DE10233874A1

DE10233874A1 - Verfahren zum Steuern des Betriebs wenigstens einer längs einer Fahrbahn verfahrbaren Katze mit einem Fahrwerk und einem Hubwerk

Info

Publication number: DE10233874A1
Application number: DE2002133874
Authority: DE
Inventors: Valdet Gashi; Ernst Sparenborg
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2002-07-25
Publication date: 2004-02-26
Also published as: AU2003250309A1; WO2004016540A1

Abstract

Verfahren zum Steuern des Betriebs wenigstens einer längs einer Fahrbahn verfahrbaren Katze mit einem Fahrwerk und einem Hubwerk zum Bewegen eines Objekts, bestehend aus einem Lastaufnahmemittel ohne oder mit einer aufgenommenen Last, wobei das Fahr- und das Hubwerk über eine Steuerungseinrichtung gesteuert werden, insbesondere eines Containerkrans mit einer längs eines Auslegers verfahrbaren Katze mit einem einen Container aufnehmenden Spreader, wobei das sich bewegende Objekt kontinuierlich fahrweg- und/oder hubwegspezifische Bremspositionsdaten ermittelt, die kontinuierlich mit Positionsdaten eines Hindernisses verglichen werden, wobei die Steuerung des Fahrwerks und/oder des Hubwerks in Abhängigkeit des Vergleichs erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Betriebs wenigstens einer längs einer Fahrbahn verfahrbaren Katze mit einem Fahrwerk und einem Hubwerk zum Bewegen eines Objekts bestehend aus einem Lastaufnahmemittel ohne oder mit einer aufgenommenen Last, wobei das Fahr- und das Hubwerk über eine Steuerungseinrichtung gesteuert werden, insbesondere eines Containerkrans mit einer längs eines Auslegers verfahrbaren Katze mit einem einen Container aufnehmenden Spreader.

Katzen als Lasttransportmittel kommen weitläufig zum Einsatz, wenn eine Last bewegt werden muss. Als Beispiel ist ein Containerkran zu nennen, der beispielsweise zum Be- und Entladen eines Schiffes dient. Bei einem solchen Containerkran ist die Katze längs eines das Schiff übergreifenden Auslegers quer zur Schiffslängsachse verfahrbar, wozu ein Fahrwerk vorgesehen ist. An der Katze hängt über Hubseile ein über ein Hubwerk höhenbeweglicher Spreader, der zum Greifen eines Containers dient. Insbesondere bei derart großen Kränen sitzt der Kranführer in einem mit der Katze bewegbaren Führerhaus und steuert den Fahr- und Hubbetrieb von Hand. Der Spreader gegebenenfalls mit aufgenommenen Container hängt vertikal unter der Kabine. Auf dem Fahr- und Hubweg sind mitunter mehrere Hindernisse, an die in der Regel der Spreader oder der Container stoßen kann, weshalb der Kranführer extreme Sorgfalt hinsichtlich des Fahr- und Hubbetriebs zur Vermeidung etwaiger Kollisionen mit Hindernissen walten lassen muss. Mitunter jedoch kommt es zu Kollisionen mit teilweise beträchtlichen Schäden.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das eine Kollisionsvermeidung ermöglicht.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Verfahren der erfindungsgemäßen Art vorgesehen, dass für das sich bewegende Objekt kontinuierlich fahrweg- und/oder hubwegspezifische Bremspositionsdaten ermittelt und kontinuierlich mit Positionsdaten eines Hindernisses verglichen werden, wobei die Steuerung des Fahrwerks und/oder der Hubwerks in Abhängigkeit des Vergleichs erfolgt.

Erfindungsgemäß erfolgt eine kontinuierliche automatische, von der Steuerungseinrichtung durchgeführte Kollisionsüberwachung auf Basis spezifischer Bremspositionsdaten, die die Steuerungseinrichtung errechnet. Die Bremspositionsdaten geben die Position an, in der das sich bewegende Objekt bei einer normalen Abbremsung des Fahrwerks und/oder des Hubwerks zum Stillstand kommen würde. Die Bremspositionsdaten bilden quasi einen virtuellen rechnerischen Objektraum um das eigentliche Objekt, sie vergrößern es quasi virtuell. Anhand dieser Bremspositionsdaten beziehungsweise dieses Objektraums wird nun ermittelt, ob eine Kollision mit einem Hindernis, dessen Positionsdaten der Steuerungseinrichtung ebenfalls bekannt sind, wahrscheinlich ist, oder ob noch ein hinreichender Abstand zwischen beiden gegeben ist. Die Positionsdaten umfassen die Positionskoordinaten in Fahrtrichtung sowie die Höhenkoordinaten, also wie hoch die Unterseite des Containers oder des Spreaders momentan ist. Es erfolgt also mit besonderem Vorteil eine kontinuierliche dynamikbezogene Kollisionsüberwachung auf Basis eines angenommenen momentan eingeleiteten normalen Bremsvorgangs, in Abhängigkeit welcher die Steuerung des Fahrwerks und/oder des Hubwerks erfolgt.

Der Kranfahrer wird also im manuellen Betrieb entlastet, als die Steuerungseinrichtung bei Erkennen einer sich anbahnenden Kollision in die Steuerung eingreifen kann, wenn dies der Kranführer nicht selbst erkennt oder vornimmt. Auch in einem halbautomatischen oder automatischen Katzfahr- und -Hubbetrieb ist ein entsprechender Steuerungsbetrieb auf Basis der erfindungsgemäßen Kollisionsüberwachung möglich.

