DE4339893A1

DE4339893A1 - Vorrichtung zur Regelung der Beförderung einer Last

Info

Publication number: DE4339893A1
Application number: DE4339893A
Authority: DE
Inventors: Jean-Marc Heissat; Jean-Marc Lacour
Original assignee: Telemecanique Electrique SA; Telemecanique SA
Current assignee: Telemecanique SA
Priority date: 1992-11-23
Filing date: 1993-11-23
Publication date: 1994-05-26
Also published as: FR2698344B1; FR2698344A1; KR0156269B1; SE9303802D0; SE9303802L; KR940011336A; US5490601A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung der Beförderung einer Last, die über Seile an einem Wagen auf gehängt ist, der in einem Hebezeug in Translation beweglich ist.

Hebezeuge, wie Laufkräne oder Portalkräne, besitzen nämlich einen Wagen, der durch wenigstens einen durch einen Geschwin digkeitsregler gesteuerten Motor zur horizontalen Bewegung in Translation beweglich ist, und wenigstens einen Seilen und einer Vorrichtung zur Aufhängung der Last zugeordneten Hebemotor zum Heben oder Senken der Last. Die Last wird durch die Kombination der horizontalen und der vertikalen Bewegung von einer Anfangsstellung in eine Endstellung oder Ziel bewegt.

Insbesondere durch Einwirkung der Beschleunigungen gerät die aufgehängte Last in der Richtung der horizontalen Bewegung in eine schwach gedämpfte Pendelbewegung - hier Schaukeln genannt -, die gesteuert werden muß, damit die Beförderung der Last sanft und sicher vor sich geht. Insbesondere wenn das Hebezeug ein Containerportalkran ist, muß der Container mit einer Genauigkeit von etwa 5 cm abgesetzt werden, was die Unterdrückung des Schaukelns verlangt.

In der Patentschrift FR 2 571 867 wird die Dämpfung der Schwingung einer aufgehängten Last durch eine dynamische Steuerung der Beschleunigung des Wagens beschrieben, wobei diese Steuerung darin besteht, daß einem Signal zur Steue rung der Motoren zur Bewegung des Wagens ein Korrektursignal hinzugefügt wird, das ausgehend von der Winkelgeschwindig keit des Pendels bestimmt wird. Das beschriebene System gestattet jedoch eine Regelung der Stellung des Wagens und bietet dem Führer auch nicht mehrere Betriebsarten.

In der Patentschrift WO 91 14 644 wird ein Verfahren zur Beförderung einer aufgehängten Last beschrieben, durch das die Schwingung der Last mit Hilfe einer prädiktiven Regelung unter Verwendung eines mathematischen Modells reduziert wird, wobei gleichzeitig die Positionierung der Last gewähr leistet wird. Der Nachteil eines solchen Verfahrens ist, daß es nicht in allen Betriebsfällen die gewünschten Leistungen bietet, und zwar insbesondere bei Bewegungen mit kleiner Geschwindigkeit oder über eine kurze Strecke. Außerdem erfor dert die prediktive Behandlung, daß die Bewegungsbahn der Last von vorneherein bekannt ist, und gestattet somit nicht die Trennung der Behandlung der Hubbewegung der Last von der Bewegung des Wagens. Die einzige mögliche Betriebsart ist hierbei der Betrieb im automatischen Zyklus.

Ziel der Erfindung ist es, eine aufgehängte Last mit einer hohen Genauigkeit und unter Steuerung ihres Schaukelns auf ein Ziel zu zu bewegen, ohne ein prädiktives mathematisches Modell zu erfordern, und zwar mit Hilfe einer Vorrichtung zur Regelung der Geschwindigkeit der horizontalen Bewegung, in der ein Stellungskorrekturorgan und ein Winkelkorrektur organ kombiniert sind.

