-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verfahren zur Leistungsverwaltung eines Krans, insbesondere eines Umschlagkrans.
-
Die Einspeisung von Strom bzw. die Zurverfügungstellung von Versorgungsleistung an einen Kran betreffen eine Vielzahl von kostenintensiven Bauteilen, die einen direkten Einfluss auf die Kosten des Krans (beispielsweise Kabel, Schleifringkörper usw.) haben und auch die zum Betrieb erforderliche Infrastruktur eines Krans maßgeblich beeinflusst.
-
Dabei ist es typischerweise so, dass elektrische Krane über ein Stromnetz oder über einen extra für den Kran vorgesehenen Generator mit der für den Kran erforderlichen Leistung versorgt werden. Nachteilhaft an der herkömmlichen Umsetzung einer solchen Energieversorgung ist, dass die von außen für den Kran zur Verfügung stehende Leistung der maximalen Leistung des Krans entsprechen muss. Dies ist erforderlich, damit auch sehr energieintensive Arbeiten des Krans, die in der Regel nur einen Bruchteil der Gesamtarbeitszeit des Krans ausmachen, durchgeführt werden können. Es wird von einem Benutzer des Krans als sehr störend empfunden, wenn aufgrund eines Mangels an zur Verfügung stehender netz- oder generatorseitiger Leistung während der Betätigung des Krans die Verfahrgeschwindigkeit reduziert oder gar die gewünschte Bewegung des Krans nicht durchgeführt werden kann.
-
Demgegenüber steht aber das Bestreben die Herstellungs-, Instandhaltungs- und Betriebskosten eines Krans zu verringern, um sich damit im Wettbewerb der unterschiedlichen Kranhersteller abzusetzen und einen Kran bereitzustellen, der geringere Betriebskosten über seine Lebenszeit aufweist und möglichst wenig Anpassungen der für ihn erforderlichen Infrastruktur erfordert.
-
Darüber hinaus ist es ein permanentes Bestreben des Fachmanns auch die Energiekosten zum Betreiben eines Krans zu senken, insbesondere angesichts sich immer stärker verteuernder Stromkosten.
-
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung die obenstehenden Nachteile zu überwinden oder zumindest abzuschwächen und ein Verfahren zur Leistungsverwaltung eines Krans vorzusehen, um den Betrieb eines Krans gegenüber einem herkömmlichen Kran zu verbilligen. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren ist es möglich, einen Kran in Bezug auf seine Betriebskosten und der benötigten Energie für einen bestimmten Warenumschlag optimal zu betreiben.
-
Dies gelingt mit einer Vorrichtung, die sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Leistungsverwaltung eines Krans, vorzugsweise eines elektrischen Krans, mit mehreren motorisch sowie wahlweise generatorisch betreibbaren Krangewerken, wobei das Verfahren die Schritte eines Erstellens eines leistungstechnischen Modells des Krans, bei dem die aktuellen Leistungen und Energien eines jeden der mehreren Krangewerke bestimmt werden, eines Ermittelns der erforderlichen Leistung zum Umsetzen einer Kranbewegungsänderungsanforderung auf Grundlage des erstellten leistungstechnischen Modells, und eines Verschaltens eines Zwischenkreises in Abhängigkeit von der ermittelten erforderlichen Leistung umfasst, wobei der Zwischenkreis zwischen den mehreren Krangewerken, einem Anschluss zum Zuführen einer Energie von einer externen Energiequelle, einem Energiespeicher zum Aufnehmen und Abgeben von Energie und einem vorzugsweise vorhandenen Bremschopper zum thermischen Umsetzen von Energie angeordnet ist und diese wahlweise elektrisch miteinander verschalten kann.
-
Die Krangewerke können entweder vollständig, teilweise oder gar nicht generatorisch betrieben werden. Soweit gar kein Gewerk generatorisch betrieben wird, kann zwar keine Energierückgewinnung erzielt werden. Allerdings könnte der Speicher in den Schwachlastphasen des Krans aus dem Netz aufgeladen werden.
-
Durch das Vorsehen des leistungstechnischen Modells des Krans werden die aktuellen Leistungen und Energien der einzelnen Krangewerke bestimmt. Es wird also bestimmt, welche Energien in bspw. dem Hubwerk, dem Wippwerk, dem Drehwerk und/oder dem Fahrwerk vorhanden sind, um in einem nachfolgenden Schritt abschätzen zu können, wieviel Energie für eine gewünschte Kranbewegungsänderungsanforderung von außen oder aus dem Energiespeicher zugeführt werden muss.
