Verfahren zur kollisionsfreien Bewegung einer Last mit einem Kran

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kollisionsfreien Be wegung einer Last mit einem Kran in einem Raum mit mindestens einem Hindernis.

Die Erfindung betrifft ferner einen Controller zur Durchfüh rung eines derartigen Verfahrens.

Überdies betrifft die Erfindung ein autarkes, sicheres Be obachter-Modul zur Kollisionserkennung, welches einen derar tigen Controller aufweist.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein System mit einem Kran zur Bewegung einer Last, welcher ein derartiges Beobach ter-Modul umfasst.

Im Kranumfeld, beispielsweise im Hafenbereich, kann es bei einer Be- und Entladung von Lasten, beispielweise von Contai nern, immer wieder zu Kollisionen einer, insbesondere seilge führten, Last mit einem Hindernis, auch Objekt genannt, kom men. Bei einem manuell betriebenen Kran liegt die volle Ver antwortung für den Kran und die von ihm geführte Last beim Kranfahrer. Er muss sicherstellen, dass es zu keiner Kollisi on mit einem anderen Objekt kommt.

Bei einem automatisiert betriebenen Kran wird bei einer Auto matikfahrt die, insbesondere seilgeführte, Last sensorge stützt durch einen 2D oder 3D Raum mit zumindest einem Hin dernis geführt, wobei durch Hardware- und Softwarelösungen sichergestellt sein muss, dass es zu keiner Kollision kommt. Beispielsweise kommen Systeme wie eine Pendeldämpfung, auch „Sway-Control" genannt, Bahnberechnung im 2D oder 3D Raum und Systeme zur Erfassung von Hindernissen und Störgrößen zur An wendung . Eine derartige Lösung mit mehreren Systemen vollständig si cherheitstechnisch zu zertifizieren stellt einen erheblichen Aufwand dar, da jedes der Teilsysteme einzeln sicherheits technisch zertifiziert werden muss. Eine sichere Funktion des Gesamtsystems ist nur gewährleistet, wenn alle Teilsysteme die sicherheitsrelevanten Anforderungen erfüllen.

Beispielsweise beschreibt die Offenlegungsschrift

WO 2005/049285 Al ein System zur Schwingsteuerung . Das System umfasst eine erste Vorrichtung, die dazu angeschlossen ist, eine Beschleunigung eines ersten Objekts zu messen, das von einem zweiten Objekt herabhängt, wobei die erste Vorrichtung ein erstes Signal erzeugt, das die Beschleunigung des ersten Objekts darstellt; eine zweite Vorrichtung, die dazu ange schlossen ist, eine Beschleunigung eines zweiten Objekts zu messen, wobei die zweite Vorrichtung ein zweites Signal er zeugt, das die Beschleunigung des zweiten Objekts darstellt; einen Prozessor in Verbindung mit den ersten und zweiten Vor richtungen, der dazu eingerichtet ist, ein Schwingen des ers ten Objekts gegenüber des zweiten Objekts auf der Grundlage wenigstens teilweise der ersten und zweiten Signale zu ermit teln, wobei das Schwingen eine relative Verstellung des ers ten Objekts gegenüber dem zweiten Objekt darstellt.

Bei einer Routenplanung in Echtzeit, einer sogenannten „Real time Routenplanung", im 2D/3D Raum würde man Vereinfachungen in den Algorithmen benötigen, die für eine Sicherheitszerti fizierung einen erheblichen Aufwand hinsichtlich einer Be weisführung einer sicheren Funktion darstellen. Bei Systemen wie „Sway-Control" wird versucht, eine Sicherheitszertifizie rung durch Redundanz zu erreichen.

Die Offenlegungsschrift WO 2018/007203 Al beschreibt ein Ver fahren zur Vermeidung einer Kollision einer Last eines Krans mit einem Hindernis. Um eine Lösung zur Kollisionsvermeidung anzugeben, die einen Sicherheitslevel erfüllt, wird eine Lö sung vorgeschlagen, bei der die Last entlang einer Trajekto- rie bewegt wird, wobei mittels zumindest zweier Sensoren zur Entfernungsmessung ein Höhenprofil zumindest entlang der Trajektorie erfasst wird, wobei Signale der Sensoren über zu mindest zwei Kommunikationskanäle an einen Controller mit zu mindest zwei Betriebssystemen gesendet werden, von denen zu mindest eines ein Sicherheitsprogramm in einem sicheren Be reich aufweist, wobei ein Hindernis entlang der Trajektorie anhand des Höhenprofils erkannt wird. Der Controller weist weiter eine sichere Kommunikationsschnittstelle zur Übertra gung von Signalen vom Controller an eine Kransteuerung auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur kollisionsfreien Bewegung einer Last mit einem Kran anzuge ben, das auf möglichst einfache Weise einen Sicherheitslevel erfüllt .

