Pendeldämpfung in der Krantechnik

Immer wieder neue Hindernisse

Pendeldämpfung und Grenzbereiche
Smart-Slow-Down am Hindernis
Eine Pendeldämpfung hat die Aufgabe, Schwingungen seilgeführter Lasten zu beseitigen. Sie kann ermitteln, wo der Kran zum Stehen kommen wird. Diese Information kann intern oder extern zur Positionierung und Überwachung von Fahrvorgängen genutzt werden. Einsatzfälle sind Müllbunker, Schiffsentlader und Containerbrücken.



Bei einer Pendeldämpfung handelt es sich um eine Steuerung, deren Aufgabe darin besteht, die Schwingungen einer seilgeführten Last zu beseitigen. Bei Handbetrieb wirkt sie korrigierend auf die Meisterschaltersignale ein; im Automatikbetrieb sind die Pendeldämpfungsalgorithmen der Zielsteuerung unterlagert.

In vielen Einsatzfällen spielt das sichere pendelfreie Anhalten eine wichtige Rolle, ohne dass die Zielposition überfahren wird. Unmittelbar vor Endschaltern, vor bekannten Hindernissen und an manchen Zielpositionen darf es beim Anhalten weder zum Überfahren des Kranes noch zum Überschwingen der Last kommen. Sowohl Steuer- als auch Überwachungsalgorithmen der Pendeldämpfung müssen dies berücksichtigen.

Betrachtet werden die Algorithmen zur Berechnung von Fahrkurven. Praktisch werden zum Schutz fester Hindernisse oft zusätzliche Überwachungen installiert, die dazu in der Lage sind, bei Sperrbereichsverletzungen in die Antriebssteuerung einzugreifen. Bei variablen Hindernissen, etwa sich verändernde Containerstapel ist eine redundante Überwachung oft aufwendig oder gar unmöglich.

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Grundprinzip

Zum Anhalten wird der Kranantrieb normalerweise an einer konstanten Rampe heruntergefahren. Eine Steuerung, die den aktuellen Abstand zu einem Hindernis kennt, kann unter Berücksichtigung der Bremsverzögerung den größten zulässigen Geschwindigkeitsstellwert ermitteln, damit ein Anhalten vor dem Hindernis immer möglich ist. Die Maximalgeschwindigkeit errechnet man bei gegebener Bremsbeschleunigung a, Zielposition sZiel und aktueller Position sakt nach der Beziehung

νmax = √2as,mit ∆s = sZiel – sakt .


Die Begrenzung der Antriebsgeschwindigkeit auf die Geschwindigkeit νmax wird oft auch als Smart-Slow-Down bezeichnet. Wegen der „Manipulation“ der Stellwerte funktioniert dieses Vorgehen bei einer Pendeldämpfung aber nicht mehr, da die Bremsverzögerung variiert. Beim Smart-Slow-Down wird eine Zielposition festgelegt, die sich aus in Fahrtrichtung liegenden Endschalterpositionen und Hindernissen ergibt. Die Steuerung bestimmt die maximal mögliche Geschwindigkeit. Nähert sich der Kran dieser Zielposition, reduziert die Steuerung selbstständig die maximale Stellgeschwindigkeit. Lässt der Kranfahrer den Meisterschalter vorher los, bewirkt die Begrenzung der Geschwindigkeit mit dem Meisterschaltersollwert, dass der Kran ganz normal an seiner Rampe verzögert wird. Durch eine derartige Steuerung kann man leicht einen geschwindigkeitsabhängigen Vorendschalterbereich realisieren.

Soll eine geschwindigkeitsüberwachte Annäherung an Hindernisse oder Endschalter mit einer Pendeldämpfung realisiert werden, muss der durch die Pendeldämpfung zusätzlich verursachte Weg berücksichtigt werden. Die zu überwachende Wegdifferenz ergibt sich dann wie folgt:


s = sZiel – sakt – sPD.


Hierbei ist sPD der für die Entpendelung zusätzlich benötigte Weg. Er ist proportional zu der Geschwindigkeit der pendelnden Last. Der zusätzlich benötigte Weg sPD wird mit Hilfe des Schwingungsmodells einer Pendeldämpfung berechnet und kann anderen Steuerungen für die Ermittlung der Smart-Slow-Down-Geschwindigkeit zur Verfügung gestellt werden. Mit dem gleichen Verfahren lässt sich auch eine automatische Positionierung realisieren. Die Begrenzung der Geschwindigkeit erfolgt dabei nicht durch den Meisterschalter, sondern durch die gewünschte Positioniergeschwindigkeit.

Wenn der Steuerung Hindernisse bekannt gemacht wurden, wird nicht nur die Zielposition überwacht. Es wird intern eine Bewegungskurve um die Hindernisse herum ermittelt, die aus mehreren Fahrpunkten zusammengesetzt ist. Der letzte dieser Punkte bildet das eigentliche Ziel. Obwohl allein dadurch ein Zusammenstoß mit den Hindernissen schon nicht mehr vorkommen sollte, überprüft während der Fahrt auch noch eine Sicherheitsfunktion die Geschwindigkeit in Abhängigkeit des Abstandes zu den Sperrbereichen. Bewegt man sich also mit zu großer Geschwindigkeit auf ein Hindernis zu, bremst die Automatik selbstständig ab.