Ziel der Erfindung ist es weiterhin, dem Führer des Hebe zeugs eine hohe Betriebsflexibilität durch die Wahl zwischen mehreren Betriebsarten zu bieten, und zwar insbesondere voll automatischer Betrieb, unterstützter manueller Betrieb und/ oder Unterdrückung des Schaukelns, Schaukelstopp genannt, unter Verwendung der gesamten Geschwindigkeitsregelvorrich tung oder eines Teils davon.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung der Beförderung einer Last, die über Seile an einem Wagen aufgehängt ist, der in einem Hebezeug, wie einem Laufkran oder einem Portalkran, in Translation beweglich ist, umfassend:

- Steuer- und Dialogeinrichtungen, die dem Führer des Hebezeugs zur Verfügung stehen,
- wenigstens ein dem Wagen zugeordneter Motor zur horizontalen Bewegung,
- Einrichtungen zum Erfassen der Aufhängungshöhe, des Winkels der Last bezüglich der Vertikalen (Schaukelwin kel), der Winkelgeschwindigkeit der Last und der linearen Stellung des Wagens, die entsprechende Signale L,R,X liefern,
- ein Geschwindigkeitsregelsystem, das in Abhängigkeit von den von den Erfassungseinrichtungen erhaltenen Signalen eine Bewegung des Wagens gewährleistet, die das Schaukeln der Last minimiert.

Das Geschwindigkeitsregelsystem umfaßt erfindungsgemäß

- ein Organ (32) zur Korrektur der Stellung des Wagens, das das Signal X der gemessenen Stellung und einen Wert X_B der Stellung des Ziels aufnehmen kann, um eine durch einen Verstärkungsfaktor k₁ gewichtete Stellungs abweichung ΔX bezüglich des Ziels zu liefern,
- ein Organ zur Korrektur des Schaukelwinkels, das das Signal R des gemessenen Winkels und ein Signal R′ der entsprechenden Winkelgeschwindigkeit erhält, um diese Signale mit jeweiligen Verstärkungsfaktoren k₂, k₃ zu versehen,
- eine Recheneinheit, die durch Interpolation in Echtzeit die Werte der Verstärkungsfaktoren k₁, k₂, k₃ in Abhängigkeit von dem Signal L der Aufhängungshöhe bestimmt,
- ein Summierorgan, das die von den beiden Korrek turorganen erhaltenen gewichteten Größen addiert und ein Geschwindigkeitssollwertsignal VC = k₁ΔX+k₂R+k₃R′ liefert, das einen einem Motor zur Bewegung des Wagens zugeordneten Geschwindigkeits variator steuert.

Die Vorrichtung steuert auf diese Weise das dynamische Ver halten der Last während der Beförderung und positioniert sie auf dem Ziel durch abschließende Aufhebung folgender Para meter: Bewegungsgeschwindigkeit des Wagens, Stellungsabwei chung des Wagens, Schaukelwinkel, Winkelgeschwindigkeit des Schaukelns, und zwar unabhängig von den Anfangsstörungen (Anfangsschaukeln) oder den während der Beförderung auftre tenden Störungen (Wind, Änderung der Höhe der Last).

Dieses besondere Regelverfahren ermöglicht es, daß man die Last auf dem Ziel mit einer Genauigkeit von ±5 cm positio nieren kann, wenn die Länge des Pendels 40 Meter nicht über schreitet, und zwar unter Verwendung der maximalen Dreh moment- und Geschwindigkeitswerte der Motoren.

Die Steuer- und Dialogeinrichtungen umfassen vorzugsweise:

- einen Fahrschalter zur manuellen Steuerung der Bewegung des Wagens,
- einen Fahrschalter zur manuellen Steuerung der Hubbewegung der Last,
- einen Betriebsartwähler, der die Zustände automatischer Betrieb, unterstützter manueller Betrieb und reiner manuel ler Betrieb einnehmen kann. Die Steuer- und Dialogeinrich tungen sind mit einer Steuereinheit verbunden, die das Stellungskorrekturorgan und das Winkelkorrekturorgan in Abhängigkeit von dem gewählten Modus selektiv freigibt oder sperrt.

