DE4025749A1 - Verfahren zum automatischen betreiben eines drehkrans - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Betreiben eines mit weggeregelten Antrieben versehenen Drehkrans, insbe­ sondere eines Drehkrans mit anstellbarem Kranarm.

Derzeit übliche Drehkrane weisen normalerweise drehzahlgeregelte Antriebe auf und werden von Hand gesteuert. Der Grund für die Nichtautomatisierung von Drehkranen ist das durch die Dreh­ und Kranarm- bzw. Katzbewegung des Krans verursachte Lastpen­ deln, für das wegen der Komplexität der Pendelung bis heute noch keine Dämpfungsverfahren bekannt sind. Durch die manuelle Steuerung des Krans wird der Kranführer ständig belastet. Die dauernde Belastung führt zu nachlassender Konzentrationsfähig­ keit des Kranführers und erhöht dadurch das Risiko von Sach­ und/oder Personenschäden. Weiterhin werden durch die Lastpen­ deln die mechanischen Teile des Krans übermäßig belastet. In der Folge treten vorzeitiger Verschleiß durch Materialermüdung mit erhöhten Reparaturkosten bzw. Folgeschäden auf.

Für Katzantriebe, die nicht eine kreisförmige, sondern eine lineare Bewegung ausführen, ist die Lastpendeldämpfung seit langem bekannt, z. B. aus der Siemens-Zeitschrift, Jahrgang 49 (1975), Heft 2, Seiten 93-98 oder der Siemens-Zeitschrift, Jahrgang 45 (1971), Heft 10, Seiten 750-753.

Weiterhin ist aus der DE-PS 22 31 997 bekannt, bei einem Kran mit anstellbarem Kranarm das Hubwerk bei einer Veränderung des Anstellwinkels des Kranarms derart zu regeln, daß die Hubhöhe der Last konstant bleibt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren zum automatischen Betreiben eines Drehkrans anzugeben, das ein Lastpendeln vermeidet. Insbesondere wird dadurch erst­ mals ein halb-, unter Umständen sogar ein vollautomatischer Betrieb eines Drehkrans ermöglicht.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Antriebe des Dreh­ krans weggeregelt sind und die von den Antrieben bewirkten Kranbewegungen derart aufeinander abgestimmt werden, daß die Last in einer lotrechten Ebene bewegt wird, wobei die Zeiten, in denen die Last beschleunigt bzw. verzögert wird, zur Ver­ meidung von Lastpendelungen dem Eigenschwingungsverhalten der Last angepaßt sind, z. B. gleich der Periodendauer einer Eigen­ schwingung der Last sind.

Durch das Bewegen in einer lotrechten Ebene wird erreicht, daß die Lastpendelung nur in einer Schwingungsebene anregbar ist. Dadurch werden die bei Katzfahrwerken bekannten Lastpendel­ dämpfungsmethoden anwendbar. Durch das Anpassen der Beschleu­ nigungs- bzw. der Verzögerungszeiten an das Eigenschwingungs­ verhalten der Last wird auch ein Lastpendeln in der einzig noch möglichen Schwingungsebene vermieden. Durch die Kombination der Maßnahmen wird der Betrieb des Drehkrans automatisierbar.

Da die Last auf dem kürzesten Weg, nämlich ohne Richtungsände­ rung, befördert wird, erfolgt der Umschlag darüber hinaus auch zeitoptimal.

Mit Vorteil wird die Last entlang einer Geraden, insbesondere entlang einer Horizontalen, bewegt, da hierdurch ein gleich­ mäßiges Heben bzw. Senken der Last erreicht wird, die Antriebe die Last also unnötig anheben und absenken.

