load.
Weiterhin sind vorteilhafterweise mindestens auch zwei Gyroskopeinheiten zur Messung der Seilwinkelgeschwindigkeiten vorgesehen, welche unterschiedlichen Seilsträngen zugeordnet sind. So kann die Seilfeldverdrehung z. B. auch bei der Schwingungsdämpfungsansteuerung berücksichtigt werden.Furthermore, advantageously at least two gyroscope units are provided for measuring the cable angular velocities, which are assigned to different cable strands. So the rope field twist z. B. also be taken into account in the vibration damping drive.
Weiterhin vorteilhafterweise sind dabei die Sensoreinheit und/oder die Gyroskopeinheit an einem Seilfolgeelement angeordnet, welches insbesondere über eine kardanische Verbindung mit einem Ausleger des Krans verbunden ist und welches am Seil geführt wird. Das Seilfolgeelement ist dabei bevorzugt durch die kardanische Verbindung mit dem Auslegerkopf des Krans verbunden und folgt den Bewegungen des Seils, an dem es durch Rollen geführt ist. Durch Messen der Bewegung des Seilfolgeelementes können so die Bewegungen des Seils ermittelt werden.Furthermore advantageously, the sensor unit and / or the gyroscope unit are arranged on a cable follower element, which is connected in particular via a gimbal connection with a jib of the crane and which is guided on the cable. The cable follower element is preferably connected by the gimbal connection with the boom head of the crane and follows the movements of the rope on which it is guided by rollers. By measuring the movement of the cable follower element so the movements of the rope can be determined.
Weist der Kran mindestens zwei Seilstränge zum Heben der Last auf, sind weiterhin vorteilhafterweise mindestens zwei Seilfolgeelemente vorgesehen, welche unterschiedlichen Seilsträngen zugeordnet sind. Da der Haken des Krans meist an mehreren Seilsträngen hängt, können so auch Seilfeldverdrehungen berücksichtigt werden.If the crane has at least two cable strands for lifting the load, advantageously at least two cable follower elements are provided, which are assigned to different cable strands. Since the hook of the crane usually depends on several cable strands, so also rope field distortions can be considered.
Weiterhin vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Kransteuerung eine Anzeigeeinheit zur Anzeige einer sich aus dem gemessenen Seilwinkel ergebenden Abweichung auf, insbesondere zur Anzeige eines Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung und/oder einer daraus resultierenden horizontalen Abweichung der Last. Durch diese Anzeige wird dem Kranführer das Ausrichten des Seils in lotrechter Position erheblich erleichtert.Further advantageously, the crane control according to the invention comprises a display unit for displaying a deviation resulting from the measured cable angle, in particular for displaying a cable angle relative to the direction of gravitational force and / or a resulting horizontal deviation of the load. This display considerably facilitates the crane operator's alignment of the rope in a vertical position.
Vorteilhafterweise zeigt die Anzeige dabei eine lotrechte Seilstellung optisch und/oder akustisch an. Hierdurch ist es dem Kranführer möglich, das Seil entsprechend auszurichten.Advantageously, the display shows a vertical cable position optically and / or acoustically. This makes it possible for the crane operator to align the rope accordingly.
Weiterhin vorteilhafterweise zeigt die Anzeige weiterhin die Richtung an, in welcher das Seil von der Lotrechten abweicht. Weiterhin vorteilhafterweise zeigt die Anzeige zudem den Absolutwert der Abweichung an. Denkbar ist hier z. B. eine graphische Anzeige, in welcher der Winkel des Seils relativ zur Gravitationskraftrichtung sowie weiterhin vorteilhafterweise die maximal zulässigen Seilwinkel angezeigt werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch die horizontale Abweichung der Last von der Position, an welcher sich die Last bei lotrechter Seilstellung befinden würde, angezeigt werden, vorteilhafterweise zusammen mit der maximal zulässigen horizontalen Abweichung. So kann der Kranführer mit ihm gut vertrauten Abstandsangaben arbeiten und den Kran leichter ausrichten.Further advantageously, the display further indicates the direction in which the rope deviates from the perpendicular. Further advantageously, the display also indicates the absolute value of the deviation. It is conceivable z. Example, a graphical display in which the angle of the rope relative to the direction of gravitational force and further advantageously displayed the maximum permissible rope angle become. Alternatively or additionally, the horizontal deviation of the load from the position at which the load would be located in the vertical cable position can be displayed, advantageously together with the maximum permissible horizontal deviation. This allows the crane operator to work with well-known distance indications and to align the crane more easily.
Weiterhin vorteilhafterweise ist eine Warneinrichtung vorgesehen, welche den Kranführer bei Überschreiten eines zulässigen Wertebereichs für eine sich aus dem gemessenen Seilwinkel ergebende Abweichung, insbesondere für den Seilwinkel relativ zur Gravitationskraftrichtung und/oder für die horizontale Abweichung der Last warnt, insbesondere durch ein optisches und/oder akustisches Signal. So kann der Kranführer bei einem solchen Überschreiten des zulässigen Wertebereichs reagieren und Schäden von der Kranstruktur bzw. Unfälle vermeiden. Z. B. kann der Kranführer bei einem Überschreiten des zulässigen Winkelbereichs die Bewegung des Krans stoppen, oder, wenn es sich um einen Off-Shore-Kran handelt, bei welchem die z. B. auf einem Schiff befindliche Last durch eine Relativbewegung des Schiffes relativ zum Kran vom Off-Shore-Kran wegbewegt wird, durch ein teilweises Freigeben des Seils oder der Drehwerke des Krans eine Überlast vermeiden.Further advantageously, a warning device is provided, which warns the crane operator when exceeding an allowable value range for a resulting from the measured rope angle deviation, in particular for the rope angle relative to the gravitational force direction and / or for the horizontal deviation of the load, in particular by an optical and / or acoustic signal. In this way, the crane operator can react when exceeding the permissible value range and avoid damage to the crane structure or accidents. For example, the crane operator can stop the movement of the crane when exceeding the permissible angle range, or, if it is an off-shore crane, in which the z. B. load on a ship is moved away by a relative movement of the ship relative to the crane from the off-shore crane, avoid by a partial release of the rope or the slewing gear of the crane overload.
Weiterhin vorteilhafterweise ist eine Sicherungseinrichtung, insbesondere eine Überlastsicherung, vorgesehen, welche bei einem Überschreiten eines zulässigen Wertebereichs für eine sich aus dem gemessenen Seilwinkel ergebende Abweichung, insbesondere für den Seilwinkel relativ zur Gravitationskraftrichtung und/oder für die horizontale Abweichung der Last, automatisch in die Steuerung des Kranes eingreift, insbesondere um eine Überlast des Kranes zu verhindern. Insbesondere kann so der Seilwinkel relativ zur Gravitationskraftrichtung in die automatische Lastmomentbegrenzung des Kranes einbezogen werden. Dies erhöht die Sicherheit des Betriebs beträchtlich, da bekannte Lastmomentbegrenzungen diesen Parameter nicht berücksichtigen konnten und die durch eine übermäßige Schrägstellung des Seils auftretenden Belastungen allein über die sonstigen Meßwertgeber berücksichtigt werden mußten.Further advantageously, a safety device, in particular an overload protection, is provided, which automatically in the control when exceeding an allowable value range for a resulting from the measured rope angle deviation, in particular for the rope angle relative to the gravitational force direction and / or for the horizontal deviation of the load engages the crane, in particular to prevent overload of the crane. In particular, the rope angle relative to the gravitational force direction can thus be included in the automatic load moment limitation of the crane. This considerably increases the safety of the operation, since known load torque limitations could not take this parameter into account and the loads resulting from an excessive inclination of the cable had to be taken into account solely via the other transducers.
Vorteilhafterweise stoppt die Überlastsicherung dabei die Bewegung des Kranes automatisch. Hierdurch wird verhindert, dass es durch eine übermäßige Schrägstellung des Seiles zu einer Überbelastung der Kranstruktur kommt. Ebenso können durch die Sicherungseinrichtung neben der Überlastung des Krans auch Unfälle vermieden werden, z.B. indem bei einem Überschreiten des zulässigen Wertebereichs ein Anheben der Last automatisch verhindert wird, um eine zu starkes Schwingen beim Freikommen der Last zu vermeiden.Advantageously, the overload protection stops the movement of the crane automatically. This prevents overloading of the crane structure due to excessive skewing of the cable. Likewise, accidents can be avoided by the safety device in addition to the overload of the crane, e.g. if, when the permissible value range is exceeded, lifting of the load is automatically prevented in order to avoid excessive swinging when the load comes free.
Insbesondere wenn es sich um einen Off-Shore-Kran handelt, kann die Überlastsicherung die Bewegung des Kranes und/oder des Seils auch zumindest teilweise freigeben, wobei die Freigabe hierbei vorteilhafterweise kontrolliert mit einer gewissen Gegenkraft erfolgt. Verhakt sich z. B. der Haken des Kranes an einem Schiff, welches von dem Off-Shore-Kran weggetrieben wird, kann so z. B. das Seil oder die Drehbewegung des Kranes kontrolliert freigegeben werden, um eine Überlastung des Kranes zu verhindern. Die Sensoreinheit zur Bestimmung eines Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung ergibt hier eine sehr zuverlässige Überlastsicherung, während bekannte Überlastsicherungen hier allein auf einen Seilkraftsensor angewiesen waren, durch welchen ein Überlastfall aber nur schwer von einem Lastfall unterschieden werden kann.In particular, when it comes to an off-shore crane, the overload protection, the movement of the crane and / or the rope also at least partially release, the release here is advantageously controlled with a certain counter-force. Hooked z. As the hook of the crane on a ship, which is expelled from the off-shore crane, can be such. B. the rope or the rotational movement of the crane are released in a controlled manner to prevent overloading of the crane. The sensor unit for determining a cable angle relative to the direction of gravitational force here results in a very reliable overload protection, while known overload protection relied solely on a cable force sensor, by which an overload case can be difficult to distinguish from a load case.
Weiterhin vorteilhafterweise wertet die erfindungsgemäße Kranssteuerung, insbesondere die Warneinrichtung und/oder die Überlastsicherung, jedoch zusätzlich Daten eines Seilkraftsensors aus. Hierdurch können die Daten von der Sensoreinheit zur Bestimmung des Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung überprüft werden, so dass insbesondere bei einem automatischen Eingreifen der Kransteuerung in die Bewegung des Kranes eine zusätzliche Sicherheit durch eine Redundanz gegeben ist.Further advantageously, the crane control according to the invention, in particular the warning device and / or the overload protection, but additionally evaluates data from a cable force sensor. As a result, the data can be checked by the sensor unit for determining the cable angle relative to the direction of gravitational force, so that an additional security is provided by a redundancy, in particular in an automatic intervention of the crane control in the movement of the crane.
Vorteilhafterweise wird die Seilfeldverdrehung der mindestens zwei Seilstränge bestimmt. Da bei einer reinen Verdrehung der Last die äußeren Seile jeweils in entgegengesetzte Richtungen ausgelenkt sind, ohne dass die Last aus der Lotrechten ausgelenkt wäre, wird diese Seilfeldverdrehung vorteilhafterweise bei der Bestimmung des tatsächlichen Seilwinkels berücksichtigt. Der Seilwinkel, welcher bei der Anzeige, der Warneinrichtung und/oder der Überlastsicherung zum Einsatz kommt, entspricht hierdurch der tatsächlichen Auslenkung der Last relativ zur Gravitationskraftrichtung, so dass ein Pendeln der Last effektiv verhindert werden kann und eventuelle Seilfeldverdrehungen nicht zu falschen Werten führen.Advantageously, the cable field rotation of the at least two cable strands is determined. Since in a pure rotation of the load, the outer cables are deflected in opposite directions, respectively, without the load would be deflected from the vertical, this Seilfeldverdrehung advantageously taken into account in the determination of the actual cable angle. The rope angle, which is used in the display, the warning device and / or the overload protection, thereby corresponds to the actual deflection of the load relative to the gravitational force direction, so that oscillation of the load can be effectively prevented and any Seilfeldverdrehungen not lead to incorrect values.
Vorteilhafterweise umfasst die erfindungsgemäße Kransteuerung dabei eine Anzeigeeinheit zur Anzeige der Seilfeldverdrehung. So kann die Seilfeldverdrehung selbst ebenfalls auf der Anzeige angezeigt werden, so dass sie durch Ansteuerung einer entsprechenden Rotoreinheit an der Lastaufnahmevorrichtung ausgeglichen werden kann. Ebenso kann die Seilfeldverdrehung vorteilhafterweise in die Ansteuerung der Warneinrichtung sowie der Überlastsicherung eingehen.Advantageously, the crane control according to the invention comprises a display unit for displaying the cable field rotation. Thus, the cable field rotation itself can also be displayed on the display, so that it can be compensated by driving a corresponding rotor unit on the load receiving device. Likewise, the cable field twist can advantageously be included in the control of the warning device and the overload protection.