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur kol lisionsfreien Bewegung einer Last mit einem Verfahren zur kollisionsfreien Bewegung einer Last mit einem Kran in einem Raum mit mindestens einem Hindernis gelöst, wobei eine Posi tion des Hindernisses bereitgestellt wird, wobei zumindest eine sichere Zustandsgröße der Last bereitgestellt wird, wo bei aus der sicheren Zustandsgröße eine die Last umgebende Sicherheitszone ermittelt wird, wobei die Sicherheitszone in Relation zur Position des Hindernisses dynamisch überwacht wird .

Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch einen Controller zur Durchführung eines derartigen Verfahrens, wel cher ein Sicherheitsprogramm in einem sicheren Bereich um fasst .

Überdies wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein autarkes, sicheres Beobachter-Modul zur Kollisionserkennung, welches einen derartigen Controller aufweist.

Darüber hinaus wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein System mit einem Kran zur Bewegung einer Last, welcher ein derartiges Beobachter-Modul umfasst. Die in Bezug auf das Verfahren nachstehend angeführten Vor teile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf den Controller, das Beobachter-Modul und das System über tragen .

Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, ein autarkes, sicheres Beobachter-Modul zur Kollisionserkennung bereitzu stellen, um eine sensorgestützte Lastbewegung durch eine au tomatisiert betriebene Krananlage, die an sich eine hohe Zu verlässigkeit aufweist, jedoch nicht sicherheitstechnisch zertifiziert ist, zu ergänzen. Durch eine derartige Kollisi onserkennung ist ein Sicherheitslevel nach SIL und/oder PL, z.B. zumindest SIL3 und/oder PLe, erreichbar, ohne die ei gentliche Krananlage sicherheitstechnisch zertifizieren zu müssen .

Es wird eine Position eines Hindernisses bereitgestellt. Bei spielsweise wird eine Lastposition über geeignete Sensorik, insbesondere Laser-Entfernungs-Sensorik, bereitgestellt. Dar über hinaus wird zumindest eine sichere Zustandsgröße der Last, welche durch den Kran bewegt wird, bereitgestellt. Eine Zustandsgröße ist beispielsweise eine Position mindestens ei ner Bewegungsachse, eine Geschwindigkeit oder eine Beschleu nigung. Eine sichere Zustandsgröße der Last wird beispiels weise durch sichere, insbesondere zumindest nach SIL- und/oder PL-zertifizierte, Gebersysteme und/oder durch redun dante Gebersysteme bereitgestellt. Auf Basis der zumindest einen sicheren Zustandsgröße der Last wird ein Sicherheits raum berechnet, der in Relation zur ermittelten Positionsin formationen des Hindernissen überwacht wird. Beispielsweise ist der Sicherheitsraum kugelförmig oder ellipsoid ausgebil det und umgibt die Last zumindest teilweise. Bei einer Ver letzung dieses Sicherheitsraumes wird beispielsweise eine Ge genmaßnahme eingeleitet, um eine Kollision zu verhindern.

Ein solches Verfahren kann mit einem sehr einfachen mathema tischen Modell beschrieben und mit geringem Rechenaufwand re- alisiert werden. Eine oben beschriebene Sicherheitszertifi zierung wird enorm vereinfacht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die für die sensorgestützte Lastbewegung im auto matisierten Kranbetrieb verwendeten Systeme, wie „Sway Con trol" und Bahnberechnung, als ein nicht sicheres System für die Bewegungsführung weiterhin verwendbar sind. Der autarke, sichere Beobachter zur sicheren Kollisionserkennung, der ins besondere als zumindest ein Modul ausgeführt ist, ergänzt ein System mit hoher Zuverlässigkeit, welches jedoch als nicht sicher eingestuft ist, zu einem sicheren Gesamtsystem. Das autarke, sichere Beobachter-Modul, welches nach oben be schriebenem Verfahren arbeitet, gewährleistet einen sicheren automatisierten Kranbetrieb unabhängig von den für den auto matisierten Kranbetrieb verwendeten Systemen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird eine sichere Position des Hindernisses, insbesondere mittels Sensoren zur Entfer nungsmessung, erfasst. Sensoren zur Entfernungsmessung sind beispielsweise Laser- oder Radarsensoren. Eine sichere Posi tionserfassung wird beispielsweise mit Hilfe von sicheren, insbesondere nach SIL und/oder nach PL zertifizierten, Senso ren zur Entfernungsmessung erreicht. Eine sichere Positions erfassung des Hindernisses erhöht die Zuverlässigkeit des Verfahrens .