Die Positionsdaten, bezüglich welcher die Bremspositionsdaten beziehungsweise die virtuellen Objektraumdaten verglichen werden, können die eines stehenden Hindernisses, beispielsweise eines Aufbaus auf einem Schiff oder ein vorhandener Container oder Containerstapel sein. Zum anderen können die Positionsdaten fahrweg- und/oder hubwegspezifische Bremspositionsdaten eines zweiten sich bewegenden Objekts oder Gegenstands sein. Vor allem bei großen Containerkränen kommen häufig zwei Katzen zum Einsatz, zum einen die Hauptkatze, die den Be- und Entladebetrieb des Schiffs vornimmt, und eine sogenannte Portalkatze, die die von der Hauptkatze auf eine Laschplattform am Kran abgestellten Container aufnimmt und zu einem Transportmittel wie beispielsweise einem LKW, einem Bahnwaggon oder einem fahrerlosen Fahrzeug etc. vornimmt. Die Portalkatze ist ebenfalls längs eines Auslegers verfahrbar. Sie bildet ihrerseits einen sich bewegenden Gegenstand, mit dem im Extremfall der Spreader oder der Container der Hauptkatze kollidieren kann. Die Bremspositionsdaten dieses zweiten Objekts oder Gegenstands werden ebenfalls auf Basis der dynamischen Objektdaten wie der momentanen Objektgeschwindigkeit beziehungsweise -beschleunigung, dem Gewicht etc. ermittelt.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf dem Grundgedanken, durch eine kontinuierliche Situationskontrolle bereits hinreichend frühzeitig eine etwaige Problemsituation erkennen zu können. Um dies zu ermöglichen kann vorgesehen sein, dass im Rahmen des Vergleichs der anhand der Positionsdaten bestimmbare Abstand zwischen der Bremsposition des sich bewegenden Objekts und der Hindernisposition des stehenden Hindernisses oder zwischen den beiden Bremspositionen zweier sich bewegender Objekte oder Gegenstände ermittelt wird, wobei in Abhängigkeit des Abstands die Geschwindigkeit des Fahr- und/oder des Hubwerks gesteuert wird. Dabei kann beginnend ab einem vorgebbaren Abstand die Geschwindigkeit mit abnehmendem Abstand verringert werden. Es erfolgt also eine kontinuierliche Abstandsüberprüfung zwischen relevanten Objektpositionen. Er gibt diese Abstandsüberprüfung, dass beispielsweise ein vorgegebener Mindestabstand unterschritten wurde, so wird die Geschwindigkeit zurückgenommen, so dass sichergestellt ist, dass aufgrund der Geschwindigkeitsreduktion der sich damit ändernde Bremspunkt wiederum hinreichend weit von dem Hindernis gleich welcher Art beabstandet ist und eine Kollision trotz weitgehender Annäherung aufgrund des Steuerungseingriffs vermieden wird. Mit zunehmender Annäherung erfolgt eine immer stärkere Abbremsung bis maximal zum Stillstand, sofern nicht beispielsweise seitens des Kranführers steuernd eingegriffen und beispielsweise der Spreader nach oben gehoben wird, so dass er ohne Kollisionsgefahr über das Hindernis geführt werden kann. Die Geschwindigkeit wird zweckmäßigerweise nicht linear, insbesondere proportional zur Wurzel des Abstands verringert, so dass sich die Geschwindigkeit konstant verringert.

Wenngleich die Ermittlung der Bremspositionsdaten unter Annahme eines normalen Bremsvorgangs, also unter Annahme einer normalen Verzögerung (im Vergleich zu einem Not-Halt, wo mit sehr großer Bremsverzögerung gearbeitet wird) bereits einen beachtlichen Sicherheitsanteil hinsichtlich der Positions- und Abstandsermittlung beinhaltet, sieht eine zweckmäßige Erfindungsausgestaltung vor, die Bremspositionsdaten unter Berücksichtigung eines Sicherheitswegs zu ermitteln. Das heißt, es wird im Rahmen der Positionsdatenermittlung ein Sicherheitsweg mit eingerechnet, der letztlich additiv zur aufgrund der Ist-Parameter sich rein rechnerisch ergebenden Bremsposition hinzutritt. Ergibt beispielsweise die Positionsdatenermittlung, dass der bei einem normalen Abbremsen momentan gegebene Bremsweg aus der momentanen Position sechs Meter beträgt, so kann auf diesen Bremsweg ein Sicherheitsweg hinzugerechnet werden, wobei die Gesamtwegstrecke dann das Bremspositionsdatum definiert. Wenngleich der Sicherheitsweg stets konstant und damit unabhängig vom Ist-Betrieb sein kann, hat es sich jedoch als zweckmäßig erwiesen, wenn der Sicherheitsweg in Abhängigkeit der Geschwindigkeit des Objekts in Fahr und/oder Hubrichtung bestimmt wird. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass der Sicherheitsweg um so größer sein muss, um so schneller das Objekt in Fahr- und/oder Hubrichtung bewegt wird. Dabei kann der Sicherheitsweg ausgehend von einem maximalen Sicherheitsweg bezogen auf eine maximale Geschwindigkeit des Objekts in Fahr- und/oder Hubrichtung mit abnehmender Geschwindigkeit abnehmen, vorzugsweise proportional. Das heißt, bei 100 % Geschwindigkeit beträgt der beispielsweise parametrierbare Sicherheitsweg 100 %, ist also maximal. Bei 50 % der Maximalgeschwindigkeit beträgt auch der Sicherheitsweg nur noch 50 %.

