VDI 4468-2009 Electronic anti-sway for cranes.pdf

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1、ICS 53.020.20 VDI-RICHTLINIEN Oktober 2009October 2009VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE Elektronische Pendeldmpfung fr Krane Electronic anti-sway for cranes VDI 4468 Ausg. deutsch/englisch Issue German/English Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this guideline sha

2、ll be taken as authori-tative. No guarantee can be given with respect to the English translation. VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik (GPL) Fachbereich Technische Logistik VDI-Handbuch Materialfluss und Frdertechnik, Band 1: Krane Vervielfltigung auch fr innerbetriebliche Zwecke nicht gestattet

3、 / Reproduction even for internal use not permittedFrhere Ausgabe: 04.04Entwurf, deutsch Former edition: 04/04 Draft, inGerman only Zu beziehen durch / Available atBeuthVerlagGmbH, 10772 BerlinAlleRechtevorbehalten/ All rights reserved VereinDeutscherIngenieuree.V., Dsseldorf 2009 Inhalt Seite Conte

4、nts Page Vorbemerkung . 2 Einleitung. 2 1 Anwendungsbereich. 2 2 Aufbau und Funktion elektronischer Pendeldmpfungen. 3 2.1 Allgemeines . 3 2.2 Pendelsteuerung . 3 2.3 Pendelwinkelmessung 4 2.4 Pendelregelung. 4 3 Auswahl und Einsatz elektronischer Pendeldmpfungen. 5 3.1 Voraussetzungen 5 3.2 Einbind

5、ung in die Kransteuerung. 6 3.3 Entscheidung zwischen Pendelsteuerung und Pendelregelung .7 3.4 Mehrere Hubwerke 9 4 Fahrverhalten/ Abnahmebedingungen . 9 4.1 Allgemeiner Funktionstest . 9 4.2 Stabilittstest der Pendelregelung 10 4.3 Stillsetzen des Antriebssystems . 10 4.4 Verhalten im Vorendschalt

6、er und Betriebsendschalter 11 4.5 Abbruch einer automatischen Positionierung 11 4.6 Not-Halt und Not-Aus 11 4.7 Ausfall der Pendeldmpfung 11 5 Sicherheit 11 5.1 Besondere Betriebszustnde 11 5.2 Schutz vor unerwarteten Bewegungen. 12 5.3 Benutzerinformation 12 6 Vorschriften, Normen und Richtlinien 1

7、2 Schrifttum 12 Preliminary note .2 Introduction 2 1 Scope .2 2 Design and function of electronic anti-sway systems 3 2.1 General .3 2.2 Open-loop sway control .3 2.3 Sway angle measurement .4 2.4 Sway regulation4 3 Selection and use of electronic anti-sway systems 5 3.1 Prerequisites .5 3.2 Integra

8、tion into crane control .6 3.3 Decision between open-loop sway control and sway regulation .7 3.4 Use of several hoisting gears9 4 Operating behaviour/ acceptance conditions9 4.1 General function test 9 4.2 Stability test of sway regulation .10 4.3 Shutdown of drive system 10 4.4 Behaviour with pre-

9、limit switch and service limit switch.11 4.5 Abortion of automatic positioning11 4.6 Emergency STOP and emergency OFF.11 4.7 Failure of anti-sway11 5 Safety .11 5.1 Specific operating conditions .11 5.2 Protection against unexpected movements .12 5.3 User information 12 6 Vorschriften, Normen und Ri

10、chtlinien.12 Bibliography.12 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04 2 VDI 4468 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2009 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unterBeachtung der Vorgaben und Empfehlungen derRichtlinie VD

11、I 1000. Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, derFotokopie, der elektronischen Verwendung und derbersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wah-rung des Urheberrechts und unter Beachtung derLizenzbedingungen (www.vdi-richt

12、linien.de), diein den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieserVDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Preliminary note The content of this guideline has been developed in strict accordance with the requirements and rec-ommendations of the guideli

13、ne VDI 1000. All rights are reserved, including those of reprint-ing, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts. The use of this guideline without infringement of copyright is permitted subject to the licens

14、ing con-ditions specified in the VDI notices (www.vdi-richtlinien.de). We wish to express our gratitude to all honorary contributors to this guideline. Einleitung Eine elektronische Pendeldmpfung dient der Be-seitigung von Lastpendelungen an Kranen. Sie wird eingesetzt, um das Risiko von Kollisionen

15、und Unfllen bei gleichzeitiger schneller und ge-nauer Positionierung der Last zu verringern. Eine Pendeldmpfung entlastet den Kranfahrer.Mit ihr ist es mglich, einen Kran mit frei schwin-gender Last automatisch zu positionieren sowieGeschwindigkeiten und Fahrbereiche zu begrenzen.Das Grundprinzip ei

16、ner elektronischen Pendeldmp-fung besteht darin, dass die Lastschwingung ermit-telt und daraus ein Fahr- oder Drehgeschwindig-keitsverlauf abgeleitet wird, der zur Beruhigung der Schwingung fhrt. Der berechnete Geschwindig-keitsverlauf bercksichtigt damit sowohl den Fahr-befehl als auch das Schwingu

