SE502609C2 - Förflyttning av gods med containerkranar - Google Patents

Description

502 609 2 Med utgångspunkt från de redovisade problemen kan man lätt förstå att det ställs mycket stora krav på en kranförare både vad gäller noggrannhet och uthållighet. För att underlätta en kranförares arbete har det därför under årens lopp tagits fram flera olika styr- och körprogram. Avsikten med dessa har självfallet också varit att reducera inverkan av pendlingar samt att underlätta positioneringen så mycket som möjligt.

Typiskt för förarstyrda krandrifter är att föraren med hjälp av en spak ger en referens i form av steg eller som en analog signal. För reglerade drifter ges referensen som en hastighetsreferens. För att skydda såväl mekanisk utrustning som elektrisk utrustning samt för att ge driften ett för föraren förutsägbart beteende, begränsas förarens referens av en fast ramp. Rampens lutning sätts så att driften i alla normala fall klarar av att följa rampen. I de flesta fall förses även drifterna med så kallad momentfelskydd som övervakar att driften klarar av att följa den ramp-referensen.

Ett sådant förfarande innebär dock att rampen måste ställas för ett tänkt värsta fall varvid driftens kapacitet i alla andra fall utnyttjas dåligt. Detta är speciellt märkbart på trallrörelser där belastningen inte bara är lastberoende, utan också är starkt beroende av kombinationen av last och pendelvinkel, dvs vinkelen mellan en lodlinje från linans upphängning i trallan och linan.

Genom oförsiktig körning kan så stora pendlingar åstadkommas att mer än dubbelt så stort moment som vad en normalt dimensionerad kran klarar, krävs. Å andra sidan utnyttjas motorn vid normal körning i regel till mindre än 50 °/>.

Många befintliga styr- och körprogram för containerkranar representeras av öppna styralgoritmer, dvs de ingår inte i slutna reglersystem. Detta innebär att noggrannheten hos de styrda parametrarna och de dynamiska beteendena hos dessa inte kan kontrolleras på önskat sätt. l svenska patentskriften med publiceringsnummer 429 641 anges t ex ett sätt för sidoförflyttning av en hängande last där linlângden mellan last och tralla kan varieras under sidoförflyttningen. Sättet innebär att en hastighetsändring uppdelas i två faser med en mellanliggande fas med väsentligen konstant hastighet och att respektive accelerationsfaser göres olika långa och ges konstanta värden på så sätt att skillnaden i längd för de båda faserna bestäms ur ett i förväg uppgjort nomogram eller ur en tabell.

Svenska patentskriften med publiceringsnummer 429 748 anger ett sätt vid lossning av gods under sidoförflyttning med hjälp av en 3 502 609 tralla och där linlängden mellan tralla och en gripskopa kan ändras. Trallan ges här en retardation ned till stillastående och därefter omedelbart en acceleration i motsatt riktning.

Försök har även utförts med positioneringssystem kompletterade med mekaniska pendeldämpsystem. Detta har dock lett till både dyra och klumpiga konstruktioner som dessutom har haft svårt att klara noggrannhetskraven speciellt vid långa linor. l princip är positioneringsproblemet ett tredimensionellt sådant.

Om man utgår från kajplanet som ett x/y-plan kan man t ex rikta koordinataxel x vinkelrät mot kajkanten och följaktligen koordinataxel y längs kajkanten och lämpligen placera den vinkelrät mot kajkanten stående kranen vid y-koordinaten lika med 0. För den tredimensionella positioneringsbestämningen av container, tralla, gripdon eventuellt med container och lastplats ombord på ett skepp tillkommer ett x/z-plan vinkelrät mot x/y-planet lämpligen gående genom y lika med 0. Under ett lastförlopp ändras koordinaterna för tralla och gripdon med container. V Positionen hos last- och lossplats, tralla och last i x/y-planet kan lämpligen definieras som tyngdpunkten för den mot planet projicerade ytan. Av praktiska skäl som skall beskrivas senare kan man vara tvungen att ha en annan definition på positionen.

