ОГРАНИЧИТЕЛЬ НАГРУЗКИ МОСТОВОГО ИЛИ КОЗЛОВОГО КРАНА (ЕГО ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к подъемно-транспортному машиностроению и может быть использована в системах защиты от перегрузок мостовых и козловых грузоподъемных кранов.
Из полезной модели RU 41460 U1, B 66 C 23/90, 27.10.2004 г. известен ограничитель грузоподъемности электрического крана, содержащий цифровой вычислительный блок, входы которого подключены к выходам датчика тока и датчика частоты вращения вала приводного электродвигателя механизма подъема груза, а выход электронного блока подключен к схеме управления этим электродвигателем.
В данном ограничителе нагрузка грузоподъемного крана определяется путем вычисления крутящего момента электродвигателя привода механизма подъема груза. Это проводит к снижению эффективности защиты грузоподъемного крана от перегрузки ввиду невысокой точности определения нагрузки, вызванной непостоянными по величине потерями в редукторе привода грузового барабана, нагревом электродвигателя, несинусоидальностью питающего напряжения и т.д.
Наиболее близким к предложенному является ограничитель нагрузки мостовых кранов, описанный в авторском свидетельстве SU 440330, B 66 C 23/88, 25.08.1974 г. Этот ограничитель содержит устройство формирования сигнала перегрузки и датчик нагрузки, выполненный в виде тензометрического первичного преобразователя, закрепленного на силоизмерительном элементе, размещенном под корпусом опоры вала грузового барабана, и усилительно-преобразовательного устройства, а устройство формирования сигнала перегрузки выполнено в виде фазочувствительного транзисторного
ключа с релейным выходным устройством и визуального индикатора нагрузки крана.
Недостатком этого ограничителя являются ограниченные функциональные возможности, поскольку в нем не обеспечивается защита от перегрузки механизмов вспомогательного подъема груза, отсутствует регистрация (запоминание) рабочих параметров крана, при реализации защиты не учитываются ограничения по максимально-допустимой скорости ветра, не обеспечивается диагностика исправности всех составных частей ограничителя а также отсутствует нормирование (термокомпенсация, лианеризация и калибровка коэффициента передачи) выходных сигналов датчиков, что приводит к нарушению взаимозаменяемости датчиков и затрудняет ремонт ограничителя.
Другим недостатком известного ограничителя является невысокая помехоустойчивость и, соответственно, низкая надежность ограничения нагрузки, вызванная тем, что сигнал с датчика нагрузки передается по грузоподъемному крану в аналоговой форме. Известно, что такие сигналы, особенно на мостовых и козловых кранах, имеющих электрические приводы всех механизмов, подвержены искажениям из-за электрических помех и наводок от силовых электроприводов на сигнальные линии связи между датчиками и электронным блоком.
Основным техническим результатом, на получение которого направлена заявленная полезная модель, является расширение функциональных возможностей ограничителя нагрузки путем обеспечения защиты механизмов как основного, так и вспомогательного подъема груза, обеспечения дополнительной защиты по максимально-допустимой скорости ветра, реализации функций регистратора параметров, обеспечения нормирования выходных сигналов датчиков и обеспечения диагностики исправности всех составных частей ограничителя. Дополнительным техническим результатом является повышение помехоустойчивости ограничителя и, соответственно, надежности ограничения нагрузки грузоподъемного крана, путем перехода от аналогового
к цифровому обмену данными между составными частями ограничителя нагрузки.
Указанный как основной, так и дополнительный технический результат достигается за счет того, что в ограничителе нагрузки мостового или козлового крана, включающем в себя устройство формирования сигнала перегрузки и датчик нагрузки, который содержит первичный силоизмерительный преобразователь, выполненный с возможностью измерения усилия в механизме подъема груза, и усилительно-преобразовательное устройство, вход которого подключен к выходу первичного силоизмерительного преобразователя, причем устройство формирования сигнала перегрузки содержит индикатор и выходное устройство, по меньшей мере один выход которого подключен к системе управления краном, согласно первому варианту полезной модели, устройство формирования сигнала перегрузки дополнительно содержит цифровой вычислитель и подключенные к нему органы управления, входное устройство, запоминающее устройство, часы реального времени и устройство последовательного интерфейса, причем входы индикатора и выходного устройства подключены к цифровому вычислителю, по меньшей мере один вход входного устройства соединен с по меньшей мере одной цепью дискретных сигналов крана, а усилительно-преобразовательное устройство датчика нагрузки и устройство последовательного интерфейса устройства формирования сигнала перегрузки объединены при помощи мультиплексного канала обмена данными. При этом ограничитель может дополнительно содержать блок расширения входов/выходов, который включает в себя микроконтроллер и подключенные к нему входное устройство блока расширения, выходное устройство блока расширения и устройство последовательного интерфейса блока расширения, дополнительно соединенное с мультиплексным каналом обмена данными, причем по меньшей мере один выход выходного устройства блока расширения подключен к системе управления краном, а по меньшей мере один вход входного устройства блока расширения соединен с
по меньшей мере одной цепью дискретных сигналов системы управления крана.
