УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ГРУЗОПОДЪЕМНЫМ КРАНОМ

Изобретение относится к подъемно-транспортному машиностроению и может быть использовано в системах управления и защиты от перегрузок и столкновения с препятствиями грузоподъемных кранов.
Известно устройство управления грузоподъемным краном, содержащее цифровой вычислитель, внешнее запоминающее устройство, блок визуальной индикации, блок аварийной сигнализации, исполнительный блок, устройство ввода-вывода информации и датчики положения оборудования крана (см. патент РФ на полезную модель №38747, В 66 С 23/90, 10.07.2004).
Известно также устройство управления грузоподъемным краном, содержащее датчик нагрузки, датчики положения оборудования крана (датчики длины и угла наклона стрелы, датчик угла поворота стрелы, датчик количества троса на барабане грузовой лебедки), блок задания начальных и конечных координат крюка (груза), блок контроля фактических координат крюка (груза), блок определения допустимого вылета стрелы по нагрузке, блок определения проекции стрелы на горизонтальную плоскость, блок определения проекции стрелы на вертикальную плоскость, блок сравнения, блок коррекции допустимых координат и блок управления приводами (см. патент РФ №2058929, В 66 С 23/90, 27.04.1996).
Общим недостатком известных устройств управления грузоподъемными кранами является то, что не учитывается динамика перемещающегося груза и в зависимости от скорости движения могут возникать колебания груза низкой частоты. В отличие от помех отфильтровать эти колебания невозможно, так как для них постоянная времени фильтра имеет значительный уровень (несколько секунд), что недопустимо для срабатывания устройств защиты. Наличие же колебаний груза связано со снижением производительности, энергетическими потерями, а в некоторых случаях со столкновениями и поломкой оборудования. Другим недостатком известных устройств управления грузоподъемными кранами является то, что в критических
ситуациях происходит остановка крана, что в ряде случаев вызывает необходимость обходных или возвратных движений, т.е. снижение производительности и энергетические потери.
Задачей, на решение которой направлено заявляемые изобретения, является разработка устройства управления грузоподъемным краном, которое обеспечивало бы повышенную безопасность и производительность работы грузоподъемного крана.
Для достижения поставленных задач и других преимуществ предложено устройство управления грузоподъемным краном, содержащее датчик нагрузки, датчики положения оборудования крана, блок задания начальных и конечных координат крюка (груза), блок контроля фактических координат крюка (груза) и блок управления приводами, которое, согласно полезной модели, дополнительно содержит блок задания координат препятствий, орган задания конечных координат крюка (груза), дисплей, блок определения пересечения траекторий движения с контурами препятствий, блок контроля фактической загрузки крана, блок гашения раскачивания груза, схему «ИЛИ», два компаратора, блок вычисления режима движений, блок инициирования движений, блок снижения скоростей движения оборудования и блок останова движении, при этом датчики положения оборудования крана подключены к блоку контроля фактических координат крюка (груза) и блоку гашения раскачивания груза, а вместе с датчиком нагрузки подключены также к блоку контроля фактической загрузки крана, выход блока гашения раскачивания груза подключен к первому входу блока останова движений, ко второму входу которого подключен выход блока контроля фактической загрузки крана, выход блока останова движений подключен к первому входу блока управления приводами, выход блока контроля фактических координат крюка (груза) подключен к первому входу блока задания начальных и конечных координат крюка (груза), ко второму входу которого подключен орган задания конечных координат крюка (груза), выход блока задания начальных и конечных координат крюка (груза) подключен к первым входам дисплея,
блока определения пересечения траекторий движения с контурами препятствий, блока вычисления режима движений, первого и второго компараторов, выход блока задания координат препятствий подключен ко второму входу дисплея и второму входу блока определения пересечения траектории движения с контурами препятствий, выход которого подключен ко второму входу блока вычисления режима движений, выходы блока контроля фактических координат и блока контроля фактической загрузки крана подключены соответственно к первому и второму входам элемента «ИЛИ», выход которого подключен ко второму входу первого компаратора, второй вход второго компаратора подключен к выходу блока контроля фактических координат крюка (груза), а выход - к третьему входу блока останова движений, второй вход блока управления приводами подключен к выходу первого компаратора через блок снижения скоростей движения оборудования, а третий вход - к выходу блока вычисления режима движений через блок инициирования движений.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что на дисплей первоначально выводятся контуры препятствий, если таковые имеются на стройплощадке. Препятствия должны быть дифференцированы по степени опасности перемещения возле них груза или оборудования крана (например, над некоторыми препятствиями нельзя проносить груз). Препятствия вводятся и записываются в энергонезависимое перепрограммируемое запоминающее устройство в одном из двух режимов: в режиме сохранения при отключенном питании (например, на стройплощадке с башенным краном препятствия вводятся и записываются с плана производства работ), а в случае, например, автомобильного крана - в режиме оперативной записи крановщиком. До того, как оператор (крановщик) начнет инициировать движение крановых механизмов, он должен с помощью органа задания конечных координат крюка (груза) нанести на дисплей и записать в оперативную память конечную точку требуемого движения крюка (груза). Начальная точка известна, будучи определенной по сигналам датчиков,
