Способ обмена информацией между модулями системы безопасности грузоподъемной машины и устройство для его осуществления
METHOD FOR INFORMATION EXCHANGE BETWEEN THE MODULES OF THE SECURITY SYSTEM OF THE HOISTING MACHINE AND THE DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в системах контроля, защиты и управления (безопасности) грузоподъемных кранов с телескопической, решетчатой или коленчатой стрелой, кранов мостового, козлового и портального типа, кранов-трубоукладчиков, автогидроподъемников (автовышек), пожарных подъемно-спасательных автомобилей (пожарных автолестниц, автоподъемников) и других грузоподъемных машин, содержащих механизм подъема и грузонесущий (грузозахватный) орган.
Известен способ обмена информацией между модулями (блоками и датчиками) системы безопасности грузоподъемной машины (крана) путем одновременного формирования N аналоговых и М дискретных сигналов, содержащих информацию о режимах работы машины, и Q дискретных сигналов управления (блокирования, отключения) ее исполнительных механизмов, а также одновременной параллельной передачи и одновременного приема этих M+N+Q сигналов в отдельных модулях (составных частях) системы безопасности.
Устройство для осуществления известного способа - система безопасности грузоподъемной машины, содержит электронный блок с элементами индикации и органами управления, к которому по радиальной схеме (при помощи отдельных проводов) подключены N аналоговых датчиков (датчик угла наклона стрелы, датчик азимута, датчик длины стрелы и т.д.), М дискретных датчиков (концевые выключатели предельного подъема грузозахватного органа, барабана лебедки и т.д.), и исполнительный блок, подключенный к электронному блоку Q с помощью отдельных проводов (RU 7097 U1, 16.07.1998; RU 2011632 С1, 1994).
Электронный блок осуществляет одновременный прием информации от N аналоговых и М дискретных датчиков, вычисляет уровень загрузки грузоподъемной машины и, в зависимости от этого уровня и положения стрелового оборудования, одновременно с приемом информации от датчиков формирует Q выходных сигналов, которые через исполнительный блок осуществляют блокирование управления исполнительными механизмами грузоподъемной машины, обеспечивая ее защиту от перегрузки и повреждения.
Одновременный параллельный обмен информацией между модулями (блоками и датчиками) системы безопасности грузоподъемной машины обеспечивает высокую скорость передачи информации. Однако подключение каждого датчика и каждого сигнала исполнительного блока к электронному блоку с помощью отдельных проводов приводит к наличию большого количества электрических соединений и жгутов на грузоподъемной машине и к соответствующему снижению надежности и увеличению трудоемкости монтажа системы безопасности.
Известен также способ повышения безопасности и система безопасности стрелового грузоподъемного крана с реализацией обмена информацией между ее составными частями (модулями) путем распределения сообщений между этими модулями на основе CAN протокола (RU 2700312 С1, 16.09.2019). Этот способ реализован в компьютерной системе безопасности Liccon кранов серии LTM фирмы Liebherr, построенной с использованием кабелей-шин CAN-Bus (Успех благодаря применению новых идей в краностроении. Проспект фирмы Liebherr-Werk Ehingen Gmbh, Postfach 1361, 1999).
CAN (controller area networks) - это асинхронная последовательная шина с открытой структурой и эквивалентными (с точки зрения приема/передачи информации) модулями (узлами), осуществляющими прием/передачу данных и имеющими логику, обслуживающую ошибки. Физически кабели-шины CAN представляет цепи питания и двухпроводную линию обмена данными (линии К, L).
Применение двухпроводной линии обмена информацией между модулями системы безопасности грузоподъемной машины (линий К, L) вместо множества отдельных проводов позволяет значительно уменьшить количество этих проводов при одновременном повышении надежности и упрощении диагностики системы безопасности и грузоподъемной машины в целом.
Однако одной из наиболее значимых особенностей протокола CAN являются сложные механизмы обнаружения и ограничения ошибок, что приводит к усложнению системы безопасности. По этой причине протокол CAN не нашел широкого применения в системах безопасности грузоподъемных машин и используется преимущественно на тяжелых машинах, где сложность и стоимость системы безопасности не имеет принципиального значения.
Кроме того, известен способ обмена информацией между модулями системы безопасности грузоподъемной машины по однопроводной линии связи. В нем осуществляется измерение рабочих параметров грузоподъемной машины и положения ее грузоподъемного оборудования, преобразование измеренных величин в цифровые сигналы, формирование цифровых сигналов управления механизмами машины, преобразование цифровых измерительных и управляющих сигналов в последовательный код и их двунаправленная передача по однопроводной мультиплексной линии связи с добавлением адреса модуля.