Eftersom ett skepp vid kajkanten är fast förankrat kommer en bestämd lastplats ombord att ha en fast och given position i x/y- planet. Om man placerar kranen så att trallans y-koordinat sammanfaller med Iastplatsens y-koordinat och samtidigt med hjälp av ett fordon på kajen ser till att även containerns y- koordinat sammanfaller med lastens och trallans y-koordinat kommer positioneringsproblemet att reduceras till ett i huvudsak tvådimesionellt sådant. Detta innebär självfallet en väsentlig förenkling av positioneringens svårighetsgrad eftersom inga pendlingar tvärs rörelseriktningen mot skeppet kommer att initieras. Sådana pendlingar kan självfallet dock uppstå på grund av vind och annat. På grund av att det är svårt att få en exakt linjering av y-koordinaterna kan det i praktiken också bli så att en viss vridning av containern kan uppstå då den lyfts vilket i sin tur kan leda till en sidledspendling. En på detta sätt initierad pendling är dock i regel mycket liten jämfört med pendlingen i trallans rörelseriktning.

Efterhand som lastutrymmet ombord fylls kommer Iastplatsens x- och y-koordinater att ändras vilket medför att både kranen och containerns plats på kajen får flyttas i sidled. 502 609 4 Positioneringsproblematiken som den har beskrivits ovan gäller självfallet såväl vid lastning som vid lossning av last. Att reducera positioneringen till ett tvådimensionellt problem tillhör teknikens ståndpunkt.

De fysikaliska lagar som gäller för en pendel med rörlig upphängningspunkt är så väl kända att man kan ta fram en matematisk modell för hela kransystemet eller som man också ofta säger hela processen. Med kännedom om ingående parametrar som bl a pendellängd, lastens vikt och upphângningspunktens position, rörelsehastighet, acceleration m m för ett visst körfall finnes matematiska förutsättningar för att med modellens hjälp till var tid kunna säga var en hängande last befinner sig. Tyvärr ger dock en sådan "mätmetod" inte tillräcklig upplösning och noggrannhet för att direkt kunna användas som ett ärvärde i en sluten positionsreglering.

Det har efterhand blivit så att containerhantering mer och mer koncentreras till mycket specialiserade terminaler med höga krav på effektivitet. Möjligheterna till ökad effektivitet genom ökade lyft- och trallhastigheter är små eftersom dessa redan är mycket höga. Studier av en krans arbetscykel visar att med dagens teknik utgör små förflyttningar och positionering mer än 50 % av cykeltiden. Vid upphandling av nya kranar och även vid komplettering av äldre kranar krävs därför numera alltid att dessa skall vara utrustade med ett positioneringssystem samt ett aktivt pendeldämpsystem. Eftersom de möjligheter som dagens teknik enligt ovan medger har små möjligheter att uppfylla dessa önskemål finnes ett stort behov av ett tekniskt nytänkande inom detta område.

Det som enligt teknikens ståndpunkt verkligen utgör det stora problemet för dessa containerkranar är avsaknaden av en noggrann positionsgivare som till envar tid kan ge ett mätvärde på lastens position. Eftersom det är enkelt att mäta trallans position skulle det vara tillräckligt med en givare som visar lastens läge i förhållande till trallan. Om en sådan givare vore tillgänglig skulle man med dagens sofistikerade slutna reglersystem och simuleringsteknik kunna komma långt på väg mot en process som tillfredsställer både kraven på optimalt utnyttjande av motordrifterna, god positionering och pendlingsdämpning. 5 502 609 REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Uppfinningen omfattar en utrustning för containerhantering med hjälp av en kran. På kranen finnes en åkbar tralla som via lyftliner uppbär ett gripdon för de containrar som skall förflyttas. 'l utrustningen ingår bl a ett speciellt framtaget mâtsystem för praktiskt taget kontinuerlig lägesidentifiering relativt trallan av en last under dens förflyttning. Utrustningen omfattar vidare drivanordningar för både trall- och lyftrörelse samt en regulator som utför vissa beräkningar och tar fram styrsignaler till drivanordningarna. Till utrustningen hör också givare för trallans position på kranen och trallans hastighet samt en givare för lyftlinans aktuella längd.