-
Am Beispiel des Hubwerks lässt sich dies auf einfache Art und Weise nachvollziehen, da die dort vorliegende kinetische Energie sich aus der Bewegung der Last und der sich drehenden Antriebselemente des Hubwerks zusammensetzt. Neben der kinetischen Energie ist aber auch noch die Potentialenergie zu berücksichtigen, die sich unter Nichtberücksichtigung der Masse des Hubwerks im Wesentlichen aus der Höhe der gehobenen Last ergibt.
-
Ist es bspw. gewünscht eine Bewegung des Hubwerks abzubremsen bzw. anzuhalten, ist es erforderlich, die herrschende kinetische Energie auszugleichen und zusätzlich dauerhaft eine Halteleistung, die auf der Gewichtskraft der Nutzlast basiert, aufzubringen.
-
In Abhängigkeit einer Geschwindigkeitsänderungsanforderung ergibt sich dann die notwendige Leistung, die durch das beim Anhalten im generatorischen Betrieb arbeitenden Hubwerk abgeführt werden muss. Die dabei erzeugte Energie kann dabei über das Hubwerk in den Zwischenkreis und von dort dem Energiespeicher, einer Netzrückspeisung und/oder dem Bremschopper zugeführt werden.
-
Beim Beschleunigen verhält es sich umgekehrt, da hier die kinetische Energie erst aufgebaut werden muss, so dass bei einem Anheben der Nutzlast die potentielle Energie erhöht wird. In Abhängigkeit einer zeitlichen Anforderung zum Umsetzen der Kranbewegung ergibt sich eine Leistung, die aus dem Energiespeicher oder von der externen Energiequelle zur Verfügung gestellt werden muss.
-
Ferner kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass ein Modell zur Energiezufuhr und/oder Energieabfuhr in den Zwischenkreis hinein oder aus diesem heraus erstellt wird, in dem sämtliche mit dem Zwischenkreis gekoppelten Energiequellen und Energiesenken auf ihre Fähigkeit hin, Energie zu liefern oder Energie aufzunehmen, bewertet oder simuliert werden, um sowohl eine Gesamtheit der zur Verfügung stehenden Energie wie auch eine Gesamtheit der aufnehmbaren Energie zu erhalten.
-
Als mögliche Energiequellen kommen dabei der Energiespeicher sowie die externe Energiequelle (beispielsweise in Form eines Stromnetzes oder eines Generators) wie auch die im generatorischen Betrieb arbeitenden Krangewerke infrage. Als Energiesenke wird beispielsweise der Energiespeicher bei einem Ladevorgang, die externe Energiequelle bei einer Rückspeisung von Strom (beispielsweise in ein Stromnetz) oder aber das Umsetzen von Energie an einem thermischen Widerstand im Bremschopper angesehen. Selbstverständlich wird als Energiesenke auch der generatorische Betrieb des mindestens einen Krangewerks erfasst, der beispielsweise bei einer gewünschten Kranbewegungsänderungsanforderung durchzuführen ist.
-
Bei einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Summe der vorhandenen Bremswiderstände oder der Bremswiderstand so dimensioniert ist, dass er gegebenenfalls kleiner ist als die Summe der möglichen Bremsleistungen des mindestens einen Krangewerks. Kommt es tatsächlich zu einem simultanen Abbremsen mehrerer oder sämtlicher Krangewerke, sodass die eigentlich anfallende Energie die Summe des Bremswiderstands übersteigt, steht der Energiespeicher zur Verfügung oder erfolgt eine Rückspeisung, so dass damit ebenfalls Energie abgebaut werden kann.
-
Der Vorteil beim Erstellen eines solchen Modells ist, dass in Abhängigkeit von einer Leistungsfähigkeit eine externe Energiequelle (beispielsweise den Eigenschaften eines Versorgungsnetzes) einem Ladezustand des Energiespeichers und/oder einer Temperatur der Bremswiderstände zum thermischen Umsetzen von überschüssiger Energie die maximale aufnehmbaren Energie bzw. die maximal bereitstehende Energie bestimmt werden kann, sodass in dem zur Verfügung stehenden Rahmen eine gewünschte Umsetzung der geforderten Kranbewegungsänderungsanforderungen durchgeführt werden kann.
-
So kann beispielsweise die Netzleistung einer externen Stromversorgung in Abhängigkeit von Eingaben wie einer Temperatur, einer Spannung, einem Strom und/oder weiteren Netzbedingungen in ein Modell, das mindestens Generator, Transformator, Gleichrichter und/oder dabei anfallenden Leitungsverlusten nachbildet, die zur Verfügung stehende Netzleistung modellieren.
-
Ähnlich gilt dies für den Energiespeicher, der ebenfalls abhängig von den Eingaben wie Spannung, Strom, Temperatur, Alter und/oder bereits durchgeführte Ladezyklen in ein Modell, das mindestens die vorliegende Batterieart, den Ladezustand, den Allgemeinzustand der Batterie, die verwendeten Hoch- und Tiefssetzstellern und/oder der auftretenden Leitungsverluste berücksichtigt, modellierbar ist.