Устройство для его осуществления содержит модули (контроллеры), расположенные на невыдвигаемой и выдвигаемой секциях (на концевой части) стрелы, соединенные между собой через кабельный барабан и содержащие информационно-управляющие блоки, блоки приема и передачи последовательных цифровых сигналов, а также блоки сопряжения этих сигналов с однопроводной мультиплексной линией связи, выполненные в виде универсальных асинхронных приемопередатчиков (RU 2232709 С2, 20.07.2004).
Обмен информацией по одному проводу, по сравнению с применением многопроводных и двухпроводных линий связи, позволяет уменьшить количество проводов и получить более высокую надежность системы безопасности без применения сложных модулей, построенных на основе протокола CAN.
Однако наличие отдельных проводных линий для передачи информации по-прежнему ухудшает технические характеристики системы безопасности.
Этот недостаток является существенным при передаче информации (данных) между модулем, размещенным вблизи грузонесущего (грузозахватного) органа грузоподъемной машины, например, на концевой части (оголовке) стрелы грузоподъемного крана, и другими модулями этой системы. Обусловлено это тем, что такая передача осуществляется, как правило, с помощью кабельного барабана, техническая реализация которого усложняется по мере увеличения длины кабеля и количества проводов в нем. Это приводит к уменьшению максимально возможного удаления грузонесущего (грузозахватного) органа от других модулей системы безопасности (в частности, к ограничению максимально возможного выдвижения стрелы) из-за невозможности технической реализации многопроводного кабельного барабана с большой длиной кабеля (из-за провисания кабеля, увеличения разрывного усилия в кабеле, сложности реализации его натяжения).
Этот недостаток устранен в способе обмена информацией между модулями системы безопасности грузоподъемной машины, который является наиболее близким к предложенному. Он заключается в измерении рабочих параметров грузоподъемной машины (в частности, грузоподъемного крана) и положения ее грузоподъемного оборудования, преобразовании измеряемых величин в цифровые сигналы с последовательным кодом, их преобразовании в радиосигнал, передаче радиосигнала в направлении пункта приема, а также приема и последующего преобразования радиосигнала в измерительные и (или) управляющие сигналы (RU 2251524 С2, 10.05.2005; RU 196670 U1, 11.03.2020; JP 2000086156 А1, 28.03.2000; US 3969714 А, 13.07.1976).
Устройство для осуществления этого способа, которое также является наиболее близким к предложенному, содержит модули (электронные блоки, датчики) системы безопасности грузоподъемной машины, в том числе составные части, расположенные вблизи грузонесущего (грузозахватного) органа (например, на стреле грузоподъемного крана), содержащие информационно-измерительные и (или) информационно-управляющие блоки, соединенные с блоками формирования и (или) приема последовательных цифровых сигналов, а также передатчики и приемники радиосигнала, входы и выходы которых соединены соответственно с выходами блоков формирования и с входами блоков приема последовательных цифровых сигналов (RU 2251524 С2, 10.05.2005; RU 196670 U1, 11.03.2020; JP 2000086156 А1, 28.03.2000; US 3969714 А, 13.07.1976).
Реализация беспроводного способа обмена информацией позволяет реализовать систему безопасности грузоподъемной машины с минимально возможным количеством соединительных проводов между ее модулями.
Однако беспроводная линия связи не обеспечивает надежную передачу данных при работе грузоподъемной машины на промышленных объектах - в непосредственной близости от мощных двигателей, сварочных агрегатов, линий электропередач, коммутирующей аппаратуры, электроплавильных печей и других источников сильного электромагнитного излучения, а также в условиях воздействия внешних радиопомех от передатчиков сети сотовой связи, радиовещания, телевидения и наземной радиосвязи.
Поскольку максимальная мощность передатчика нормативно ограничена, ослабление сигнала на входе радиоприемника, обусловленное увеличением расстояния между модулями системы безопасности, невозможно скомпенсировать путем увеличения этой мощности. Поэтому применение беспроводной связи приводит к ограничению максимального расстояния между модулями системы безопасности ввиду ухудшения соотношения сигнал/шум (сигнал/помеха) принимаемого сигнала и нарушения передачи данных. К сокращению этого расстояния приводит также экранирование антенн приемопередатчиков металлическими конструкциями грузоподъемной машины из-за невозможности обеспечить прямую видимость между ними.