Utåt sett fungerar utrustningen som en positionsreglering som har till uppgift att förflytta en container fràn en given första position till en given andra position. Anordningar för inmatning till utrustningen av respektive positioner samt kännedom om möjliga körvâgar mellan dessa finnes därför också.

För att på bästa sätt kunna stabilisera en sluten positionsreglering är det önskvärt med inre reglerslingor med återföring från den reglerade storhetens hastighet och acceleration. I detta aktuella fall är ju inte dessa storheter direkt tillgängliga. För att få bästa möjliga värden på dessa ingår i utrustningen en matematisk modell av processen så som tidigare beskrivet. Genom att tillföra både den verkliga processen och modellen samma börvârden och kontinuerligt låta skillnaden i utfall justera modellen så att skillnaden blir så liten som möjligt kan tillförlitliga värden på den reglerade storhetens position, hastighet och acceleration erhållas från modellen.

Positionssystemet är vidare anpassat så att under startförloppet accelereras trallan på ett sådant sätt att den pendlande lastens hastighet i trallans rörelseriktning, dvs i x-riktningen, är den samma som trallans hastighet då lastens och trallans x- koordinater sammanfaller. Detta innebär att då lasten 'har kommit i fatt” trallan kommer lastens förflyttning att ske pendlingsfritt rakt under trallan och med samma hastighet som trallan.

Modellens ekvationssystem och kända och uppmätta parametrar medger också en möjlighet att till varje tidpunkt beräkna det moment som måste utvecklas av trallans drivsystem för att lasten skall kunna accelereras till samma hastighet som trallan. Med kännedom om ingående tröghetsmoment, utväxling hos drivsystemet 502 609 6 m m kan även accelerationen för maximalt utnyttjande av tillgängligt drivmoment beräknas. Denna kan sedan omformas till en kontinuerligt anpassad ramp-referens. Detta medför att ramp- referensen kan anpassas till aktuell last och linvinkel varvid systemets tillgängliga drivmoment till envar tid kan utnyttjas. Om man ur mekanisk eller ur andra synpunkter önskar ha en viss marginal till märkmoment kan ramp-referensen mycket enkelt anpassas till detta. Till skillnad från teknikens ståndpunkt, där man som tidigare beskrivet fastställer en ramp-referens baserad på det svåraste körfallet och sålunda vid mindre momentkrävande körfall inte utnyttjar tillgängligt moment för snabbare accceleration, kan ett maximalt utnyttjande uppnås med kortare körtid som följd.

Med till var tid kännedom om lastens och trallans position och hastighet samt avlastningsplatsens koordinater kan positionssystemet med modellens hjälp bestämma ett retardationsförlopp till noll i trall- och lasthastighet. Under första delen av trallans retardation kommer lasten att fortsätta med samma hastighet, dvs den kommer att göra en pendlande rörelse framför trallan i dess rörelseriktning. Med modellens hjälp och med kännedom om tillgängligt retardationsmoment kan tidpunkten då retardationsförloppet skall starta samt retardationsmoment och nedkörningens ramp-referens bestämmas så att vid noll trallhastighet lasten befinner sig pendlingsfritt rakt över avlastningsplatsen.

Sammanfattningsvis kan man av det som har framförts utläsa att den pendlande rörelsen hos lasten kontrolleras och styrs med hjälp av trallans rörelse. Detta sker genom att trallans rörelsehastighet under ett accelerations-/retardationsförlopp kontinuerligt styrs av en med hjälp av modellen och en regulator framräknad och anpassad referens.

Mätsystemet består av en på trallan monterad videokamera riktad mot den hängande lasten bestående av ett gripdon, eventuellt ett gripdon med container. På gripdonets ovansida finnes ett markördon med mot videokameran riktade ljuskällor som tänds synkront med slutaren hos videokameran. Videokameran erhåller på detta sätt en digital bild av x/y-planet med en tydlig avbildning av ljuskällorna.