Zur weiteren Erhöhung der Sicherheit des Kollisionsüberwachungsverfahrens kann vorgesehen sein, die fahrwegspezifischen Bremspositionsdaten unter Berücksichtigung eines möglichen Pendelwegs des Objekts zu ermitteln. Wie beschrieben hängt der Spreader gegebenenfalls samt Container über mehrere, in der Regel acht Hubseile an der Katze. Infolgedessen kann der Spreader/Container pendeln, was insgesamt den kollisionsbegründenden Objektraum vergrößert und erfindungsgemäß bei der Bremspositionsdatenermittlung ebenfalls berücksichtigt wird. Dabei kann sowohl ein in Bewegungsrichtung gerichteter bremsbedingter als auch der entgegen der Bewegungsrichtung gerichtete anfahrtsbedingte Pendelweg berücksichtigt werden.

Insgesamt kann sich also der virtuelle Objektraum aus drei Anteile zusammensetzen, nämlich einmal dem sich rein rechnerisch ergebenden Objektraum, zuzüglich dem sicherheitswegbedingten Objektraum, zuzüglich dem pendelbedingten Objektraum.

Zur Vereinfachung der der Datenermittlung zugrundeliegenden Berechnungen ist es zweckmäßig, die Form des Objekts sowie der Hindernisse als rechteckig anzunehmen und die Daten ausgehend von dieser Rechteckform zu ermitteln.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet wie beschrieben sowohl im manuellen als auch im (halb-) automatischen Betrieb der Krananlage ein beachtliches Maß an Kollisionssicherheit. Um diese Sicherheit im Hinblick auf etwaige Überwachungsfehler seitens der Störungseinrichtung noch weiter zu verbessern kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass in einer parallel zur Steuerungseinrichtung arbeitenden Recheneinrichtung die fahrweg- und/oder hubwegspezifischen Bremspositionsdaten, jedoch unter der Annahme einer maximalen Bremsverzögerung des Fahr- und/oder des Hubwerks ermittelt und mit Positionsdaten eines Hindernisses verglichen werden, wobei in Abhängigkeit des Vergleichs die maximal zulässige Geschwindigkeit des Objekts in Fahr- und/oder Hubrichtung ermittelt und mit der aktuellen Ist-Geschwindigkeit verglichen wird, wobei bei einer Überschreitung der maximal zulässigen Geschwindigkeit durch die Ist-Geschwindigkeit die Recheneinrichtung eine Notbremsung einleitet. Wie beschrieben erfolgt die Positionsdatenermittlung seitens der Steuerungseinrichtung unter Annahme einer normalen Bremsverzögerung. Dem gegenüber arbeitet die überwachende Recheneinrichtung unter der Annahme einer Notbremsung, also einer deutlich stärkeren Bremsverzögerung, wie sie einem Not-Stopp zugrunde liegt. Das heißt, hierbei wird auch unter Berücksichtigung eines etwaigen Sicherheitsweges sowie der möglichen Pendelung in der Regel ein deutlich kürzerer Bremsweg für ein und dasselbe Objekt im Vergleich zur Datenberechnung der Steuerungseinrichtung ermittelt. Anschließend wird nun der Abstand zum nächsten Hindernis sei es in Fahrweg- und/oder in Hubwegrichtung ermittelt und in der Recheneinrichtung die bei dem errechneten Abstand zulässige Geschwindigkeit ermittelt. Diese ist – wenn die Steuerungseinrichtung richtig arbeitet – in der Regel bei hinreichend großem Abstand zum Hindernis gleich dem Sollwert, den die Steuerungseinrichtung vorgibt. Mit zunehmender Annäherung müsste, da die Steuerungseinrichtung einen längeren Bremsweg errechnet, der Soll-Geschwindigkeitswert reduziert werden, da der Abstand der steuerungsseitig errechneten Bremspositionsdaten zum Hindernis stets kleiner als der der recheneinrich tungsseitig erfassten Daten ist. Ergibt aber nun der Vergleich der recheneinrichtungsseitig errechneten Geschwindigkeit mit der aktuellen Ist-Geschwindigkeit, dass die Ist-Geschwindigkeit größer ist, so ist zwangsläufig ein Fehler seitens der Steuereinrichtung gegeben, da der Istwert höchstens gleich oder kleiner sein darf. In einem solchen Fall greift die Recheneinrichtung ein und leitet eine Notbremsung ein.

Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die Erfindung ferner eine Krananlage, insbesondere einen Containerkran, mit wenigstens einer längs einer Fahrbahn verfahrbaren Katze mit einem Fahrwerk und einem Hubwerk zum Bewegen eines Objekts, bestehend aus einem Lastaufnahmemittel ohne oder mit einer aufgenommenen Last, wobei das Fahr- und das Hubwerk über eine Steuerungseinrichtung gesteuert werden. Die erfindungsgemäße Krananlage zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuerungseinrichtung für ein kollisionsfreie Bewegung des Objekts zum Steuern des Fahr- und/oder Hubwerks in Abhängigkeit eines Vergleichs zwischen kontinuierlich ermittelten fahrweg- und/oder hubwegspezifischen Bremspositionsdaten des Objekts und Positionsdaten eines Hindernisses ausgebildet ist.