Соответственно, недостатком известного способа и устройства для его осуществления является наличие ограничений на максимально возможное перемещение (удаление) грузонесущего (грузозахватного) органа с связанным с ним (размещенным на нем или наиболее приближенном к нему) модулем, относительно другого модуля системы безопасности, размещенного на неподвижной составной части грузоподъемной машины, с которым осуществляется обмен информацией. Например, ограничение максимально возможного выдвижения телескопической стрелы с модулем, установленным на ее концевой части (оголовке), по отношению к модулю, размещенному на неподвижной (невыдвигаемой) секции стрелы, на которой размещен модуль с кабельным барабаном. Другой пример - ограничение максимально возможного перемещения грузовой тележки по стреле башенного крана или по подвижной стальной конструкции мостового крана из-за нарушения устойчивости радиосвязи при увеличении расстояния между модулями, расположенными на грузовой тележке и на стреле или мосту крана.
Из анализа аналогов и прототипа следует, что в предшествующем уровне техники не решена техническая проблема создания способа и устройства обмена информацией между модулями системы безопасности грузоподъемной машины, которые не устанавливали бы ограничений на максимальное расстояние перемещения грузонесущего (грузозахватного) органа грузоподъемной машины со связанным с ним модулем системы безопасности, относительно неподвижной составной части грузоподъемной машины с расположенным на нем другим модулем системы безопасности. Задачей настоящего изобретения является создание такого способа обмена информации и устройства для его осуществления.
Техническим результатом предложенного изобретения является исключение ограничений на максимально возможное перемещение грузонесущего (грузозахватного) органа грузоподъемной машины со стороны ее системы безопасности, т.е. исключение влияния системы безопасности на диапазон возможных перемещений грузонесущего (грузозахватного) органа, при одновременном обеспечении минимального числа соединительных проводов между модулями (составными частями) системы безопасности и исключения ограничений на расположение этих модулей на грузоподъемной машине.
В предложенном способе обмена информацией между модулями системы безопасности грузоподъемной машины, полученной путем формирования сигналов управления грузоподъемной машиной и (или) измерения ее рабочих параметров, заключающемся в осуществлении последовательной передачи информации между этими модулями с использованием высокочастотного сигнала, решение поставленной технической задачи достигается тем, что электрическое питание модуля системы безопасности, приближенного к грузонесущему (грузозахватному) органу грузоподъемной машины, осуществляют по проводам, причем эти провода дополнительно используют в качестве линии связи при указанном обмене информацией между этим модулем и по меньшей мере одним другим модулем системы безопасности.
В частных вариантах реализации этого способа обмена информацией указанный технический результат достигается также благодаря тому, что:
- питание модуля и обмен информацией между модулями осуществляется по одному проводу с использованием в качестве второго провода металлических конструкций (массы) грузоподъемной машины;
- применяется экранирование провода питания, по которому осуществляется обмен информацией между модулями, с использованием экрана в качестве второго провода;
- обеспечивается повышение электрического импеданса источника питания системы безопасности в точке его подключения к этой системе, снижающее шунтирование высокочастотного сигнала в проводах источником питания;
- при приеме и передаче высокочастотных сигналов применяется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты;
- с помощью модуля, приближенного к грузонесущему (грузозахватному) органу грузоподъемной машины, осуществляется измерение нагрузки на грузонесущем (грузозахватном) органе и (или) положения этого органа;
- передача напряжения питания на модуль, размещенный на подвижной составной части грузоподъемной машины и приближенный к ее грузонесущему (грузозахватному) органу, и обмен информации с этим модулем, осуществляются через кабельный барабан;
- форма и расположение на грузоподъемной машине отдельного участка провода, по которому осуществляется обмен информацией между модулями, выбраны из условия реализации антенны, используемой для беспроводного обмена информацией между системой безопасности и пультом дистанционного управления грузоподъемной машиной.
В устройстве для осуществления предложенного способа обмена информацией между модулями системы безопасности, один из которых размещен на грузоподъемной машине и приближен к ее грузонесущему (грузозахватному) органу, подключен к проводам питания и содержит микроконтроллер, оснащенный последовательным интерфейсом и приспособленный для приема и (или) обработки информации о рабочих параметрах и (или) сигналах управления механизмами грузоподъемной машины, а также приемопередатчик (трансивер) высокочастотного сигнала, соединенный с выводами последовательного интерфейса микроконтроллера или встроенный в микроконтроллер, поставленная техническая задача решается благодаря тому, что по меньшей мере два модуля системы безопасности грузоподъемной машины, между которыми осуществляется обмен информацией, дополнительно содержат устройства соединения и согласования высокочастотных входов и выходов их приемопередатчиков (трансиверов) с проводами питания этих модулей.