-
Das Modell für den Bremswiderstand ist ebenfalls abhängig von den einzugebenden Parametern Strom, Spannung, Temperatur, Alter und/oder Zyklenanzahl, wobei das Modell die thermische Kapazität, den Widerstand an sich und/oder den Chopper berücksichtigt.
-
Ist für jede der Energiequellen und Energiesenken ein Modell erstellt, so kann auf Grundlage der verschiedenen Modelle die Gesamtheit der für den Kran bereitstehenden Energie sowie die Gesamtheit der aufnehmbaren Energie bestimmt werden.
-
Dabei kann ferner vorgesehen sein, dass vor einem Verschalten des Zwischenkreises in Abhängigkeit von der ermittelten erforderlichen Leistung ein Abgleich mit der Gesamtheit der zur Verfügung stehenden und der aufnehmbaren Energie vorgenommen wird, um in Abhängigkeit davon eine Verschaltung des Zwischenkreises vorzunehmen, die die gewünschte Kranbewegungsänderungsanforderung umsetzt.
-
Es wird also in Abhängigkeit der modellierten Energiequellen und Energiesenken eine Umsetzung der Kranbewegungsänderungsanforderung durchgeführt, welche die durch das Modellieren der Energiesenken und Energiequellen gesetzten Grenzen nicht verlässt. Da es im Rahmen des Modells der Energiesenken und der Energiequellen auch mehrere Möglichkeiten zum Umsetzen der gewünschten Kranbewegungsänderungsanforderungen geben kann, kann eine favorisierte der mehreren Kranbewegungsanforderungen auf Grundlage voreingestellter Präferenzen erfolgen.
-
Demnach kann also vorgesehen sein, dass die Kranbewegungsänderungsanforderung und/oder die mindestens eine Bezugsquelle für die zum Umsetzen der Kranbewegungsänderungsanforderung erforderliche Leistung in Bezug auf Energieverbrauch, Umschlagsleistung eines Krans und/oder eine minimale Maschinenabnutzung optimiert ist/sind. Sind also mehrere Umsetzungen der gewünschten Kranbewegungsänderungsanforderungen möglich, kann beispielsweise diejenige umgesetzt werden, die in Bezug auf den Energieverbrauch minimal ist oder die die Umsetzung am schnellsten durchführt. Dem Fachmann ist klar, dass hierbei auch noch weitere Präferenzen oder Kombinationen von Präferenzen verfolgt werden können, beispielsweise mit dem Ziel einer minimalen Maschinenabnutzung, das Beibehalten eines möglichst hohen oder geringen Ladezustands des Energiespeichers oder dergleichen.
-
Nach einer optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Modell zum Schätzen einer zukünftigen Kranbewegungsänderungsanforderung oder einer Abfolge von Kranbewegungsänderungsanforderungen erstellt wird, um dadurch die zukünftige erforderliche Leistung ermitteln zu können.
-
Es kann also vorgesehen sein, dass in der Zukunft liegende (vermutlich) auftretende Kranbewegungsänderungsanforderungen geschätzt werden, um eine optimale Nutzung der zur Verfügung stehenden Komponenten zu gewährleisten. Schließlich werden Kranbewegungen oftmals in einer Wiederholung von verschiedenen, aber zueinander jeweils sehr ähnlichen Zyklen auftreten, sodass diese Information bei der Leistungsverwaltung des Krans nutzbar ist.
-
Dabei kann also vorgesehen sein, dass das Modell zum Schätzen einer zukünftigen Kranbewegungsänderungsanforderung oder einer Abfolge von Kranbewegungsänderungsanforderungen auf vergangene Kranbewegungen zurückgreift und hieraus einen Umschlagszyklus ableitet.
-
Auf Grundlage eines solchen Umschlagszyklus kann dann beispielsweise eine energieoptimierte Kranbewegungsabfolge vorgesehen werden, bei der möglichst wenig Strom von der externen Energiequelle bezogen wird, sondern die Absenkvorgänge effektiv dazu genutzt werden, den Energiespeicher zu laden.
-
So kann mithilfe einer Zykluserkennung und einer Analyse der Verwendungsprofile von einzelnen Krangewerken ein Zyklus selbstlernend festgestellt werden, sodass eine kontinuierliche Fortführung eines solchen Zyklus beim Durchführen des Verfahrens zugrunde gelegt werden kann.
-
Selbstverständlich kann auch durch einen Bediener ein Zyklus vorgegeben werden, der die Soll-Geschwindigkeiten und die Abfolge der einzelnen Krangewerke festlegt.