Die im Rahmen des Vergleichs berücksichtigten Positionsdaten können dabei die eines stehenden Hindernisses oder die gleichzeitig ermittelten fahrweg- und/oder hubwegspezifischen Bremspositionsdaten eines zweiten sich bewegenden Objekts oder Gegenstands sein. Die Steuerungseinrichtung selbst kann zum Ermitteln der Bremspositionsdaten anhand statischer, die Geometrie des Objekts oder des Gegenstands beschreibender Daten und anhand dynamischer, die Momentanbewegung des Objekts oder des Gegenstands beschreibender Daten ausgebildet sein. Man geht hier primär von rechteckigen Abmessungen sowohl des Spreaders als auch des Containers oder aber beispielsweise einer zweiten sich bewegenden Katze etc. aus, die dynamischen Daten umfassen beispielsweise die Ist-Geschwindigkeit oder die Bremswege (Verzögerung) etc.

Zur Ermittlung des Abstands zwischen der Bremsposition und der Hindernisposition oder zwischen den beiden Bremspositionen kann erfindungsgemäß die Steuerungseinrichtung ein Subtrahierglied aufweisen und zum Steuern der Geschwindigkeit des Fahr- und/oder des Hubwerks in Abhängigkeit des ermittelten Abstands ausgebildet sein. Hierzu ist zweckmäßigerweise ein Begrenzungsregler vorgesehen, über den der Geschwindigkeitssollwert für das Fahr- und/oder das Hubwerk begrenzt werden kann. Dabei kann der Wegbegrenzungsregel den Sollwert, mit abnehmendem Abstand, bei maximaler Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bremsmoments verringern. Nimmt also der Abstand ab, wird entsprechend der Geschwindigkeits-Sollwert und damit die Geschwindigkeit konstant reduziert, so dass ein langsames Abbremsen mit zunehmender Annäherung einsetzt. Zweckmäßigerweise wird der Sollwert und damit die Geschwindigkeit nichtlinear, insbesondere proportional zur Wurzel des Abstands verringert.

Zur Erhöhung der Sicherheit kann die Steuerungseinrichtung zum Ermitteln der Bremspositionsdaten unter Berücksichtigung eines vorzugsweise additiv zu berücksichtigenden Sicherheitswegs ausgebildet sein, wobei der Sicherheitsweg zweckmäßigerweise in Abhängigkeit der Geschwindigkeit des Objekts in Fahr- und/oder Hubrichtung bestimmt werden kann. Auch kann ein sich in Abhängigkeit der Ist-Geschwindigkeit des Objekts in Fahrt- und/oder Hubrichtung ändernder Sicherheitsweg seitens der Steuerungseinrichtung berücksichtigt werden.