В частных случаях реализации предложенного устройства указанный технический результат достигается благодаря тому, что:
- провод питания по меньшей мере одного модуля, совмещенный с линией обмена информацией, выполнен в виде экранированного провода или коаксиального кабеля, оплетка которого используется в качестве общего (земляного) провода питания;
- передача энергии питания и обмен информацией между модулями осуществляется по одному проводу, соединяющему модули, и по металлическим конструкциям (массе) грузоподъемной машины;
- между источником питания системы безопасности и входом питания этой системы дополнительно установлен заграждающий или полосно-заграждающий фильтр, снижающий влияние импеданса источника питания на уровень высокочастотного сигнала в проводах, соединяющих модули;
- модуль, приближенный к грузонесущему (грузозахватному) органу грузоподъемной машины и размещенный, в частности, на этом органе, или на грузовой тележке башенного, мостового или козлового крана, или на концевой части (оголовке) стрелы стрелового крана, обеспечивает измерение нагрузки на грузонесущем (грузозахватном) органе, положения этого органа (в частности, предельно допустимого подъема грузозахватного органа), приближения к линии электропередачи, а также управление габаритным фонарем и (или) фарой рабочего освещения грузоподъемной машины, причем для подачи напряжения питания на этот модуль используется кабельный барабан;
- по меньшей мере один модуль системы безопасности оснащен антенной, подключенной к ее трансиверу, или часть провода, использующегося для передачи напряжения питания и обмена информацией между модулями, образует антенну в форме рамки или петлевого вибратора и при этом микроконтроллер, трансивер и антенна используются для обмена информацией с пультом дистанционного радиоуправления грузоподъемной машиной.
Наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявленного изобретения и достигаемым техническим результатом можно пояснить следующим образом.
Известно, что по меньшей мере она составная часть (модуль) системы безопасности грузоподъемной машины устанавливается на ее подвижной части - на концевой части (оголовке) стрелы грузоподъемного крана, в люльке автогидроподъемника, на грузовой тележке крана мостового или козлового типа и т.д. Необходимость такой установки обусловлена тем, что этот модуль должен быть максимально приближен к грузонесущему (грузозахватному) органу грузоподъемной машины, поскольку обеспечивает измерение нагрузки на этот орган и (или) его положения. Необходимость приближения модуля к грузонесущему (грузозахватному) органу может быть также вызвана необходимостью управления фарой рабочего освещения производственной площадки около грузонесущего (грузозахватного) органа, управления габаритным фонарем, контроля приближения к линии электропередачи (ЛЭП) той подвижной части грузоподъемной машины, к которой прикреплен грузонесущий (грузозахватный) орган, его грузовой канат или полиспаст.
Автономное (батарейное) питание такого модуля возможно лишь для микромощных модулей-датчиков, которые на грузоподъемных машинах практически не применяются. Например, модуль, устанавливаемый на концевой части (оголовке) стрелы грузоподъемного крана с телескопической стрелой, кроме контроля верхнего положения грузонесущего (грузозахватного) органа, осуществляет контроль приближения к линии электропередачи (ЛЭП), а также включение габаритного фонаря и фары. Это исключает возможность автономного питания этого модуля. Аналогичным образом к модулю, расположенному на грузовой тележке мостового или башенного крана, в люльке автогидроподьемника и т.д., имеющему достаточно большое энергопотребление, необходимо подключение проводов электрического питания. Поэтому подача напряжения питания на модуль, расположенный на подвижной составной части грузоподъемной машины, связанной с его грузонесущим (грузозахватным) органом, осуществляется, как правило, с помощью кабельного барабана, причем независимо от способа обмена информацией с этим модулем.
Одновременно кабельный барабан, соединяющий подвижную и неподвижную части грузоподъемной машины (например, выдвигаемую и невыдвигаемую секции телескопической стрелы), в системах безопасности грузоподъемных машин используется для измерения величины перемещения подвижной части грузоподъемной машины и, соответственно, величины вылета грузонесущего (грузозахватного) органа. При увеличении перемещения происходит сматывание кабеля с барабана и соответствующее вращение барабана. По результатам измерения угла поворота и числа оборотов кабельного барабана определяется перемещение подвижной части грузоподъемной машины, например, длина стрелы. Для получения необходимой точности измерений необходимо исключить провисание кабеля. С этой целью кабельный барабан снабжается пружиной часового типа, обеспечивающей необходимое усилие подмотки (натяжения) кабеля. При увеличении числа проводов в кабеле и величины измеряемого перемещения происходит значительное увеличение сложности технической реализации кабельного барабана. Кабельный барабан с многожильным кабелем свыше определенной длины технически не реализуем из-за ограниченных возможностей подматывающей пружины, провисания кабеля и увеличения разрывного усилия в нем.