контролирующих положение оборудования крана. После этого оператор (крановщик) инициирует начало движения, которое происходит в двух вариантах, когда требуемая траектория перемещения груза не пересекает границы препятствий (или препятствия отсутствуют) и когда траектория пересекает эти границы. В первом случае по известным координатам (начальным и конечным) положения механизмов определяются направления их независимого движения (каждого в отдельности) по кратчайшему пути. Критерием движения должно быть минимальное время доставки грузозахватного органа (груза) в заданную точку. Если траектории возможных движений пересекают границы препятствий, автоматически начинают рассматриваться варианты обхода препятствий Критериями, определяющими приоритет движений тех или иных механизмов при рассмотрении вариантов обхода, являются в первую очередь виды препятствий, а также динамические свойства приводов механизмов для обеспечения минимального времени перемещения. После перебора вариантов определяется оптимальная траектория движения, на основе которой вычисляются моменты включения и останова приводов каждого из крановых механизмов. В обеспечение траектории движения включаются режимы гашения раскачивания груза, предварительного снижения скоростей, а также объективные (в зависимости от фактического состояния крана и положения крюка (груза)) режимы защиты крана от перегрузки и столкновений с препятствиями (например, автономная координатная защита, устройство защиты от ветровой перегрузки или устройство защиты от опасного приближения к линии электропередач). Движение крановых механизмов происходит на оптимальной скорости до момента приближения крюка (груза) на заданное расстояние к точке доставки и снижение скорости движений механизмов, а затем останов движений в точке доставки крюка (груза). При торможении (в результате воздействия оператора, либо при срабатывании устройств защиты) на базе вычисленных параметров движения осуществляется силовое оптимальное управление также с целью минимизации амплитуды раскачивания груза.
Предлагаемое устройство обеспечивает возможность автоматического выбора оптимальной траектории перемещения груза из текущего положения в конечное положение в обход препятствий, имеющихся на площадке, а также обеспечивает активные меры по снижению динамических нагрузок на кран и повышение безопасности и производительности работ за счет исключения внезапных остановок механизмов крана при пересечении оборудованием крана границ рабочей зоны (зон координатной защиты).
На чертеже представлена функциональная схема устройства управления грузоподъемным краном стрелового типа.
Устройство управления грузоподъемным краном содержит группу датчиков 1 перемещения оборудования крана, датчик 2 нагрузки, бок 3 контроля фактических координат крюка (груза), блок 4 гашения раскачивания груза, блок 5 контроля фактической загрузки крана, блок 6 останова движений, блок 7 управления приводами, блок 8 снижения скоростей движения оборудования, блок 9 задания начальных и конечных координат крюка (груза), орган 10 задания конечных координат крюка (груза), дисплей 11, блок 12 задания координат препятствий, блок 13 определения пересечения траекторий движения с контурами препятствий, блок 14 вычисления режима движений, блок 15 инициирования движений, компаратор 16, схему 17 «ИЛИ» и компаратор 18.
На чертеже изображены только три датчика, контролирующие положение оборудования крана, которых, естественно, может быть больше. Для стрелового самоходного крана с телескопической стрелой это датчики длины стрелы, угла наклона стрелы, угла поворота платформы и высоты подвеса крюка. Для других кранов, например, для башенного крана, это соответственно датчики пути, угла наклона стрелы (или перемещения тележки) и угла поворота платформы, высоты подвеса крюка, что не изменяет сути предлагаемого устройства.
Датчики 1, контролирующие положение оборудования крана, подключены к блоку 3 контроля фактических координат крюка (груза) и блоку
4 гашения раскачивания груза, а вместе с датчиком 2 нагрузки подключены также к блоку 5 контроля фактической загрузки крана, образуя ограничитель грузоподъемности крана.
Выход блока 4 гашения раскачивания груза подключен к первому входу блока 6 останова движений, ко второму входу которого подключен выход блока 5 контроля фактической загрузки крана. Выход блока 6 останова движений подключен к первому входу блока 7 управления приводами.
Выход блока 3 контроля фактических координат крюка (груза) подключен к первому входу блока 9 задания начальных и конечных координат крюка (груза), ко второму входу которого подключен орган 10 задания конечных координат крюка (груза). Выход блока 9 задания начальных и конечных координат крюка (груза) подключен к первым входам дисплея 11, блока 13 определения пересечения траекторий движения с контурами препятствий, блока 14 вычисления режима движений, первого 16 и второго 18 компараторов.
Выход блока 12 задания координат препятствий подключен ко второму входу дисплея и второму входу блока 13 определения пересечения траектории движения с контурами препятствий, выход которого подключен ко второму входу блока 14 вычисления режима движений.