Mit Hilfe eines Dialogorgans kann der Führer bei automati scher Steuerung den gewünschten Zielstellungswert bestimmen oder freigeben. Ein Organ zur Unterdrückung des Schaukelns steuert einen Regelzyklus, in dem der Wert der Stellung zu Beginn des Zyklus in das Stellungskorrekturorgan als Ziel stellungswert eingegeben wird.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird im nachstehenden als Beispiel beschrieben. In der beiliegenden Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungs gemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 bis 5 die wichtigsten Bestandteile der Vorrichtung, die in den Betriebsarten automatischer Betrieb, unterstützter manueller Betrieb, manueller Betrieb und Schaukelstoppbetrieb aktiv sind,

Fig. 6 eine Darstellung des aktiven oder inaktiven Zustands von Organen der Vorrichtung in den verschiedenen genannten Betriebsarten.

Die Vorrichtung zur Regelung der Beförderung von Fig. 1 ist einem Hebezeug wie einem Laufkran, einem Portalkran oder dergl. zugeordnet, der einen Wagen 10 besitzt, der in einer Richtung X mit einer veränderlichen Geschwindigkeit V mit Hilfe wenigstens eines Motors M₁ bewegbar ist, der durch einen Geschwindigkeitsvariator 11 gesteuert ist. Dem Wagen ist ferner wenigstens ein durch einen Geschwindigkeitsvaria tor 12 gesteuerter Motor M₂ zugeordnet, der zur Änderung der Länge L der Aufhängeseile 13 einer Last 14 mit der Masse M, die beispielsweise aus einem Container besteht, dient. Infolge von Störwirkungen, insbesondere Beschleunigungen, kann die Last in der Richtung X in eine Pendel- oder Schau kelbewegung geraten, die durch einen Winkel R und eine Winkelgeschwindigkeit R′ definiert ist. Die Vorrichtung hat die Aufgabe, die Last von einer Anfangsstellung A zu einer Endstellung B zu befördern, indem bei Anfahrt dieser Endstel lung jede Schaukelbewegung unterdrückt wird.

Die Vorrichtung besitzt zu diesem Zweck ein im nachstehenden beschriebenes Regelsystem in geschlossenem Kreis, das auf die Steuerung der Bewegungsgeschwindigkeit des Wagens ein wirkt. Dem Wagen und der Last sind nicht dargestellte Fühler zugeordnet, die dem Regelsystem Signale liefern, die die Stellung X des Wagens, den Schaukelwinkel R, die Winkel geschwindigkeit R′ der Schwingbewegung und die Aufhängelänge L darstellen. Es kann ein Fühler für die Masse M der Last hinzugefügt werden, der das Vorhandensein der Last erfaßt und in manchen Fällen in der geschlossenen Regelschleife berücksichtigt wird. Die Fühler sind gebräuchlichen Typs, wobei der Winkelfühler vorzugsweise ein optischer Fühler ist. Das Winkelgeschwindigkeitssignal wird vom Winkelfühler geliefert. Gemäß einer Abwandlung kann es vom Regelsystem ausgehend vom Winkelsignal errechnet werden.

Der Führer des Hebezeugs verfügt über eine gewisse Anzahl von Steuer- und Dialogeinrichtungen 20: einen Fahrschalter 21 zur Bewegung des Wagens, der in Antwort auf eine Manipula tion dem Geschwindigkeitsregelsystem 30 einen Geschwindig keitssollwert V_cm liefern kann, einen Fahrschalter 22 für die Hubbewegung, mit dem man manuell über eine vom System 30 getrennte Vorrichtung 23 zur Behandlung der Hubbewegung den dem Hubmotor M₂ zugeordneten Geschwindigkeitsvariator 12 steuern kann, einen Wähler 24 mit den Stellungen C0 manuel ler Betrieb, C1 automatischer Betrieb und C2 unterstützter manueller Betrieb. Im automatischen Betrieb gestattet ein Dialogorgan 25 dem Führer die Einstellung und/oder die Frei gabe des Werts X_B der gewünschten oder erfaßten Stellung des Ziels, während ein Druckknopf 26 zum Auslösen eines automati schen Beförderungszyklus dient.