Уменьшение числа жил (проводов) в кабеле приводит к уменьшению веса кабеля и к соответствующему уменьшению требуемого усилия подмотки и провисания кабеля. Поэтому при уменьшении числа проводов в кабеле кабельный барабан может работать с большей длиной кабеля. Соответственно, снижаются ограничения на максимально возможное перемещение грузонесущего (грузозахватного) органа грузоподъемной машины со стороны ее системы безопасности, т.е. снижается влияния системы безопасности грузоподъемной машины на диапазон возможных перемещений ее грузонесущего (грузозахватного) органа.
Поскольку исключить применение проводов питания невозможно, в предложенном изобретении, с целью достижения указанного технического результата, используется минимально возможное количество проводов и жил в кабельном барабане - применяется двухпроводная (или однопроводная в случае использовании металлических конструкций («массы) машины в качестве второго провода) схема соединений модулей системы безопасности.
Реализация отличительных признаков изобретения, согласно которым информация между модулями системы безопасности осуществляется по проводам питания, позволяющая минимизировать число проводов в кабельном барабане, обеспечивает минимизацию влияния ограничений на максимально возможное перемещение грузонесущего (грузозахватного) органа грузоподъемной машины со стороны кабельного барабана.
С другой стороны, реализация этих признаков, по сравнению с беспроводной передачей данных по радиоканалу, обеспечивает увеличение расстояния, на которое может быть передана эта информация. Обусловлено это значительно меньшим воздействием электрических помех на передачу информации по проводным линиям связи по сравнению с беспроводной передачей.
Благодаря этому одновременно достигается исключение ограничений на максимально возможное перемещение или диапазон возможные перемещений грузонесущего (грузозахватного) органа со стороны системы безопасности в части передачи информации между ее модулями. Это достигается за счет того, что максимально возможное перемещение грузонесущего (грузозахватного) из условия обеспечения устойчивой передачи информации между модулями становится не меньше того расстояния, которое ограничено возможностями реализации кабельного барабана.
К этому же техническому результату приводит реализация отличительных признаков зависимых пунктов формулы изобретения, согласно которым осуществляется согласование импедансов входов/выходов приемопередатчика и проводами (линией) питания модулей; экранирование провода питания (использование коаксиального кабеля); установка заграждающего или полосно-заграждающего фильтра между источником питания системы безопасности и входом питания этой системы; расширение функций, реализуемых модулем, приближенным к грузонесущему (грузозахватному) органу (с соответствующим сокращением количества модулей и объема передаваемой информации между ними). Реализация этих признаков обеспечивает улучшение соотношение сигнал/помеха (сигнал/шум) на входах приемников трансиверов и увеличение дальности и надежности передачи информации между модулями, что находится в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом.
Реализация отличительного признака зависимого пункта формулы изобретения, согласно которому к модулю подключается внешняя антенна или эта антенна реализуется путем придания специальной конфигурации проводу, используемому для передачи напряжения питания и обмена информацией между модулями, позволяет осуществить обмен информацией с пультом дистанционного радиоуправления грузоподъемной машиной, приводит к достижение указанного технического результата за счет обеспечения возможности использования пульта дистанционного управления в качестве ретранслятора в случае нарушения прямой передачи информации между модулями системы безопасности.
Модули, в которых реализованы отличительные признаки изобретения, могут быть размещены в любых точках грузоподъемной машины, в том числе внутри ее металлических конструкций, поскольку информация передается по проводам питания без применения антенн и их расположение из условия обеспечения надежной передачи сигналов (в пределах прямой видимости) не требуется.
Таким образом, благодаря реализации отличительных признаков независимых и зависимых пунктов формулы изобретения, достигается исключение ограничений на максимально возможное перемещение (на диапазон возможных перемещений) грузонесущего (грузозахватного) органа грузоподъемной машины со стороны ее системы безопасности при одновременном обеспечении минимального числа соединительных проводов между ее модулями и исключения ограничений на расположение этих модулей на грузоподъемной машине.
На чертеже в качестве примера представлена функциональная схема системы безопасности грузоподъемной машины, в которой реализован предложенный способ обмена информацией между ее модулями.
Грузоподъемная машина, оснащенная предложенной системой безопасности и предназначенная для подъема и перемещения груза и (или) людей, может быть стационарной, самоходной или передвижной, прерывного или непрерывного действия, с электроприводом или с приводом от двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Она выполнена, в частности, в виде грузоподъемного крана с телескопической, решетчатой или коленчатой стрелой, крана мостового или козлового типа, крана-трубоукладчика, автогидроподъемника (автовышки), пожарного подъемно-спасательного автомобиля (пожарной автолестницы, автоподъемника) и т.д. Основными составными частями этой машины являются остов, механизм подъема и грузонесущий (грузозахватный) орган, который для подъема и опускания людей выполнен в виде люльки, клети или кабины, штучных грузов - в виде крюка или захвата, а сыпучих грузов - в виде бадьи, ковша, грейфера и т.п.