-
Alternativ oder zusätzlich kann dabei vorgesehen sein, dass das Modell zum Schätzen einer zukünftigen Kranbewegungsänderungsanforderung oder einer Abfolge von Kranbewegungsänderungsanforderungen auf in der Zukunft liegende vorgeplante Kranbewegungen zurückgreift.
-
So gibt es Verfahren zum Ansteuern von Kranen, bei denen die einzelnen Bewegungsschritte des Krans bereits im Vorhinein geplant worden sind. Beispielsweise können bei Umschlagkranen, die ein mit Containern beladenes Schiff löschen, die einzelnen Kranbewegungen bereits im Vorhinein feststehen. Auf Grundlage der so festgelegten Rahmenbedingungen kann das vorliegende Verfahren dann durchgeführt werden, wobei jedoch in der Zukunft liegende Kranbewegungsänderungsanforderungen Berücksichtigung finden können.
-
Nach einer weiteren optionalen Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Erstellen des leistungstechnischen Modells des Krans auf Kennlinien der einzelnen Krangewerke zurückgreift, die analytisch oder empirisch gewonnen wurden.
-
Ferner kann nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass das Erstellen des leistungstechnischen Modells des Krans auf Simulationen von mindestens einem der mehreren Krangewerke zurückgreift.
-
Nach einer optionalen Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Output des Modells zum Schätzen einer zukünftigen Kranbewegungsänderungsanforderung oder einer Abfolge von Kranbewegungsänderungsanforderungen als Input für das leistungstechnische Modell dient und in Abhängigkeit vom Output des Modells zur Energiezufuhr und/oder Energieabfuhr ein Abgleich durchgeführt wird, um eine Kranbewegung auszuführen und die Energiequellen und Energiesenken auf Grundlage der aus dem Abgleich gezogenen Ergebnisse anzusteuern.
-
Vorzugsweise kann hierbei vorgesehen sein, dass der Abgleich unter der Prämisse durchgeführt wird, möglichst wenig Energie von einer externen Energie zu verwenden, so dass die Kranbewegungen zu einem möglichst häufigen Lade- und Entladevorgang des Energiespeichers führen. Durch das häufige Nutzen des Energiespeichers wird möglichst wenig Energie von der externen Energiequelle bezogen, sodass der Energieverbrauch eines mit dem Verfahren betätigten Krans möglichst gering ist. Von besonderen Vorteil ist dies, wenn ein Arbeitszyklus des Krans bekannt oder mit ausreichender Sicherheit geschätzt werden kann, da das vollständige Entladen des Energiespeichers auch immer bedeutet, dass in einem solchen Moment eine spontane Leistungsanforderung, die über die von der externen Energiequelle bereitgestellten Energie hinausgeht, nicht oder nur in unzufriedener Art und Weise bedient werden kann. Stehen die Kranbewegungsänderungsanforderungen also nicht mit hinreichender Sicherheit fest, muss man bei dem hier vorgestellten energieeffizienten Arbeiten des Krans diesen Nachteil in Kauf nehmen oder auf Kosten der Energieeffizienz eine Restenergie in dem Energiespeicher beibehalten, wobei diese in dem Energiespeicher verbleibende Menge dann nicht für ein Aufnehmen einer Energie durch ein Krangewerk zur Verfügung steht.
-
Nach einer weiteren optionalen Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Abgleich unter der Prämisse durchgeführt wird, die Kranbewegungen möglichst schnell auszuführen, so dass der Energiespeicher nicht nur durch einen generatorischen Betrieb von Krangewerken, sondern auch oder sogar nur über die externe Energiequelle geladen wird, um bei Kranbewegungen zusätzliche Energie für ein schnelles Betätigen bereitstellen zu können. Hierbei wird darauf geachtet, dass der Energiespeicher sein maximales Energieniveau möglichst rasch wieder einnimmt, damit das schnelle Ausführen von Kranbewegungen, bei dem sowohl Energie von der externen Energiequelle wie auch von dem Energiespeicher gleichzeitig genutzt wird, möglich ist.
-
Ferner kann nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass der Abgleich unter der Prämisse durchgeführt wird, die Kranbewegungen möglichst so auszuführen, dass keine durch die Krangewerke generatorisch erzeugte Energie über den Bremschopper in thermische Energie umgesetzt werden muss, vorzugsweise indem der Energiespeicher im motorischen Betrieb eines Krangewerks gezielt entladen wird, um die Energie eines generatorischen Betriebs eines Krangewerks aufnehmen zu können.