17、ngsverhalten der Last.Prinzipiell kann die Pendeldmpfung fr jede Fahr-oder Drehachse eines Krans eingesetzt werden.Besitzt ein Kran mehrere Achsen, so knnen ber-lagernd wirkende Pendeldmpfungen fr alle Be-wegungsrichtungen installiert werden. Eine wichtige Voraussetzung fr den Einsatz derPendeldmpfu

18、ng ist ein stufenlos steuerbarer An-trieb. Es werden sowohl elektrische als auch hyd-raulische Antriebe verwendet. Pendeldmpfungen knnen sowohl fr manuellenals auch automatischen Kranbetrieb eingesetztwerden. Beim Einsatz einer elektronischen Pendeldmp-fung kommen im Allgemeinen keine weiteren Ein-r

19、ichtungen zur Beseitigung von Lastschwingungen zum Einsatz. Introduction Electronic anti-sway serves to eliminate sway movements of load during handling by crane. Anti-sway is used to reduce the risk of collisions and accidents in combination with more rapid and more precise positioning of load. Ant

20、i-sway relieves the crane operator from stress. Anti-sway makes it possible to automatically posi-tion a crane with freely oscillating load while limit-ing the speeds and the operating zones. The basic principle of electronic anti-sway is to determine the load oscillation and to calculate the operat

21、ing and speed characteristic as the basis for damping of oscillation. Thus the calculated speed characteristic considers both the operating com-mand and the oscillation behaviour of load. On principle, anti-sway can be used for all operat-ing or rotational axes of a crane. In case the crane has seve

22、ral axes, anti-sway systems with superim-posing effect can be installed for all movement directions. The infinitely variable drive forms the essential prerequisite for use of anti-sway. Both electric and hydraulic drives are used. Anti-sway systems are suited both for manual and automatic crane oper

23、ation. In case electronic anti-sway is used, generally no other equipment for elimination of load oscillation is required. 1 Anwendungsbereich Diese Richtlinie gilt fr den Einsatz elektronischer Steuerungen zur gezielten Vermeidung oder Besei-tigung des Pendelns seilgefhrter Lasten an Kranen.1 Scope

24、 This directive is applicable to the use of electronic controls for intended avoidance or elimination of sway movement of rope-guided loads during han-dling by crane. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2

25、009 VDI 4468 3 2 Aufbau und Funktion elektronischer Pendeldmpfungen 2.1 Allgemeines Pendelbewegungen werden durch Antriebsbe-schleunigungen hervorgerufen. Sie sind von Natur aus stabil und werden durch Reibungskrfte ge-dmpft. Antriebsbeschleunigungen knnen Pendelbewe-gungen in gleicher Weise, wie si

26、e sie hervorrufen,auch wieder beseitigen. Die elektronische Pendel-dmpfung berechnet diese Beschleunigungen unter Verwendung eines mathematischen Schwingungs-modells und gegebenenfalls einer Schwingungs-messung. Das Antriebssystem muss in der Lage sein, dieberechneten Beschleunigungen auf den Kran z

27、u bertragen. Fr Dimensionierungszwecke ergibt sich die erfor-derliche Antriebskraft fr einen Kran mit pendeln-der Last aus singLCmamF += Dabei ist F Antriebskraft mCKranmasse a Kranbeschleunigung mLLastmasse g Erdbeschleunigung maximaler Pendelwinkel Reibungskrfte sind in dieser Beziehung nichtberck

28、sichtigt. 2.2 Pendelsteuerung Die Pendelsteuerung ist ein grundlegendes Verfah-ren, das ohne direkte Messung des Pendelwinkelsoder der Pendelgeschwindigkeit auskommt. Kernstck der Pendelsteuerung ist ein mathemati-sches Schwingungsmodell, das die Schwingungder Last anhand von Eingangsgren und Modell

29、-parametern berechnet. Als Modellparameter gengt meist die Pendelln-ge. Lediglich bei Drehbewegungen werden zustz-liche Gren wie Drehwinkel und Ausladung be-ntigt. Eingangsgre des Modells ist die Achs-beschleunigung oder eine davon abgeleitete kine-matische Gre. Da die Pendelsteuerung ber keine Mess

30、ung derPendelbewegung verfgt, kann sie Schwingungen, die vor Beginn der Fahrbewegung vorhanden wa-ren, nicht beseitigen, sondern nur jene Schwingun-gen, die von den Fahr- und Drehbewegungen desKrans herrhren und durch das Schwingungs-2 Design and function of electronic anti-sway systems 2.1 General

31、Sway movements are provoked by drive accelera-tion. Said movements are stable from their nature but they are damped by friction forces. Drive accelerations may eliminate sway move-ments in the same way like they provoked such sway movements before. Electronic anti-sway calculates these accelerations

32、 by use of a math-ematic oscillation model and, if applicable, by use of oscillation measurement. The drive system should be able to transmit the calculated accelerations to the crane. For dimensioning purposes the required driving force for a crane with swaying load is calculated from singLCmamF +=