In der erfindungsgemäßen Kransteuerung ist daher vorteilhafterweise eine Warneinrichtung vorgesehen, welche den Kranführer bei Überschreiten eines zulässigen Wertebereichs für die Seilfeldverdrehung warnt, insbesondere durch ein optisches und/oder akustisches Signal. So wird der Kranführer vor einem Drehpendeln der Last beim Anheben mit einem verdrehten Seilfeld gewarnt.In the crane control according to the invention therefore advantageously a warning device is provided, which warns the crane operator when exceeding an allowable value range for the cable field rotation, in particular by an optical and / or acoustic signal. Thus, the crane operator is warned against a swinging of the load when lifting with a twisted rope field.
In der erfindungsgemäßen Kransteuerung ist ebenso vorteilhafterweise eine Sicherungseinrichtung, insbesondere eine Verdrehsicherung, vorgesehen, welche bei einem Überschreiten eines zulässigen Wertebereichs für die Seilfeldverdrehung automatisch in die Steuerung des Kranes eingreift. Zum Beispiel kann dabei ein Anheben der Last bei zu starker Verdrehung des Seilfeldes automatisch verhindert werden.In the crane control according to the invention is also advantageously a safety device, in particular an anti-rotation, provided which automatically engages in an excess of an allowable value range for the Seilfeldverdrehung in the control of the crane. For example, a lifting of the load can be automatically prevented in case of excessive rotation of the rope field.
Weiterhin vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Kransteuerung eine automatische Lastpendeldämpfung auf. Insbesondere kann hierdurch die Bewegung des Kranes so angesteuert werden, dass bei einer Bewegung des Krans ein Pendeln der frei schwingenden Last verhindert wird. Die Sensoreinheit zur Bestimmung des Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung kann dabei zu Beginn des Hubes zur lotrechten Ausrichtung des Seiles verwendet werden, während die Lastpendeldämpfung dann einsetzt, wenn die Last frei am Seil hängt. So kann durch die richtige Ausrichtung des Seils ein Pendeln der Last beim Anheben verhindert werden, durch die Lastpendeldämpfung ein Pendeln der Last bei deren Bewegung in horizontaler Richtung.Further advantageously, the crane control according to the invention has an automatic load oscillation damping. In particular, as a result, the movement of the crane can be controlled so that during a movement of the crane, a swinging of the free-swinging load is prevented. The sensor unit for determining the cable angle relative to the direction of gravitational force can thereby at the beginning of the stroke be used for vertical alignment of the rope, while the load swing damping starts when the load is hanging freely on the rope. Thus, the correct orientation of the rope can prevent the load from swinging during lifting, while the load swing damping prevents the load from oscillating as it moves in the horizontal direction.
Vorteilhafterweise beruht die Lastpendeldämpfung dabei auf den Daten mindestens einer Gyroskopeinheit. Da mit einem Gyroskop die Seilwinkelgeschwindigkeit bestimmt werden kann, eignet es sich besonders gut zur Verwendung in einer Lastpendeldämpfung.Advantageously, the load oscillation damping is based on the data of at least one gyroscope unit. Since the cable angular velocity can be determined with a gyroscope, it is particularly well suited for use in load swing damping.
Vorteilhafterweise wird dabei die Sensoreinheit zur Bestimmung des Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung zur Überwachung und/oder Kalibrierung der Gyroskopeinheit verwendet. Insbesondere wenn der Hub bei schräger Seilstellung und abgestützter Last begonnen wird, würde die Lastpendeldämpfung, welche üblicherweise von einer freischwingenden Last ausgeht, sonst mit falschen Werten starten. Auch können die Sensoreinheiten bzw. Gyroskopeinheiten zur jeweils wechselseitigen Überwachung eingesetzt werden, um Fehlfunktionen zu detektieren.Advantageously, the sensor unit is used for determining the cable angle relative to the direction of gravitational force for monitoring and / or calibration of the gyroscope unit. In particular, if the stroke is started with an inclined cable position and a supported load, the load-swing damping, which usually starts from a free-running load, would otherwise start with incorrect values. The sensor units or gyroscope units can also be used for mutual monitoring in order to detect malfunctions.
Vorteilhafterweise ist weiterhin eine Funktion zum automatischen Ausrichten des Kranes vorgesehen, durch welche das Seil lotrecht über der Last ausgerichtet wird. Der Kranführer muss damit den Kran nicht mehr manuell z. B. anhand der Anzeige ausrichten, sondern dies geschieht automatisch bei einer entsprechenden Anforderung des Kranfahrers über eine Bedieneinheit. Vorteilhafterweise ist hierbei eine Sicherheitsfunktion vorgesehen, welche z. B. mit einem Seilkraftsensor zusammenwirkt, um bei einer Fehlfunktion der Sensoreinheit zur Bestimmung des Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung eine unkontrollierte Bewegung des Kranes zu verhindern.Advantageously, a function for automatic alignment of the crane is further provided by which the rope is aligned perpendicular to the load. The crane operator no longer has to do this manually with the crane. B. based on the display, but this is done automatically with a corresponding request from the crane operator via an operating unit. Advantageously, in this case a security function is provided which z. B. cooperates with a rope force sensor to prevent in case of malfunction of the sensor unit for determining the rope angle relative to the direction of gravity force an uncontrolled movement of the crane.
Weiterhin vorteilhafterweise ist auch eine Funktion zum automatischen Ausrichten des Kranes vorgesehen ist, durch welche eine Seilfeldverdrehung ausgeglichen wird. Diese steuert vorteilhafterweise eine Rotoreinheit an der Lastaufnahmevorrichtung, z.B. am Spreader, an, durch welche der mit den Seilen verbundene Teil der Lastaufnahmevorrichtung relativ zur Last verdreht werden kann.Further advantageously, a function for automatic alignment of the crane is provided, compensated by which a rope field twist becomes. This advantageously controls a rotor unit on the load receiving device, for example on the spreader, through which the connected to the ropes part of the load bearing device can be rotated relative to the load.
Weiterhin vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Kransteuerung einen Speicher zur Speicherung von Lastdaten auf Grundlage des Seilwinkels auf, welche der Lebensdauerberechnung und/oder der Dokumentation z. B. von unsachgemäßer Verwendung dienen. Eine solche Maschinendatenerfassung der Seilstellung zur Lastkollektiv-Ermittung und zur Dokumentation ermöglicht so eine genauere Lebensdauerberechung und damit eine erhöhte Sicherheit bei eingesparten Kosten.Further advantageously, the crane control according to the invention has a memory for storing load data on the basis of the rope angle, which the life calculation and / or documentation z. B. of improper use. Such a machine data acquisition of the cable position for load spectrum determination and documentation thus enables a more accurate life cycle calculation and thus increased safety at saved costs.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Ansteuerung der Stellwerke eines Kranes gemäß dem Anspruch 10. Vorteilhaftreweise werden die radialen und/oder tangentialen Seilwinkel relativ zur Gravitationskraftrichtung bestimmt.The present invention further comprises a method for controlling the interlocking systems of a crane according to
Insbesondere wird hierdurch die Ausrichtung des Kranes vor und beim Anheben der Last erheblich vereinfacht. Vorteilhafterweise wird dabei neben einem Seilwinkel, welcher der tatsächlichen Auslenkung der Last gegen die Lotrechte entspricht, zusätzlich die Seilfeldverdrehung bestimmt, wenn mehrere Seilstränge zum Heben der Last verwendet werden. Hierzu werden die Seilwinkel mindestens zweier Seilstränge relativ zur Gravitationskraftrichtung bestimmt. Aus diesen Daten kann dann sowohl der Seilwinkel, welcher der Auslenkung der Last, als auch die Seilfeldverdrehung, welche der Verdrehung der Last entspricht, bestimmt werden.In particular, thereby the alignment of the crane before and when lifting the load is considerably simplified. Advantageously, in addition to a cable angle, which corresponds to the actual deflection of the load against the perpendicular, in addition the cable field rotation is determined when several cable strands are used to lift the load. For this purpose, the cable angles of at least two cable strands are determined relative to the direction of gravitational force. From this data can then be determined both the cable angle, which the deflection of the load, as well as the cable field rotation, which corresponds to the rotation of the load.
Vorteilhafterweise wird dabei vor dem Anheben der Last das Seil in eine lotrechte Ausrichtung gebracht. Hierdurch kann verhindert werden, dass durch eine Schrägstellung des Seiles beim Anheben der Last diese seitlich verrutscht, durch ungleiches Aufliegen auf der Unterlage unkontrolliert verdreht oder bereits beim Anheben eine Pendelbewegung durchführt. Die lotrechte Ausrichtung der Last kann dabei z. B. durch den Kranführer anhand der erfindungsgemäßen Anzeige des Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung erfolgen. Ebenso ist es denkbar, dass diese Ausrichtung wie bereits beschrieben automatisch durch die Kransteuerung erfolgt.Advantageously, the rope is brought into a vertical orientation before lifting the load. This can be prevented by an inclination of the rope when lifting the load this slips laterally, uncontrolled twisted by uneven resting on the surface or already performs a pendulum movement when lifting. The vertical orientation of the load can be z. B. by the crane operator based on the display of the cable angle according to the invention relative to the direction of gravitational force. It is also conceivable that this alignment is carried out automatically by the crane control as already described.
Weiterhin vorteilhafterweise wird vor dem Anheben der Last die Seilfeldverdrehung auf Null gebracht, um eine Rotation der Last beim Anheben zu vermeiden. Dies erfolgt z. B. durch entsprechendes Rotieren der Last am Lastaufnahmemittel mittels einer Rotoranordnung.Further advantageously, prior to lifting the load, the cable field twist is brought to zero to avoid rotation of the load during lifting. This is done z. B. by corresponding rotation of the load on the load receiving means by means of a rotor assembly.
Auch während des Hubvorgangs können sich durch unterschiedliche Effekte Abweichungen des Seilwinkels von der Lotrechten ergeben. Vorteilhafterweise wird deshalb auch während dem Anheben der Last eine Abweichung des Seilwinkels von der Lotrechten ausgeglichen. Vorteilhafterweise wird hierzu während des Anhebens der Last der Seilwinkel relativ zur Gravitationskraftrichtung bestimmt, so dass eventuell auftretende Abweichungen während dem Hubvorgang ausgeglichen werden können.Even during the lifting process deviations of the rope angle from the vertical can result due to different effects. Advantageously, therefore, a deviation of the cable angle is compensated by the vertical even during the lifting of the load. Advantageously, this is determined during the lifting of the load of the rope angle relative to the direction of gravity force, so that any deviations occurring during the lifting process can be compensated.
Vorteilhafterweise wird dabei beim Anheben der Last durch das Bestimmen der auftretenden Abweichung eines Seilwinkels von der Lotrechten ein Ungleichgewicht der Last bestimmt. Weist die Last ein Ungleichgewicht auf, d.h. befindet sich der Schwerpunkt der Last nicht unter dem Lastaufnahmepunkt, bewegt sich der Lastaufnahmepunkt beim Anheben der Last zunächst über dem Schwerpunkt, so dass sich der Seilwinkel verändert. Durch diese Veränderung des Seilwinkels kann das Ungleichgewicht der Last bestimmt und gegebenenfalls ausgeglichen werden. Ein solches Ungleichgewicht der Last kann dabei ebenfalls zur Anzeige gebracht werden, so dass es vom Kranfahrer ausgeglichen werden kann. Ebenso ist es denkbar, ein solches Ungleichgewicht automatisch auszugleichen.Advantageously, an imbalance of the load is determined when lifting the load by determining the occurring deviation of a rope angle of the vertical. If the load is unbalanced, ie if the center of gravity of the load is not below the load pick-up point, the load pick-up point initially moves above the center of gravity when lifting the load so that the rope angle changes. This change in the rope angle, the imbalance of the load can be determined and possibly compensated. Such an imbalance of the load can also be displayed, so that it can be compensated by the crane operator. It is also conceivable to automatically compensate for such an imbalance.
Vorteilhafterweise wird das Ungleichgewicht der Last dabei auf Grundlage der Abweichung eines Seilwinkels von der Lotrechten durch eine Bewegung der Last am Lastaufnahmemittel, insbesondere am Spreader, ausgeglichen wird. Der Spreader dient dabei der Aufnahme von Containern und weist eine Längsverstellung auf, durch welche der Lastaufnahmepunkt relativ zum Container eingestellt werden kann. Der Kranführer kann nun z. B. auf Grundlage der Abweichung des Seilwinkels von der Lotrechten, welche bei einem Anheben der Last durch das Ungleichgewicht entsteht und über die erfindungsgemäße Anzeige angezeigt wird, den Lastaufnahmepunkt am Lastaufnahmemittel bewegen und so das Ungleichgewicht ausgleichen. Wird zudem das Ungleichgewicht der Last bestimmt und angezeigt, erleichtert dies die Arbeit des Kranführers. Ebenso ist denkbar, dass ein automatischer Ausgleich des Ungleichgewichts erfolgt.Advantageously, the imbalance of the load is thereby compensated on the basis of the deviation of a cable angle from the vertical by a movement of the load on the load receiving means, in particular on the spreader. The spreader serves to receive containers and has a longitudinal adjustment, by which the load receiving point can be adjusted relative to the container. The crane operator can now z. B. based on the deviation of the rope angle of the perpendicular, which is formed when lifting the load by the imbalance and is displayed on the display according to the invention, move the load receiving point on the load receiving means and so compensate for the imbalance. In addition, if the imbalance of the load is determined and displayed, this facilitates the work of the crane operator. It is also conceivable that an automatic compensation of the imbalance takes place.