-
Hierbei wird es als vorteilhaft angesehen, sämtliche im generatorischen Betrieb der Krangewerke erzeugte Energie zu verwerten, also entweder in den Energiespeicher zurückzuführen oder in die externe Energiequelle, die typischerweise als Stromnetz ausgebildet ist, zurückzuspeisen. Dabei kann es sogar der Fall sein, dass man eine Rückspeisevergütung für den in das Stromnetz zurückgespeisten Strom erhält. Das Vernichten von elektrischer Energie durch Leiten über einen Widerstand und Umsetzen in thermische Energie soll dabei vermieden werden.
-
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 2: ein Diagramm zu Leistungsbetrachtung eines Umschlagkrans über einen Umschlagszyklus,
- 3: eine Darstellung eines Modells für die Kranenergie und Kranleistung,
- 4: eine Darstellung eines Modells für die Energiequellen und die Energiesenken eines Krans,
- 5: eine Darstellung eines Modells zum Erfassen eines Zyklus für einen Umschlagsvorgang eines Krans, und
- 6: eine Darstellung zum Zusammenwirken der unterschiedlichen Modelle und die hieraus gewonnene Ansteuerungsbewegung des Krans und/oder optimierten Ansteuerung der Energiequellen und Energiesenken.
-
1 zeigt eine Übersicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Leistungsverwaltung eines Krans. Über einen Anschluss 2 zum Zuführen einer Energie einer externen Energiequelle werden im Regelfall die mehreren Krangewerke 4 mit Leistung versorgt. Jedes der Krangewerke 4 besitzt dabei einen motorisch und wahlweise auch generatorisch betreibbaren Elektromotor, sodass jedes der Krangewerke 4 Energie verbrauchen oder wahlweise auch Energie generieren kann.
-
Wie man der 1 entnehmen kann, ist dabei der Anschluss 2 zum Zuführen von Energie einer externen Energiequelle nicht direkt mit einem jeden der mehreren Krangewerke 4 verbunden, sondern wirkt mit einem Zwischenkreis 6 zusammen. Der Zwischenkreis 6 kann dabei entsprechend den Anforderungen einer Zwischenkreis-Steuereinheit die unterschiedlichen vom Zwischenkreis 6 abgehenden Komponenten3, 4, 5 wahlweise miteinander elektrisch verbinden oder elektrisch voneinander trennen.
-
Neben dem Anschluss 2 für eine externe Energiequelle und den mehreren Krangewerken 4 steht der Zwischenkreis 6 auch noch mit einem Energiespeicher 3 und einem Bremschopper 5 in wahlweiser elektrischer Verbindung. Um dabei den unterschiedlichen Spannungsformen und Spannungsniveaus des Energiespeichers 3, des Bremschoppers 5 und der mehreren Krangewerke 4 (beispielsweise Wippwerk, Wippwerk oder Drehwerk) gerecht zu werden, sind bidirektionale AC/DC-Wandler 7 bzw. bidirektionale DC/DC-Wandler 8 vorgesehen, um die unterschiedlichen an dem Zwischenkreis 6 angebundenen Komponenten 2, 3, 4, 5 mit der entsprechenden Spannung zu versorgen.
-
Mithilfe der in 1 dargestellten Struktur ist es demnach möglich, die Anforderungen an die externe Energiequelle abzusenken, da es nun nicht mehr die externe Energiequelle allein ist, die zum Bereitstellen der Maximalleistungsanforderung des Krans zu sorgen hat. Hierfür steht nun auch der Energiespeicher 3 zur Verfügung, der in Kombination mit der externen Energiequelle die maximale Leistungsanforderung abdecken kann. Dies hat zur Folge, dass die externe Energiequelle kleiner dimensioniert werden kann und durch das Speichern von Energie aus den Krangewerken insgesamt auch weniger Energie verbraucht wird. Weiter vorteilhaft hierbei ist, dass auch auf Seite der Vorrichtung 1 bzw. eines die Vorrichtung nutzenden Krans Komponenten kleiner und günstiger umgesetzt werden können.
-
2 zeigt dabei die Leistungsbetrachtung über einen Umschlagszyklus bei einem Kran, der die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt.
-
Die vom Kran erforderliche Spitzenleistung liegt dabei beispielhaft bei ca. 1300 kW, sodass nach herkömmlicher Umsetzung die von der externen Energiequelle zur Verfügung stehende Einspeisung eben jene 1300 kW zur Verfügung stellen müsste. Aufgrund der Verwendung des Energiespeichers mit einer beispielhaften Größe von 700 kW kann die Einspeiseleistung jedoch auf 600 kW reduziert werden. Zudem trägt weiter zur Energieeinsparung bei, dass der Großteil der notwendigen Energie zum Betätigen des Krans aus einer Rückspeisung von generatorisch betriebenen Elektromotoren des mindestens einen Krangewerks besteht. Der Großteil dieser generatorischen Leistung fällt dabei bei Senk- oder Bremsbewegungen der Krangewerke an.
