FR2823496A1 - Asservissement de la charge par rapport a la cabine de commande d'un portique de manutention portuaire - Google Patents

Abstract

Le procédé et le système permettent de ne pas faire subir à l'opérateur, placé dans la cabine de commande (20) d'un portique, des déplacements qu'il n'a pas commandés, dans le cadre du positionnement d'une charge suspendue (15) au chariot (28).La cabine de commande (20) est montée mobile sur la flèche (23), de manière indépendante à celle du chariot (28). Les déplacements de la cabine de commande (20) et du chariot (28) sont commandés de manière à ce que la position de la charge (15) par rapport à celle de la cabine (20) soit constamment la même.Application aux portiques portuaires de grandes dimensions.

Description

plaquettes, lorsque le dispositif de couplage est écarté.

ASSERVISSEMENT DE LA CHARGE PAR RAPPORT A LA CABINE DE

COMMANDE D'UN PORTIOUE DE MANUTENTION PORTUAIRE

DESCRIPTION

Domaine de l' invention L' invention concerne la manutention des conteneurs dans les ports, et en particulier les

portiques de manutention de conteneurs de bord à quai.

En effet, c'est par ces dénominations "bord à quai" que l'on dénomme les portiques de grandes dimensions, destinés à charger et décharger les conteneurs des navires porte-conteneurs, accostés dans un port. On précise que l' invention sapplique au type de portique dont la cabine, abritant l'opérateur, se trouve montée mobile le long de ou sous la flèche horizontale

indépendamment du chariot.

Art antérieur et problème posé Les figures 1A et 1B représentent, en vue frontale et en vue latérale, un exemple de portique portuaire de grande dimension de l'art antérieur. Un tel portique 2 est donc placé sur un quai 1, de manière à ce que sa flèche horizontale 3 dépasse en porte-à- faux, largement au-delà du quai 1, pour pouvoir atteindre le bord opposé de l'intérieur d'une cale à conteneurs d'un navire porte-conteneurs 12. Il peut être monté mobile sur le quai 1 par lintermédiaire de train de roues 6. La flèche horizontale 3 est équipée : d'un chariot 8, auquel est assujetti un organe de préhension 9 de conteneur ("spreader", en langue anglaise), par l'intermédiaire d'un ensemble de câbles 7. L'ensemble est commandé par un opérateur se trouvant dans une cabine de commande 10, qui est fixée au chariot 8, ou bien montée mobile sur la flèche horizontale 3, plus ou moins indépendamment du chariot 8. Du côté opposé de la flèche horizontale 3, se trouve

un contrepoids 4.

La figure 1B montre qu'un tel portique portuaire peut être d'une grande largeur, puisque les deux montants latéraux 5, supportant la flèche horizontale 3 et au milieu desquels se déplace le charict 8, peuvent être espacés de plus de vingt mètres. La hauteur d'un tel portique peut dépasser cinquante mètres, la flèche horizontale 3

pouvant se trouver à une hauteur de trente-cinq mètres.

On précise que, comme les navires continuent à augmenter en taille, les portiques portuaires deviennent également de plus en plus grands, tout en

assurant les délais toujours plus serrés.

Comme le montrent les deux positions du conteneur 15 sur la figure 1A, suspendu aux cables 7, par l'intermédiaire de l'organe de préhension 9 de conteneur, un ballant, plus ou moins ample, apparaît

tant que l'ensemble est en mouvement.

Or, pour des raisons économiques, le temps dimmobilisation des navires porte-conteneurs doit être le plus court possible, ce qui impose des cadences de

manutention élevées.

Une des nombreuses difficultés pour l'opérateur ou le conducteur de portiques, provient du fait que la charge, c'est-à-dire le conteneur 20, est suspendu sous le chariot 8, au moyen de l 'ensemble de câbles 7, à une distance de trente à quarante mètres. L'ensemble, constitué par le conteneur 15, l'organe de préhension 9 du conteneur et de l 'ensemble de câbles 7, constitue un pendule dont la période T est donnée par la formule: T = 2 L étant la longueur du câble 9 sous le chariot 8 et g

l'accélération de la pesanteur.