Ein Druckknopf 27 löst einen automatischen Schaukelstopp zyklus aus, der sowohl während einer Beförderungsbewegung als auch bei Stillstand durchgeführt werden kann. Die Steuer einrichtungen 21 und 24 bis 27, die je nach Fall elektro mechanisch, elektronisch und/oder Software sein können, sind mit dem System 30 durch Verbindungsmittel 28 verbunden.

Das Regelsystem 30 besitzt eine Steuereinheit 31, ein Stel lungskorrekturorgan 32, ein Schaukelwinkelkorrekturorgan 33 und ein Summierorgan 34. Ein Schnittstellenorgan 35 liefert Signale der Stellung X, des Schaukelwinkels R, der Winkel geschwindigkeit R′ und der Aufhängungslänge L in Abhängig keit von den von den jeweiligen Fühlern gelieferten Signa len. Das Stellungskorrekturorgan 32 erhält das Stellungs signal X sowie den Zielstellungswert X_B, wenn dieser durch das Dialogorgan 25 geliefert oder freigegeben wird, oder das Anfangsstellungssignal X₀, wenn ein Schaukelstoppzyklus be ginnt. Das Stellungskorrekturorgan führt die Differenz X-X_B oder X-X₀ mit einem Gewicht oder Verstärkungsfaktor kl aus. Das Winkelkorrektororgan 33 erhält das Winkelsignal e und das Winkelgeschwindigkeitssignal R′ und versieht sie mit Gewichten oder Verstärkungsfaktoren k₂ und k₃. Die Verstär kungsfaktoren k₁, k₂, k₃ werden durch Interpolation in Echt zeit durch eine Recheneinheit 36 bestimmt und sind von der Länge L des Kabels, sowie von den dynamischen Kenngrößen der Einheit Motor/Variator 11, M₁ sowie gegebenenfalls und unkontinuierlich von der Amplitude des Schaukelns abhängig. Die Korrekturorgane sind mit dem Summierorgan 34 verbunden, um ihm die Größen k₁ΔX, k₂R, k₃R′ nach Entfernung der Spitzen zu liefern. Das Summierorgan summiert diese Größen und erzeugt ein veränderliches Geschwindigkeitssollwertsignal VC, das auf den Geschwindigkeitsvariator 11 übertragen wird. Die Berechnung der Verstärkungsfaktoren wird in Echtzeit (gain scheduling) durch jede geeignete Interpolationsweise, beispielsweise unscharf, neuronal oder mit Lernen, durchge führt, und wird zweckmäßigerweise durch Einrichtungen vorge nommen, die auf einer industriellen programmierbaren Auto matenkarte montiert sind.

Die Steuereinheit 31 steuert den Betrieb des Regelsystems 30 und liefert in Abhängigkeit von von den Steuereinrichtungen 20 gelieferten und über die Verbindung 28 erhaltenen Signalen S1-S4 Freigabesignale SVX und SVR für jedes der Korrekturorgane 32, 33. Anstelle von Freigabesignalen können natürlich auch komplementäre Sperrsignale benutzt werden. Für das Regelsystem werden elektronische und Softwareein richtungen verwendet, die in wenigstens ein programmierbares elektronisches Automatenmodul integriert sind.

Fig. 2 erläutert die Arbeitsweise der Vorrichtung im automa tischen Betrieb. Der Führer bringt den Wähler 24 in den Zu stand C1 und stellt das Organ 25 zur Bestimmung des Ziels auf den gewünschten Wert X_B ein oder gibt es frei. Die Steuereinheit 31 erhält ein Signal S1, wenn der Führer den Knopf 26 zur Auslösung des automatischen Zyklus gedrückt hat, und gibt die beiden Korrekturorgane 32, 33 durch ent sprechende Befehle oder Signale SVX und SVR frei. Das Summierorgan summiert die aus den beiden Korrekturorganen austretenden gewichteten Werte VCX und VCR und sendet den veränderlichen Sollwert VC.