Falls die Last nicht in einem Bewegungsvorgang zum Zielort ge­ bracht werden kann, kann das Verfahren dahingehend abgeändert werden, daß die Last nacheinander in mehreren, aneinander an­ schließenden Abschnitten von lotrechten Ebenen bewegt wird. Auch hier ist es von Vorteil, durch entsprechende Regelung des Hub­ werks dafür zu sorgen, daß die Last entlang des Verfahrweges möglichst gleichmäßig angehoben wird, d. h., daß die Last nach­ einander entlang mehrerer, aneinander anschließender Geraden­ stücke bewegt wird.

Um eine lineare Bewegung der Last zu erreichen, können sowohl Drehwerk und Fahrwerk als auch Drehwerk und Anstellwerk zu­ sammenwirken. In machen Fällen ist es auch nötig, daß alle drei Antriebe zusammenwirken.

Das Hubwerk wird dabei mit Vorteil derart geregelt, daß sich die Hubhöhe der Last im wesentlichen linear mit dem Lastweg ändert, insbesondere konstant bleibt.

Die Abstimmung der Antriebe aufeinander ist dann besonders einfach, wenn aus dem Drehwinkel des Krans Sollwerte für die anderen Regelungen, z. B. die Auslegeranstellung und/oder die Fahrposition des Krans, bestimmt werden.

Eine vorteilhafte Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist Wegregelungen für die Antriebe, den Antrieben zugeordnete Wegmesser und eine Automatisiereinheit auf, wobei die Wegmesser zur Übermittlung der Wegistwerte mit der Automatisiereinheit verbunden sind und die Automatisiereinheit zur Vorgabe von ge­ führten Wegsollwerten mit den Wegregelungen verbunden ist.

Die Wegregelungen sind dabei mit Vorteil in der Automatisierein­ heit virtuell ausgebildet.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nach­ folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles, anhand der Zeichnungen und in Verbindung mit den weiteren Unteransprüchen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Drehkran mit anstellbarem Kranarm,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Bedienbereich eines Drehkrans mit anstellbarem Kranarm,

Fig. 3 eine Regelung für die Antriebe eines Drehkran mit an­ stellbarem Kranarm.

Gemäß Fig. 1 besteht ein Drehkran 1 im wesentlichen aus einem Fahrgestell 2, mit dem der Drehkran 1 z. B. entlang einer Kai­ mauer 3 verfahrbar ist, und aus einem auf dem Fahrgestell 2 befestigten Drehgestell 4. Das Drehgestell 4 weist einen Kran­ arm 5 der Länge l′ auf, dessen Anstellwinkel α und damit auch die effektive Armlänge l′ über das Anstellseil 6 geregelt ein­ stellbar ist. Die effektive Armlänge l kann dadurch jeden Wert zwischen der minimalen Armlänge l_min und der maximalen Armlänge l_max annehmen.

Der Drehkran 1 dient beispielsweise dem Umschlag von Schüttgut 7 aus dem Schiff 8 zu einem Sammelbehälter 9 bzw. einer Lager­ fläche oder umgekehrt. Der Drehkran 1 weist hierzu einen Grei­ fer 10 auf, der über Greiferseile 11 bedient wird. Die Seile 6, 11 werden über Seilwinden 12 eingeholt bzw. nachgelassen. Weiterhin besitzt der Drehkran 1 einen Steuerstand 13, von dem aus die Bewegung des Drehkrans 1 über die Automatisiereinheit 14 gesteuert wird. Nicht dargestellt in Fig. 1 sind die Antriebe für das Fahrwerk des Krans 1 und für das Drehwerk des Drehge­ stells 4.

Alle Antriebe des Krans 1 sind weggeregelt. Die Istwegerfassung kenn z. B. durch den Antrieben zugeordnete Impulsgeber erfolgen, deren Signale ausgewertet und in Verbindung mit den bekannten Getriebeübersetzungen und den geometrischen Abmessungen des Drehkrans 1 in Weg- bzw. Winkelistwerte für Verfahrweg p, effektive Armlänge l, Hubhöhe z und Drehwinkel β umgerechnet werden.