Pour un conteneur 15 suspendu à 30 m sous le chariot 8, la période T atteint environ dix secondes. En effet, plus précisément, le ballant se produit lorsque le chariot 8 accélère ou décélère. Par contre, ce ballant est long à disparaître, une fois que le chariot 8 est arrêté, à cause de la période qui est élevée. Comme l' angle du ballant, c'est-à-dire l' angle a que fait l'ensemble de câbles 7 par rapport à la verticale, peut atteindre 5 %, le conteneur 15 se trouve désaxé par rapport au chariot 8 dune distance d' environ deux mètres cinquante (2,50 m), lorsqu'il se

trouve à trente mètres (30 m) en dessous du chariot 8.

Si, de plus, on prend en considération le fait que la précision requise dans certaines maneuvres de dépose de conteneurs peut atteindre cinq centimètres (5 cm), on comprend que l'opérateur doit acquérir une grande dextérité pour arriver à positionner le conteneur, et ceci dans des contraintes de temps relativement serrées. A ce jour, il existe deux modes de conduire les portiques à conteneurs; ce sont la conduite manuelle, et la conduite assistée par un dispositif anti-ballant. Pour la conduite manuelle, c'est l'opérateur qui, à force d'habitude, a acquis des réflexes pour obtenir des bons résultats de positionnement. I1 agit sur le déplacement du chariot 8 pour éliminer le plus rapidement le ballant du conteneur 15, lorsque ceci est nécessaire. En dautres termes, c'est l'opérateur lui-même qui joue le rôle d'un élément correcteur dans la boucle d'asservissement de positionnement du conteneur 15. Le jeu consiste donc à arriver à une vitesse nulle et un ballant nul sur le conteneur 15 qui doit être placé au bon endroit. Ceci nécessite évidemment un apprentissage assez long, certains ports formant même leur personnel sur

simulateur, avant de le mettre en situation réelle.

Le deuxième mode, utilisant un système anti-ballant, a été mis en _uvre par des constructeurs qui se sont attachés à résoudre le problème du ballant, c'est-à-dire de l'annuler, au moins lors de l'arrêt du chariot 8. Pour ce faire, un calculateur exploite les informations recueillies par des capteurs qui mesurent à tout instant l' angle de ballant a de l 'ensemble conteneur 15/organe de préhension 9/câbles 7, la vitesse de déplacement du chariot 8 et la longueur de

suspension effective des câbles 7.

A cet effet, il est possible d'utiliser un capteur de ballant disposé sous le chariot 8 et effectuant la mesure de l' angle de ballant a, grâce à une balise infrarouge disposée sous l'organe de préhension 9 du conteneur 15. Le calculateur module alors la vitesse du chariot 8, de manière à annuler l' angle de ballant a, en procédant en déplacement en palliers, et lors de l'arrêt. Ceci a pour conséquence que la consigne de vitesse donnée par l'opérateur lui-même, au chariot 8, est reprise en compte par le calculateur, de sorte que la vitesse effective du

chariot 8 ne correspond plus à l'ordre de l'opérateur.

Or, comme dans la plupart des cas, la cabine 10 est liée mécaniquement au chariot 8, elle subit, elle-même, des accélérations et des décélérations imposses par le calculateur. L'opérateur subit donc des modifications de vitesse du chariot 8, sans pouvoir les prévenir ou les empêcher. Ceci explique, en partie, un phénomène de rejet de ce type de système par les opérateurs expérimentés dans les grands ports européens. Le but de l' invention est donc de remédier à cet inconvénient, en proposant un autre système de commande du déplacement de la charge suspendue par au moins un câble à un

chariot de portique portuaire.

Résumé de l' invention A cet effet, le premier objet principal de l' invention est un procédé de commande du déplacement d'une charge suspendue par au moins un câble au chariot de déplacement horizontal sur la flèche horizontale d'un portique de manutention. Le principe de l'opération consiste à rendre la charge que constitue le conteneur suspendu au(x) câble(s) plus solidaire de l'opérateur, c'est-à-dire de la cabine. Lorsque l'opérateur effectue les différentes man_uvres pour déplacer et positionner le conteneur, il ne subit pas les fluctuations de déplacement du chariot, qui sont

pour lui aléatoires.