Ограничитель может не содержать входное и выходное устройство в устройстве формирования сигнала перегрузки. В этом случае указанный технический результат достигается за счет того, что в ограничителе нагрузки мостового или козлового крана, включающем в себя устройство формирования сигнала перегрузки, содержащее индикатор, и датчик нагрузки, который содержит первичный силоизмерительный преобразователь, выполненный с возможностью измерения усилия в механизме подъема груза, и усилительно-преобразовательное устройство, вход которого подключен к выходу первичного силоизмерительного преобразователя, согласно второму варианту полезной модели, он дополнительно содержит блок расширения входов/выходов, который включает в себя микроконтроллер и подключенные к нему входное устройство блока расширения, выходное устройство блока расширения и устройство последовательного интерфейса блока расширения, а устройство формирования сигнала перегрузки дополнительно содержит цифровой вычислитель и подключенные к нему органы управления, запоминающее устройство, часы реального времени и устройство последовательного интерфейса, причем по меньшей мере один выход выходного устройства блока расширения подключен к системе управления краном, по меньшей мере один вход входного устройства блока расширения соединен с по меньшей мере одной цепью дискретных сигналов крана, при этом входы индикатора подключены к цифровому вычислителю, а усилительно-преобразовательное устройство датчика усилия, устройство последовательного интерфейса устройства формирования сигнала перегрузки и устройство последовательного интерфейса блока расширения объединены между собой при помощи мультиплексного канала обмена данными.
Кроме того, для достижения указанного технического результата, в любом варианте реализации полезной модели:
- усилительно-преобразовательное устройство датчика нагрузки может содержать усилитель, устройство последовательного интерфейса датчика нагрузки, микроконтроллер и аналого-цифровой преобразователь, соединенный с микроконтроллером, или микроконтроллер со встроенным аналого-цифровым преобразователем, причем в этом случае выход первичного силоизмерительного преобразователя соединен с входом усилителя, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, а микроконтроллер соединен с устройством последовательного интерфейса датчика нагрузки, вход/выход которого подключен к мультиплексному каналу обмена данными;
- ограничитель может дополнительно содержать датчик нагрузки механизма вспомогательного подъема груза, который подключен к мультиплексному каналу обмена данными и содержит первичный силоизмерительный преобразователь, выполненный с возможностью измерения усилия в механизме вспомогательного подъема груза, и усилительно-преобразовательное устройство, вход которого подключен к выходу первичного силоизмерительного преобразователя. При этом усилительно-преобразовательное устройство датчика нагрузки в механизме вспомогательного подъема груза содержит, в частности, усилитель, устройство последовательного интерфейса этого датчика нагрузки, микроконтроллер и аналого-цифровой преобразователь, соединенный с микроконтроллером, или микроконтроллер со встроенным аналого-цифровым преобразователем, причем выход первичного силоизмерительного преобразователя соединен с входом усилителя, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, а микроконтроллер соединен с устройством последовательного интерфейса этого датчика нагрузки, вход/выход которого подключен к мультиплексному каналу обмена данными;
- ограничитель может дополнительно содержать датчик скорости ветра, выход которого подключен к дополнительному входу цифрового вычислителя
или к дополнительному входу входного устройства блока расширения или устройства формирования сигнала перегрузки;
- первичный силоизмерительный преобразователь может быть выполнен с возможностью измерения усилия в опоре грузового барабана основного или вспомогательного подъема груза или усилия в грузовом канате, в частности в его в неподвижной ветви, или усилия в оси уравнительного блока крана;
- каждое из устройств последовательного интерфейса датчика нагрузки, датчика нагрузки в механизме вспомогательного подъема груза, устройства формирования сигнала перегрузки и блока расширения может быть выполнено в виде трансивера или драйвера мультиплексного канала обмена данными, в частности интерфейса CAN или LIN;
- объединение между собой устройства формирования сигнала перегрузки, датчика нагрузки, блока расширения входов/выходов и датчика нагрузки механизма вспомогательного подъема груза при помощи мультиплексного канала обмена данными выполнено, в частности, с использованием соединительных жгутов с электрическими разъемами. В этом случае, при необходимости разветвления соединений, на устройство формирования сигнала перегрузки и/или на датчик нагрузки и/или на блок расширения входов/выходов и/или на датчик нагрузки механизма вспомогательного подъема груза устанавливаются два электрических разъема с объединенными одноименными выводами мультиплексного канала обмена данными, либо ограничитель дополнительно содержит разветвитель, который выполнен в виде трех электрических разъемов с объединенными одноименными выводами мультиплексного канала обмена данными;
- цифровой вычислитель может быть выполнен на основе микроконтроллера с возможностью записи сигналов нагрузки крана и дискретных сигналов крана в запоминающее устройство в реальном времени с возможностью считывания в случае необходимости.