-
Betrachtet man 2 erkennt man, dass die gesamte zur Verfügung gestellte Leistung (PTotal) die Summe der über den Energiespeicher zur Verfügung gestellten Energie (PStorage) mit der von der äußeren Energiequelle (PGenerator) eingeführten Energie ist.
-
Immer dann, wenn die Leistungsanforderung des Krans die von der äußeren Energiequelle beibringbare Leistung von 600 kW überschreitet, wird der darüber hinausgehende Leistungsbedarf von dem Energiespeicher 3 zur Verfügung gestellt. Fällt hingegen der Leistungsbedarf unterhalb des Schwellenwerts von 600 kW ab, sorgt allein die externe Energiequelle für das Betreiben des Krans. Zum Laden des Energiespeichers 3 kann neben einem Laden über die externe Energiequelle selbstverständlich auch die von dem mindestens einen Krangewerk 4 in den Zwischenkreis 6 zurückgespeisten Energie verwendet werden. Das Aufladen des Energiespeichers 3 erkennt man beispielsweise im Zeitbereich von 45 bis ca. 60 Sekunden des Diagramms, bei dem die Leistung des Energiespeichers negativ ist.
-
Wird eine höhere Leistung generatorisch erzeugt als der Energiespeicher 3 aufnehmen kann, kann der Rest dem Bremschopper zugeführt werden oder auch in ein Stromnetz, was eine mögliche Umsetzung einer externen Energiequelle darstellt, eingespeist werden. Im Diagramm ist ein solcher Zustand im Bereich von ca. 55 Sekunden und ab 80 Sekunden dargestellt.
-
Im Bereich von ca. 55 Sekunden überschreitet die von den unterschiedlichen Krangewerken eingespeiste Leistung, die maximal vom Energiespeicher 3 aufnehmbare Leistung, so dass diese nicht vollständig aufgenommen werden kann. Der Überschuss an Energie muss dann anderweitig aus dem Zwischenkreis 6 geführt werden, bspw. indem er an den Bremschopper 5 gegeben und dort an einem Widerstand in thermische Energie umgesetzt wird. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch eine Rückspeisung des Überschusses in die externe Quelle (bspw. Stromnetz) erfolgen.
-
Im Bereich ab ca. 80 Sekunden ist der Energiespeicher 3 vollständig geladen und es steht keine weitere Kapazität zum Aufnehmen weiterer Energie zur Verfügung, so dass auch hier die durch generatorisch betriebene Krangewerke 4 erzeugte Energie anderweitig aus dem Zwischenkreis 6 abgeführt werden muss.
-
Dem Fachmann ist klar, dass die zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung herangezogenen Werte selbstverständlich variierbar sind und keine einschränkende Wirkung auf den beanspruchten Gegenstand haben.
-
3 zeigt eine Darstellung eines Modells für die Kranenergie und Kranleistung. Das Modell bildet dabei unterschiedliche Krangewerke ab, nämlich ein Hubwerk, ein Wippwerk, ein Drehwerk und ein Fahrwerk. Dabei ist jedes der Krangewerke in einem Modell abgebildet, in das eine Soll-Geschwindigkeit des jeweiligen Krangewerks eingegeben wird. Das jeweilige Krangewerk wird dann unter Berücksichtigung der kinetischen Energie, der potentiellen Energie, von Reibungsverlusten und/oder elektrischen Verlusten (beispielsweise im Umrichter) unter Bezugnahme auf die jeweils charakteristischen Eigenschaften des jeweiligen Krangewerks modelliert.
-
So wird beim Hubwerk beispielsweise darauf abgestellt, wie die derzeitige Geschwindigkeit, die derzeitige Hubhöhe, die derzeitige angehängte Last, die Einscherung und die aktuelle Temperatur ist. Unter Berücksichtigung dieser sich veränderbaren Werte sowie der Sollgeschwindigkeit kann die Kranenergie und Leistungsbilanz in Bezug auf eine Kranbewegungsänderungsanforderung für das Hubwerk bestimmt werden.
-
Ähnliches gilt für die weiteren Krangewerke Wippwerk, Drehwerk und Fahrwerk, wobei die charakteristischen Parameter der Krangewerke berücksichtigt werden. Für das Wippwerk ist dies neben der Geschwindigkeit eine Verfahrbewegung der Auslegerwinkel, die Lastmessung, eine Einscherung, die Temperatur, und/oder der Wind. Dem Fachmann ist klar, dass es sich hierbei nicht um eine abschließende Aufzählung handelt, sondern diese noch durch weitere Parameter erweitert werden kann.
-
Die einzelnen modellierten Krangewerke weisen dann eine Energie bzw. Leistungsbilanz für eine gewünschte Kranbewegungsänderungsanforderung auf, die miteinander verrechnet werden, sodass es entweder zu einem Überschuss oder einem gewissen Bedarf an Energie zum Umsetzen dieser Kranbewegungsänderungsanforderungen kommt.