Diese Funktion wirkt allerdings auch, wenn man sehr dicht um Kanten herumfahren muss. Dort kann es zu dem Effekt kommen, dass die Katze abbremst, obwohl es theoretisch nicht notwendig wäre, da das Hubwerk die Last rechtzeitig über das Hindernis hebt. Ein Kranfahrer würde die Katze in diesem Fall nicht herunterbremsen, hätte aber ein Problem, wenn das Hubwerk, aus welchen Gründen auch immer, plötzlich stoppt. Auch ein „normaler“ Nothalt des gesamten Krans kann zu einem Unfall führen, wenn die Bremsrampe für das Hubwerk steiler als die der Katze ist. Durch die Smart-Slow-Down-Funktion der Pendeldämpfung ist man im Zweifelsfall auf der sicheren Seite.

Zeitoptimale Steuerung

Die zeitoptimale Steuerung ist ein Steuerungsverfahren zur Pendeldämpfung, das den Geschwindigkeitsverlauf nur unter Verwendung maximal zulässiger Beschleunigungen berechnet. Abwechselnd werden Beschleunigungs- und Bremsphasen aneinandergefügt, bis die Endgeschwindigkeit beziehungsweise der Ruhezustand erreicht wird. Damit werden minimale Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten erreicht. Das Verfahren ist aufgrund der ständigen Umschaltung der Beschleunigungen nur für Kranbewegungen ohne mitfahrende Personen geeignet.

Die Zielposition wird berechnet, indem zu jedem Zeitpunkt der sich aus dem aktuellen Schwingungszustand ergebende Bremsverlauf berücksichtigt wird. Unter bestimmten Umständen kann ein zeitoptimaler Sollwertrechner eine Kurve berechnen, mit der zunächst das Ziel überfahren und anschließend zur Zielposition zurückgekehrt wird. Das kann der Fall sein, wenn aus einem ungünstigen Schwingungszustand heraus die Bremsphase eingeleitet wird. Dadurch könnte es dazu kommen, dass ein Sperrbereich verletzt wird, obwohl die Vorausrechnung eine Zielposition vor dem Sperrbereich ermittelt. Folglich ist bereits bei der Berechnung der Fahrkurve durch Abweichung vom Prinzip des „Zeitoptimums“ zu berücksichtigen, dass nicht über das Ziel hinausgefahren werden darf. Dann werden keine Sperrbereiche verletzt, und die Zielposition kann zur Hindernisüberwachung verwendet werden.
Der ebenfalls bestimmbare zusätzliche Weg sPD durch die Pendeldämpfung wird ähnlich wie bei den vorherigen Strukturen berechnet. Ein Eingriff in die Pendeldämpfung erfolgt allerdings lediglich durch Vorgabe positiver und negativer Maximalgeschwindigkeit oder Null.

Praktische Anwendung

Zum Beispiel ein Müllgreiferkran: Sein Arbeitsbereich wird durch die Bunkerwände begrenzt. Um Beschädigungen des Greifers und der Hallenwand zu vermeiden, wurde hier der lagegeregelte Handbetrieb mit Pendeldämpfung realisiert. Würde man ausschließlich drehzahlgeregelt fahren und am Ende des Arbeitsbereiches durch klassische Hardware-Vorendschalter die Geschwindigkeit reduzieren, verringert man die Arbeitsleistung signifikant. Jetzt kann man sehr nah an die Bunkerwand heranfahren, ohne sie durch ein Pendeln der Last zu berühren.

Ein anderes Beispiel ist ein Schiffsentlader mit fliegender Entladung: Der Kranfahrer befindet sich in einer separat verfahrbaren Kabine über dem Schiff und sendet die Katze mit dem gefüllten Greifer zu einem Trichter. Um Zeit zu sparen, wird die Katze maximal beschleunigt, vor dem Trichter angehalten und der Schwung des pendelnden Greifers ausgenutzt, um das Schüttgut in den Trichter zu entladen. Da der Greifer bereits vor dem Erreichen des endgültigen Zieles geöffnet wird, würde ein Überfahren des Ziels zum Danebenschütten führen. Die zeitoptimalen Steueralgorithmen wurden so ausgelegt, dass kein Überschwingen auftritt.

Beim Entladen von Containerschiffen ändern sich die Hindernisse auf der Wasserseite, die Containerstapel an Bord des Schiffes. Für die Realisierung einer automatischen Positionierung gibt es zwei Möglichkeiten: Man kann einerseits Scanner installieren, etwa Laser, die den Fahrbereich vermessen und anhand der realen Gegebenheiten ein Hindernisgebirge erstellen. Weiterhin ist es möglich, zu Beginn die Wasserseite als einen großen Sperrbereich anzunehmen. Bewegt man den Kran manuell durch diesen Bereich, „lernt“ dieser, wo sich kein Hindernis befinden kann. Man schneidet somit neue Bereiche für die Automatik frei. Kommen Ziele von der SPS, kann es durchaus sein, dass sie innerhalb eines noch nicht freigeschnittenen Bereichs liegen. Man kann die Automatikfahrt aber dennoch gestatten, denn die „Smart-Slow-Down“-Funktion sorgt dafür, dass einfach nur möglichst dicht an das Ziel herangefahren wird, man aber immer außerhalb des unbekannten Bereichs bleibt.

Die beschriebenen Anwendungsmöglichkeiten sind Beispiele – es gibt viele Anwendungsfälle. Es geht immer um die Entlastung von Kranfahrern zur Erhöhung der Umschlagleistung und Sicherheit im Umschlagprozess.

Dr. Mario Lehnert, Torsten Rudolph

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