En videoprocessor bildbehandlar denna bild och avger x- och y- koordinater för tyngdpunkten hos de på bilden belys_ta områdena.

Med vetskap om var på gripdonet ljuskällorna finnes kan även lastens tyngdpunkt för dess på x/y-planets projicerade yta bestämmas. Eftersom lyftlinans längd till envar tid finnes tillgänglig kan ett mätvärde på lastens tredimensionella position f 502 609 relativt trallan till envar tid mycket enkelt bestämmas. Detta mätvärde tillsammans med trallans position användes sedan som ärvärde för den ovan nämnda slutna 'positioneringregleringen.

RITN|NGSFÖRTECKNING Figur 1 visar hur måtsystemet är uppbyggt.

Figur 2 visar i stora drag sambandet mellan processen, en modell för processen och utrustningens regulator i ett x-leds positionsreglersystem.

Figur 3 visar det principiella sambandet mellan reglersystemets áterkopplade inre reglerslingor, modell, regulator och tralldrift.

REDOGÖRilSE FÖR UTFÖRINGSFORMER Inledningsvis skall med hjälp av figur 1 måtsystemet som användes för lastens positionsangivelse relativt trallan beskrivas. l måtsystemet ingàr en på trallan placerad videokamera 1 med digital avbildning och det förutsättes att ett markördon 2 placerat på kranens gripdon 3 för en container 4 befinner sig i videokamerans synfâlt 5. Markördonet är i en föredragen utföringsform bestyckat med fyra plattor packade med lysdioder och är mot kameran försett med en diffusorskiva 6 och en skärm. I skärmen finnes tvà större och tvá mindre cirkulâra öppningar, hädanefter kallade markörer 7,8 respektive 9,10 orienterade rakt över de med lysdioder packade plattorna. Markörernas centrum ligger pà samma linje och de mindre markörerna är symmetriskt placerade mellan de yttre och större markörerna. Orsaken til denna dubblering är att vid korta linlângder kommer de yttre större markörerna att ligga utanför videokamerans synfâlt. Vid körning tänds sålunda endast antingen de tvâ större yttre eller de två mindre inre markörerna. Val av vilka tvá som skall vara tända bestäms av styrsystemet som till var tid avkänner linlängden.

En videoprocessor 11 synkroniserar videokamerans slutare och tändningen av lysdioderna sá att lysdioderna är tända då slutaren är öppen. För att förhindra att videokameran registrerar ströljus av olika slag är den försedd med en automatisk förstârkningsanordning sá att endast det från markörerna kommande relativt starka ljuset detekteras, dvs att videokameran arbetar med lag förstärkning. 502 609 g Videokamerans digitala bild överförs till videoprocessorn som bildbehandlar denna. Bilden delas därvid in i punkter (pixels) och de punkter som är upplysta av de två markörerna beräknas ihop till var sin area vars tyngdpunktskoordinater bestäms. Dessa värden tillföres en styr- och reglerutrustning 12 för att tillsammans med trallans position ligga till grund för den slutliga positions- bestämningen av lasten. En justering av videokamerans koordinatvärden till ett, relativt trallan, lastpositionsvärde är nödvändig. Orsaken till detta är att videokamerans placering på trallan och markördonets placering på gripdonet inte alltid kan ske med samma x/y-koordinater.

Drivsystemen både för tralla och lift består av konventionella motordrifter. Med hjälp av lämpliga givare på dessa kan därför trallans x-position xT och trallans hastighet íq- till envar tid finnas tillgängliga. Med kännedom om lyftlinans trumdiameter och antal varv som denna har roterat finnes på samma sätt till envar tid även linans längd Li mellan tralla och last tillgänglig. Lastens vikt P kan också bestämmas med konventionella mätmetoder.