Anstelle des anstellbaren Kranarms 5 könnte auch ein waagrech­ ter Ausleger verwendet werden, der als Führung für eine Lauf­ katze dient. In diesem Fall ist die effektive Auslegerlänge l durch die Verfahrposition der Laufkatze bestimmt. Ebenso kann ein Drehkran mit Gelenkarm Verwendung finden, d. h. ein Kran, bei dem ein zweiter Arm an die Spitze 15 des ersten Arms 5 an­ gesetzt ist. Die Berechnung der effektiven Auslegerlänge l wird dadurch zwar etwas komplizierter, das Prinzip der Berechnung aus Armlängen und Anstellwinkeln bleibt jedoch erhalten. Der Kran 1 muß auch nicht unbedingt dem Umschlag von Schüttgut 7 dienen, ebenso kann Stückgut umgeschlagen werden.

Zur Erläuterung der Erfindung wird im folgenden ein Koordina­ tensystem eingeführt. In diesem Koordinatensystem bedeutet x den Abstand der gehobenen Last, in diesem Falle des Greifers 10, in der durch den Pfeil A angezeigten Richtung und z die Hubhöhe der Last. Der Ursprung des Koordinatensystems ist durch den gedachten Auftreffpunkt der Drehachse des Krans 1 auf den Kai 16 gegeben und mit dem Symbol 17 bezeichnet. y bezeichnet die Richtung entlang des Verfahrweges des Krans 1.

Fig. 2 zeigt eine Darstellung des Bedienbereichs des Drehkrans 1. Wie oben erwähnt, kann die effektive Auslegerlänge 1 zwi­ schen dem Minimalwert l_min und dem Maximalwert l_max variiert werden. Die konzentrischen Kreise 19 und 20 besitzen die Radien l_max und l_min. Wenn der Kran 1 nicht längs der y-Achse verfah­ ren wird, kann die Last 10 nur an Orte zwischen den Kreisen 19, 20 gebracht werden. In das Innere des Kreises 20 kann die Lest 10 gebracht werden, wenn der Kran 1 entlang der y-Achse verfahren wird. Ebenso kann die Last 10 durch ein Verfahren des Krans 1 an Punkte außerhalb des Kreises 19 gebracht werden, die zwischen den schraffierten Bereichen 21, 21′ liegen. Die schraf­ fierten Bereiche 21, 21′ liegen außerhalb der Reichweite des Krans 1. Sie können vom Kran 1 nicht bedient werden.

Der Greifer 10 soll von seiner momentanen Position S aus, die beispielsweise einer Position im Schiff 8 entspricht, an der der Greifer 10 soeben gefüllt wurde, bewegt werden. Der Kran­ führer im Steuerstand 13 gibt nun entweder direkt über Koordi­ nateneingabe oder aber indirekt, z. B. durch Vorgabe eines be­ stimmten Sammelbehälters, eine Position P₁ an, zu der der Grei­ fer 10 gebracht werden soll. Da die Antriebe des Krans wegge­ regelt sind, sind die momentane Armlänge l_s und der momentane Drehwinkel β_s bekannt. Von der - in Fig. 2 nicht dargestellten - Automatisiereinheit 14 werden die Antriebe des Krans 1 derart aufeinander abgestimmt, daß die Bewegung der Last entlang der mit 18 bezeichneten Linie erfolgt. Die Bereichnung des Last­ weges 18 erfolgt dabei nach folgendem Schema:
Aus den bekannten Werten für die Anfangsarmlänge l_s und dem Anfangsdrehwinkel β_s werden bezüglich des momentanen Standortes 17 des Krans 1 Koordinaten x_s und y_s gemäß

x_s = l cos β_s und y_s = l sin β_s

berechnet. Weiterhin sind wegen der Vorgabe der Position P₁ die Koordinaten x₁ und y₁ der anzufahrenden Position P₁ bekannt. An dieser Stelle sei bemerkt, daß alle Winkel von der x-Achse aus gegen den Uhrzeigersinn bestimmt werden.