Weiterhin kann die Steuerungseinrichtung zum Ermitteln der fahrwegspezifischen Bremspositionsdaten unter Berücksichtigung eines möglichen Pendelwegs des Objekts sowohl in Bewegungsrichtung beim Bremsen als auch entgegen der Bewegungsrichtung beim Anfahren ausgebildet sein. Weiterhin kann eine der Überwachung der Funktion der Steuerungseinrichtung dienende Recheneinrichtung vorgesehen sein, die ihrerseits die fahrweg- und/oder hubwegspezifischen Bremspositionsdaten des Objekts jedoch unter der Annahme einer maximalen oder zumin dest gegenüber der normalen deutlich erhöhten Bremsverzögerung des Fahr- und/oder Hubwerks ermittelt und ihrerseits einen Vergleich mit Hindernispositionsdaten vornimmt, wobei anhand des hierbei ermittelten Abstands die bezogen auf diesen Abstand maximal zulässige Geschwindigkeit des Objekts in Fahr- und/oder Hubrichtung ermittelt und mit der von der Steuerungseinrichtung vorgegebenen Soll-Geschwindigkeit verglichen wird. Ist die Soll-Geschwindigkeit größer als die maximal zulässige Geschwindigkeit, wie sie die Recheneinrichtung ermittelt hat, so führt diese eine Notbremsung durch, da dann eine Fehlfunktion der Steuerungseinrichtung vorliegt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Krananlage,
2 eine Prinzipskizze zur Darstellung des Steuerungsbeziehungsweise Kollisionsüberwachungsverfahrens mit feststehenden Hindernissen,
3 eine Prinzipskizze zur Darstellung des Ablaufs mit zwei sich bewegenden Objekten,
4 eine Prinzipskizze zur Darstellung der Erfassung des Pendelwegs,
5 eine Prinzipskizze zur Darstellung des rechnerisch vergrößerten, virtuellen Objektraums,
6 eine Prinzipskizze der zur erfindungsgemäßen Steuerung relevanten Elemente der Krananlage, und
7 ein Diagramm zur Darstellung der abstandsabhängigen Geschwindigkeitsänderung.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Krananlage 1, die im gezeigten Beispiel zum Be- und Entladen eines Schiffs 2 dient. Die Krananlage ist längs eines Kais 3 parallel zum Schiff 2 verfahrbar. Am Krangestell 4 ist ein das Schiff übergreifender Ausleger 5 vorgesehen, an dem eine wie durch den Doppelpfeil A angedeutete Katze 6 über ein nicht näher gezeigtes Fahrwerk horizontal verfahrbar ist. An der Katze 6 hängt über Hubseile 7 ein Spreader 8, mit dem ein Container 9 gegriffen werden kann. Über ein nicht gezeigtes, an den Hubseilen 7 angreifendes Hubwerk kann der Spreader 8 nach oben oder unten bewegt werden, wie durch den Doppelpfeil B angedeutet ist.
Gezeigt ist ferner eine Steuerungseinrichtung 10, die den Betrieb der gesamten Krananlage 1, damit also auch den Betrieb der Katze beziehungsweise des Fahrwerks sowie des Hubwerks steuert. Hierzu erfolgt wie durch den Doppelpfeil C dargestellt ein bidirektionaler Datenaustausch mit entsprechenden Betriebselementen an der Krananlage. Ferner ist eine Recheneinrichtung 11 vorgesehen, die der Überwachung der Steuerungseinrichtung 10 im Rahmen der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient, worauf nachfolgend noch eingegangen wird. Diese kommuniziert, wie durch den Doppelpfeil D angedeutet ist, ebenfalls bidirektional mit der Steuerungseinrichtung 10 sowie mit relevanten Betriebselementen der Krananlage, wie durch den Doppelpfeil E dargestellt ist.
2 zeigt eine Situation, wie sie sich während des Be- oder Entladebetriebs ergeben kann. Gezeigt ist ein Objekt 12, beispielsweise der Spreader 8 mit aufgenommenem Container 9. Dieses als rechteckig angenommene Objekt 12 bewegt sich aufgrund des Fahrwerkbetriebs in Richtung des Pfeils F und aufgrund des Hubwerksbetriebs in Richtung des Pfeils G. Gezeigt sind ferner verschiedene Hindernisse 13a, 13b, 13c, 13d, 13e und 13f, mit denen das Objekt 12 gegebenenfalls kollidieren kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist hinsichtlich der Objektbewegung in Katzfahrrichtung das Hindernis 13 als höchstes Hindernis relevant, während hinsichtlich der Hubbewegung das Hindernis 13b das nächstliegend relevante ist.