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die zu mindest eine sichere Zustandsgröße der Last aus einer siche ren Zustandsgröße zumindest eines Fahrwerks, eines Hubwerks und/oder einer Laufkatze des Krans ermittelt. Entsprechende sichere Gebersysteme, die beispielsweise nach SIL und/oder nach PL zertifiziert sind, sind kommerziell erhältlich.

Besonders vorteilhaft wird ein Stoppsignal an eine Kransteue rung gesendet, wenn das Hindernis in der die Last umgebenden Sicherheitszone erfasst wird. Durch einen durch ein Stoppsig nal ausgelösten Kranstopp wird eine Kollision einfach und zu verlässig verhindert. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird eine Größe der Si cherheitszone an die sichere Zustandsgröße der Last ange passt. Die Größe der Sicherheitszone wird insbesondere durch ein Volumen definiert. Beispielsweise wird das Volumen der Sicherheitszone vergrößert, wenn sich die Geschwindigkeit o- der die Beschleunigung der Last erhöht, um eine höhere Verzö gerungszeit im Falle einer Gegenmaßnahme zu kompensieren. Auf diese Weise wird eine Kollision noch zuverlässiger verhin dert .

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Si cherheitszone mit einem Controller ermittelt, der ein Sicher- heitsprogramm in einem sicheren Bereich umfasst. Das Sicher- heitsprogramm im sicheren Bereich ist beispielsweise durch Redundanz, Mehrkanaligkeit und/oder interne Prüf- und Test- Algorithmen realisierbar, wodurch eine Sicherheitszertifizie rung, z.B. nach SIL und/oder PL, realisierbar ist.

Besonders vorteilhaft wird vom Sicherheitsprogramm ein siche res Stoppsignal an eine Kransteuerung gesendet wird, wenn das Hindernis in der die Last umgebenden Sicherheitszone erfasst wird. Hierdurch wird ein die Last umgebender Sicherheitsbe reich definiert, innerhalb dessen bei Auftreten eines Hinder nisses der Kran umgehend und sicher gestoppt wird.

In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die sichere Zu standsgröße der Last eine Position und eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung. Beispielsweise wird eine Ge schwindigkeit und/oder eine Beschleunigung durch Differentia tion aus einer Änderung der Position ermittelt. Durch Kennt nis der Position und der Geschwindigkeit und/oder der Be schleunigung der Last wird die Zuverlässigkeit der Überwa chung der Last optimiert.

Besonders vorteilhaft wird die Sicherheitszone in Echtzeit ermittelt. Eine Ermittlung in Echtzeit wird durch einfache mathematische Modelle erreicht, was eine zuverlässige Reakti on auf Änderungen der Position des Hindernisses ermöglicht. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Sicherheitszone periodisch in von der sicheren Zustandsgröße der Last abhän gigen zeitlichen Abständen ermittelt. Beispielsweise werden die zeitlichen Abstände bei einer höheren Geschwindigkeit der Last geringer, um auf einen verlängerten Bremsweg zu reagie ren. Derartige zustandsgrößenabhängige Intervalle ermöglichen eine zuverlässige Reaktion auf Änderungen im System.

Bei einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form wird die Si cherheitszone mit einem Pendelmodell ermittelt. Das Pendelmo dell modelliert beispielsweise ein Ausschwingen der Last bei einer abrupten Verzögerung, sodass in einem solchen Fall bei spielsweise die Sicherheitszone vergrößert wird, um eine Kol lision zu verhindern.

Besonders vorteilhaft ist das Verfahren unabhängig von der Bewegung einer Last durchführbar. Somit wird das Verfahren vom Kranbetrieb, beispielsweise durch auftretende Fehler wäh rend des Betriebes, nicht beeinflusst, was zu einer Verbesse rung der Zuverlässigkeit führt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird mit Hilfe von Sensoren zur Entfernungsmessung ein Höhenprofil zur Er mittlung der Position des Hindernisses erstellt. Handelt es sich bei dem Kran z.B. um einen Containerkran, der als Lasten Container in einem Container-Terminal entlädt, so ergeben die Stapelhöhen der Container als Höhenprofil gewissermaßen ein Containergebirge. Durch ein derartiges Höhenprofil wird die Berechnung der Trajektorie zur automatisierten Bewegung der Last mittels des Krans erleichtert.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er läutert .