Fig. 3 veranschaulicht die Betriebsart unterstützter manuel ler Betrieb. Der Führer bringt den Wähler 24 in den Zustand C2 und wirkt dann auf den Fahrschalter 21 ein, der in Abhän gigkeit von der auf ihn ausgeübten Wirkung einen Geschwindig keitssollwert liefert, der in Form eines Signals VCM in das Summierorgan eingeführt wird. Dieser summiert VCM mit dem aus dem Winkelkorrekturorgan 33 austretenden Sollwert VCR und erzeugt VC. Die Steuereinheit 31 erhält nämlich von den Steuereinrichtungen 20 ein Signal S2 und liefert dem Korrek turorgan 33 ein Freigabesignal SVR, liefert aber dem Stel lungskorrekturorgan 32 kein Freigabesignal (oder ein Sperr signal), um dieses inaktiv zu belassen.

Fig. 4 veranschaulicht die rein manuelle Betriebsart. Der Wähler wird in die Stellung CO gebracht. Die Steuereinheit erhält ein Signal S3 und gibt die beiden Korrekturorgane 32, 33 nicht frei (oder sperrt sie). Die Geschwindigkeits steuerung geschieht hierbei ausschließlich durch den durch Betätigung des Fahrschalters 21 erzeugten Sollwert VCM.

Fig. 5 veranschaulicht die Betriebsart "Schaukelstopp". Der Führer drückt entweder während einer Beförderung oder bei Stillstand auf den speziellen Druckknopf 27, um einen quasi statischen Regelzyklus auszulösen. Unter der Einwirkung des durch die Steuereinrichtungen 20 erzeugten Signals S4 wird der Stellungswert X von einem Element 37 mit seinem Wert X₀ am Zyklusbeginn gespeichert, wobei dieser Wert in das Kor rekturorgan 32 eingeführt wird. Die Steuereinheit 31 gibt unter der Wirkung des Signals S4 die beiden Korrekturorgane 32, 33 frei. Nach Unterdrückung des Schaukelns ist der Wagen wieder in seine Stellung X₀ zurückkehrt. Die Durchführung des Schaukelstopps ist nur möglich, wenn der Fahrschalter 21 in Ruhestellung ist, und wird entweder bei Stillstand oder durch Unterbrechung eines automatischen Betriebszyklus vorge nommen.

Während eines automatischen Zyklus kann der Führer mit Hilfe des Fahrschalters 21 vorrangig die manuelle Steuerung wieder aufnehmen. Zu diesem Zweck unterbricht die Steuereinheit 31 die Signale SVX ,SVR zur Freigabe der Korrekturorgane, sobald der Fahrschalter 21 betätigt wird. Eine neuerliche Betäti gung zur Auslösung des automatischen Zyklus ist hierbei er forderlich, um den unterbrochenen Zyklus wieder aufzunehmen.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel findet die Behand lung der Hubbewegung, auch wenn sie programmiert ist, unab hängig von der Behandlung der Stellung des Wagens statt. Bevor die Signale VCM und VCR für die Stellungs- bzw. Winkel korrektur in das Summierorgan eingeführt werden, werden zweckmäßigerweise ihre Spitzen entfernt, damit sie in akzep tablen Grenzen bleiben.

Fig. 6 ist eine Tabelle, die die aktiven (1) oder inaktiven (0) Zustände des Stellungskorrekturorgans 32, des Winkel korrekturorgans 33, des Fahrschalters 21 zur Bewegung des Wagens und des Dialogorgans 25 in den verschiedenen Betriebs arten der Beförderungsvorrichtung anführt: vollständig manueller Betrieb MM, unterstützter manueller Betrieb MMA, automatischer Betrieb MA, Schaukelstoppbetrieb CB. Die Steuereinheit gewährleistet die Aktivierung oder Deaktivie rung der genannten Organe. Der automatische Betrieb wird freigegeben, wenn der Wähler im Zustand automatischer Betrieb, der Fahrschalter zur Wagenbewegung im Ruhezustand, die Schaukelstoppsteuerung im Ruhezustand und ein Ziel durch den Führer definiert und/oder freigegeben ist.