Zu dem Objekt 12 werden nun seitens der Steuerungseinrichtung 10 Bremspositionsdaten errechnet, das heißt die Steuerungseinrichtung 10 ermittelt die Bremswege sowohl in Katzfahrrichtung F als auch in Hubrichtung G. Es wird ein virtueller Objektraum in diesen beiden Richtungen um das Objekt errechnet, so dass dieses quasi virtuell vergrößert wird. Im gezeigten Beispiel hat das „Gesamtobjekt" die in Fahrtrichtung gesehene Breite x1–x2 und in Hubrichtung gesehene Höhe z1-z2. Die Objektvergrößerung erfolgt durch die errechneten Bremswege B_F in Fahrtrichtung und B_H in Hubrichtung. Seitens der Steuerungseinrichtung erfolgt nun eine kontinuierliche Überwachung, wie die "neuen" Objektgrenzen bezüglich der bekannten und in einem geeigneten Speicher der Steuerungseinrichtung hinterlegten Positionsdaten der Hindernisse liegen, um in Abhängigkeit dieses Vergleichs den Katzbetrieb entsprechend steuern zu können.
Bezogen auf die Katzfahrrichtung F wird hierbei der Abstand zwischen der Position x₂ und der Position x_max des Hindernisses 13d ermittelt. Dieser Abstand Δs wird anschließend ausgewertet und dabei überprüft, ob er noch hinreichend groß ist, um mit der momentanen Geschwindigkeit weiter zufahren, oder ob eine Geschwindigkeitsreduktion erforderlich ist. Unterschreitet der Abstand Δs einen parametrierbaren Mindestwert, das heißt, ist die Objektraumgrenze x₂ hinreichend nah an der Hindernisgrenze x_ma _x, so erfolgt eine Geschwindigkeitsreduktion, wobei diese abhängig vom Ist-Abstand Δs ist. Dies wird wie beschrieben kontinuierlich kontrolliert, so dass mit zunehmender Annäherung – ohne dass das Objekt angehoben wird und die Objektraumgrenze nicht mehr mit der Position x_max kollidieren kann – eine zunehmende Abbremsung bis auf Null erreicht wird.
Entsprechend wird bezüglich des Hubweges gearbeitet. Auch hier wird kontinuierlich der Abstand zwischen der unteren Ebene des Objektraums bei z₂ zur Höhenposition z_min, hier definiert durch das Hindernis 13b ermittelt. Auch hier wird ständig überprüft, ob dieser Abstand Δs noch hinreichend groß ist, dass die momentane Absenkgeschwindigkeit beibehalten werden kann. Falls nicht, erfolgt auch hier eine entsprechende Verringerung bis maximal zum Stillstand.
3 zeigt eine ähnliche Situation wie 2, jedoch sind hier zwei sich bewegende Objekte 12' (entsprechend dem Objekt 12 aus 2) und 12'' vorgesehen. Bei Objekt 12" kann es sich beispielsweise um eine an einem zweiten Ausleger verfahrbare Portalkatze oder dergleichen handeln, gleichermaßen auch um ein nach unten absenkbares Objekt, z.B. einen am Spreader einer Portalkatze befindlichen Container etc.
Auch hier werden die entsprechenden fahrweg- und hubwegspezifischen Bremspositionsdaten sowohl für das Objekt 12 als auch das Objekt 12" errechnet. Ersichtlich bewegen sich die beiden Objekte entgegengesetzt zueinander, wie durch die Pfeile F dargestellt ist. Die Steuerungseinrichtung ermittelt nun den Abstand zwischen den Positionen x_min (die die x-Bremsposition des Objekts 12" beschreibt) und x_max (die die Bremsposition des Objekts 12' definiert). Abhängig von der Abstandsermittlung erfolgt dann der nachfolgend noch beschriebene Steuerungseingriff. Ersichtlich werden auch hier etwaige Bewegungen des Hubwerks bei der Bildung des Objektraums berücksichtigt. An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass der Objektraum vorzugsweise nur dann in Fahrtrichtung und/oder Hubrichtung berechnet wird, wenn sich das Fahrwerk überhaupt bewegt beziehungsweise der Container gesenkt wird. Bewegt sich beispielsweise die Katze, ohne dass der Spreader oder Container abgesenkt wird, so ergibt sich kein Bremsweg in Hubrichtung, weshalb der Objektraum nur in Fahrtrichtung vergrößert wird. Entsprechendes gilt umgekehrt, wenn die Katze steht und der Container lediglich abgesenkt wird.
Der Berechnung der Bremspositionsdaten beziehungsweise der Bremswege B_F und B_H liegt jeweils die Annahme eines normalen Bremsvorgangs, also einer normalen Bremsverzögerung zugrunde. Der Bremsweg errechnet sich wie folgt:

B = Bremsweg
v = aktuelle Geschwindigkeit
a = Bremsverzögerung
v_max = maximale Geschwindigkeit des Antriebs
t_b = Bremszeit Neben dem reinen sich hieraus ergebenden Bremsweg ergibt sich jedoch ein zusätzlicher Bremsweg aufgrund eines etwaigen Pendelns des Objekts, sofern es sich bei diesem um den Spreader gegebenenfalls mit Container handelt. Die Ermittlung des Pendelwegs ergibt sich aus 4. Aus der aktuellen Lage des Spreaders zur Katze und der aktuellen Geschwindigkeit des Spreaders (beziehungsweise der Katze) wird die maximale Auslage wie folgt hinreichend genau berechnet:

a₁ = aktuelle Auslenkung des Pendels
a₂ = maximale Auslenkung des Pendels
L = aktuelle Pendellänge
v₁ = aktuelle Geschwindigkeit
g = Erdbeschleunigung (für kleine Pendelwinkel)
Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass sich die Katze in Richtung des Pfeils F in 4 bewegt, so dass das Objekt 12 hinter der Katze hereilt.
Da beim Abbremsen der Katze noch eine zusätzliche Auslenkung des Pendels in entgegengesetzte Richtung entsteht, muss dies ebenfalls berücksichtigt werden. Die Winkelauslenkung, also der Winkel, den die Hubseile zur Vertikalen einnehmen, berechnet sich zu:
α = 2·arctan (a/g), mit
α = Winkelauslenkung
a = Verzögerung der Katze
g = Erdbeschleunigung
Die tatsächliche Auslenkung infolge des Bremsens der Katze ergibt sich dann zu:
a₃ = L·tan α.
Die Auslenkung a₃ geht der Geschwindigkeit proportional in die Rechnung wie folgt ein:
a4 = (v/v_max)·a₃, mit
a₄ = bremsbedingte, geschwindigkeitsbezogene Auslenkung,
v = aktuelle Geschwindigkeit
v_max = maximale Geschwindigkeit der Katze.
Damit ergibt sich die gesamte zu erwartende Auslenkung aufgrund des Anfahrens und Bremsens zu
A = a2 + a4.
Zusätzlich zu dem reinen rechnerischen Bremsweg sowie dem Pendelweg kann seitens der Steuerungseinrichtung noch ein Sicherheitsweg bei der Bestimmung der Bremspositionsdaten berücksichtigt werden. Dieser Sicherheitsweg kann abhängig von der aktuellen Geschwindigkeit gewählt werden.
Insgesamt ergibt sich ein maximaler Objektraum wie er in 5 gezeigt ist, in dem die unterschiedlichen Raumabschnitte gesondert dargestellt sind. Gezeigt ist der Objektraum O₁, der sich aus den tatsächlich errechneten Bremswegen in Fahrtund Hubrichtung sowie gegebenenfalls einem jeweiligen Sicherheitsweg ergibt. Der Objektraum O₂ stellt den sich in Fahrtrichtung ergebenden Pendelraum dar, während der Objektraum O₃ den sich beim Anfahren entgegen der Fahrtrichtung ergebenden Pendelraum darstellt.
6 zeigt in Form einer Prinzipskizze die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens relevanten kranseitigen Elemente, die im Wesentlichen in der Steuerungseinrichtung 10 angeordnet beziehungsweise dieser zugeordnet sind. Zum einen ist ein Rechenglied 14 vorgesehen, dem zum einen dynamische Daten D_d gegeben werden, die im Wesentlichen bewegungsrelevante Parameter wie Geschwindigkeit, Verzögerung etc. umfassen. Ferner werden statische Daten D_s gegeben, die zum einen beispielsweise geometrische Abmessungen des Objekts zum Inhalt haben, zum anderen hindernisbezogene Daten, nämlich die x- und z-Positionsdaten eines stehenden Hindernisses. Sind zwei bewegte Objekte vorhanden, so gehen die dynamischen Daten beider Objekte ein, gegebenenfalls zuzüglich weiterer statischer Daten feststehender Hindernisse.
Das Rechenglied 14 errechnet zum einen die relevanten Bremswege, zum anderen daraus die relevanten maximalen und minimalen Bewegungs- und Bremswege für die Katzen beziehungsweise Hubwerke x_max, x_min beziehungsweise z_max und z_min. Über einen Fahrtrichtungswähler 15 erfolgt dann die Auswahl, welcher der Parameter x_max oder x_m _in (und entsprechend für z) fahrtrichtungsbezogen relevant ist. Im Subtrahierglied 16 erfolgt dann die Ermittlung der Wegdifferenz Δs. In einen Begrenzungsregler 17 wird nun überprüft, ob bezogen auf das ermittelte Δs eine Geschwindigkeitsreduktion erforderlich ist. Zum Reduzieren der Geschwindigkeit über eine Begrenzung des Sollwerts, der im gezeigten Beispiel über den Meisterschalter 18 im Kranführerhaus vorgegeben wird, wird anhand der vom Begrenzungsregler 17 berechneten maximalen zulässigen Geschwindigkeit zum erfassten Abstand Δs über einen Begrenzer 19 der Geschwindigkeitssollwert V_soll entsprechend eingestellt. Die nachfolgende Tabelle zeigt ein Beispiel, wie eine solche Sollwertbegrenzung aussehen kann. Tabelle
Angegeben ist jeweils der ermittelte Abstand Δs zwischen beispielsweise x_max und x_min. V_soll gibt jeweils die Prozentzahl an, die V_soll im Verhältnis zu V_ma _x, also der maximal möglichen Geschwindigkeit des Fahrwerks oder des Hubwerks beträgt.
Beträgt der gemessene Abstand Δs beispielsweise acht Meter, so beträgt V_s _oll = 100 % V_m _ax. Bei einer Abnahme von Δs auf fünf Meter erfolgt eine geringfügige Geschwindigkeitsreduzierung auf 95 g V_ma _x. Mit zunehmender Annäherung erfolgt eine (bezüglich der Zeit) konstante Geschwindigkeitsreduzierung, bis zum Halt.
Die Nichtlinearität dieser Geschwindigkeitsreduktion ergibt sich aus 7, in der längs der Abszisse der Abstand Δs und der längs der Ordinate die Soll-Geschwindigkeit V_soll in Prozent bezogen auf V_max aufgetragen ist. Die gezeigte Kurve beschreibt den Verlauf einer Wurzelfunktion, die sich aus folgender Berechnung ergibt:
Δs = ½ at², mit t² = v²/a
a = Verzögerung = const.
Hieraus ergibt sich: Δs = ½ v²/a und weiter
das heißt, es erfolgt eine nichtlineare Geschwindigkeitsreduktion proportional zur
. Sobald der Abstand Δs kleiner als ein parametrierbarer Mindestabstand Δs ist, erfolgt die Rücknahme der Geschwindigkeit und damit die Begrenzung des Sollwerts V_soll Entsprechende Berechnungen erfolgen auch in der Recheneinrichtung 11. Jedoch wird dort mit anderen Verzögerungswerten gerechnet, da dort eine Notstopp-Bremsung der Bremswegberechnung zugrunde gelegt wird. Anhand der berechneten Bremspositionsdaten, die aufgrund der angenommenen stärkeren Abbremsung anders sind als die seitens der Steuerungseinrichtung 10 ermittelten Bremspositionsdaten, wird der Abstand Δs ermittelt, der zwangsläufig größer ist als der Abstand Δs, den die Steuerungseinrichtung errechnet. Die Recheneinrichtung ermittelt nun mit dem ermittelten Abstand Δs die maximal zulässige Geschwindigkeit bezogen auf den größeren Abstand im Vergleich zum Abstand der Steuerungseinrichtung 10. Ergibt nun ein Vergleich, dass der von der Steuerungseinrichtung 10 vorgegebene Geschwindigkeitssollwert größer ist als die maximale Geschwindigkeit, die die Recheneinrichtung 11 ermittelt hat, so liegt zwangsläufig ein Fehler der Steuerungseinrichtung 10 vor. Die Recheneinrichtung 11 dient also zum Überwachen der Funktionsweise der Steuerungseinrichtung 10.
Insgesamt lässt das erfindungsgemäße Verfahren ein kollisionsfreies Steuern des Bewegungsbetriebs des Objekts sowohl im manuellen als auch im halbautomatischen oder automatischen Katzbetrieb zu.