Ein solcher Ausgleich des Ungleichgewichts der Last, durch welchen der Schwerpunkt der Last bei unveränderter Ausrichtung der Last unter den Lastaufnahmepunkt gebracht wird, ermöglicht so ein Bewegen der Container innerhalb der Führungen im Schiff, ohne dass diese durch eine Verkippung verkanten.Such compensation of the imbalance of the load, by which the center of gravity of the load is brought under unchanged load orientation under the load receiving point, thus allowing a movement of the container within the guides in the ship, without these tilt by tilting.
Alternativ kann, wenn ein solcher Ausgleich des Ungleichgewichts der Last nicht möglich ist, oder wenn eine Verkantung der Last unproblematisch ist, die beim Anheben der Last durch das Ungleichgewicht der Last bedingte Schrägstellung des Seils auch durch eine Bewegung des Krans ausgeglichen werden. Auch dies kann entweder manuell über den Kranführer z. B. anhand einer Anzeige erfolgen oder automatisch.Alternatively, if such balancing of the imbalance of the load is not possible, or if canting of the load is unproblematic, the skewing of the rope caused by the imbalance of the load when the load is lifted can also be compensated by movement of the crane. This can either manually via the crane operator z. B. based on a display or automatically.
Durch die Belastung der Kranstruktur beim Anheben der Last kann sich diese verformen, so dass sich der Seilwinkel verändert, auch ohne dass sich die Last bewegen würde. Vorteilhafterweise wird deshalb erfindungsgemäß beim Anheben der Last durch Bestimmen einer Abweichung des Seilwinkels von der Lotrechten das Nachgeben der Kranstruktur unter der Belastung bestimmt und/oder die durch das Nachgeben der Kranstruktur bedingte Schrägstellung des Seils durch eine Bewegung des Krans ausgeglichen. Hierbei kann das Bestimmen der Abweichung bzw. das Ausgleichen dieser Abweichung wiederum über den Kranführer z. B. anhand einer Anzeige erfolgen, oder automatisch.The load on the crane structure when lifting the load may cause it to deform, causing the rope angle to change even without the load moving. Advantageously, therefore, according to the invention, when the load is lifted by determining a deviation of the cable angle from the vertical, the yield of the crane structure under the load is determined and / or the oblique position of the cable caused by the yielding of the crane structure is compensated by a movement of the crane. Here, the determination of the deviation or the compensation of this deviation in turn on the crane operator z. B. based on a display, or automatically.
Weiterhin vorteilhafterweise wird bei einem Überschreiten eines zulässigen Wertebereichs für eine sich aus dem gemessenen Seilwinkel ergebende Abweichung, insbesondere für den Seilwinkel relativ zur Gravitationskraftrichtung und/oder für die horizontale Abweichung der Last, die Kranstruktur durch Gegenmaßnahmen geschützt. Insbesondere kann hierbei die Bewegung des Krans gestoppt werden, um eine Überlast zu vermeiden.Further advantageously, when a permissible value range for a deviation resulting from the measured cable angle is exceeded, in particular for the cable angle relative to the gravitational force direction and / or for the horizontal deviation of the load, the crane structure is protected by countermeasures. In particular, in this case the movement of the crane can be stopped in order to avoid overload.
Insbesondere bei der Ansteuerung eines Off-Shore-Krans umfassen die Gegenmaßnahmen dagegen vorteilhafterweise ein zumindest teilweises Freigeben der Kranbewegungen und/oder des Seils, um z. B. bei einem Verhaken des Lastaufnahmemittels mit einem Schiff, welches sich vom Off-Shore-Kran wegbewegt, eine Überlastung des Krans zu verhindern.In contrast, especially in the control of an off-shore crane, the countermeasures advantageously comprise at least partial release of the crane movements and / or of the rope in order, for. B. in a hooking of the lifting device with a ship, which moves away from the off-shore crane, to prevent overloading of the crane.
Die Gegenmaßnahmen können dabei entweder vom Kranfahrer eingeleitet werden, welcher hierzu vorteilhafterweise durch eine Warnfunktion gewarnt wird, oder aber automatisch durch eine entsprechende automatische Überlastsicherung.The countermeasures can either be initiated by the crane operator, which is advantageously warned by a warning function, or automatically by a corresponding automatic overload protection.
Weiterhin vorteilhafterweise umfasst die vorliegende Erfindung einen Kran, insbesondere einen Hafenmobilkran, einen Schiffskran oder einen Off-Shore-Kran, welcher ein Seil zum Heben einer Last aufweist und mit einer Kransteuerung, wie sie oben beschrieben wurde, ausgerüstet ist. Ebenso umfasst die Erfindung entsprechende Ausleger- und/oder Drehkrane, sowie Autokrane und Raupenkrane. Offensichtlich ergeben sich für einen solchen Kran die gleichen, bereits bei der Kransteuerung beschriebenen Vorteile.Further advantageously, the present invention comprises a crane, in particular a mobile harbor crane, a ship crane or an off-shore crane, which has a cable for lifting a load and is equipped with a crane control as described above. Likewise, the invention comprises corresponding boom and / or slewing cranes, as well as mobile cranes and crawler cranes. Obviously arise for such a crane the same, already described in the crane control advantages.
Neben der bisher beschriebenen Ausführung der vorliegenden Erfindung mit einer Sensoreinheit zur Bestimmung eines Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung umfasst die vorliegende Erfindung weiterhin eine Kransteuerung, welche auch ohne eine solche Sensoreinheit bei Kranen, welche mindestens einen ersten und einen zweiten Seilstrang zum Heben der Last aufweisen, vorteilhaft zum Einsatz kommen kann.In addition to the previously described embodiment of the present invention with a sensor unit for determining a cable angle relative to the direction of gravity force, the present invention further comprises a crane control, which even without such a sensor unit in cranes, which have at least a first and a second cable harness for lifting the load, advantageous can be used.
Die erfindungsgemäße Kransteuerung dient dabei zur Ansteuerung der Stellwerke eines Kranes, welcher mindestens einen ersten und einen zweiten Seilstrang zum Heben einer Last aufweist, wobei die Kransteuerung eine Lastpendeldämpfung zur Dämpfung von sphärischen Pendelschwingungen der Last aufweist. Erfindungsgemäß sind nun eine erste und eine zweite Sensoreinheit vorgesehen, welche dem ersten und dem zweiten Seilstrang zugeordnet sind, um die jeweiligen Seilwinkel und/oder Seilwinkelgeschwindigkeiten des ersten und des zweiten Seilstrangs zu bestimmen. Weiterhin weist die Lastpendeldämpfung eine Regelung auf, in welche die von der ersten und der zweiten Sensoreinheit bestimmten Seilwinkel und/oder Seilwinkelgeschwindigkeiten eingehen.The crane control according to the invention serves to control the interlockings of a crane, which has at least a first and a second cable strand for lifting a load, wherein the crane control has a load oscillation damping for damping spherical pendulum vibrations of the load. According to the invention, a first and a second sensor unit are now provided, which are assigned to the first and the second cable strand, in order to determine the respective cable angles and / or cable angular velocities of the first and second cable strands. Furthermore, the load oscillation damping has a control into which the cable angles and / or cable angular velocities determined by the first and the second sensor unit are received.
Im Vergleich zu bekannten Anordnungen, bei welchen eine Sensoreinheit am Haken des Kranes oder nur an einem Seil angebracht ist, ergeben sich hierdurch zahlreiche Vorteile: einerseits ergibt sich eine Redundanz dieses sicherheitskritischen Elementes, so dass bei einem Ausfall einer Sensoreinheit weiterhin eine Messung des Seilwinkels über die zweite Sensoreinheit möglich bleibt. Ebenso ergibt sich die Möglichkeit, Sensorfehler zu erkennen. Weiterhin ist es möglich, durch Differenzbildung der Meßwerte eine Rauschreduzierung zu erreichen, sowie durch Auswertealgoritmen eine Torsionskompensation, das heißt die Berücksichtigung einer Seilfeldverdrehung bei der Bestimmung des tatsächlichen Auslenkwinkels der Last, zu implementieren.Compared to known arrangements, in which a sensor unit is attached to the hook of the crane or only on a rope, this results in numerous advantages: on the one hand results in a redundancy of this safety-critical element, so that in case of failure of a sensor unit, a measurement of the rope angle on the second sensor unit remains possible. Likewise, there is the possibility of detecting sensor errors. Furthermore, it is possible to achieve a noise reduction by subtracting the measured values, as well as by evaluation algorithms to implement a torsion compensation, that is, the consideration of a cable field rotation in the determination of the actual deflection angle of the load.
Die von der Kransteuerung angesteuerten Stellwerke sind dabei vorteilhafterweise das Drehwerk zum Drehen des Kranes und/oder das Wippwerk zum Aufwippen des Auslegers. Durch die entsprechende Regelung dieser Ansteuerung über die Lastpendeldämpfung können so sphärische Schwingungen der Last am Seil verhindert werden.The controlled by the crane control signal boxes are advantageously the slewing gear for rotating the crane and / or the luffing mechanism for luffing the boom. By appropriate control of this control via the load oscillation damping so spherical vibrations of the load on the rope can be prevented.
Vorteilhafterweise umfasst die erste und die zweite Sensoreinheit dabei jeweils eine Gyroskopeinheit. Die Gyroskope messen dabei die Seilwinkelgeschwindigkeit, wobei vorteilhafterweise zwei Gyroskope vorgesehen sind, um die Seilwinkelgeschwindigkeit sowohl in radialer als auch in tangentialer Richtung zu messen. Gyroskope sind dabei für die Anforderungen der Regelung der Lastpendeldämpfung besonders gut geeignet.Advantageously, the first and the second sensor unit each comprise a gyroscope unit. The gyroscopes measure the rope angular velocity, advantageously two gyroscopes are provided to measure the rope angular velocity in both the radial and tangential directions. Gyroscopes are particularly well suited for the requirements of the control of the load oscillation damping.
Weiterhin vorteilhafterweise sind die erste und die zweite Sensoreinheit der vorliegenden Erfindung dabei jeweils in einem Seilfolgeelement angeordnet. Das Seilfolgeelement folgt dabei der Bewegung desjenigen Seilstrangs, welchem es zugeordnet ist. Die Sensoreinheit misst dann wiederum die Bewegung des Seilfolgeelementes, aus welcher die Bewegung des Seilstrangs bestimmt werden kann. Durch die Seilfolgeelemente ergibt sich eine besonders genaue und zuverlässige Seilwinkelmessung.Further advantageously, the first and the second sensor unit of the present invention are each arranged in a cable follower element. The cable follower element follows the movement of that cable strand to which it is assigned. The sensor unit in turn measures the movement of the cable follower element, from which the movement of the cable strand can be determined. By Seilfolgeelemente results in a particularly accurate and reliable rope angle measurement.
Vorteilhafterweise sind die Seilfolgeelemente dabei jeweils über ein kardanisches Gelenk mit dem Ausleger des Kranes verbunden und folgen der Bewegung des Seilstranges, welchem sie zugeordnet sind. Die Verbindung der Seilfolgeelemente über ein kardanisches Gelenk dient dabei jedoch vorteilhafterweise lediglich der mechanischen Verbindung sowie der Führung des Seilfolgeelementes, während die Sensoreinheiten die Bewegung der Seilfolgeelemente über die erfindungsgemäßen Gyroskopeinheiten bestimmen.Advantageously, the cable follower elements are each connected via a gimbal joint with the boom of the crane and follow the movement of the rope strand, which they are assigned. However, the connection of the cable follower elements via a gimbal joint advantageously serves only the mechanical connection and the guidance of the cable follower element, while the sensor units determine the movement of the cable follower elements via the gyroscope units according to the invention.
Vorteilhafterweise werden die von der ersten und der zweiten Sensoreinheit gemessenen Daten von einer ersten und einer zweiten Beobachterschaltung ausgewertet. Solche Beobachterschaltungen werden dabei eingesetzt, um Offsets und Störeinflüsse, wie z. B. Seiloberschwingungen, zu unterdrücken. Die Beobachterschaltungen dienen dabei der Integration der von den Gyroskopen gemessenen Seilwinkelgeschwindigkeiten und ermöglichen eine zuverlässige Bestimmung der Seilwinkel.Advantageously, the data measured by the first and the second sensor unit are evaluated by a first and a second observer circuit. Such observer circuits are used to offset and interference, such. B. Seiloberschwingungen to suppress. The observer circuits serve to integrate the cable angular velocities measured by the gyroscopes and allow a reliable determination of the cable angles.
Weiterhin vorteilhafterweise erfolgt erfindungsgemäß eine Kompensation der von der ersten und der zweiten Sensoreinheit gemessenen Daten bezüglich des Einbauwinkels der Sensoreinheiten und des Drehwinkels des Kranes. Hierdurch können Störeinflüsse, welche durch eine falsche Montage hervorgerufen werden, softwaretechnisch kompensiert werden. Befinden sich die Empfindlichkeitsebenen der verwendeten Gyroskope nicht exakt in tangentialer und radialer Richtung, sondern sind durch falsche Montage verkippt, messen die Sensoren die Drehgeschwindigkeit des Kranes anteilig mit. Dies wird durch die erfindungsgemäße Kompensation berücksichtigt.Further advantageously, according to the invention, a compensation of the data measured by the first and the second sensor unit takes place with respect to the installation angle of the sensor units and the angle of rotation of the crane. As a result, interference, which are caused by incorrect installation, be compensated software technology. If the sensitivity levels of the gyroscopes used are not exactly in the tangential and radial directions, but are tilted due to incorrect mounting, the sensors proportionally measure the rotational speed of the crane. This is taken into account by the compensation according to the invention.