Aus den gegebenen Positionen S und P₁ wird zunächst der Last­ fahrweg 18 bestimmt. Sodann wird der Winkel γ bestimmt, bei dem der Abstand l′′ des Verfahrweges 18 zum Drehpunkt 17 des Krans 1 minimal wird. Der Winkel γ ist gegeben durch

Falls der Winkel γ nicht im zu überstreichenden Winkelbereich von β_s bis β₁ liegt, wird der Abstand l′′ gleich der Armlänge l₁ gesetzt.

Sodann wird überprüft, ob der Abstand l′′ größer ist als die minimal mögliche Armlänge l_min. Wenn dies der Fall ist und weiterhin die Armlänge l_l kleiner als die maximal mögliche Arm­ länge l_max ist, kann die Position P₁ von der Position S aus direkt angefahren werden. Hierzu wird die Drehwerkregelung als übergeordnete Regelung benutzt und die Armanstellregelung und dieser untergeordnet die Hubwerksregelung entsprechend nachge­ führt. Das Drehwerk wird vom Winkel β_s zum Winkel β₁ verfahren, wobei der Verfahrweg derart gewählt wird, daß der zu überstrei­ chende Drehwinkel nicht größer als 180° ist. Der Winkel β₁ ist dabei durch die Bedingung

(unter Berücksichtigung der Vorzeichen von y_l und x_l) bestimmt. Für jeden Winkel β im Intervall von β_s bis β₁ ist die zuge­ hörige Armlänge l durch die Bedingung

bestimmt. Weiterhin wird die Hubhöhe z der Last 10 durch die in der DE-PS 22 31 997 beschriebene Hubhöhenausgleichsregelung konstant gehalten bzw. linear entlang des Weges 18 gehoben, falls die Sollhubhöhe z₁ der Last 10 über der Position P₁ von der Hubhöhe z_s der Last 10 an der Position S abweicht.

Die Änderungen der Drehgeschwindigkeit beim Anfahren bzw. Ab­ stoppen der Last 10 werden derart bestimmt, deß die Last 10 mit konstanter Beschleunigung bzw. Verzögerung beschleunigt bzw. verzögert wird. Die Beschleunigungs- bzw. Verzögerungszeiten T_s bzw. T₁ sind dem Eigenschwingungsverhalten der Last 10 ange­ paßt. Die Zeiten T_s bzw. T₁ sind z. B. gleich der Periodendauer einer Eigenschwingung der Last 10. In diesem Fall sind T_s, T₁ bestimmt durch die Formeln

wobei h_s bzw. h₁ der Abstand der Last 10 von der Spitze 15 des Kranarms 5 an den Positionen S bzw. P₁ ist und g die Erdbeschleu­ nigung ist.

Wenn die Last 10 von der Startposition S nicht zur Zielposition P₁, sondern zur Zielposition P₂ verfahren werden soll, muß zu­ sätzlich zur Drehung des Krans 1 und zur Armanstellung der Kran 1 verfahren werden. Gemäß oben beschriebener Methode wird der minimale Abstand der gestrichelt eingezeichneten Linie 22 zum momentanen Koordinatenursprung 17 berechnet, die Koordinaten des Punktes der Linie 22, an der der Abstand der Linie 22 zum Ursprung 17 minimal ist, berechnet, und aus dem Vorzeichen der y-Koordinate dieses Punktes auf die optimale Verfahrrichtung des Krans 1 geschlossen. Die optimale Verfahrrichtung des Krans 1 ist dadurch gegeben, daß der Kran möglichst wenig verfahren werden muß, um die Last 10 entlang der Linie 22 zu bewegen. Der Kran 1 sollte daher möglichst in die positive y-Richtung ver­ fahren werden, wenn die y-Koordinate obengenannten Punktes ne­ gativ ist, und umgekehrt.