Die beschriebene Vorrichtung ist anwendbar, wenn das Hebe zeug zwei zueinander rechtwinklige horizontale Bewegungs achsen besitzt, um die rechtwinkligen Schaukelbewegungen mit ähnlichen Perioden und verschiedenen Amplituden zu unter drücken.

Claims

1. Vorrichtung zur Regelung der Beförderung einer Last, die über Seile an einem Wagen aufgehängt ist, der in einem Hebezeug, wie einem Laufkran oder einem Portalkran, in Translation beweglich ist, umfassend:

- Steuer- und Dialogeinrichtungen (20), die dem Führer des Hebezeugs zur Verfügung stehen,
- wenigstens ein dem Wagen (10) zugeordneter Motor (M₁) zur horizontalen Bewegung,
- Einrichtungen zum Erfassen der Aufhängungshöhe, des Schaukelwinkels und der Winkelgeschwindigkeit der Last und der linearen Stellung des Wagens, die entsprechen de Signale L,R,X liefern,
- ein Geschwindigkeitsregelsystem (30), das in Abhän gigkeit von den von den Erfassungseinrichtungen erhal tenen Signalen eine Bewegung des Wagens gewährleistet, die das Schaukeln der Last minimiert, dadurch gekennzeichnet, daß das Geschwindigkeitsregel system (30) umfaßt
- ein Organ (32) zur Korrektur der Stellung des Wagens, das das Signal X der gemessenen Stellung und einen Wert X_B der Stellung des Ziels aufnehmen kann, um eine durch einen Verstärkungsfaktor k₁ gewichtete Stellungs abweichung ΔX bezüglich des Ziels zu liefern,
- ein Organ (33) zur Korrektur des Schaukelwinkels, das das Signal R des gemessenen Winkels und ein Signal R′ der entsprechenden Winkelgeschwindigkeit erhält, um diese Signale mit jeweiligen Verstärkungsfaktoren k₂, k₃ zu versehen,
- eine Recheneinheit (36), die durch Interpolation in Echtzeit die Werte der Verstärkungsfaktoren k₁, k₂, k₃ in Abhängigkeit von dem Signal der Aufhängungshöhe L bestimmt,
- ein Summierorgan (34), das die von den beiden Korrek turorganen erhaltenen gewichteten Größen addiert und ein Geschwindigkeitssollwertsignal VC = k₁ΔX+k₂R+k₃R′ liefert, das einen einem Motor zur Bewegung des Wagens zugeordneten Geschwindigkeits variator steuert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Dialogeinrichtungen (20)

- einen Fahrschalter (21) zur manuellen Steuerung der Bewegung des Wagens,
- einen Fahrschalter (22) zur manuellen Steuerung der Hubbewegung der Last,
- einen Betriebsartenwähler (24), der einen Zustand automatischer Betrieb und unterstützter manueller Betrieb einnehmen kann, umfassen und mit einer Steuereinheit (31) verbunden sind, die das Stellungskorrekturorgan in Abhängigkeit von der gewählten Betriebsart selektiv freigibt oder sperrt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wähler (24) einen Zustand manueller Betrieb einneh men kann und daß die Steuereinheit (31) in diesem Fall das Stellungskorrekturorgan (32) und das Winkelkorrektur organ (33) sperrt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Dialogeinrichtungen (20) ein spezifi sches Organ (27) zur Unterdrückung der Schaukelbewegung umfassen, um einen Regelzyklus durchzuführen, in dem der Wert X₀ der Stellung bei Beginn des Zyklus in das Stel lungskorrekturorgan (32) als Zielstellungswert eingege ben wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Dialogeinrichtungen (20) ein Organ (25) zur Bestimmung des Ziels umfassen, das dem Stellungs korrekturorgan (32) das Signal X_B der Stellung des Ziels liefert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit zur Berechnung der Verstärkungsfaktoren durch Interpolation in Echtzeit in eine industrielle programmierbare Automatenkarte integriert ist.