Система безопасности грузоподъемной машины может именоваться также системой контроля, защиты и управления, системой электрооборудования, комплексом автоматики, прибором безопасности, ограничителем момента, ограничителем нагрузки, системой предотвращения перегрузки, устройством защиты от столкновений, системой координатной защиты и т.д.
Ее составными частями являются модули, имеющие различное конструктивное исполнение и функциональное назначение. Каждый модуль может именоваться также контроллером, электронным блоком, датчиком, органом управления, панелью приборов, панелью оператора, устройством сигнализации, устройством приема и обработки сигналов, блоком входов и выходов, силовым шкафом, устройством коммутации, исполнительным устройством и т.п.
Количество модулей в составе системы безопасности зависит от конструкции и функционального назначения грузоподъемной машины, а также от характера груза, условий работы и требований безопасности, и может быть любым.
На чертеже условно показана система, содержащая четыре модуля 1, 2, 3, 4.
Модули реализованы преимущественно на основе микроконтроллеров 5 и содержат источник вторичного электропитания 6, выполненный в виде линейного или импульсного стабилизатора напряжения, и интерфейсные устройства. К ним относятся усилители мощности (электронные или электромеханические силовые ключи) 7, формирующие выходные сигналы, поступающие на различные нагрузки Zн грузоподъемной машины, в том числе на исполнительные механизмы ее приводов (распределители и клапаны электрогидравлической системы, электродвигатели), световые и звуковые сигнализаторы (например, габаритные фонари, звуковой сигнал), устройства обеспечения микроклимата в кабине, фары рабочего освещения, устройства управления ДВС и т.д.
Выходы усилителя мощности 7 могут быть как дискретными (замыкание цепей на плюс или минус источника питания), так и аналоговыми. Например, для пропорционального управления электрогидравлическими распределителями.
Выходные сигналы аналоговых As и дискретных Ds датчиков системы безопасности поступают на микроконтроллер 5 через измерительную часть 8 модуля. К ним относятся, в частности, датчики рабочих параметров грузоподъемной машины - нагрузки (усилия) в грузовом или стреловом канате, давления в гидравлической системе, длины и угла наклона стрелы или ее отдельных колен, угла азимута, приближения к линии электропередачи (ЛЭП), положения отдельных узлов и механизмов грузоподъемной машины и органов ее управления, например, концевые выключатели верхнего положения грузозахватного органа, положения грузовой тележки, противовеса, опор и т.д.
Датчики могут рассматриваться как отдельные модули системы безопасности. Они могут также входить в состав модулей различного функционального назначения и составлять их неотъемлемую часть. Например, датчики температуры, датчики положения относительно гравитационной вертикали (акселерометры), датчик напряжения в бортовой сети и т.д.
Преобразование аналоговых сигналов в цифровые может осуществляться в измерительной части 8 модуля, либо с помощью аналого-цифрового преобразователя, встроенного в микроконтроллер 5.
К каждому модулю может быть подключено различное количество датчиков As, Ds и нагрузок Zн, на которые поступают сигналы управления грузоподъемной машиной. Под этими сигналами подразумеваются аналоговые или дискретные сигналы управления различными устройствами грузоподъемной машины, в том числе исполнительными устройствами, сформированные оператором с помощью органов управления и (или) микроконтроллером 5.
По меньшей мере два модуля системы безопасности, например, модули 1, 2 содержат приемопередатчики (трансиверы) высокочастотного сигнала 9, соединенные с выводами последовательного интерфейса микроконтроллеров 5 или встроенные в эти микроконтроллеры.
При приеме и передаче высокочастотных сигналов, с целью достижения устойчивого обмена информацией между модулями в условиях воздействия широкополосных помех, может применяться метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS).
Высокочастотные входы и выходы приемопередатчиков через устройства согласования 10 соединены с проводами питания 11 модулей.
Согласующее устройство 10 обеспечивает трансформацию входного сопротивления (импеданса) проводов питания 11, использующихся в качестве двухпроводной линии передачи высокочастотного сигнала, в активное входное/выходное сопротивление приемопередатчика 9, например, 50 Ом. Согласующее устройство содержит также по меньшей мере один дроссель 12, предотвращающий шунтирование высокочастотного сигнала в проводах питания 11 входным конденсатором 13 источника вторичного электропитания 6.