Selon l' invention, le procédé consiste à: - monter la cabine de commande mobile en translation par rapport à la flèche horizontale du portique, indépendamment du chariot; et - asservir le déplacement de la charge à

celui de la cabine de commande.

Cet asservissement peut se faire en conservant une distance constante entre les positions relatives de la cabine de commande et à la charge suspendue. Une deuxième méthode consiste à conserver un angle constant de la position relative de la cabine

de commande par rapport à la charge suspendue.

Une troisième méthode consiste à combiner

les deux méthodes précédentes.

Un deuxième objet principal de l' invention est un système de commande du déplacement d'une charge suspendue par un câble au chariot de déplacement horizontal sur la flèche horizontale d'un portique de

manutention, qui possède une cabine de commande.

Selon l' invention, le système possède des moyens d'asservissement de la position de la charge par rapport à celle de la cabine, qui est également montée mobile en translation par rapport à la flèche horizontale du portique, de manière indépendante du chariot, grâce à des moyens de motorisation de la

cabine de commande.

Dans la réalisation préférentielle de l' invention, les moyens dasservissement utilisent des moyens de détection de la position de la charge suspendue et des moyens de calcul de la position de la charge suspendue par rapport à la flèche horizontale de la grue, pour maintenir à distance constante rapportée sur la flèche horizontale entre la cabine de commande et la charge suspendue. En utilisant la formule suivante:

X28 = X20 + (D + B),

o X20 est la position de la cabine, X28 est la position du chariot, D est la distance rapportée sur la flèche horizontale entre le charict et la charge et o B est le ballant de la charge par rapport à la

verticale du chariot.

Dans une autre solution, les moyens d'asservissement du chariot utilisent un capteur de position et des moyens de calcul de l' angle formé par l' orientation de la cabine de commande par rapport à

celle de la charge suspendue.

Liste des figures L' invention et ses caractéristiques et avantages seront mieux compris à la lecture de la

description qui suit, illustrée de plusieurs figures

représentant respectivement: - figures 1A et 1B, déjà décrites, en vues frontale et latérale, un portique portuaire selon l'art antérieur; figure 2A et 2B, deux schémas relatifs au principe appliqué dans le procédé et le système selon l' invention; - figure 3, le schéma d'un asservissement utilisable dans le système selon l' invention; et - figure 4, un schéma illustrant les valeurs prises en compte dans l'asservissement, utilisées dans le procédé et dans le système selon

l' invention.

Description détaillée d'une réalisation de

l' invention Sur la figure 2A, la charge 15 est représentée suspendue à un chariot 28, par l'intermédiaire d'un ensemble de cables représenté pour plus de clarté par double cable 27 et de moyens de préhension 29. La charge 15, en l' occurrence un conteneur, est écartée de l'axe vertical placé en regard du chariot 28, de telle sorte que le double câble 27 fait un angle a avec la verticale. Ceci défini un ballant B représentant donc cet écart de la charge par rapport à la verticale du chariot 28. On rappelle que celui-ci se déplace horizontalement sur la flèche horizontale du portique. Ce déplacement est représenté par un axe vertical également référencé 23,

symbolisant la présence de la flèche horizontale.

Selon l' invention, la cabine de commande 20 est montée mobile sur la flèche, selon le même axe de déplacement horizontal 23. Les moyens de motorisation de la cabine de commande 20 peuvent être placés, soit sur la cabine de commande 20, soit sur la flèche horizontale 23, le mouvement étant transmis à la cabine de mouvement 20. En fait, la cabine de commande 20 a été représentée dans deux positions différentes, qui correspondent à la position décalée de la charge 15, telle qu'elle est représentée, mais également à la verticale du chariot 28. En effet, dans le concept du procédé et du système selon l' invention, il a été décidé de maintenir en permanence la charge 15 à une distance D constante, de la position de la cabine de commande 20, rapportée sur l'axe 23 de la flèche. En conséquence, le ballant B existant entre la position de la charge 15 et la verticale du chariot 28 correspond à la distance B des deux positions représentées de la

cabine de commande 20 sur cette figure 2A.