FIG 1 eine perspektivische schematische Darstellung eines

Krans , FIG 2 eine vergrößerte schematische Darstellung eines

Krans im Bereich einer Last,

FIG 3 eine schematische Darstellung einer kollisionsfrei en Bewegung einer Last von einem Startpunkt zu ei nem Zielpunkt und

FIG 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur kollisions freien Bewegung einer Last.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen han delt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Kom ponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, wel che die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiter bilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Er findung ergänzbar.

Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.

FIG 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Krans 2, die beispielhaft als Brückenkran ausgeführt ist. Eine Last 4, beispielhaft ein Container, die an einem Containergeschirr 6, auch „Spreader" genannt, befestigt ist, wird mittels einer Laufkatze 8, auch „Trolley" genannt, mittels eines Fahrwerks 10 und/oder mittels eines Hubwerks 12 entlang einer, insbe sondere dreidimensional ausgeführten, Trajektorie 14 bewegt. Die Bewegung der Last 4 mittels des Krans 2 erfolgt insbeson dere automatisiert. Durch mindestens einen Sensor 16 zur Ent fernungsmessung wird eine sichere Position eines Hindernisses 18, in FIG 1 ein „Containergebirge", erfasst indem ein Höhen profil erstellt wird. Alternativ wird eine bekannte Position des Hindernisses 18 bereitgestellt. Insbesondere wird eine sichere Position des Hindernisses 18 durch zumindest SIL- und/oder PL-zertifizierte Sensorik ermittelt. Derartige zu mindest SIL- und/oder PL-zertifizierte Sensoren 16 zur Ent fernungsmessung arbeiten beispielsweise mit Radar- und/oder Laserverfahren. Insbesondere sind die Sensoren 16 zur Entfer nungsmessung redundant ausgeführt. Die sichere Positionser fassung des Hindernisses 18 erfolgt insbesondere dynamisch, indem beispielsweise das Höhenprofil periodisch aktualisiert wird. Das Hindernis 18 verhindert, dass die Last 4 auf direk tem, das heißt geradem, Wege an ihr Ziel transportierbar ist. Daher wird anhand des Höhenprofils eine Trajektorie 14 be rechnet, um das Hindernis 18, beispielswiese in einer parabo lischen Bewegung, zu überwinden. Ein Schwingen der Last 4, während diese entlang der Trajektorie 14 bewegt wird, wird durch Pendeldämpfung, auch „Sway Control" genannt, minimiert, um Kollisionen oder Beschädigung der Last zu vermeiden und/oder eine Lasttransporteffizienz zu steigern.

FIG 2 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung eines Krans 2 im Bereich einer Last 4, die über ein Hindernis 18 hinwegbewegt wird. Um eine kollisionsfreie Bewegung der Last 4 sicher zu gewährleisten, umfasst der Kran 2 ein autarkes, sicheres Beobachter-Modul zur Kollisionserkennung, an welches eine sichere Zustandsgröße der Last 4 übermittelt wird, wobei die sichere Zustandsgröße eine Position, eine Geschwindigkeit oder eine Beschleunigung der Last 4 umfasst. Beispielsweise wird eine sichere Position der Last 4 über ein sicheres, ins besondere zumindest nach SIL- und/oder PL-zertifiziertes, Ge bersystem an der Laufkatze 8, am Fahrwerk 10 und am Hubwerk 12 ermittelt, wobei eine Geschwindigkeit und/oder eine Be schleunigung der Last 4 direkt aus einer Änderung der siche ren Position berechenbar sind.

Das autarke, sichere Beobachter-Modul berechnet in einem si cheren Controller in Echtzeit aus mindestens einer sicheren Zustandsgröße, beispielsweise aus einer Position und einer Geschwindigkeit, eine die Last 4 umgebende Sicherheitszone 20. Beispielswiese wird die Sicherheitszone 20 periodisch in von der sicheren Zustandsgröße der Last 4 anhängigen zeitli chen Abständen berechnet. Ein sicherer Controller umfasst ein Sicherheitsprogramm in einem sicheren Bereich. Die Sicher heitszone 20 ist beispielsweise, wie in FIG 2 zu sehen, ku gelförmig oder ellipsoid ausgebildet. Insbesondere wird eine Größe der Sicherheitszone 20 an eine sichere Zustandsgröße der Last 4, beispielsweise an eine Geschwindigkeit oder eine Beschleunigung, angepasst. Beispielsweise wird das Volumen der Sicherheitszone 20 vergrößert, wenn die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung der Last 4 erhöht wird. Optional wird ein Pendelmodell bei der Berechnung der Sicherheitszone 20 mit einbezogen, um beispielsweise ein Ausschwingen der Last 4 bei einer abrupten Verzögerung mit zu berücksichtigen.