Если необходима реализация дистанционного управления грузоподъемной машиной, то к приемопередатчику 9 любого модуля может быть подключена антенна, обеспечивающая радиосвязь с пультом дистанционного управления. Возможна также реализация антенны с использованием части провода 11 путем придания этому участку провода формы рамки или петлевого вибратора.
Модуль 2 может иметь конструкцию, аналогичную конструкции модуля 1. Возможна также реализация модуля 2 в виде главного (ведущего) контроллера в системе безопасности, либо в виде контроллера, к которому подключается основная часть нагрузок системы безопасности Zн.
Передача информации между модулями может осуществляться не только по проводам питания. Возможно применение интерфейсов LIN, CAN и т.п. и прямое соединение модулей отдельными проводами, как это показано на чертеже.
Модуль 4 выполнен в виде панели оператора и содержит элементы индикации, например, графический дисплей и светодиодные индикаторы, и органы управления этой панелью и грузоподъемной машиной.
Система безопасности может содержать также множество других ее составных частей (модулей) - контроллер управления ДВС, джойстики, педали и т.д., которые на чертеже условно не показаны.
Напряжение питания на модуль системы безопасности, который расположен на подвижной части грузоподъемной машины и (или) приближен к ее грузонесущему (грузозахватному) органу, может подаваться через кабельный барабан 14, гибкий кабель или троллейный токоподвод.
Модуль системы безопасности, указанный в формуле изобретения как приближенный к грузонесущему (грузозахватному) органу грузоподъемной машины, размещен не обязательно в непосредственной близости от грузонесущего (грузозахватного) органа или на этом органе. Этот модуль может быть размещен, например, на верхней или концевой части (оголовке) стрелы грузоподъемного крана стрелового типа, а также на грузовой тележке мостового или башенного крана. В этом случае приближение модуля к грузонесущему (грузозахватному) будет происходить лишь в отдельные периоды времени, например, при максимальном подъеме грузонесущего (грузозахватного) органа.
К модулю системы безопасности, приближенному к грузонесущему (грузозахватному) органу грузоподъемной машины, относится также модуль, осуществляющий измерение нагрузки на грузонесущем (грузозахватном) органе, и (или) положения этого органа, и (или) положения (наклона) грузовых канатов. Обусловлено это тем, что место размещения на грузоподъемной машине модуля, реализующего эти функции, выбирается из условия его максимального приближения к грузонесущему (грузозахватному) органу, насколько это конструктивно возможно. К таким модулям относятся, например, модуль, подключенный к датчику нагрузки люльки автогидроподъемника, к датчику усилия в оси блока грузового полиспаста, к датчику верхнего положения грузонесущего (грузозахватного) органа и т.д. На стреловом грузоподъемном кране этот модуль может осуществлять также контроль опасного приближения стрелы к ЛЭП и управление габаритным фонарем и фарой рабочего освещения крана.
Электрическое питание модулей и обмен информацией между ними может осуществляться как по двум, так и по одному проводу. В последнем случае в качестве второго провода используются металлические конструкции (масса) грузоподъемной машины, а кабельный барабан 14 выполняется однопроводным.
Возможно также применение экранированного провода или коаксиального кабеля. В этом случае напряжение питания и информации передаются по проводу 11 или по внутренней жиле коаксиального кабеля и по экрану провода (кабеля).
Источник питания системы безопасности, выполненный в виде генератора с регулятором напряжения и аккумуляторной батареей или преобразователя напряжения AC/DC (например, ~380 V/-24 V), имеет низкое внутреннее сопротивление. Для предотвращения снижения уровня высокочастотного сигнала в совмещенных проводах питания и обмена информацией за счет шунтирования этого сигнала внутренним сопротивлением источника питания, между выходом этого источника Vcc и входом питания системы безопасности может быть установлен заграждающий или полосно-заграждающий фильтр 15, выполненный, например, в виде дросселя.
Поясним суть предложенного способа на примере работы реализующего его устройства.
Оператор грузоподъемной машины с помощью органов управления грузоподъемной машиной и панели оператора DPY (модуля 4) осуществляет запуск ДВС и формирует сигналы управления подъемом и перемещением грузонесущего (грузозахватного) органа.
С помощью датчиков (модулей), осуществляется измерение рабочих параметров грузоподъемной машины, в том числе нагрузки на грузонесущем (грузозахватном) органе, положения этого органа и других подвижных составных частей грузоподъемной машины, параметров работы ДВС и т.д.
Сигналы аналоговых As и дискретных Ds датчиков и сигналы управления грузоподъемной машиной через измерительные части 8 модулей 1-4 поступают на их микроконтроллеры 5.