Claims

Verfahren zum Steuern des Betriebs wenigstens einer längs einer Fahrbahn verfahrbaren Katze mit einem Fahrwerk und einem Hubwerk zum Bewegen eines Objekts bestehend aus einem Lastaufnahmemittel ohne oder mit einer aufgenommenen Last, wobei das Fahr- und das Hubwerk über eine Steuerungseinrichtung gesteuert werden, insbesondere eines Containerkrans mit einer längs eines Auslegers verfahrbaren Katze mit einem einen Container aufnehmenden Spreader, dadurch gekennzeichnet, dass für das sich bewegende Objekt kontinuierlich fahrweg- und/oder hubwegspezifische Bremspositionsdaten ermittelt und kontinuierlich mit Positionsdaten eines Hindernisses verglichen werden, wobei die Steuerung des Fahrwerks und/oder des Hubwerks in Abhängigkeit des Vergleichs erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsdaten die eines stehenden Hindernisses sind, oder dass die Positionsdaten fahrweg- und/oder hubwegspezifische Bremspositionsdaten eines zweiten sich bewegenden Objekts oder Gegenstands sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des Vergleichs der anhand der Positionsdaten bestimmbare Abstand zwischen der Bremsposition und der Hindernisposition oder zwischen den beiden Bremspositionen ermittelt wird, und in Abhängigkeit des Abstands die Geschwindigkeit des Fahrund/oder des Hubwerks gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beginnend ab einem vorgebbaren Abstand die Geschwindigkeit mit abnehmendem Abstand verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit nichtlinear, insbesondere proportional zur Wurzel des Abstands verringert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremspositionsdaten unter Berücksichtigung eines Sicherheitswegs ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherheitsweg in Abhängigkeit der Geschwindigkeit des Objekts in Fahr- und/oder Hubrichtung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, dass der Sicherheitsweg ausgehend von einem maximalen Sicherheitsweg bezogen auf eine maximale Geschwindigkeit des Objekts in Fahrt- und/oder Hubrichtung mit abnehmender Geschwindigkeit abnimmt, vorzugsweise proportional abnimmt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die fahrwegspezifischen Bremspositionsdaten unter Berücksichtigung eines möglichen Pendelwegs des Objekts ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl ein in Bewegungsrichtung gerichteter bremsbedingter als auch der entgegen der Bewegungsrichtung gerichteter anfahrtsbedingter Pendelweg berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Form des Objekts sowie der Hindernisse als recht eckig angenommen und die Daten ausgehend von der Rechteckform ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer parallel zur Steuerungseinrichtung arbeitenden Recheneinrichtung die fahrweg- und/oder hubwegspezifischen Bremspositionsdaten, jedoch unter der Annahme einer maximalen Bremsverzögerung des Fahr- und/oder des Hubwerks ermittelt und mit Positionsdaten eines Hindernisses verglichen werden, wobei in Abhängigkeit des Vergleichs die maximal zulässige Geschwindigkeit des Objekts in Fahr- und/oder Hubrichtung ermittelt und mit der aktuellen Ist-Geschwindigkeit verglichen wird, wobei bei einer Überschreitung der maximalen zulässigen Geschwindigkeit durch die Ist-Geschwindigkeit die Recheneinrichtung eine Notbremsung einleitet.
Krananlage, insbesondere Containerkran, mit wenigstens einer längs einer Fahrbahn verfahrbaren Katze mit einem Fahrwerk und einem Hubwerk zum Bewegen eines Objekts bestehend aus einem Lastaufnahmemittel ohne oder mit einer aufgenommenen Last, wobei das Fahr- und das Hubwerk über eine Steuerungseinrichtung gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (10) für eine kollisionsfreie Bewegung des Objekts (12, 12', 12") zum Steuern des Fahr- und/oder des Hubwerks in Abhängigkeit eines Vergleichs zwischen kontinuierlich ermittelten fahrweg- und/oder hubwegspezifischen Bremspositionsdaten des Objekts (12, 12', 12") und Positionsdaten (13a – f) eines Hindernisses ausgebildet ist.
Krananlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die im Rahmen des Vergleichs berücksichtigten Positionsdaten die eines stehenden Hindernisses (13a–f) sind, oder dass die Positionsdaten von der Steuerungseinrichtung (10) gleichzeitig ermittelte fahr weg- und/oder hubwegspezifische Bremspositionsdaten eines zweiten sich bewegenden Objekts (12") oder Gegenstands sind.
Krananlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (10) zum Ermitteln der Bremspositionsdaten anhand statischer, die Geometrie des Objekts (12, 12', 12") oder des Gegenstands beschreibender Daten und anhand dynamischer, die Momentanbewegung des Objekts (12, 12', 12") oder des Gegenstands beschreibender Daten ausgebildet ist.
Krananlage nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (10) ein Subtrahierglied (16) zum Ermitteln des anhand der Positionsdaten bestimmbaren Abstands zwischen der Bremsposition und der Hindernisposition oder zwischen den beiden Bremspositionen aufweist und zum Steuern der Geschwindigkeit des Fahr- und/oder des Hubwerks in Abhängigkeit des ermittelten Abstands (Δs) ausgebildet ist.
Krananlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Begrenzungsregler (17) zum Begrenzen des Geschwindigkeits-Sollwerts für das Fahrwerk und/oder das Hubwerk zur Steuerung der Geschwindigkeit vorgesehen ist.
Krananlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Begrenzungsregler (17) den Sollwert (v_so _ll) mit abnehmendem Abstand (Δs) bei maximaler Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bremsmoments verringert.
Krananlage nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert (v_soll) und damit die Geschwindigkeit nichtlinear, insbesondere proportional zur Wurzel des Abstands (Δs) verringert wird.
Krananlage nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (10) zum Ermitteln der Bremspositionsdaten unter Berücksichtigung eines Sicherheitswegs ausgebildet ist.
Krananlage nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (10) den Sicherheitsweg in Abhängigkeit der Geschwindigkeit des Objekts in Fahr- und/oder Hubrichtung bestimmt.
Krananlage nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (10) den Sicherheitsweg ausgehend von einem maximalen Sicherheitsweg bezogen auf eine maximale Geschwindigkeit des Objekts (12, 12', 12") in Fahrt- und/oder Hubrichtung mit abnehmender Geschwindigkeit erniedrigt, vorzugsweise proportional erniedrigt.
Krananlage nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass Steuerungseinrichtung (10) zum Ermitteln der fahrwegspezifischen Bremspositionsdaten unter Berücksichtigung eines möglichen Pendelwegs des Objekts (12, 12', 12") ausgebildet ist.
Krananlage nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (10) zum Ermitteln und Berücksichtigen eines in Bewegungsrichtung gerichteten bremsbedingten als auch eines entgegen der Bewegungsrichtung gerichteten anfahrtsbedingten Pendelwegs ausgebildet ist.
Krananlage nach einem der Ansprüche 13 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine parallel zur Steuerungseinrichtung (10) arbeitenden Recheneinrichtung (11) vorgesehen ist, die die fahrweg- und/oder hubwegspezifischen Bremspositionsdaten unter der Annahme ei ner maximalen Bremsverzögerung des Fahr- und/oder des Hubwerks ermittelt und mit Positionsdaten eines Hindernisses (12", 12", 13a–f) vergleicht, die in Abhängigkeit des Vergleichs die maximal zulässige Geschwindigkeit des Objekts (12, 12, 12") in Fahr- und/oder Hubrichtung ermittelt und mit der vorgegebenen Soll-Geschwindigkeit verglicht, und die bei einer Überschreitung der maximalen zulässigen Geschwindigkeit durch die Soll-Geschwindigkeit eine Notbremsung einleitet.