Weiterhin vorteilhafterweise werden bei der erfindungsgemäßen Kransteuerung durch einen Vergleich der von der ersten und der zweiten Sensoreinheit gemessenen Daten Sensorfehler erkannt. Fällt eine der Sensoreinheiten aus, wird die Winkelgeschwindigkeit immer noch von der anderen Sensoreinheit erfaßt. Damit kann die Grundfunktion der Kransteuerung weiterhin sichergestellt werden. Durch Differenzbildung der Winkelsignale beider Sensoreinheiten in die jeweiligen Richtungen lässt sich weiterhin bei Überschreiten eines Schwellwertes ein Sensorfehler detektieren. Dabei kann der Kran bei Auftreten eines Sensorfehlers sofort in einen sicheren Zustand gebracht werden.Further advantageously, sensor errors are detected in the crane control according to the invention by comparing the data measured by the first and the second sensor unit. If one of the sensor units fails, the angular velocity is still detected by the other sensor unit. Thus, the basic function of the crane control can continue to be ensured. By subtraction of the angle signals of both sensor units in the respective directions can continue to detect a sensor error when a threshold value is exceeded. The crane can be brought to a safe condition immediately when a sensor fault occurs.
Weiterhin vorteilhafterweise werden in der Lastpendeldämpfung durch eine Mittelwertbildung aus den von der ersten und der zweiten Sensoreinheit bestimmten Seilwinkeln und/oder Seilwinkelgeschwindigkeiten die Torsionsschwingung des Seilfeldes berücksichtigt. Eine solche Seilfeldverdrehung würde bei Verwendung nur einer Sensoreinheit die zur Dämpfung der sphärischen Pendelschwingung der Last verwendete Regelung beeinflussen. Tritt nun bei der erfindungsgemäßen Kransteuerung eine Torsionsschwingung des Seilfeldes auf, messen die Sensoreinheiten auf den beiden Seilfolgeelementen exakt eine entgegengesetzte Störschwingung sowohl in tangentialer als auch in radialer Richtung. Durch die Mittelwertbildung kann der Einfluss dieser Torsionsschwingung jedoch erfindungsgemäß eliminiert werden.Further advantageously, the torsional vibration of the cable field is taken into account in the load oscillation damping by an averaging of the cable angles and / or cable angular velocities determined by the first and the second sensor unit. Such a cable field twist would affect the control used to dampen the spherical pendulum vibration of the load when using only one sensor unit. Now occurs in the inventive Crane control torsional vibration of the rope field, the sensor units on the two cable follower elements measure exactly an opposite parasitic oscillation both in the tangential and in the radial direction. By averaging the influence of this torsional vibration can, however, be eliminated according to the invention.
Weiterhin vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Lastpendeldämpfung dabei ein Bahnplanungsmodul auf, welches der Regelung Soll-Trajektorien vorgibt. Diese Soll-Trajektorien geben die Bewegungen vor, welche die Last vollführen soll, und dienen dann insbesondere bei der Verwendung eines invertierten Modells als als Eingangsgrößen der Regelung. Durch die nicht-lineare Regelung ergibt sich dabei eine besonders einfache Umsetzung des Bahnplanungsmoduls, da dieses lediglich Soll-Trajektorien für das lineare System aus nicht linearer Regelung und nicht linearem Kranverhalten vorgeben muss. Hierdurch lässt sich eine extrem schnelle Kransteuerung mit einem hervorragendem Ansprechverhalten gegenüber den von dem Kranführer mittels Eingabeelementen eingegebenen Vorgaben erreichen.Furthermore advantageously, the load-deflection device according to the invention has a path planning module which predetermines the regulation of target trajectories. These desired trajectories specify the movements which the load is to carry out and are then used, in particular, when using an inverted model as as input variables of the control. The non-linear control results in a particularly simple implementation of the path planning module, since this only has to specify desired trajectories for the linear system of non-linear control and non-linear crane behavior. This makes it possible to achieve an extremely fast crane control with an outstanding response to the specifications entered by the crane operator by means of input elements.
Vorteilhafterweise geht dabei der aktuelle Systemzustand des Krans, insbesondere die Position des Auslegers und/oder die von der ersten und der zweiten Sensoreinheit bestimmten Seilwinkel und/oder Seilwinkelgeschwindigkeiten als Eingangsgröße in den Bahnplanungsmodul ein. Insbesondere ist die Position des Auslegers hierbei von Bedeutung, da z. B. die maximal zu erreichende Radialgeschwindigkeit von dieser abhängt. Vorteilhafterweise gehen zudem die von der ersten und der zweiten Sensoreinheit bestimmten Seilwinkel und/oder Seilwinkelgeschwindigkeiten aus Eingangsgrößen in den Bahnplanungsmodul ein. Dieser zusätzliche Regelkreis ermöglicht somit eine nochmals genauere Bahnplanung unter Berücksichtigung des tatsächlichen Seilwinkels und/oder der tatsächlichen Seilwinkelgeschwindigkeit.Advantageously, the current system state of the crane, in particular the position of the jib and / or the cable angles and / or cable angular velocities determined by the first and second sensor units, enters the path planning module as an input variable. In particular, the position of the cantilever is important because z. B. depends on the maximum achievable radial velocity of this. Advantageously, the cable angles and / or cable angular velocities determined by the first and second sensor units also enter from input variables into the path planning module. This additional control loop thus enables a more accurate path planning taking into account the actual cable angle and / or the actual cable angular velocity.
Weiterhin vorteilhafterweise werden bei dem erfindungsgemäßen Bahnplanungsmodul Beschränkungen des Systems bei der Erzeugung der Soll-Trajektorien berücksichtigt. Hierdurch wird verhindert, dass die aus den Vorgaben des Kranführers berechneten Führungsgrößen die Stellgrößenbeschränkungen des Systems wie z. B. die maximale Geschwindigkeit verletzen. Insbesondere wenn auch der aktuelle Systemzustand des Krans als Eingangsgröße in den Bahnplanungsmodul eingeht, können so auch Beschränkungen des Systems berücksichtigt werden, welche von diesem Systemzustand abhängen. Beispielsweise hängt dabei die maximal mögliche radiale Geschwindigkeit von der Position des Auslegers ab.Furthermore advantageously, in the path planning module according to the invention, restrictions of the system in the generation of the desired trajectories are taken into account. This prevents that calculated from the specifications of the crane operator guide variables, the manipulated variable limitations of the system such. B. violate the maximum speed. In particular, even if the current system state of the crane enters into the path planning module as an input variable, restrictions of the system that depend on this system state can also be taken into account. For example, the maximum possible radial speed depends on the position of the cantilever.
Weiterhin vorteilhafterweise beruht die erfindungsgemäße Trajektoriengenerierung dabei auf einer Optimalsteuerung. Eine solche Optimalsteuerung lässt sich erfindungsgemäß besonders gut in Echtzeit umsetzen, da die erfindungsgemäße nicht-lineare Regelung eine besonders einfache Umsetzung des Bahnplanungsmoduls erlaubt.Further advantageously, the trajectory generation according to the invention is based on optimal control. According to the invention, such optimal control can be implemented particularly well in real time, since the nonlinear system according to the invention Regulation allows a particularly simple implementation of the path planning module.
Weiterhin vorteilhafterweise arbeitet das erfindungsgemäße Bahnplanungsmodul bei der Prädiktion innerhalb des Zeithorizonts mit einer ansteigenden Länge des Berechnungsintervalle. Durch solche nicht äquidistanten Stützpunkte für die Prädiktion ist es ebenfalls möglich, die Rechenzeit erheblich zu verkürzen. Dabei werden für die nahe Zukunft kurze Intervalle zwischen den Stützpunkten gewählt, während für die fernere Zukunft größere Intervalle gewählt werden, so dass sich insgesamt eine erheblich reduzierte Anzahl von Berechnungsschritten ergibt.Further advantageously, the path planning module according to the invention operates in the prediction within the time horizon with an increasing length of the calculation intervals. By such non-equidistant bases for the prediction, it is also possible to shorten the computing time considerably. In the near future, short intervals are chosen between the interpolation points, while larger intervals are selected for the distant future, so that overall a considerably reduced number of calculation steps results.
Weiterhin vorteilhafterweise geht auch die Position und die Geschwindigkeit des Auslegerkopfes in die Regelung der Lastpendeldämpfung ein. Hierdurch ergeben sich bei der erfindungsgemäßen Kransteuerung Regelkreise sowohl für die Position und die Geschwindigkeit des Auslegerkopfes, als auch für den Seilwinkel und/oder Seilwinkelgeschwindigkeit des Seiles.Furthermore advantageously, the position and the speed of the boom head is also involved in the regulation of the load oscillation damping. This results in the crane control according to the invention control loops both for the position and the speed of the boom head, as well as for the rope angle and / or rope angular velocity of the rope.
In einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist das erfindungsgemäße System mit zwei Sensoreinheiten dabei eines oder mehrere der Merkmale auf, welche vorher beschrieben wurden.In a particularly advantageous embodiment, the system according to the invention with two sensor units has one or more of the features which have been described previously.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin einen Kran zum Anheben einer Last, mit Stellwerken zum Bewegen des Kranes und der Last und mit einer Kransteuerung zur Ansteuerung der Stellwerke, wobei die Kransteuerung eine Lastpendeldämpfung zur Dämpfung von sphärischen Pendelschwingungen der Last aufweist und wobei der Kran mindestens zwei Seilstränge zum Heben der Last aufweist. Erfindungsgemäß sind dabei zwei Sensoreinheiten, welche den zwei Seilsträngen zugeordnet sind, vorgesehen, um die jeweiligen Seilwinkel und/oder Seilwinkelgeschwindigkeiten zu bestimmen. Weiterhin weist die Lastpendeldämpfung dabei eine Regelung auf, in welche die von den zwei Sensoreinheiten bestimmten Seilwinkel und/oder Seilwinkelgeschwindigkeiten eingehen. Durch einen solchen Kran ergeben sich die gleichen Vorteile, wie sie bereits weiter oben bezüglich der erfindungsgemäßen Kransteuerung beschrieben wurden.The present invention further comprises a crane for lifting a load, with interlocking mechanisms for moving the crane and the load and with a crane control for controlling the interlockings, wherein the crane control has a load sway loss for damping spherical pendulum vibrations of the load and wherein the crane at least two cable strands for lifting the load. According to the invention, two sensor units, which are assigned to the two cable strands, are provided in order to determine the respective cable angles and / or cable angular velocities. Furthermore, the load oscillation damping in this case has a control, in which enter the determined by the two sensor units rope angle and / or rope angular velocities. By such a crane, the same advantages as described above with respect to the crane control according to the invention result.
Weiterhin weist der erfindungsgemäße Kran dabei eine Kransteuerung auf, wie sie weiter oben beschrieben wurde.Furthermore, the crane according to the invention has a crane control, as described above.
Weiterhin vorteilhafterweise weist der erfindungsgemäße Kran als Stellwerke dabei ein Drehwerk zum Drehen des Kranes und/oder ein Wippwerk zum Aufwippen eines Auslegers auf, welche von der Kransteuerung angesteuert werden. Durch die entsprechende Regelung dieser Ansteuerung über die Lastpendeldämpfung können so sphärische Schwingungen der Last am Seil verhindert werden.Further advantageously, the crane according to the invention as interlockings while a slewing gear for rotating the crane and / or a luffing mechanism for luffing a boom, which are controlled by the crane control. By appropriate control of this control via the load oscillation damping so spherical vibrations of the load on the rope can be prevented.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zum Ansteuern der Stellwerke eines Kranes, welcher mindestens einen ersten und einen zweiten Seilstrang zum Heben der Last aufweist, wobei sphärische Pendelschwingungen der Last durch eine Lastpendeldämpfung gedämpft werden. Erfindungsgemäß werden dabei die Seilwinkel und/oder Seilwinkelgeschwindigkeiten des ersten und des zweiten Seilstranges über eine erste und eine zweite Sensoreinheit, welche dem ersten und dem zweiten Seilstrang zugeordnet sind, bestimmt und gehen in die Regelung der Lastpendeldämpfung ein. Durch dieses Verfahren ergeben sich die gleichen Vorteile, wie sie weiter oben im Bezug auf die Kransteuerung beschrieben wurden.The present invention further comprises a method for driving the interlocking of a crane, which has at least a first and a second cable string for lifting the load, wherein spherical pendulum vibrations of the load are damped by a load oscillation damping. According to the invention, the cable angles and / or cable angular velocities of the first and the second cable strand via a first and a second sensor unit, which are assigned to the first and the second cable strand, determined and go into the regulation of the load oscillation damping. By this method, the same advantages as described above in relation to the crane control result.