Микроконтроллеры 5 работают по программам, предварительно записанным в их энергонезависимой памяти и осуществляют сравнение измеренной текущей величины нагрузки на грузонесущем (грузозахватном) органе с его максимально допустимой величиной при данном пространственном положении этого органа, предварительно записанной в памяти микроконтроллера в виде числового значения, таблицы грузовых характеристик или формулы для вычисления предельно допустимой величины.
Если в системе безопасности предусмотрена реализация защиты от столкновений (координатная защита), микроконтроллер 5 контролирует нахождение грузонесущего (грузозахватного) органа в пределах допустимого диапазона его перемещений, введенного оператором с панели оператора 4 при задании параметров координатной защиты.
Если предельно допустимые величины нагрузок и перемещений грузонесущего (грузозахватного) органа не превышены, микроконтроллер 5 через усилители мощности (силовые ключи) 7 формирует аналоговые или дискретные сигналы управления Zн исполнительными механизмами крана - электрогидравлическими распределителями, электродвигателями и т.д. Благодаря этому осуществляется перемещение грузонесущего (грузозахватного) органа в том направлении и с той скоростью, которые заданы оператором.
В случае превышения этих предельно допустимых величин, микроконтроллер 5 через усилители мощности (силовые ключи) 7 формирует сигналы остановки исполнительных механизмов (приводов) грузоподъемной машины, благодаря чему осуществляется защита грузоподъемной машины от перегрузки и защита грузонесущего (грузозахватного) органа или иной подвижной части грузоподъемной машины (ее стрелы, грузовой тележки и т.д.) от столкновений с различными препятствиями.
Аналогичным образом осуществляется защита от превышения других предельно допустимых рабочих параметров грузоподъемной машины и ее составных частей. Например, защита от превышения предельно допустимой температуры масла в гидравлической системе приводов перемещения грузонесущего (грузозахватного) органа или в системе смазки ДВС, температуры охлаждающей жидкости ДВС и т.д.
Реализацию функции системы безопасности осуществляет группа модулей. Микроконтроллер 5 каждого модуля в процессе реализации программы своей работы с помощью приемопередатчиков (трансиверов) 9 принимает информацию от других модулей, использует ее в своей работе, а также передает информацию другим модулям по проводам питания 11.
Для этого используются интерфейс последовательной передачи микроконтроллера 5, например, UART, высокочастотный трансивер (приемопередатчик), работающий, например, по протоколу Bluetooth (IEEE Standard 802.15.1), и устройство согласования 10 импедансов трансивера и проводов питания (совмещенной линии питания и связи) 11.
В приемопередатчиках предпочтительно применение метода расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) с коррекцией ошибок, что обеспечивает устойчивость к импульсным и широкополосным помехам. Безопасность обеспечивается шифрованием передаваемой информации, например 128-битным AES.
Поскольку последовательность переключения частот для каждого соединения между двумя модулями является псевдослучайной и известна только их передатчику и приемнику, которые синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую, на одну совмещенную линию передачи питания и информации 11 одновременно могут работать несколько трансиверов 9, не мешая друг другу. Поэтому обмен информацией между двумя модулями осуществляется последовательно, а несколько пар модулей по одним проводам 11 могут обмениваться информацией между собой одновременно.
В системе безопасности грузоподъемной машины предназначенной для работы в условиях особо высокого уровня внешних помех, может использоваться экранирование совмещенного провода передачи питания и информации 11.
Если необходимо дистанционное управление грузоподъемной машиной, то любой из модулей может быть дополнительно оснащен внешней антенной, соединенной с приемопередатчиком 9. Возможна также реализация антенны путем придания отдельному неэкранированному участку провода 11 формы петли.
В итоге, обмен информацией между модулями по проводам питания, по сравнению с передачей по беспроводному радиоканалу, обеспечивает устойчивую передачу на значительно большее расстояние. Это позволяет исключить влияние системы безопасности грузоподъемной машины на диапазон возможных перемещений ее грузонесущего (грузозахватного) органа без увеличения числа соединительных проводов между модулями (составными частями) системы безопасности, и, соответственно, обеспечить возможность реализации систем безопасности для грузоподъемных машин с повышенным диапазоном перемещения грузонесущего (грузозахватного) органа, в том числе грузоподъемных кранов с большой длиной телескопической стрелы.
Одновременно исключаются ограничения на расположение модулей системы безопасности на грузоподъемной машине, поскольку при передаче информации по проводам питания, в отличие от передачи по радиоканалу, прямая видимость между модулями не требуется.
Для специалистов в данной области техники также понятно, что кроме описанных вариантов системы безопасности грузоподъемной машины с предложенным способом передачи информации между ее модулями, возможны также иные варианты ее реализации на основе признаков, изложенных в формуле изобретения.