-
Das Absetzen eines Containers von einem voll beladenen Schiff auf Bodenniveau wird dabei in der Regel zu einem Energieüberschuss führen, da die potentielle Energie des in dem Schiff gelagerten Containers größer ist als die Energie für das Verfahren des Krans ohne angehängte Last. Das Ergebnis des Kranenergie- und Leistungsmodells ist demnach, dass mit einem Überschuss an Energie zu rechnen ist, der beim Umsetzen der gewünschten Kranbewegungsänderungsanforderung anfällt.
-
4 zeigt eine Darstellung eines Modells für die Energiequellen und die Energiesenken eines Krans. Auch hier gehen die Betriebsbedingungen für die unterschiedlichen Energiequellen und Energiesenken in ein jeweiliges Modell einer Energiequelle bzw. eine Energiesenke ein. So werden beispielsweise für die externe Energiequelle, die Spannung, der Strom, die Temperatur und auch weitere Netzbedingungen herangezogen, um die von dem Stromnetz zur Verfügung gestellte Netzleistung zu simulieren. Dabei wird ein Modell auf Grundlage des Generators, des Transformators der Gleichrichter und der Leitungsverluste erstellt, das mit den vorgenannten Parametern simuliert wird.
-
Ähnlich ist es bei dem Energiespeicher, der ebenfalls anhand der verwendeten Batterie, des Kondensators, dem Ladezustand, dem Allgemeinzustand, den verwendeten Hoch- und Tiefsetzstellern und den Leitungsverlusten modelliert wird, wobei als Eingang in das Modell Spannung, Strom, Temperatur, Alter und Zyklenanzahl eingegeben wird.
-
Für das Modell des Bremswiderstands wird dessen thermische Kapazität, der Widerstand, die Chopper-Schaltung usw. herangezogen, und mit den Parametern von Spannung, Strom, Temperatur, Alter und Zyklenanzahl beaufschlagt.
-
Ausgehend von den unterschiedlichen Modellen der Energiequellen und Energiesenken lässt sich dann die Gesamtheit der für den Kran bereitstehenden Energie sowie die Gesamtheit der aufnehmbaren Energie simulieren, und für einen später folgenden Abgleich mit einer geforderten Energie für eine Kranbewegungsänderungsanforderung heranziehen.
-
5 zeigt eine Darstellung eines Modells zum Erfassen eines Zyklus für einen Umschlagsvorgang eines Krans. Für eine optimale Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Leistungsquellen und Leistungssenken wird ein auf einem Umschlagszyklus basierendes Schätzsystem verwendet. Dieses kann entweder den Zyklus selbstständig abschätzen und damit die benötigten Leistungsbedarfe ermitteln oder weitestgehend fest vorgegeben sein (durchschnittlicher Zyklus) aber auch dynamisch ermittelt werden (beispielsweise bei einem automatischen Kransystem).
-
So gibt es im Wesentlichen drei unterschiedliche Wege zum Schätzen für einen Zyklus eines Umschlagvorgangs eines Krans, wobei in einem solchen Zyklus die Soll-Geschwindigkeiten und die Abfolge der Betätigung der einzelnen Krangewerke festgelegt sind oder sich sehr stark ähneln.
-
Eine erste Möglichkeit zum Schätzen eines Zyklus ist ein selbstlernender Zyklus, der aufgrund einer Profilaufzeichnung der einzelnen Krangewerke und der bewegten Lasten aus dem vorhergehenden Zyklus oder einigen vorhergehenden Zyklen abgeleitet wird. Dabei erkennt eine Software sich wiederholende Bewegungsmuster des Krans und schließt auf mehrere hintereinander ausgeführte Umschlagszyklen. Es wird davon ausgegangen, dass ähnliche Zyklen auch in der unmittelbaren Zukunft ausgeführt werden, sodass der Bezug von Energie aus der externen Energiequelle sowie der Lade- und Entladevorgang des Energiespeichers hierauf angepasst werden.
-
Auch ist es möglich, dass ein in gewissen Rahmen bereits vordefinierter Zyklus feststeht, der beispielsweise anhand einer Langzeitbetrachtung der durchgeführten Zyklen in der Vergangenheit erstellt wird.
-
Auch ist es möglich, dass ein (teil)automatischer Kran mit vorgeplanten Kranbewegungen genutzt wird, sodass der nächste, abzuschätzende Zyklus bereits sehr genau bekannt ist. Es wird demnach für jeden anstehenden Zyklus oder einer Vielzahl von Zyklen eine eigene Planung durchgeführt, sodass jeder der sich auch nur marginal unterscheidenden Zyklen optimal verarbeitet werden kann. Da für jeden der anstehenden Zyklen oder einer Vielzahl davon eine eigene Schätzung erfolgt, wird ein solches Verfahren auch als dynamisch bezeichnet.