Som omtalat under redogörelsen för uppfinningen är det ur positionsregleringens synpunkt önskvärt att ha tillgång till lastens hastighet och acceleration för stabilisering. För att få ett bra mått på dessa storheter utgår man från en modell av den pendlande lasten under trallans rörelse. Modellen är uppbyggd i enlighet med de klassiska lagar som gäller för sådan rörelse och kommer därför ej att redovisas här. Det principiella sambandet mellan processen, dvs krandriften som sådan, modellen och utrustningens regulator i ett x-leds positioneringssystem framgår av figur 2.

En last skall förflyttas från en given första position till en given andra position, dvs en x-position XLR som utgör positionssystemets bör(referens)värde. Skillnaden mellan lastens beräknade x-position, dvs xLB och börvärdet leds både till processen som i figuren angetts som PROCESS, 13, och till modellen angetts som MODELL, 14.

Processen omfattar i detta tänkta principiella utförandet det tidigare omtalade mätsystemet för lastens position relativt trallan. Genom komplettering med trallans position x-r erhålles ett mätvärde xLM på lastens position relativt kajen. Trallans x- position x-r, trallans hastighet år och linans längd Li mellan tralla och last tillföres kontinuerligt modellen. Med hjälp av ovan indikerade ekvationssystem kan modellen nu kontinuerligt avge ett beräknat värde x|_g på lastens position. Det uppmätta värdet xLM jämförs sedan med det beräknade xLg och skillnaden återförs till modellen för modifiering av denna så att skillnaden minimeras. 9 502 609 Detta förfarandet leder till att det beräknade värdet xLB till envar tid utgör ett fullgott värde pä lastens x-position och kan därför användas som ärvärde i x-positionsregleringen.

Med hjälp av modellen är det nu en enkel operation att ta fram lastlägets första och andra derivata, dvs lastens hastighet írLg och lastens acceleration x°|_g som tillsammans med xLg tillföres regulatorn 12.

Det principiella sambandet mellan de àterkopplade reglerslingorna, modell, regulator och tralldrift för ett x-positionsreglersystem framgär av figur 3. Som i figur 2 jämförs börvärdet XLR med den beräknade positionen xLB för lasten. Skillnaden tillföres dels modellen 14 och dels en första förstärkare 15 som i själva verket tillhör regulatorn 12. Den första förstärkarens utgång utgör i sin tur börvärde för accelerationsáterföringen. Skilnaden mellan detta börvärde och det med modellen beräknade ärvärdet 3:15 för accelerationen tillföres en andra förstärkare 16 som också är integrerad med regulatorn. Den andra förstärkarens utgång utgör nu börvärde för hastighetsäterföringen. Skillnaden mellan detta börvärde och det med modellen beräknade ärvärdet írLg för lastens rörelsehastighet tillföres modellen som förövrigt och enligt figur 2 även tillföres trallans position och hastighet samt aktuell linlängd.

Modellen omfattar förutom tidigare nämnda ekvationssystem även nödvändiga integratorer 17 och 18 för att fä de önskade värdena pä lastens rörelsehastighet och acceleration. l processregleringen ingår också ett motsvarande system för z- positionsregleringen. Eftersom detta system är utformat pä samma sätt som x-positionsregleringen kommer det inte att beskrivas närmare. De båda systemen är integrerade bàde vad modellen beträffar och ur körstrategisynpunkt och bildar tillsammans den kompletta x/z-positionsregleringen. De samverkar också pä sä sätt att förflyttningen av lasten sker inom ramen för möjliga körvägar.

Claims (6)

502 609 /o PATENTKRAV

1. Förfarande vid positionsbestämning av en i en lyftlina hängande last (3) relativt positionen (xT) hos en rörlig upphängnings- anordning för linan, vilket förfarande k ä n n e t e c k n a s av' att på lasten och vänd mot upphängningsanordningen placeras ett markördon (2) bestyckat med ett antal markörer (7, 8, 9, 10) i form av ljuskällor och att det vid upphängninsanordningen placeras en videokamera (1) riktad mot markördonet och att i videokameran befintlig slutare öppnas synkront med tändningen av ljuskällorna med hjälp av en videoprocessor (11) vari också den bild som videokameran uppfattar bildbehandlas på så sätt att de upplysta markörenas och lastens position (XLM) relativt upphängnings- anordningens position (xT) bestämmes.