33、 where F driving force mCcrane weight a crane acceleration mLload weight g gravity acceleration maximum sway angle Friction forces are disregarded in this relationship.2.2 Open-loop sway control Open-loop sway control is a principle method that works without direct measurement of sway angle or sway

34、velocity. A mathematical oscillation model forms the core of sway control in which load sway is calculated on the basis of input variables and model parame-ters. In most cases the sway length is sufficient as model parameter. Additional variables like rotating angle and reach are required only in ca

35、se of rota-tional movement. The input variable of the model is the axial acceleration or a kinematic variable derived from that. Since open-loop sway control has no system for measurement of sway movement, it cannot elimi-nate oscillations that had been present prior to start of operation but only s

36、uch oscillation that has been caused by driving and rotational movements of crane and depicted in the oscillation model. There-B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04 4 VDI 4468 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2009 modell abgebildet we

37、rden. Aus diesem Grund soll-ten die Lastaufnahme und Lastabgabe so gestaltet sein, dass auermittiges Anheben vermieden wird.Ein gewisser Teil der Anfangsschwingungen wirddurch Reibung und Antriebsflexibilitt whrenddes Transportvorgangs beseitigt. Weit verbreitet sind integrierte zeitoptimale Soll-we

38、rtrechner, deren Aufgabe es ist, den Geschwin-digkeitsverlauf so zu berechnen, dass das Be-schleunigen, Bremsen und Positionieren in mini-maler Zeit erfolgt. Die Pendelsteuerung ist dank ihrer Einfachheit im Allgemeinen sehr robust, zuverlssig und leichteinstellbar. Im manuellen Betrieb sollte der K

39、ranfahrer die Mglichkeit besitzen, die Pendelsteuerung zeitwei-lig abzuschalten. 2.3 Pendelwinkelmessung Mit der Pendelwinkelmessung wird der Pendel-winkel bzw. die Pendelgeschwindigkeit in jedererforderlichen Fahr- oder Drehrichtung erfasst. Grundstzlich sollte die Messgenauigkeit vier mal hher sei

40、n als die angestrebte Positionsgenauigkeit.Die Ruhelage der Last kann z. B. durch unter-schiedliche Lastabmessungen, Vernderung derHubposition und Durchbiegung von Krantrgernvariieren. Das Messsystem sollte deshalb ber eineMethode zur Bestimmung der Ruhelage der Last verfgen (Kalibrierung). Jedes Me

41、sssystem unterliegt Einschrnkungen durch bestimmte Umgebungsbedingungen, z. B. Sonneneinstrahlung, Nebel, Schnee, Temperaturen und Luftfeuchtigkeit. Da Fehler im Messsystem zu unvorhersehbaren Fahrbewegungen und Instabilitt fhren knnen,ist ein hohes Ma an Sicherheit und berwachung notwendig. Tabelle

42、 1 listet verfgbare optische, inkrementa-le und inertiale Messsysteme sowie wichtige Aus-wahlkriterien auf. Alle Systeme sind prinzipiell imInnen- und Auenbereich sowie im Stck- und Schttgutumschlag einsetzbar. 2.4 Pendelregelung Bei der Pendelregelung wird im Vergleich zurPendelsteuerung zustzlich

43、der gemessene Pendel-oder Drehwinkel verwendet. Das mathematische Modell ist regelungstechnischein Beobachter, dessen Zustnde mithilfe derMessdaten korrigiert werden. Der Beobachter lie-fert auch bei Ausfall oder Strung der MessungSchwingungsdaten. fore, the points of load pick-up and load put-down

44、should be selected so that eccentric lifting is avoided. A certain share of initial oscillation is eliminated by friction and drive flexibility during the handling process. Integral time-optimal set-point computers are widespread and used to calculate the speed pro-gress so that acceleration, decele

45、ration and posi-tioning are possible within a minimum of time. Due to its simple design the anti-sway is generally of very robust design, reliable in service and easy to adjust. In manual control the crane operator should have the option to suspend the anti-sway function. 2.3 Sway angle measurement

46、Sway angle measurement serves to record the sway angle or the sway velocity in the required operating or rotating direction. As a rule, the measuring accuracy should be four times higher than the desired positioning accuracy.The rest position may vary as a result of such fac-tors like different load

47、 dimensions, changes in lifting position and deflection of crane beams. Therefore, the measuring system should have a method for determination of load rest position (calibration). All measuring systems are subject to limitations caused by certain ambient conditions, such as sun radiation, fog, snow,

48、 temperatures and air humidity.Since errors in the measuring system may cause unpredictable operating movements and instability, a high level of safety and monitoring is required.Table 1 summarizes the available optical, incre-mental and inertial measuring systems and the essential criteria for sele

49、ction. In principle, all sys-tems can be used for indoor and outdoor cargo and bulk material handling operations. 2.4 Sway regulation (closed-loop sway control) In contrast to open-loop sway control, the sway regulation system makes additional use of the measured sway or rotating angle. From the view of control engineering, the mathe-matical model is an observer the conditions of which are corrected by use of measuring data. The observer supplies oscillation data e