Die sichere Positionserfassung des Hindernisses 18 erfolgt wie in FIG 1 beschrieben. Das autarke, sichere Beobachter- Modul überwacht die Sicherheitszone 20 in Relation zur Posi tion des Hindernisses 18 dynamisch. Beispielsweise wird ein Stoppsignal an eine Kransteuerung gesendet, wenn das Hinder nis 18 in der die Last 4 umgebenden Sicherheitszone 20 er fasst wird. Die weitere Ausführung des Krans 2 in FIG 2 ent spricht der in FIG 1.

FIG 3 zeigt eine schematische Darstellung einer kollisions freien Bewegung einer Last 4 von einem Startpunkt 22 zu einem Zielpunkt 24, wobei die Lastbewegung mit Hilfe eines Krans 2 insbesondere automatisiert, erfolgt. Beispielhaft ist die Lastbewegung von einem Containerschiff 26 als Startpunkt 22 zu einem Lastkraftwagen 28 als Zielpunkt 24 dargestellt, wo bei das Hindernis 18, welches als „Containergebirge" ausge führt ist, wie in FIG 1 beschrieben, in einer parabolischen Bewegung entlang einer, insbesondere vorberechneten, Trajek- torie 14 überwunden wird. Um eine kollisionsfreie Bewegung sicher zu gewährleisten, umfasst der Kran 2 ein autarkes, si cheres Beobachter-Modul 19 zur Kollisionserkennung, das, wie in FIG 2, in einem sicheren Controller 19a die die Last 4 um gebende Sicherheitszone 20 in Echtzeit berechnet. Die Größe der Sicherheitszone 20, welche die Last 4 umgibt, wird bei spielsweise an eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleuni gung, angepasst. Die zeitliche Änderung des Volumens der, exemplarisch kugelförmig dargestellten, Sicherheitszone 20 ist schematisch in FIG 2 für ein gegebenes Hindernis 18 dar gestellt, wobei die Trajektorie 14, wie in FIG 1, anhand des ermittelten Höhenprofils des Hindernisses 18 berechnet wird. Die weitere Ausführung des Krans 2, insbesondere des autar ken, sicheren Beobachter-Moduls, in FIG 3 entspricht der in FIG 2.

FIG 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur kollisi onsfreien Bewegung einer Last 4. Die automatisierte Bewegung 28 der Last 4 erfolgt durch mit hoher Zuverlässigkeit durch Pendeldämpfung 30, geometrische Berechnung 32 der Trajektorie 14, Störgrößenüberwachung 34 und, insbesondere dynamische, Objekterfassung 36. Die Objekterfassung 36, also die Erfas sung der Position des Hindernisses 18, erfolgt, wie in FIG 1 beschrieben, sicher, insbesondere anhand eines Höhenprofils durch zumindest SIL und/oder PL-zertifizierte Sensorik.

Eine sichere Zustandsgrößenerfassung 38 der Last 4 erfolgt parallel wie in FIG 2 beschrieben, beispielsweise durch ein beispielsweise nach SIL und/oder nach PL, sicherheitszertifi ziertes Gebersystem an der Laufkatze 8, am Fahrwerk 10 und am Hubwerk 12. Ein autarkes, sicheres Beobachter-Modul 40 führt eine Sicherheitszonenberechnung 42 anhand der ermittelten si cheren Zustandsgröße durch. Eine dynamische Raumüberwachung 44 erfolgt, indem die sicher erfasste Sicherheitszone 20 in Relation zur sicher erfassten Position des Hindernisses 18 überwacht wird. Ein sicherer Halt 46, beispielsweise durch Senden eines Stoppsignals an eine Kransteuerung, wird vom au tarken, sicheren Beobachter-Modul 40 initiiert, wenn das Hin dernis 18 in der Sicherheitszone 20 der Last 4 detektiert wird .

Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Verfahren zur kol lisionsfreien Bewegung einer Last 4 mit einem Kran 2 in einem Raum mit mindestens einem Hindernis 18. Um auf möglichst ein fache Weise einen Sicherheitslevel zu erfüllen, wird vorge schlagen, dass eine Position des Hindernisses 18 erfasst wird, wobei zumindest eine sichere Zustandsgröße der Last 4 ermittelt wird, wobei aus der sicheren Zustandsgröße eine die Last 4 umgebende Sicherheitszone 20 ermittelt wird, wobei die Sicherheitszone 20 in Relation zur Position des Hindernisses 18 dynamisch überwacht wird.