Выходы блока 3 контроля фактических координат и блока 5 контроля фактической загрузки крана подключены соответственно к первому и второму входам элемента 17 «ИЛИ», выход которого подключен ко второму входу первого компаратора 16. Компаратор 16 находится в цепи контроля приближения грузозахватного органа на заданное расстояние к конечной точке, определяемое блоком 3 контроля фактических координат крюка (груза), и предварительной сигнализации о нагрузке, определяемой блоком 5 фактической загрузки крана. Второй вход второго компаратора 18 подключен к выходу блока 3 контроля фактических координат крюка (груза), а выход - к третьему входу блока 6 останова движений.
Второй вход блока управления 7 управления приводами подключен к выходу первого компаратора 16 через блок 8 снижения скоростей движения оборудования, а третий вход - к выходу блока 14 вычисления режима движений через блок 15 инициирования движений.
Датчики 1 перемещения оборудования крана могут быть выполнены на базе контактных потенциометрических преобразователей или на базе индуктивных, кодовых или иных бесконтактных преобразователей.
Датчик 2 нагрузки представляет собой датчик усилия, устанавливаемый в механизм подъема стрелы или в механизм передачи усилия, или датчики давления, подключаемые к полостям гидроцилиндра подъема стрелы.
Блок 3 контроля фактических координат крюка (груза), блок 4 гашения раскачивания груза и блок 5 контроля фактической загрузки крана являются функциональными блоками, реализующими по сигналам датчиков 1 координатную защиту, гашение раскачивания и ограничение грузоподъемности крана.
Блок 6 останова движений - логическое устройство, контролирующее и объединяющее все сигналы запрета движений.
Блок 7 управления приводами представляет собой аппаратно-программное устройство, обеспечивающее включение и выключение двигателей по сигналам блоков 6, 8 и 15. Он может содержать усилительные и преобразовательные элементы в зависимости от типа приводов крана.
Блок 8 снижения скоростей движения оборудования, представляет собой функциональный блок, в котором вычисляется минимальное расстояние до конечной точки, сравнивается с допустимым расстоянием по каждому движению, и в случае достижения этого расстояния создается сигнал на снижение скоростей движения оборудования.
Блок 9 задания начальных и конечных координат крюка (груза) - функциональный блок, воспроизводящий по сигналам блока 3 исходное (начальное) положение крюка (груза) и вычисляющего его по сигналу органа 10.
Орган 10 задания конечных координат представляет собой устройство для нанесения на дисплей 11 и внесения в блок 9 точки конечного положения крюка (груза).
Дисплей 11 предназначен для предоставления крановщику информации о положении крана на стройплощадке в плане и вертикальной плоскости стрелы, а также для контроля внесения в память устройства информации о препятствиях и конечной точки перемещения крюка (груза). Техническая реализация дисплея (как правило, на базе жидкокристаллических индикаторов) зависит от общей конфигурации устройства и способа внесения данных о препятствиях и конечной точки перемещения грузозахватного органа (груза).
Блок 12 задания координат препятствий является функциональным блоком, обеспечивающим масштабирование и «привязку» крана к местности, в том числе к имеющимся препятствиям.
Блок 13 определения пересечения траекторий движения с контурами препятствий, блок 14 вычисления режима движений (по каждому виду оборудования) и блок 15 инициирования движений представляют собой функциональные блоки, определяющие при наличии пересечений, оптимальную траекторию для различных вариантов обхода препятствий и инициирующие движения после выбора варианта.
Компараторы 16 и 18 и элемент 17 «ИЛИ» представляют собой стандартные технические устройства, которые могут быть выполнены как средствами дискретной техники, так и программным способом.
Устройство работает следующим образом.
Предварительно блоком 12 с контролем по дисплею 11 устанавливаются виды и координаты препятствий (только для кранов самоходного типа, так как для кранов, «привязанных» к стройплощадке, данные о препятствиях переносится автоматически из занесенных ранее в «память», соответствующих плану производства работ.
Затем крановщик включает приборы безопасности и может приступать к работе.
Органом 10 крановщик вносит координату конечной точки перемещения крюка (груза) в блок 9 с контролем на дисплее 11 и инициирует начало движения. В случае если траектория движения пересечет область препятствия, блоками 12 и 14 будет произведена блокировка движений и определена оптимальная траектория обхода препятствий. После этого блокировка будет снята и начнется движение механизмов с учетом алгоритма гашения раскачивания.
Останов движений будет производиться автоматически на двух ступенях с предварительным уменьшением скорости движения и последующей остановкой. Режимы предварительного снижения скорости и остановки характерны как для случая рабочего перемещения крюка (груза), так и в случае срабатывания любых средств защиты (по перегрузке, по перемещению и т.п.).
Описанное устройство является лишь частным примером реализации устройства управления грузоподъемным краном. Специалисту в данной области техники должно быть очевидным, что в настоящей полезной модели возможны разнообразные модификации и изменения, в частности, в зависимости от типа крана может меняться состав датчиков и блоков устройства, перечень расчетных параметров и алгоритмы работы при сохранении сути изложенного устройства. Соответственно предполагается, что настоящая полезная модель охватывает указанные модификации и изменения, а также их эквиваленты, без отступления от сущности и объема полезной модели, раскрытого в прилагаемой формуле полезной модели.