En considérant maintenant la figure 2B, on comprend facilement que, lors de chaque oscillation de la charge 15, le chariot 28 doit subir un déplacement équivalent à deux fois le ballant B. Ainsi, l'opérateur, placé dans la cabine de commande 20, pourra observer la charge 15 suspendue au bout du double câble 27, sous le même angle pour une longueur de câble constante. L'asservissement peut donc se faire en mesurant, à tout instant, la position X20 de la cabine de commande 20 par rapport à une référence absolue de la flèche, symbolisée par l'axe 23. Pour obtenir la position absolue X28 du chariot 28, il faut y ajouter D + B. ce qui donne:

X28 = X20 + (D + B),

B étant positif ou négatif. Sur cette figure 2B, on constate que la distance D rapportée sur la flèche horizontale 23, séparant théoriquement, au repos, la cabine de commande 20 du chariot 28, doit être suffisante pour que, lors d'un balancement de la charge , le chariot 28 ne rentre pas en collision avec la

cabine 20.

Un autre raisonnement inverse peut être appliqué en s'efforcant, dans l'asservissement de la charge 15 par rapport à la cabine de commande 20, de garder constant l' angle 0, sous lequel l'opérateur,

placé dans la cabine de commande, observe la charge 15.

On peut également envisager d'utiliser une combinaison de ces deux méthodes d'asservissement en les pondérant lune par rapport à l'autre. Les données nécessaires pour effectuer un tel calcul sont connues ou peuvent être déterminéss. En effet, la longueur L du double câble 27 est connue, l' angle a, que fait l'ensemble de câbles 27 avec la verticale, est mesuré par un détecteur placé sous le chariot 28. Ainsi, le ballant B

peut être facilement calculé.

Il est également possible de mesurer constamment la distance entre la cabine 20 et le chariot 28 et de maintenir en permanence la cabine de commande à une distance D + B. o D est toujours la distance théorique au repos de la cabine 20 par rapport au chariot 28 et B le ballant de la charge 15, positif

ou négatif.

En référence à la figure 3, une réalisation du système de commande par asservissement est décrite

dans les paragraphes suivants.

Le premier élément principal à considérer est un premier ensemble de motorisation 30 de la cabine. Ce dernier recoit la consigne de vitesse V20 de la cabine de commande 20. Un premier variateur de vitesse 31 commande la rotation d'un premier moteur 32 dont la vitesse de rotation effective est mesurée par

un premier tachymètre 33.

Pour réaliser l'asservissement en déplacement de la cabine, cette vitesse effective de la cabine est réinjectée par une première boucle 35 dans un premier opérateur 36 placé en amont du premier variateur 31. Un premier codeur 34 permet de traduire

la position effective X20 de la cabine de commande.

Le deuxième élément principal de ce système d'asservissement est un calculateur 40 qui reçoit la

position effective de X20 de la cabine de commande 20.

Par ailleurs, il reçoit comme autre donnée, la distance D qui sépare au repos la cabine de commande 20 du chariot 38 et calcule, dans un circuit de calcul 41, le ballant B sur la base de l' angle a que fait le double câble 27 avec la verticale et la longueur L de ce double câble 27. Ce ballant B et la distance D sont ajoutés à la position effective X20 de la cabine de commande 20, au moyen d'un deuxième et d'un troisième opérateur 42 et 43. Ces données sont appliquées à un réqulateur << PID " 44, c'està-dire à triple action (proportionnelle, intégrale, différentielle). En fait, le réqulateur 44 traite l'écart qui est injecté en consigne de vitesse de déplacement du chariot V28 de la chaîne de motorisation. Pour calculer la vitesse de commande du chariot V28, on réintègre, de façon négative, au moyen d'un retour d'asservissement 57, la valeur réelle X28 du chariot, en amont de ce réqulateur

44, au moyen d'un quatrième opérateur 45.