Alternativ zum Verfahren des Krans 1 ist es möglich, daß die Last 10 z. B. entlang zweier Geradenabschnitte 23, 23′ bewegt wird, wobei die Geradenabschnitte 23, 23′ z. B. derart bestimmt werden, daß sie den inneren Kreis 20 berühren, der minimale Abstand der Last 10 vom Drehpunkt 17 des Krans 1 also den Wert l_min annimmt. Damit beim Wechsel von der Geraden 23 auf die Gerade 23′ nicht eine Lastpendelung induziert wird, muß die Last 10 unmittelbar vor dem Richtungswechsel abgestoppt werden.

Wenn die Last 10 von der Position S zur Position P₃ verfahren werden soll, muß ebenfalls der gesamte Kran 1 verfahren werden. In diesem Fall wird, gegebenenfalls erst nach dem Kreuzen der y-Achse, der Kran 1 in Richtung des Punktes P₃ verfahren, bis der Punkt P₃ im Bedienbereich des Drehkrans 1 liegt.

Allgemein ist festzustellen, daß die Regelung des Krans 1 der­ art erfolgen sollte, daß die Verfahrbewegungen des Krans 1 längs der y-Achse auf ein Minimum beschränkt werden, da beim Verfahren des gesamten Krans 1 erheblich größere träge Massen bewegt werden müssen als beim Drehen des Drehgestells 4 bzw. beim Anstellen des Arms 5. Weiterhin muß das Verfahren des Krans 1 selbstverständlich bei der Berechnung der Sollwerte β*, l* für Drehwerk und Armanstellung berücksichtigt werden. Die Lastwege und die Lastgeschwindigkeiten müssen auch den erreich­ baren Werten für Dreh-, Anstell- und Verfahrgeschwindigkeit, evtl. auch der Hubgeschwindigkeit, angepaßt sein. Die (lineare) Geschwindigkeit entlang des Verfahrweges 18 ist bestimmt durch die Beschleunigungszeit T_s und die (lineare) Beschleunigung während dieser Zeit T_s. Die maximale erreichbare Beschleunigung ist dabei begrenzt durch die Dimensionierung der Antriebe und die Last 10. Mit Vorteil wird daher die Pendellänge h_s derart eingestellt, daß das Produkt aus Periodendauer und maximal er­ reichbarer Beschleunigung größer oder gleich der maximalen er­ reichbaren Geschwindigkeit ist. Analoge Beziehungen gelten für die Verzögerungszeit T₁ und die Pendellänge h₁.

Fig. 3 zeigt schematisch den Aufbau der Automatisiereinheit 14. Die Steuereinheit 140 erhält laufend von nicht dargestellten, den ebenfalls nicht dargestellten Antrieben zugeordneten Weg­ messern, z. B. von Impulsgebern, Wegistwerte für Verfahrposition p des Krans 1 längs der y-Achse, Hubhöhe z der Last 10, Arm­ länge l und Drehwinkel β. Ferner erhält die Steuereinheit 140 zu einem bestimmten Zeitpunkt zusammen mit einem Startsignal "init", das einen automatischen Umschlagvorgang startet, die Koordinaten x₁ und y₁ der anzufahrenden Sollposition, in diesem Fall der Position P₁. Wenn die Steuereinheit 140 das Signal "init" erhält, werden die momentanen Istwerte p, z, l und β als Startwerte p_s, z_s, l_s und β_s in die Steuereinheit 140 übernom­ men, zusammen mit den Daten x₁ und y₁ abgespeichert und die bei der Beschreibung von Fig. 2 erwähnten Berechnungen durchgeführt. Von der Steuereinheit 140 werden geführte Sollwerte β*, l*, z* und p* an die Wegregler 141-144 vorgegeben, die als weitere Eingangsgröße den zugehörigen Istwert β, l, z bzw. p erhalten. Die Wegregler 141-144 errechnen Drehzahl-Sollwerte n_β*, n_l*, n_z* und n_p* für Drehwerk, Anstellwerk, Hubwerk und Fahrwerk und übermitteln diese Drehzahlsollwerte an die zugehörigen, nicht dargestellten Antriebe. Die geführten Sollwerte l*, z* sowie gegebenenfalls p* werden dabei in Abhängigkeit von Drehwinkel- Istwert β bzw. Drehwinkel-Sollwert β* errechnet. Der Sollwert z* für das Hubwerk ist darüber hinaus von einem der Anstellwerte l, l* abhängig.