Vorteilhafterweise erfolgt dabei erfindungsgemäß eine Kompensation der von der ersten und der zweiten Sensoreinheit gemessenen Daten bezüglich des Einbauwinkels der Sensoreinheiten und des Drehwinkels des Kranes. Hierdurch können Abweichungen des Einbauwinkels der Sensoreinheiten von einer exakten radialen bzw. tangentialen Ausrichtung kompensiert werden.Advantageously, according to the invention, a compensation of the data measured by the first and the second sensor unit with respect to the installation angle of the sensor units and the rotation angle of the crane. As a result, deviations of the installation angle of the sensor units can be compensated by an exact radial or tangential alignment.
Weiterhin vorteilhafterweise wird durch einen Vergleich der von der ersten und der zweiten Sensoreinheit gemessenen Daten Sensorfehler erkannt. Dabei kann durch den erfindungsgemäßen Einsatz zweier Sensoreinheiten, welche den jeweiligen Seilsträngen zugeordnet sind, die hierdurch gewonnene Redundanz ausgenutzt werden.Further advantageously, sensor errors are detected by comparing the data measured by the first and second sensor units. It can be exploited by the inventive use of two sensor units, which are assigned to the respective cable strands, the redundancy gained thereby.
Weiterhin vorteilhafterweise wird in der Lastpendeldämpfung weiterhin durch eine Mittelwertbildung aus den von der ersten und der zweiten Sensoreinheit bestimmten Seilwinkeln und/oder Seilwinkelgeschwindigkeiten die Torsionsschwingung des Seilfeldes berücksichtigt. So kann Lastpendeldämpfung berücksichtigt werden, dass auch Torsionsschwingungen des Seilfeldes auftreten, welche die Daten der Sensoreinheiten beeinflussen.Furthermore advantageously, the torsional vibration of the cable field is taken into account in the load oscillation damping by an averaging of the cable angles and / or cable angular velocities determined by the first and the second sensor unit. So load swing damping can be taken into account that also torsional vibrations of the rope field occur, which influence the data of the sensor units.
Vorteilhafterweise erfolgt das erfindungsgemäße Verfahren dabei mit einer Kransteuerung, wie sie weiter oben beschrieben wurde.Advantageously, the method according to the invention is carried out with a crane control, as described above.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher dargestellt. Dabei zeigen:
- Figur 0a:
- ein Ausführungsbeispiel eines Hafenmobilkrans,
- Figur 0b:
- ein Ausführungsbeispiel eines Seilfolgeelements einer Kransteuerung,
- Figuren 1a, 1b:
- die Schwingung der Last, wenn das Seil vor dem Anheben der Last nicht lotrecht ausgerichtet wurde,
- Figuren 2a - 2c:
- ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens, bei welchem ein Ungleichgewicht der Last ausgeglichen wird,
- Figuren 3a - 3c:
- ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens, bei welchem das Nachgeben der Kranstruktur bei Belastung ausgeglichen wird,
- Figur 4a:
- ein Ausführungsbeispiel eines Off-Shore-Krans mit entsprechender Auslenkung des Seiles aus der Lotrechten durch eine Bewegung eines Schiffs und
- Figur 4b:
- die grafische Darstellung eines zulässigen Seilwinkelbereiches.
- Figur 5:
- ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei welchem zwei Seilstränge mit jeweils zugeordneten Sensoreinheiten vorgesehen sind,
- Figur 6:
- eine Torsionsschwingung des Seilfeldes aus erstem und zweitem Seilstrang,
- Figur 7:
- ein Prinzipschaubild der bei einer Torsionsschwingung des Seilfeldes gemessenen Seilgeschwindigkeiten,
- Figur 8:
- eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Kranes,
- Figur 9:
- eine Prinzipdarstellung des Wippwerkes des erfindungsgemäßen Kranes,
- Figur 10:
- eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Kransteuerung,
- Figur 11:
- einen Vergleich der Vorgaben des Kranführers mit einer Soll-Trajektorie, welche von dem erfindungsgemäßen Bahnplanungsmodul generiert wird,
- Figur 12a:
- einen Vergleich einer Soll-Trajektorie mit der tatsächlichen Bewegung der Last bezüglich der Lastgeschwindigkeit,
- Figur 12b:
- einen Vergleich einer Soll-Trajektorie mit der tatsächlichen Bewegung der Last bezüglich der Lastposition,
- Figur 13:
- die Geschwindigkeit des Auslegerkopfes im Vergleich mit der Sollgeschwindigkeit der Last sowie dem durch die Bewegung entstehenden radialen Seilwinkel und
- Figur 14:
- die Zeit, welche zur Berechnung der Soll-Trajektorien benötigt wird.
- Figure 0a:
- an embodiment of a mobile harbor crane,
- FIG. 0b:
- an embodiment of a cable follower element of a crane control,
- FIGS. 1a, 1b:
- the vibration of the load, if the rope was not aligned vertically before lifting the load,
- FIGS. 2a-2c:
- an embodiment of a method in which an imbalance of the load is compensated,
- FIGS. 3a-3c:
- an embodiment of a method in which the yielding of the crane structure is balanced under load,
- FIG. 4a
- an embodiment of an off-shore crane with corresponding deflection of the rope from the vertical by a movement of a ship and
- FIG. 4b:
- the graphical representation of a permissible rope angle range.
- FIG. 5:
- An embodiment of the present invention, in which two cable strands are provided with respective associated sensor units,
- FIG. 6:
- a torsional vibration of the rope field of first and second strand of rope,
- FIG. 7:
- a schematic diagram of the measured during a torsional vibration of the rope field cable speeds,
- FIG. 8:
- a schematic diagram of the crane according to the invention,
- FIG. 9:
- a schematic diagram of the luffing mechanism of the crane according to the invention,
- FIG. 10:
- a schematic diagram of the crane control according to the invention,
- FIG. 11:
- a comparison of the specifications of the crane operator with a desired trajectory, which is generated by the path planning module according to the invention,
- FIG. 12a:
- a comparison of a desired trajectory with the actual movement of the load with respect to the load speed,
- FIG. 12b:
- a comparison of a desired trajectory with the actual movement of the load with respect to the load position,
- FIG. 13:
- the speed of the boom head in comparison with the target speed of the load and the resulting by the movement of the radial rope angle and
- FIG. 14:
- the time needed to calculate the desired trajectories.
In
Wie insbesondere in der Draufsicht dargestellt, kann die Last durch Drehen des Turmes 3 in tangentialer Richtung und durch Aufwippen des Auslegers 1 in radialer Richtung bewegt werden. In vertikaler Richtung wird dir Last 10 dabei durch das Aufwippen des Auslegers 1 und die Veränderung der Länge des Seils 20 bewegt. Zu dem kann die Last 10 durch die Rotatoreinheit an der Lastaufnahmevorrichtung rotiert werden.As shown in particular in the plan view, the load can be moved by rotating the
Ein erstes Ausführungsbeispiel des in
Die erfindungsgemäße Kransteuerung kann dabei jedoch nicht nur bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel, also einem Hafenmobilkran, zum Einsatz kommen, sondern ebenso vorteilhafterweise bei anderen Kranen, wie z. B. bei Schiffskranen, Off-Shore-Kranen, Autokranen und Raupenkranen.However, the crane control according to the invention can be used not only in the illustrated embodiment, ie a mobile harbor crane, but also advantageously in other cranes, such as. As in ship cranes, off-shore cranes, truck cranes and crawler cranes.
Die Sensoreinheit zur Bestimmung des Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung ist dabei insbesondere bei Auslegerkränen von besonderem Vorteil, da bei diesen bekannte Systeme, wie sie z. B. bei Kränen mit einer lediglich in horizontaler Richtung bewegbaren Laufkatze zum Einsatz kommen und welche über Meßkamerasysteme arbeiten, nicht einsetzbar sind. Bei Auslegerkränen würden solche Meßkamerasysteme nämlich zusammen mit dem Ausleger mitbewegt und damit lediglich den Winkel des Seils gegenüber dem Ausleger, nicht aber gegenüber der Lotrechten bestimmen. Zudem müßten solche Systeme immer direkt hinter dem Seilfixpunkt am Auslegerkopf angeordnet sein, was bei einem über eine Umlenkrolle am Auslegerkopf geführten beweglichen Seil jedoch kaum möglich ist.The sensor unit for determining the cable angle relative to the direction of gravitational force is particularly advantageous in the case of jib cranes, since in these known systems, as they are known, for example. B. in cranes with a movable only in the horizontal direction trolley are used and which work on Meßkamerasysteme not be used. In the case of jib cranes, such measuring camera systems would in fact move together with the jib and thus only determine the angle of the rope with respect to the jib, but not with respect to the vertical. In addition, such systems would always have to be located directly behind the cable fix point on the boom head, which is hardly possible with a guided over a pulley on the boom head movable rope.
Die Sensoreinheit zur Bestimmung des Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung kann dagegen problemlos in einem Seilfolgeelement 35, wie es in
Das in
Weiterhin vorteilhafterweise ist in dem Ausführungsbeispiel am Seilfolgeelement 35 zudem eine Gyroskopeinheit angeordnet, über welche die Seilwinkelgeschwindigkeit in radialer und tangentialer Richtung gemessen werden kann, wofür mindestens zwei entsprechend ausgerichtete Gyroskope verwendet werden. Die Daten der Gyroskope stehen dabei vorteilhafterweise einer Lastpendeldämpfung zur Verfügung, welche das Pendeln der Last bei einer Bewegung des Kranes verhindert.Further advantageously, in the exemplary embodiment, a gyroscope unit is additionally arranged on the
Sind mehrere Seilstränge vorgesehen, über welche das Lastaufnahmeelement am Ausleger aufgehängt ist, sind vorteilhafterweise mindestens zweien dieser Seilstränge entsprechende Seilfolgeelemente 35 zugeordnet, um auch die Seilfeldverdrehung, welche aus einer Verdrehung des Lastaufnahmeelements aus der Seilfeldebene resultiert, berücksichtigen zu können. Vorteilhafterweise sind die Seilfolgeelemente dabei auf den jeweils außen angeordneten Seilsträngen angeordnet, so dass sich eine Seilfeldverdrehung maximal in der Differenz der Seilwinkel ausdrückt. Der tatsächliche Seilwinkel relativ zur Gravitationskraftrichtung, welcher eine Auslenkung der Last aus der Lotrechten entspricht, kann dabei durch eine Mittelung der Werte aus den Sensoreinheiten an den jeweiligen Seilfolgeelementen bestimmt werden, die Verdrehung der Last aus der Differenz der Werte.If a plurality of cable strands is provided, via which the load-bearing element is suspended on the boom, corresponding
Das Kardangelenk 32 und 33 dient dabei lediglich der mechanischen Verbindung des Seilfolgeelements 35 mit dem Auslegerkopf 30, die Messung des Seilwinkels erfolgt allein über die in den Seilfolgeelementen 35 integrierten Sensoreinheiten, nicht aber durch eine Bestimmung des Winkels zwischen dem Seilfolgeelement 35 und dem Ausleger 30. Hierdurch könnte nämlich lediglich die relative Ausrichtung des Seils bezüglich des Auslegers 30 bestimmt werden, nicht jedoch der Seilwinkel des Seils 20 relativ zur Gravitationskraftrichtung.The
In einem weiteren Ausführungsbeispiel , bei welchem über mindestens den ersten und den zweiten Seilstrang das Lastaufnahmeelement am Ausleger aufgehängt ist, sind diesen ebenfalls entsprechende Seilfolgeelemente 35 zugeordnet, welche mit Gyroskopeinheiten ausgestattet sind und so die Seilgeschwindigkeit dieser Seilstränge bestimmen. Die Bestimmung der Seilgeschwindigkeiten des ersten und des zweiten Seilstranges ermöglicht es, bei der Lastpendeldämpfung zur Dämpfung sphärischer Pendelschwingungen der Last die Seilfeldverdrehung zu berücksichtigen sowie Messfehler zu korrigieren. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann auch auf die Sensoreinheiten zur Bestimmung des Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung verzichtet werden und die Seilfolgeelemente 35 lediglich mit Gyroskopeinheiten ausgestattet werden.In a further embodiment, wherein at least the first and the second cable strand, the load-receiving element is suspended on the boom, these are also associated with corresponding
Alternativ zur Anordnung der Sensoreinheit zur Bestimmung des Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung an einem Seilfolgeelement 35 könnte diese ebenso z. B. am Seilaufnahmemittel angeordnet werden, wobei die Seilfolgeelemente jedoch insbesondere bei mehreren Seilsträngen eine verbesserte Möglichkeit zur Bestimmung der Verdrehung der Last bieten.As an alternative to the arrangement of the sensor unit for determining the cable angle relative to the gravitational force direction on a
Da die Lastpendeldämpfungen, welche in
Um das Seil nun vor dem Anheben der Last bzw. beim Anheben lotrecht auszurichten, so dass die Last ohne ein Ausschwingen angehoben werden kann, ist nunmehr die erfindungsgemäße Kransteuerung mit der erfindungsgemäßen Sensoreinheit zur Bestimmung eines Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung vorgesehen.In order to align the rope vertically before lifting the load or when lifting, so that the load can be lifted without swinging, the crane control according to the invention is now provided with the sensor unit according to the invention for determining a rope angle relative to the direction of gravity force.