Le troisième élément principal de ce système d'asservissement est constitué par la motorisation 50 du chariot 28. Cet ensemble reçoit donc comme consigne la vitesse V28 de consigne du chariot, qui est appliquée à un deuxième variateur 51 commandant, lui-même, un deuxième moteur 52. La rotation effective de ce deuxième moteur 52 est mesurée par un deuxième tachymètre 53 et un deuxième codeur 54 fournit la position effective X28 du chariot 28. Une troisième boucle d'asservissement 55 réintègre la vitesse effective du moteur 52 en amont du deuxième

variateur 51, au moyen d'un cinquième opérateur 56.

Ceci n'est qu'un exemple de réalisation de l'asservissement, le principe du procédé selon l' invention étant d'asservir l'une à l'autre les positions relatives du chariot 28 et de la cabine de

commande 20.

La figure 4 permet de visualiser les différentes données de positionnement du chariot 28, de la charge 15 et de la cabine de commande 20. Avantages de l' invention Ce procédé permet de restituer à l'opérateur la perception d'accélération ou de ralentissement de la charge dont il commande les déplacements. I1 est ainsi placé dans les meilleures dispositions pour réussir le positionnement de la charge et a l' impression de déplacer celle-ci sur un

véhicule qu'il maitrise.

En maintenant la cabine de commande 20 à une distance constante de la position de la charge 15, ramenée sur la flèche 23, constante, la vision de

l'opérateur est améliorée.

Compte tenu du fait que la cabine de commande 20 est indépendante dans ses déplacements par rapport au chariot 28, les performances de la motorisation de ce dernier peuvent être augmentées sans

nuire au confort de l'opérateur.

La formation sur simulateur ne devient plus nécessaire pour former rapidement un opérateur, puisqu'il peut s'exercer facilement en effectuant, en

direct, sa tache.

Le système constitue, lorsque la cabine de commande 20 est à l'arrêt, un système anti-ballant pour

la charge 15.

Le fait que la cabine de commande 20 ne soit pas reline mécaniquement au chariot 28, permet de ne pas faire subir à l'opérateur toutes les vibrations mécaniques limes aux déplacements fréquents et brutaux du chariot 28. De plus, sagissant de la cabine de commande, les différents appareils de mesure, codeurs et variateurs tendent à jouer le rôle de filtre

vis-à-vis des vibrations produites par le chariot 28.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Procédé de commande du déplacement d'une charge (15) suspendue par un câble (27) au chariot (28) de déplacement horizontal sur une flèche horizontale (23) d'un portique de manutention possédant une cabine de commande (20), le procédé consistant à monter la cabine de commande (20) mobile en translation horizontale sur la flèche (23) du portique, de façon indépendante par rapport à celle du chariot (28) et à asservir le déplacement de la charge (15) à celui de la

cabine de commande (20).

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à conserver une distance constante (D) rapportée sur la flèche horizontale (23) entre la position de la cha-ge (15) et

la position de la cabine de commande (20).

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à conserver un angle constant () de la position relative de la charge (15)

par rapport à celle de la cabine de commande (20).

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser une combinaison du principe qui consiste à conserver un angle constant () entre la position de la cabine de commande (20) et celle de la charge (15) et de celui qui consiste à conserver une distance (D), rapportée sur la flèche horizontale (23), constante entre la position de la cabine de commande (20) et celle de la

charge (15).

5. Système de déplacement d'une charge tl5) suspendue par un câble (27) au chariot (28) de déplacement horizontal sur la flèche (23) d'un portique de manutention, possédant une cabine de commande (20) et des moyens de motorisation qui lui sont propre, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'asservissement de la position de la charge (15) par rapport à la position de la cabine de commande (20), cette dernière étant montée mobile en translation sur la flèche (23) du portique, de manière indépendante à

celle du chariot (28).

6. Système de commande selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens d'asservissement sont des moyens pour maintenir une distance fixe (D) rapportée sur la flèche horizontale (23) entre la cabine de commande et le chariot (28), utilisant la formule suivante:

X28 = X20 + (D + B),

o B est le ballant de la charge (15) par rapport au chariot (28), X20 est la position de la cabine de commande (20) sur la flèche horizontale (23) et X28 est la position du chariot (28) sur la flèche horizontale

(23).

7. Système de commande selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens d'asservissement utilisant un capteur de position et sont des moyens de calcul pour maintenir un angle constant () entre la cabine de commande (20) et la

charge (15).