-
Jede der unterschiedlichen Arten zum Abschätzen eines Zyklus hat zum Ziel, den nächsten Zyklus möglichst genau vorherzusagen, sodass die Sollgeschwindigkeiten und die Abfolge der einzelnen Krangewerke feststehen.
-
6 zeigt eine Darstellung zum Zusammenwirken der unterschiedlichen Modelle und der hieraus gewonnenen Ansteuerungsbewegung des Krans und/oder optimierten Ansteuerung der Energiequellen und Energiesenken.
-
Ausgehend vom Modell zum Schätzen der Zyklen wird eine sich hieraus ergebende Kranbewegungsänderungsanforderung an das Modell zum Erfassen einer Energie bzw. Leistung einer Kranbewegung gegeben. Parallel dazu wird in dem Modell der Energiequellen und der Energiesenken die Gesamtheit der zur Verfügung stehenden Energie und die Gesamtheit der aufnehmbaren Energie abgeschätzt, sodass die Ergebnisse hieraus mit den Ergebnissen der Leistungsanforderung einer Kranbewegungsänderungsanforderung abgeglichen werden können. Je nachdem, wie viel Energie zur Verfügung steht und/oder wie viel Energie aufgenommen werden kann, wird in dem Abgleich eine von mehreren möglichen Kranbewegungen zum Erfüllen der Kranbewegungsänderungsanforderung ausgewählt. Dabei kann das Auswählen nach bestimmten Präferenzen, beispielsweise einem möglichst schnellen Umsetzen der Kranbewegungen oder einem minimalen Energieverbrauch erfolgen.
-
Es erfolgt somit eine Optimierung der Kranansteuerung und der Verwendung der Leistungsquellen und Leistungssenken. Die Optimierung kann beispielsweise bezogen auf Energieverbrauch, Umschlagsleistung oder minimale Maschinenabnutzung erfolgen.
-
Ein vereinfachtes Beispiel soll anhand einer Energieoptimierung dargelegt werden. Hierbei wird der Energiespeicher möglichst oft verwendet, um Kranbewegungen zu unterstützen, sodass das Ziel erreicht werden kann, bei allen Kranbremsbewegungen und Senkbewegungen möglichst leer zu sein. Dadurch ist es möglich, das Maximum an Senkenergie und Bremsenergie aufzunehmen.
-
Ist hingegen ein schneller Umschlag von Waren erwünscht, gilt es die Kranbewegungen möglichst schnell auszuführen, was zu einer hohen Geschwindigkeit und einer starken Beschleunigung der einzelnen Krangewerke führt. Dabei wird der Energiespeicher möglichst beim Bremsen oder Senken geladen, wobei aber zusätzlich auch von der externen Energiequelle (beispielsweise Netzversorgung) ein Ladestrom in den Energiespeicher geleitet wird, um bei gewünschten Beschleunigungen und schnellen Fahrten von Krangewerken durchgängig die maximale Leistung zur Verfügung stellen zu können.
-
Zu guter Letzt soll auch am Beispiel eines Bremswiderstands die Idee der vorliegenden Erfindung gezeigt werden. Bei gleichzeitiger Rückleistung mehrerer Krangewerke (typischerweise in einer Situation, in der mehrere Krangewerke in Bewegung sind und diese gleichzeitig abgebremst werden) überschreitet die hierdurch erzeugte generatorische Leistung durch die mehreren Krangewerke die maximale Energie, die über den Bremswiderstand in thermische Energie umgesetzt werden kann. Alternativ kann in diesem Fall die Verzögerung der Kranbewegungen angepasst werden (leistungskonstant) oder der Energiespeicher wird gezielt entladen, damit bei einer Bewegung mehrerer oder aller Krangewerke auch die hierbei anfallende Rückspeisung anteilig aufgenommen werden kann. Dadurch wird die über den Bremswiderstand abzubauende Energie verringert, sodass weiterhin ein sehr starkes Abbremsen des Krans bzw. ein gleichzeitiges Abbremsen der mehreren Gewerke ohne unnötige Verzögerungen möglich ist. Gerade in Notfallsituationen kann es von großem Vorteil sein, wenn das Einleiten von Abbremsvorgängen unmittelbar umgesetzt wird.
-
Mit der Erfindung ist es daher möglich einen Kran so anzusteuern, dass der Umschlagszyklus eines Krans optimal durchgeführt werden kann, wobei die möglichen Optimierungskriterien Energieverbrauch, Maschinenabnutzung und Umschlaggeschwindigkeit sein können.