Zudem kann die Last 10, bevor sie freikommt, unkontrolliert verrutschen oder durch ein ungleichmäßiges freikommen unkontrolliert verdreht werden. In
Um eine solche Auslenkung des Seiles 20 aus der Lotrechten zu Beginn des Hubes zu vermeiden, weist die Kransteuerung deshalb eine Anzeige auf, welche den Seilwinkel ϕ des Seils 20 relativ zur Gravitationskraftrichtung, das heißt zur Lotrechten, anzeigt. Die Anzeige kann dabei z. B. zum einen eine lotrechte Seilstellung optisch und/oder akustisch anzeigen und zudem die Richtung angeben, in welche das Seil 20 von der Lotrechten ausgelenkt ist.In order to avoid such a deflection of the
Eine solche Anzeige kann damit z. B. Anzeigeelemente für eine Auslenkung nach vorne bzw. hinten und Anzeigeelemente für eine Auslenkung nach links oder rechts aufweisen, welche eine Auslenkung in radialer bzw. in tangentialer Richtung anzeigen.Such a display can thus z. B. display elements for a forward or rearward deflection and display elements for a deflection to the left or right, which indicate a deflection in the radial or in the tangential direction.
Alternativ kann auch die horizontale Abweichung der Last aus einer Nullstellung, welcher einer lotrechten Ausrichtung des Seils entspricht, angezeigt werden. Insbesondere ist hierbei eine graphische Anzeige der Nullstellung und der Abweichung der Last denkbar, so dass dem Kranführer die absolute Auslenkung der Last direkt angezeigt wird.Alternatively, the horizontal deviation of the load from a zero position, which corresponds to a vertical orientation of the rope, can be displayed. In particular, in this case a graphical display of the zero position and the deviation of the load is conceivable, so that the crane operator, the absolute deflection of the load is displayed directly.
Durch eine solche Anzeige kann der Kranführer den Kran zu Beginn des Hubes problemlos so ausrichten, dass das Seil 20 lotrecht über der Last 10 angeordnet ist. Die korrekte lotrechte Seilstellung kann dann z. B. akustisch durch einen Signalton angezeigt werden.By such a display, the crane operator can easily align the crane at the beginning of the stroke so that the
In einer alternativen Ausführungsform ist dabei, gegebenenfalls zusätzlich zur Anzeige, eine Funktion zur automatischen Ausrichtung des Seils in lotrechter Richtung vorgesehen. Durch Betätigen dieser Funktion richtet sich der Kran nach Befestigung des Lastaufnahmemittels an der Last automatisch so aus, dass das Seil sich in der Lotrechten befindet. Um bei einer Fehlfunktion der Sensoreinheit ein unkontrolliertes Bewegen des Kranes zu vermeiden, ist diese automatische Funktion vorteilhafterweise z. B. mit einer Seilkraftmeßeinrichtung verbunden, welche bei Fehlern den automatischen Betrieb ausschaltet.In an alternative embodiment, a function for automatic alignment of the rope in the vertical direction is provided, optionally in addition to the display. By activating this function, the crane automatically aligns with the load after attaching the load handler so that the rope is in the vertical position. In order to avoid an uncontrolled movement of the crane in case of malfunction of the sensor unit, this automatic function is advantageously z. B. connected to a Seilkraftmeßeinrichtung, which switches off the automatic operation in case of errors.
Bei Verwendung mehrerer Seilstränge zwischen Auslegerkopf und Lastaufnahmemittel kann zudem die Seilfeldverdrehung über mehrere Sensoreinheiten bestimmt werden. Diese Seilfeldverdrehung entspricht der Verdrehung des Lastaufnahmemittels, z. B. eines Spreaders, und würde beim Anheben der Last zu einer Rotation der Last führen. Um dies zu verhindern, wird vorteilhafterweise, gegebenenfalls neben dem Seilwinkel relativ zur Gravitationskraftrichtung bzw. der horizontalen Abweichung der Last, auch die Verdrehung des Seilfeldes angezeigt. Weist das Lastaufnahmemittel eine Rotoreinrichtung auf, kann hierdurch vor dem Hub die Seilfeldverdrehung auf 0 gestellt werden, um eine Rotation der Last 10 beim Anheben zu verhindern. Auch hierzu kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel vorteilhafterweise eine Funktion zur automatischen Ausrichtung der Rotoreinrichtung vorgesehen sein.When using a plurality of cable strands between the boom head and the load-carrying device, the cable field rotation can also be determined via a plurality of sensor units. This rope field twist corresponds to the rotation of the load-receiving means, for. As a spreader, and would lead to a rotation of the load when lifting the load. To prevent this, advantageously, in addition to the rope angle relative to the direction of gravitational force or the horizontal deviation of the load, also the rotation of the rope field is advantageously displayed. If the load receiving means has a rotor device, the cable field twist can hereby be set to 0 before the stroke, in order to prevent rotation of the
Weiterhin weist ein Ausführungsbeispiel der Kransteuerung neben der Anzeige eine Warneinrichtung auf, welche den Kranführer bei Überschreiten zulässigen Wertebereichs für eine sich aus dem gemessenen Seilwinkel ergebende Abweichung, insbesondere für den Seilwinkel relativ zur Gravitationskraftrichtung, für die horizontale Abweichung der Last und/oder die Seilfeldverdrehung durch ein optisches und/oder akustisches Signal warnt. Hierdurch hat der Kranführer die Möglichkeit, eine zu starke Auslenkung des Seils zu verhindern und so den Kran z. B. vor Überlastung zu schützen. Ebenso kann so ein zu starkes Pendeln der Last beim Anheben vermieden werden.Furthermore, an embodiment of the crane control next to the display on a warning device, which the crane operator when exceeding permissible value range for a resulting from the measured rope angle deviation, in particular for the rope angle relative to the direction of gravity force, for the horizontal deviation of the load and / or the rope field rotation by an optical and / or acoustic signal warns. As a result, the crane operator has the ability to prevent excessive deflection of the rope and so the crane z. B. to protect against overload. Likewise, too much oscillation of the load when lifting can be avoided.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann, gegebenenfalls zusätzlich zur Warneinrichtung, eine automatische Sicherungseinrichtung, z.B. in Form einer Überlastsicherung vorgesehen sein, welche beim Überschreiten des zulässigen Wertebereichs automatisch in die Steuerung des Kranes eingreift. Insbesondere stoppt die automatische Überlastsicherung dabei die Bewegung des Kranes, um eine Überlast zu verhindern. Die Überlastsicherung kann dabei in die Lastmomentbegrenzung des Kranes integriert sein, welche den Kran so gegen Belastung durch einen zu großen Seilwinkel schützt.In an alternative embodiment, optionally in addition to the warning device, an automatic security device, e.g. be provided in the form of an overload protection, which automatically engages in the control of the crane when the permissible value range is exceeded. In particular, the automatic overload protection stops the movement of the crane in order to prevent overloading. The overload protection can be integrated into the load torque limit of the crane, which protects the crane against loading by a too large rope angle.
Weiterhin ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass das Anheben der Last 10 nicht möglich ist, so lange sich der Seilwinkel bzw. die Seilfeldverdrehung nicht im zulässigen Bereich befindet. Hierdurch wird ein ungewolltes Pendeln der Last 10 beim Anheben effektiv verhindert.Furthermore, it is provided in a further embodiment that the lifting of the
In
In
Deshalb wird in einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens während des Anhebens der Last 10 die Abweichung des Seilwinkels von der Lotrechten bestimmt. Im einfachsten Ausführungsbeispiel überprüft der Kranführer dabei auf der Anzeige den Seilwinkel bzw. die horizontale Abweichung und stellt den Kran während dem Hub nach, um die Abweichung des Seilwinkels von der Lotrechten durch das Ungleichgewicht der Last wieder auszugleichen. Bei einem verbesserten Ausführungsbeispiel wird das Ungleichgewicht der Last aus der Abweichung des Seilwinkels von der Lotrechten bestimmt und angezeigt, so dass der Kranführer besser reagieren kann.Therefore, in one embodiment of the method during the lifting of the
In der in
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Lastaufnahmemittel eine Vorrichtung zur insbesondere linearen Bewegung der Last 10 relativ zum Lastaufnahmepunkt 25 auf, über welche der Schwerpunkt 26 der Last ohne ein Verkippen der Last 10 unterhalb des Lastaufnahmepunkts 25 angeordnet werden kann. Hierzu weist das Lastaufnahmemittel, z. B. ein Spreader, z. B. eine Längsverschiebung des Lastaufnahmepunkts 25 relativ zur Last, z. B. einem Container, auf.In an embodiment not shown, the load receiving means comprises a device for the particular linear movement of the
Wird nun beim Anheben der Last eine Abweichung des Seilwinkels von der Lotrechten festgestellt, kann der Kranführer den Lastaufnahmepunkt so lange relativ zur Last verfahren, bis das Seil wieder lotrecht ausgerichtet ist. Ebenso kann anhand der Abweichung des Seilwinkels von der Lotrechten das Ungleichgewicht der Last bestimmt und angezeigt werden, so dass der Kranfahrer die Ansteuerung der Längsverstellung des Spreaders anhand dieser Anzeige vornehmen kann. Ebenso ist eine automatische Verstellung des Spreaders denkbar.If, when lifting the load, a deviation of the rope angle from the perpendicular is detected, the crane operator can move the load-bearing point relative to the load until the rope is again aligned vertically. Likewise, based on the deviation of the rope angle of the vertical, the imbalance of the load can be determined and displayed, so that the crane driver controlling the Longitudinal adjustment of the spreader can make use of this display. Likewise, an automatic adjustment of the spreader is conceivable.
Eine solche Verstellung des Spreaders anhand der Abweichung des Seilwinkels von der Lotrechten ist von besonderem Vorteil, da ein Verkippen der Container insbesondere beim Verladen in ein Schiff zu einem Verklemmen der Container führen kann, durch welches das Verladen erheblich behindert werden kann.Such an adjustment of the spreader on the basis of the deviation of the rope angle from the vertical is of particular advantage, since a tilting of the container, in particular when loading into a ship can lead to jamming of the container, through which the loading can be significantly impeded.
In
Erfindungsgemäß wird diese Abweichung in einem ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens vom Kranführer anhand der Anzeige des Seilwinkels beim Anheben der Last ausgeglichen. Ebenso kann die Abweichung des Seilwinkels von der Lotrechten durch das Nachgeben der Kranstruktur unter der Belastung bestimmt werden, welche dann angezeigt werden kann, um die Arbeit des Kranführers zu erleichtern. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist auch eine automatische Nachführung des Krans zur lotrechten Ausrichtung auf Grundlage der Daten der Sensoreinheit zur Bestimmung eines Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung möglich. Ist der Seilwinkel wieder in der lotrechten ausgerichtet, kann die Last, wie in
In
Um dieser Situation Rechnung zu tragen, ist in einem Ausführungsbeispiel der Kransteuerung eine Überlastfunktion vorgesehen, welche gegebenenfalls neben den oben beschriebenen Warn- und Sicherheitsfunktionen eingesetzt werden kann. Um z. B. eine Zerstörung des Krans zu verhindern, wenn sich das Seil 20 am Schiff 60 verhakt und die Bewegung des Schiffes 60 den Kran zu überlasten droht, werden Gegenmaßnahmen eingeleitet, wenn der Seilwinkel einen maximal zulässigen Bereich überschreitet. Insbesondere kann hierbei die Bewegung des Krans teilweise freigegeben werden, z. B. indem das Seil 20 freigegeben wird oder die Drehbewegung des Turmes 3. Diese Freigabe erfolgt dabei kontrolliert mit einer gewissen Gegenkraft, um plötzliche Kraftstöße zu vermeiden.In order to take this situation into account, an overload function is provided in one exemplary embodiment of the crane control, which optionally can be used in addition to the warning and safety functions described above. To z. B. to prevent destruction of the crane, when the
Hierdurch kann auf Grundlage des Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung eine einfach auszuführende Überlastsicherung realisiert werden, welche nur anhand eines Seilskraftsensors nur schwierig zu realisieren ist. Durch eine solche Überlastsicherung, welche eine teilweise Freigabe der Kranbewegung bewirkt, kann zudem ein unkontrolliertes Schleifen der Last 10 über das Schiff 60 verhindert werden.In this way, based on the cable angle relative to the direction of gravity force, an overload protection that is simple to perform can be realized, which can only be realized with difficulty by means of a cable force sensor. By such an overload protection, which causes a partial release of the crane movement, also an uncontrolled grinding of the
Der zulässige Bereich 70 für den Seilwinkel in X- und Y-Richtung ist z.B. in
Durch die erfindungsgemäße Bestimmung des Seilwinkels relativ zur Lotrechten durch eine Sensoreinheit zur Bestimmung eines Seilwinkels relativ zur Gravitationskraftrichtung und die entsprechenden erfindungsgemäßen Kransteuerungen und Kransteuerungsverfahren ist neben einer einfacheren Bedienung und Ausrichtung des Kranes auch eine erheblich erhöhte Sicherheit beim Hub von Lasten möglich.The determination according to the invention of the cable angle relative to the vertical by a sensor unit for determining a cable angle relative to the gravitational force direction and the corresponding crane controls and crane control method according to the invention, in addition to a simpler operation and alignment of the crane and a significantly increased safety when lifting loads possible.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist der Kran mindestens einen ersten und einen zweiten Seilstrang auf, welche das Lastaufnahmemittel mit der Auslegerspitze verbinden. Insbesondere ist dabei eine verbesserte Dämpfung der sphärischen Schwingungen der Last durch die erfindungsgemäße Kransteuerung gegeben.In one embodiment of the present invention, the crane has at least a first and a second strand of rope connecting the load handling means to the boom tip. In particular, an improved damping of the spherical vibrations of the load is provided by the crane control according to the invention.