2. Förfarande vid förflyttning och positionering av en last (3) med hjälp av en containerkrandrift och där förflyttningen och positioneringen åstadkommes med hjälp av en åkbar tralla med en lyftlina i vars ände lasten bestående av ett gripdon (3) eller ett gripdon med container (4) upphänges, att containerkranen innefattar en motordrift för trallans åkrörelse och en motordrift för lastens lyftrörelse, att information om trallans position (xT) och hastighet (iT), lyftlinans längd (Li) och lastens vikt (P) finnes tillgänglig vilket förfarande k ä-n n e t e c k n a s av att förflyttningen och positioneringen från en första given position till en andra given position (XLR) sker med hjälp av ett positionsreglersystem som kontinuerligt tillföres nämnd information samt information om lastens position (xLM) relativt trallans position (xT), att positionsreglersystemet utformas så att trallans åkrörelse och lastens lyftrörelse utföres samtidigt för att minimera tiden för en förflyttning.

3. Förfarande vid förflyttning och positionering av en last (3) enligt patentkrav 2, vilket förfarande k ä n n e t e c kn a s av att under trallans accelerationsrörelse och retardationsrörelse utnyttjas en utifrån känd information beräknad varierbar maximal acceleration respektive retardation så att det disponibla momentet för motordriftens trallrörelse utnyttjas.

4. Förfarande vid förflyttning och positionering av en last (3) enligt patentkrav 2 och 3, vilket förfarande k ä n n e t e ck n a s av att lastens accelerationsrörelse anordnas så att lastens hastighet (ítL) då lastens position (XL) sammanfaller med trallans position (XT) är lika med trallans hastighet (iT) och att lastens retardationsrörelse ,, 502 609 anordnas så att lastens hastighet (XL) då lastens position är lika med den andra givna positionen är noll.

5. Mätanordning för genomförande av förfarandet vid positions- bestämning (XLM) av en i en lyftlina hängande last (3) relativt positionen (XT) hos en rörlig upphängningsanordning för linan enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att mätanordningen omfattar ett på lasten och vänd mot upphängningsanordningen anordnad markördon (2) bestyckad med ett antal markörer (7, 8, 9, 10) i form av ljuskällor och att det på upphängningsanordningen är placerad en videokamera (1) riktad mot markördonet, att i videokameran befintlig slutare är anordnad att öppna synkront med tändning av ljuskällorna med hjälp av en i mätanordningen ingående videoprocessor (ll) vilken också är anordnad att genom analys av den bild videokameran uppfattar ange lastens position (XLM) relativt upphängningsanordningens position (XT).

6. Positionsreglersystem för förflyttning och positionering av en last (3) med hjälp av en containerkrandrift som innefattar en åkbar tralla med en lyftlina i vars ände lasten bestående av ett gripdon (3) eller ett gripdon med container (4) är upphängd, en motordrift för trallans åkrörelse och en motordrift för lastens lyftrörelse, rnätanordningar för trallans position (XT) och hastighet (XT), lyftlinans längd (Li) och lastens vikt (P), k ä n n e t e c k n a d av att positionsreglersystemet för förflyttning och positionering av lasten från en första given position till en andra given position innefattar en mätanordning för lastens position (XL) relativt trallans position (XT), en regulator (12) anordnad så ett den baserad på tillförda mätdata och en inbyggd matematisk modell av containerkrandriften dels styr trallans accelerationsrörelse och retardationsrörelse med en varierbar maximal acceleration respektive retardation under utnyttjande av disponibelt_moment för trallrörelsens motordrift, dels styr lastens hastighet (XL) under accelerationsrörelsen så att då lastens position (XL) sammanfaller med trallans position (XT) lastens hastighet (XL) är lika med trallans hastighet (XT) och dels under retardationsrörelsen styr lastens hastighet (XL) så att då lastens position är lika med den andra givna positionen lastens hastighet (íL) är 11011.