Die Automatisiereinheit 14 ist mit Vorteil eine speicherpro­ grammierbare Steuerung, z. B. eine Siemens Simatic-S5, in der die Regler 141-144 virtuell vorhanden sind.

Obenstehend wurde ein halbautomatischer Betrieb des Krans 1 beschrieben. Wenn die anzufahrenden Positionen bekannt sind, z. B. immer wieder von S nach P_l und zurück, ist aber ebenso auch ein vollautomatischer Betrieb möglich. Die anzufahrenden Positionen können dabei entweder in der Recheneinheit 140 ab­ gespeichert sein oder z. B. programmgesteuert der Recheneinheit 140 von einer übergeordneten, nicht dargestellten Recheneinheit vorgegeben werden.

Claims (11)

1. Verfahren zum automatischen Betreiben eines mit weggeregelten Antrieben versehenen Drehkrans (1), insbesondere eines Drehkrans (1) mit anstellbarem Kranarm (5), wobei die von den Antrieben be­ wirkten Kranbewegungen derart aufeinander abgestimmt werden, daß die Last (10) in einer lotrechten Ebene bewegt wird, wobei die Zeiten (T_s, T₁), in denen die Last (10) beschleunigt bzw. verzö­ gert wird, zur Vermeidung von Lastpendelungen dem Eigenschwin­ gungsverhalten der Last (10) angepaßt sind, z. B. gleich der Periodendauer einer Eigenschwingung der Last (10) sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Last (10) entlang einer Geraden (18), insbesondere entlang einer Horizontalen (18), bewegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Last (10) nacheinander in mehreren, aneinander anschließenden Abschnitten (23, 23′) von lotrechten Ebenen bewegt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Last (10) nacheinander ent­ lang mehrerer, aneinander anschließender Geradenstücke (23, 23′) bewegt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bewegung der Last (10) in einer lotrechten Ebene bzw. entlang einer Geraden (18) Dreh­ werk und Fahrwerk des Krans (1) zusammenwirken.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bewe­ gung der Last (10) in einer lotrechten Ebene bzw. entlang einer Geraden (18) Drehwerk und Anstellwerk des Krans (1) zusammen­ wirken.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hubwerk derart geregelt wird, daß sich die Hubhöhe (z) der Last (10) im wesentlichen linear mit dem Lastweg (18) ändert, insbesondere konstant bleibt.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Drehwinkel (β bzw. β*) des Krans (1) Sollwerte (l*, p*) für die anderen Regelungen, z. B. die Armlänge (1) und/oder die Fahr­ position (p) des Krans (l), bestimmt werden.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pen­ dellänge (h_s, h₁) der Last (10) lastabhängig ist.

10. Einrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche, dadurch q e kennzeichnet, daß sie Wegregelungen (141-144) für die Antriebe, den Antrieben zugeordnete Wegmesser und eine Automatisiereinheit (14), z. B. eine speicherprogrammierbare Steuerung (14), aufweist, wobei die Wegmesser zur Übermittlung der Wegistwerte (β, l, z, p) mit der Automatisiereinheit (14) ver­ bunden sind und die Automatisiereinheit (14) zur Vorgabe von geführten Wegsollwerten (β*, l*, z*, p*) mit den Wegregelungen (141-144) verbunden ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die in der Automatisiereinheit (14) vor­ handenen Wegregelungen (141-144) virtuell ausgebildet sind.