Regelungs- und Automatisierungskonzepte für Kräne, die die Pendelbewegung der Last am Seil bei einer Kranbewegung verhindern, sind auf die genaue Messung der Seilwinkel angewiesen. Insbesondere bei Auslegerkränen ist es dabei vorteilhaft, nicht direkt die Seilwinkel über beispielsweise Bildverarbeitende Methoden zu bestimmen, sondern die Winkelgeschwindigkeiten mittels Gyroskopen zu messen.Control and automation concepts for cranes, which prevent the pendulum movement of the load on the rope during a crane movement, depend on the exact measurement of the rope angles. In particular, in the case of jib cranes, it is advantageous not to directly determine the rope angles via, for example, image processing methods, but to measure the angular velocities by means of gyroscopes.
Da die Gyroskopsignale allerdings Offsetbehaftet sind und auch Störeinflüsse, wie Seiloberschwingungen, erfassen, werden Beobachterschaltungen für die Integration der Geschwindigkeiten zu den Seilwinkeln eingesetzt.However, since the gyroscope signals are offset and also detect disturbances such as rope harmonics, observer circuits are used to integrate the velocities to the cable angles.
Um die Winkelgeschwindigkeiten der pendelnden Last zu erfassen, werden die Gyroskope mittels einer mechanischen Konstruktion am Seil unter der Auslegerspitze befestigt. Notwendig für die Erfassung der sphärischen Lastschwingung sind zwei Gyroskope, die in tangentialer und radialer Richtung angeordnet sind.To detect the angular velocities of the oscillating load, the gyroscopes are attached to the rope under the cantilever tip by means of a mechanical construction. Necessary for the detection of the spherical load vibration are two gyroscopes, which are arranged in the tangential and radial directions.
Wie in
Die Gyroskopsignale (Winkelgeschwindigkeiten in tangentialer und radialer Richtung) beider Seilfolgeelemente werden mit identischen Algorithmen aufbereitet und verarbeitet. Zunächst werden Störeinflüsse, die durch falsche Montage hervorgerufen werden, softwaretechnisch kompensiert (siehe Gleichung 0.1). Sind die Empfindlichkeitsebenen der Gyroskopsensoren nicht exakt in tangentialer und radialer Richtung sondern durch falsche Montage verkippt, messen die Sensoren die Drehgeschwindigkeit des Kranes anteilig mit.
Der Einbau- oder Montagewinkel für jeden Gyroskopsensor auf beiden Seilfolgeelemente ist jeweils ϕeinbau , ϕ̇D ist die Drehgeschwindigkeit des Krans, ϕ̇ t/rmess ist die tangentiale oder radiale Winkelgeschwindigkeit und ϕ̇ t/rkomp ist das resultierende kompensierte Gyroskopsignal.The mounting or mounting angle for each gyroscopic sensor on both cable follower elements is φ installed , φ̇ D is the crane's rotational speed, φ̇ t / rmess is the tangential or radial angular velocity, and φ̇ t / rkomp is the resulting compensated gyroscope signal .
Weiterhin werden die kompensierten Messsignale mit einer Beobachterschaltung offsetfrei zu den Seilwinkeln integriert. Nach dieser Aufbereitung stehen nun die Seilwinkel für beide Seilfolgeelemente in tangentialer und radialer Richtung zur Verfügung.Furthermore, the compensated measuring signals are integrated offset-free to the cable angles with an observer circuit. After this preparation, the rope angles are now available for both cable follower elements in tangential and radial directions.
Die Erweiterung des Messkonzeptes um das zweite Seilfolgeelement führt zu zwei wesentlichen Vorteilen gegenüber der Variante mit nur einem Seilfolgeelement oder der Variante mit den Gyroskopsensoren im Haken.The extension of the measurement concept by the second cable follower element leads to two significant advantages over the variant with only one cable follower element or the variant with the gyroscope sensors in the hook.
Der erste Vorteil ist die Redundanz der Messung des Lastpendelns. Fällt ein Sensor auf einer der beiden Seilfolgeelemente aus, wird die Winkelgeschwindigkeit immer noch von dem Sensor der anderen Halterung erfasst. Damit kann die Grundfunktion der Kransteuerung (die Pendeldämpfung und Trajektorienfolge) sichergestellt werden. Durch Differenzbildung der Winkelsignale beider Seilfolgeelemente in die jeweiligen Richtungen lässt sich weiterhin bei Überschreiten eines Schwellwertes ein Sensorfehler detektieren. Somit kann der Kran bei Auftreten eines Sensorfehlers sofort in einen sicheren Zustand gebracht werden.The first advantage is the redundancy of the load swing measurement. If a sensor fails on one of the two cable follower elements, the angular velocity is still detected by the sensor of the other mount. Thus, the basic function of the crane control (the pendulum damping and Trajektorienfolge) can be ensured. By subtraction of the angular signals of both cable follower elements in the respective directions can continue when a threshold value is exceeded detect a sensor error. Thus, the crane can be immediately brought to a safe condition when a sensor error occurs.
Der zweite Vorteil ist die Möglichkeit der Kompensation der Torsionsschwingung der Last. Dabei wird, wie Gleichung 0.2 zeigt, der Mittelwert der Winkelsignale der beiden Seilfolgeelemente in die entsprechende Richtung berechnet.
Der Seilwinkel in tangentiale Richtung ϕt berechnet sich also aus dem Mittelwert der beobachteten Winkelsignale der Halterung 41 ϕ tbeobH1 und Halterung 42 ϕ tbeobH2. Gleiches gilt für den Seilwinkel in radiale Richtung symbolisiert durch den Indize r. Tritt eine Torsion der Last mit der Winkelgeschwindigkeit ϕ̇Torsion auf, messen die Gyroskope auf den Seilfolgeelemente 41 und 42 exakt eine entgegen gesetzte Störschwingung sowohl in tangentialer als auch in radialer Richtung. Damit kann durch die Mittelwertbildung der Einfluss der Torsionsschwingung eliminiert werden. Die erfindungsgemäße Regelung der Lastpendeldämpfung, in welche die von den zwei Gyroskopeinheiten erzeugten Daten eingehen, wird nun im folgenden näher dargestellt.The cable angle in the tangential direction φ t is thus calculated from the mean value of the observed angle signals of the
In dem betrachteten Fall ist die Dynamik der Auslegerbewegung durch einige vorherrschende nichtlineare Wirkungen gekennzeichnet. Die Verwendung eines linearen Steuergerät würde daher große Fehler bei der Trajektoriennachführung und ungenügende Dämpfung der Lastpendelung bewirken. Um diese Probleme zu überwinden, nutzt die vorliegende Erfindung ein nichtlineares Steuerungsvorgehen, das auf der Umkehr eines vereinfachten nichtlinearen Modells beruht. Dieses Steuerungsvorgehen für die Wippbewegung eines Auslegerkrans erlaubt eine schwenkfreie Lastbewegung in radialer Richtung. Durch Verwenden einer zusätzlichen stabilisierenden Regelungsschleife zeigt die sich ergebende erfindungsgemäße Kransteuerung eine hohe Genauigkeit der Trajektoriennachführung und eine gute Dämpfung der Lastpendelung. Messergebnisse werden vorgelegt, um die gute Leistung des nichtlinearen Trajektoriennachführungssteuergeräts zu validieren.In the case considered, the dynamics of boom movement is characterized by some predominant non-linear effects. The use of a linear controller would therefore cause large errors in trajectory tracking and inadequate damping of the load swing. To overcome these problems, the present invention utilizes a non-linear control approach based on the reversal of a simplified nonlinear model. This control procedure for the rocking movement of a jib crane allows a swing-free load movement in the radial direction. By using an additional stabilizing control loop, the resulting inventive Crane control a high accuracy Trajektoriennachführung and a good damping of load oscillation. Measurement results are presented to validate the good performance of the nonlinear trajectory tracking controller.
Auslegerkrane wie der LIEBHERR Hafenmobilkran LHM (siehe
Wie in
Im Allgemeinen sind Krane unteraktuierte Systeme, die Schwingverhalten zeigen. Daher wurden in der Literatur viele ungeregelte und geregelte Steuerlösungen vorgeschlagen. Diese Ansätze beruhen aber auf dem linearisierten dynamischen Modell des Krans. Die meisten dieser Beiträge berücksichtigen nicht die Aktordynamik und -kinematik. Bei einem Auslegerkran, der durch Hydraulikaktoren angetrieben wird, sind die Dynamik und Kinematik der Hydraulikaktoren nicht vernachlässigbar. Insbesondere bei dem Auslegeraktor (Hydraulikzylinder) muss die Kinematik berücksichtigt werden.In general, cranes are under-actuated systems that exhibit vibration behavior. Therefore, many unregulated and controlled control solutions have been proposed in the literature. However, these approaches are based on the linearized dynamic model of the crane. Most of these contributions do not consider the actuator dynamics and kinematics. In a jib crane powered by hydraulic actuators, the dynamics and kinematics of the hydraulic actuators are not negligible. In particular, in the boom actuator (hydraulic cylinder), the kinematics must be considered.
Die folgende Ausführung der vorliegenden Erfindung nutzt einen auf Flachheit basierenden Steuerungsansatz für die radiale Richtung eines Auslegerkrans. Der Ansatz beruht auf einem vereinfachten nichtlinearen Modell des Krans. Somit kann das Gesetz der linearisierenden Steuerung formuliert werden. Ferner wird gezeigt, dass die Nulldynamik der nicht vereinfachten nichtlinearen Steuerschleife eine ausreichende Dämpfungseigenschaft garantiert.The following embodiment of the present invention utilizes a flatness-based control approach for the radial direction of a boom crane. The approach is based on a simplified nonlinear model of the crane. Thus, the law of linearizing control can be formulated. Furthermore, it is shown that the zero dynamics of the non-simplified non-linear control loop guarantees a sufficient damping characteristic.
Unter Berücksichtigen der Steuerungsziele der Verhinderung der Lastpendelung und des Nachverfolgens einer Bezugstrajektorie in radialer Richtung muss das nichtlineare dynamische Modell für die Wippbewegung abgeleitet werden. Der erste Teil des Modells wird erhalten durch
- Vernachlässigen der Masse und der Elastizität des Seils
- Annahme, dass Last eine Punktmasse ist
- Vernachlässigen der Zentripetal- und Coriolis-Terme
- Neglecting the mass and the elasticity of the rope
- Assume that load is a point mass
- Neglecting the centripetal and Coriolis terms
Das Verwenden des Newton/Eulerschen Verfahrens und das Berücksichtigen der vorgegebenen Annahmen führt zu der folgenden Differentialgleichung der Bewegung für die Lastpendelung in radialer Richtung:
Der zweite Teil des dynamischen Modells beschreibt die Kinematik und Dynamik des Aktors für die radiale Richtung. Unter der Annahme, dass der Hydraulikzylinder Verhalten erster Ordnung aufweist, wird die Differentialgleichung der Bewegung wie folgt erhalten:
Wobei z̈zyl und żzyl die Zylinderbeschleunigung und Geschwindigkeit, TW die Zeitkonstante, Azyl die Querschnittfläche des Zylinders, uW die Eingangsspannung des Servoventils und KVW die proportionale Konstante von Strömrate zu uW ist.Where z̈ zyl and żzyl are the cylinder acceleration and velocity, T W is the time constant, A zyl is the cross-sectional area of the cylinder, u W is the input voltage of the servo valve, and K VW is the proportional constant of flow rate to u W.
differenziert.
k Wz1 und k Wz3 beschreiben die Abhängigkeit von den geometrischen Konstanten da ,db ,α 1,α 2 und dem Wippwinkel ϕA . (siehe
differentiated.
k Wz 1 and k Wz 3 describe the dependence on the geometric constants d a , d b , α 1 , α 2 and the rocking angle φ A. (please refer
Das Formulieren des Verhaltens erster Ordnung des Aktors in Ausladungskoordinaten durch Verwenden der Gleichungen (4) führt zu einer nichtlinearen Differentialgleichung.
Zum Darstellen des nichtlinearen Modells in der Form
werden die Gleichungen (1) und (6) verwendet. Hierdurch führen der als Eingabe verwendete Zustand x = [rA ṙA ϕSr ϕ̇Sr ] T und die als Ausgabe vorgesehene radiale Position der Last y = rLA zu:
the equations (1) and (6) are used. As a result, the state used as input x = [ r A ṙ A φ Sr φ̇ Sr ] T and the radial position of the load y = r LA provided as output to:
Die folgenden Überlegungen werden unter der Annahme getroffen, dass die rechte Seite der Differentialgleichung für die Lastpendelung linearisiert werden kann. Somit wird die Erregung des radialen Lastpendelung von dem radialen Seilwinkel ϕSr entkoppelt.
Um eine flache Ausgabe für das vereinfachte nichtlineare System zu finden, muss der relative Grad bestimmt werden.To find a flat output for the simplified non-linear system, the relative degree must be determined.
Der relative Grad wird durch die folgenden Bedingungen definiert:
Der Operator
wird ein relativer Grad von r = 2 erhalten. Da die Ordnung des vereinfachten nichtlinearen Modells 4 ist, ist yl eine nicht flache Ausgabe. Doch mit einer neuen Ausgabe
wird ein relativer Grad von r = 4 erhalten. Angenommen, dass nur kleine radiale Seilwinkel eintreten, kann die Differenz zwischen der realen Ausgabe yl und der flachen Ausgabe
a relative degree of r = 2 is obtained. Since the order of the simplified nonlinear model is 4, y l is a non-flat output. But with a new edition
a relative degree of r = 4 is obtained. Assuming that only small radial rope angles occur, the difference between the real output y l and the flat output can be
Da die vereinfachte Systemdarstellung differentiell flach ist, kann eine exakte Linearisierung vorgenommen werden. Daher wird eine neue Eingabe definiert als
Um das sich ergebende linearisierte System zu stabilisieren, wird eine Fehlerrückführung zwischen der Bezugstrajektorie und den Ableitungen der Ausgabe y* abgeleitet.
Die Rückführungsverstärkungen kl,i werden durch die Polplatzierungstechnik erhalten.
Das Nachführungssteuergerät beruht auf der vereinfachten Lastpendelung ODE (8) und nicht auf der Lastpendelung ODE (1). Ferner wird für die Steuergerätauslegung die fiktive Ausgabe
Das Problem der Trajektoriengenerierung wird als beschränktes Optimalsteuerungsproblem der offenen Kette für das linearisierte System mit Zustandsrückführung formuliert. Aufgrund der relevanten Berechnungszeit für die Lösung des Optimalsteuerungsproblems wird die Modellprädiktive Trajektoriengenerierung mit einer nicht zu vernachlässigbaren Abtastzeit ausgeführt. Ebenfalls wird durch das numerische Lösungsverfahren selbst eine Diskretisierung der Zeitachse eingeführt. Der Einfachheit halber wird allerdings das Optimalsteuerungsproblem fortlaufend in kontinuierlicher Zeit dargestellt.The problem of trajectory generation is formulated as a limited open-chain optimal control problem for the linearized state feedback system. Due to the relevant calculation time for the solution of the optimal control problem, the model predictive trajectory generation is performed with a non-negligible sampling time. Also, a discretization of the time axis is introduced by the numerical solution method itself. For the sake of simplicity, however, the optimal control problem is continuously represented in continuous time.
Die Modellgleichungen sind gegeben durch:
Die Zustandvariablen xlin sind die Zustände der Integratorkette, welche sich aus dem linearisierten System, bestehend aus Flachheitsbasiertem Regler (Gleichung (14)) und nichtlinearem System (Gleichung (6)), ergibt, und den Zuständen der Integratorkette für die Referenztrajektorie. Zusätzliche Zustände werden eingeführt, um einen glatten Eingang v zu erhalten. Der Anfangszustand x lin.0 wird aus den Zuständen dieser Integratoren, dem aktuellen Systemausgang und dessen Ableitungen hergeleitet. Die Ausgänge ylin des linearen Systems (Gleichung (15)) sind Variablen, die dem flachen Ausgang y * (Gleichung (12)) und dessen erste und zweite Ableitung entsprechen. Diese Variablen sind die Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Last in radialer Richtung.The state variables x lin are the states of the integrator chain resulting from the linearized system consisting of flatness-based controller (equation (14)) and nonlinear system (equation (6)) and the states of the integrator chain for the reference trajectory. Additional states are introduced to get a smooth input v . The initial state x lin. 0 is derived from the states of these integrators, the current system output and its derivatives. The outputs y lin of the linear system (Equation (15)) are variables corresponding to the shallow output y * (Equation (12)) and its first and second derivatives. These variables are the position, velocity and acceleration of the load in the radial direction.
Das Gütefunktional
berücksichtigt zum einen die quadratische Abweichung der prognostizierten Ausgänge ylin von deren Referenzprognose w(t) und zum anderen die quadratische Änderung der Eingangsgröße ulin . Der Optimierungshorizont tf - t 0, die symmetrische, positiv semi-definite Wichtungsmatrix Q und der Wichtungskoeffizient r > 0 sind wesentliche Einstellungsparameter für die Modellprädiktive Trajektoriengenerierung.The quality functional
considers on the one hand the quadratic deviation of the predicted outputs y lin from their reference prediction w ( t ) and on the other hand the quadratic change of the input quantity u lin . The optimization horizon t f - t 0 , the symmetric, positive semi-definite weighting matrix Q and the weighting coefficient r > 0 are essential setting parameters for the model predictive trajectory generation.
Der Optimierungshorizont tf - t 0 sollte das wesentliche dynamische Verhalten des Prozesses/Systems erfassen. Dieses ist definiert durch die Periodendauer des Lastpendelns (bis 18 Sekunden für den betrachteten Kran). Versuche zeigen, dass 10 Sekunden für den Optimierungshorizont ausreichen.The optimization horizon t f - t 0 should capture the essential dynamic behavior of the process / system. This is defined by the period of load swinging (up to 18 seconds for the crane under consideration). Experiments show that 10 seconds are sufficient for the optimization horizon.
Die Referenzprognose w(t) für die Lastposition, -geschwindigkeit und -beschleunigung wird aus den Handhebelsignalen des Kranfahrers (Sollgeschwindigkeiten) generiert. Die Prädiktion berücksichtigt Geschwindigkeitsreduzierungen, wenn sich die Last den Grenzen des Arbeitsbereiches nähert.The reference prognosis w ( t ) for the load position, speed and acceleration is generated from the hand lever signals of the crane operator (set speeds). The prediction takes into account speed reductions as the load approaches the limits of the work area.
Die Modellprädiktive Trajektoriengenerierung berücksichtigt Restriktionen für die Prozessvariablen als Beschränkungen des Optimalsteuerungsproblems.
Beschränkungen der Änderung des Eingangs werden verwendet, um hochfrequente Anregungen des Systems zu vermeiden.
Damit müssen die Änderungsraten u̇lin als Stellgrößen bei der Formulierung des Optimalsteuerungsproblems berücksichtigt werden.Thus, the rates of change u̇ lin must be considered as manipulated variables in the formulation of the optimal control problem .
Die Generierung der Referenztrajektorien führt zu einem äußeren Regelkreis (
Beschränkungen von diesem Typ (Gleichung (19)) verursachen wahrscheinlich unlösbare Optimalsteuerungsprobleme unter nicht nominalen Bedingungen, wie Modellunsicherheiten oder Messrauschen, besonders für kurze Optimierungshorizonte. Somit wird die Gleichungsbeschränkung (19) als quadratischer Strafterm mit symmetrischer, positiv definiter Wichtungsmatrix
Das zeitkontinuierliche, beschränkte, linear-quadratische Optimalsteuerungsproblem (15)-(20) wird diskretisiert.
Wobei
Das Gütefunktional (Gleichung (20)) und die Beschränkungen (Gleichungen (17)(18)) werden ebenfalls entsprechend diskretisiert.The quality functional (Equation (20)) and the constraints (Equations (17) (18)) are also correspondingly discretized.
Damit wird das zeitkontinuierliche Optimalsteuerungsproblem als eine Aufgabe der quadratischen Programmierung für die Zustandvariablen und Stellgrößen
Nicht äquidistante Diskretisierungsschritte ΔTk = t k+1 - tk im Prädiktionshorizont des MPC's helfen die Dimension des Optimalsteuerungsproblems zu begrenzen. Die Darstellung zeigt, dass die Anfangschrittweite durch den Takt der Trajektoriengenerierung bestimmt wird und sich dann innerhalb des Prädiktionshorizontes linear vergrößert.Not equidistant discretization Δ t k = t k + 1 - t k in the prediction horizon of the MPC's help the dimension of the optimal control problem to be limited. The illustration shows that the initial step size is determined by the timing of the trajectory generation and then increases linearly within the prediction horizon.
Durch die erfindungsgemäße Kransteuerung mit der entsprechenden Lastpendeldämpfung, in welche Daten von den beiden den jeweiligen Seilsträngen zugeordneten Sensoreinheiten eingehen und welche wie oben beschrieben aufgebaut ist, lässt sich eine schnelle und sichere Dämpfung der sphärischen Pendelschwingungen der Last mit nur minimalen Pendelausschlägen erreichen. Dies zeigen die folgenden Messergebnisse, welche mit einer Seillänge von 57 m und einer Last von 3,5 t durchgeführt wurden.By the crane control according to the invention with the corresponding load oscillation damping, in which receive data from the two sensor units associated with the respective cable strands and which is constructed as described above, a fast and safe damping of the spherical pendulum vibrations of the load can be achieved with only minimal pendulum swings. This is shown by the following measurement results, which were carried out with a rope length of 57 m and a load of 3.5 t.
Die erfindungsgemäße Regelung dämpft die sphärischen Schwingungen der Last durch entsprechende kompensierende Bewegungen des Auslegers während und am Ende jedes Manövers. Dies ist in
Die für die Online-Berechnung des Optimallösungsproblems in dem Bahnplanungsmodul benötigte Rechenzeit ist dabei in
Claims (14)
- A crane control for driving the positioners of a crane which includes at least one first and one second strand of cables for lifting the load (10) comprising a load oscillation damping for damping spherical pendular oscillations of the load (10), wherein first and second sensor units are provided which are associated to the first and second strands of cables in order to determine the respective cable angles and/or cable angular velocities,
characterized in that
the load oscillation damping includes a non-linear control in which the cable angles and/or cable angular velocities determined by the first and second sensor units are considered, and wherein the non-linear control is based on the inversion of a non-linear physical model of the movement of the load (10) in dependence on the movements of the positioners, wherein due to the inversion the movement of load serves as an input variable to drive the positioners. - The crane control according to claim 1, wherein the first and second sensor units each comprise a gyroscope unit.
- The crane control according to claim 1 or 2, wherein the first and second sensor units are each arranged in a cable follower (41, 42), with the cable followers (41, 42) preferably each being connected with the boom (1) of the crane via a cardan joint and following the movement of the strand of cables to which they are associated
- The crane control according to any of the preceding claims, wherein the data measured by the first and second sensor units are evaluated by first and second observer circuits, wherein a compensation of the data measured by the first and second sensor units is preferably effected with respect to the mounting angle of the sensor units and the slewing angle of the crane and wherein sensor errors are detected particularly preferably by a comparison of the data measured by the first and second sensor units.
- The crane control according to any of the preceding claims, wherein the torsional oscillation of the cable field is considered in the load oscillation damping by forming an average from the cable angles and/or cable angular velocities determined by the first and second sensor units.
- The crane control according to any of the preceding claims, wherein the load oscillation damping comprises a path planning module, which specifies desired trajectories for the control, wherein the current system status of the crane, in particular the position of the boom (1) and/or the cable angles and/or cable angular velocities determined by the first and second sensor units, is preferably included in the path planning module as input variables, wherein the path planning module particularly preferably considers restrictions of the system when generating desired trajectories and wherein, particularly advantageously, the path planning module comprises an optimal control for generating the desired trajectories, and wherein, still preferably, the path planning module employs an increasing length of the calculation intervals for the prediction within the time horizon.
- The crane control according to any of the preceding claims, wherein the position and the velocity of the boom head (30) are considered in the control of the load oscillation damping.
- A crane for lifting a load (10), comprising positioners for moving the crane and a load (10), wherein the crane includes at least two strands of cables for lifting the load (10) and wherein two sensor units are provided which are associated to the two strands of cables in order to determine the respective cable angles and/or cable angular velocities, wherein the crane comprises a crane control for driving the positioners according to any of claims 1 to 7.
- The crane according to claim 8, preferably comprising a slewing gear for slewing the crane and/or a luffing gear for luffing up a boom (1), which are driven by the crane control.
- A method for driving the positioners of a crane which includes at least one first and one second strand of cables for lifting the load (10), wherein spherical pendular oscillations of the load (10) are damped by a load oscillation damping, wherein the cable angles and/or cable angular velocities of the first and second strands of cables are determined via first and second sensor units which are associated to the first and second strands of cables,
characterized in that
the load oscillation damping includes a non-linear control in which the cable angles and/or cable angular velocities determined by the first and second sensor units are considered, and wherein the non-linear control is based on the inversion of a non-linear physical model of the movement of the load (10) in dependence on the movements of the positioners, wherein, due to the inversion, the movement of the load serves as an input variable to drive the positioners. - The method according to claim 10, wherein a compensation of the data measured by the first and second sensor units is effected with respect to the mounting angle of the sensor units and the slewing angle of the crane.
- The method according to claim 9 or 10, wherein sensor errors are detected by a comparison of the data measured by the first and second sensor units.
- The method according to any of the claims 10 to 12, wherein the torsional oscillation of the cable field is considered in the load oscillation damping by forming an average from the cable angles and/or cable angular velocities determined by the first and second sensor units.
- The method according to any of the claims 10 to 13 with a crane control according to any of claims 1 to 7.
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