Благодаря указанным отличительным признакам, согласно заявленной полезной модели реализуется микропроцессорный ограничитель нагрузки
крана с цифровым мультиплексным каналом обмена данными, со встроенным регистратором параметров, с диагностикой исправности составных частей ограничителя и с расширенными функциям защиты, а также с высокой помехозащищенностью сигнальных линий связи между составными частями ограничителя. Это обеспечивает получение как основного, так и дополнительного технического результата. Поэтому указанные отличительные признаки заявленной полезной модели являются существенными. Совокупность этих признаков неизвестна из уровня техники, т.е. заявленная полезная модель отвечает критерию патентоспособности «новизна».
На чертеже показана функциональная схема ограничителя нагрузки.
Ограничитель нагрузки мостового или козлового грузоподъемного крана содержит устройство формирования сигнала перегрузки 1, именуемое также блоком управления, блоком управления и индикации, блоком обработки данных и т.п., и датчик нагрузки 2, который содержит первичный силоизмерительный преобразователь 3, выполненный с возможностью измерения усилия в механизме подъема груза, и усилительно-преобразовательное устройство 4, вход которого подключен к выходу первичного силоизмерительного преобразователя 3.
Устройство формирования сигнала перегрузки 1 содержит цифровой вычислитель 5 и подключенные к нему органы управления 6, индикатор 7, входное устройство 8, запоминающее устройство 9, часы реального времени 10, устройство последовательного интерфейса 11 и выходное устройство 12.
Ограничитель может дополнительно содержать блок расширения входов/выходов 14, который включает в себя микроконтроллер 15 и подключенные к нему входное устройство блока расширения 16, выходное устройство блока расширения 17 и устройство последовательного интерфейса блока расширения 18.
Усилительно-преобразовательное устройство 4 датчика нагрузки 2 может содержать последовательно соединенные усилитель 19, микроконтроллер 20, аналого-цифровой преобразователь 21 (или микроконтроллер со
встроенным аналого-цифровым преобразователем) и устройство последовательного интерфейса 22.
Усилительно-преобразовательное устройство 4 датчика усилия 2 (или, что тоже самое - устройство последовательного интерфейса 22), устройство последовательного интерфейса 11 устройства формирования сигнала перегрузки 1 и устройство последовательного интерфейса 18 блока расширения входов/выходов 14 объединены между собой при помощи мультиплексного канала обмена данными 23.
Согласно полезной модели, предложено 3 основных варианта реализации ограничителя нагрузки:
- ограничитель без блока расширения входов/выходов 14;
- ограничитель с блоком расширения входов/выходов 14, в котором входные 8, 16 и выходные 12, 17 устройства содержаться как в устройстве формирования сигнала перегрузки 1, так и в блоке расширения входов/выходов 14;
- ограничитель с блоком расширения входов/выходов 14, в котором входное 16 и выходное 17 устройства содержаться только в блоке расширения входов/выходов 14.
В соответствии с этими вариантами, исполнительные устройства системы управления краном 13 (или по меньшей мере одно исполнительное устройство) подключаются к выходам (выходу) выходного устройства 12 устройства формирования сигнала перегрузки 1 и/или к выходам (выходу) выходного устройства 17 блока расширения входов/выходов 14.
К числу исполнительных устройств относятся, в частности, устройства останова механизма основного и вспомогательного подъема груза при перегрузке крана, устройства управления механизмом захвата контейнера и управления устройством защиты от спадания канатов.
Аналогичным образом, цепи дискретных сигналов системы управления краном 13, к числу которых относятся, в частности, сигналы включения механизма главного и вспомогательного подъема груза, механизма передвижения
крана, механизма передвижения тележки и сигнала, подтверждающего наличие тележки на консоли, подключаются к входам входного устройства 8 устройства формирования сигнала перегрузки 1 и/или к входам входного устройства 16 блока расширения входов/выходов 14.
Причем распределение подключения исполнительных устройств и дискретных сигналов системы управления краном 13 к устройству формирования сигнала перегрузки 1 и к блоку расширения входов/выходов 14 по количеству и по назначению может быть различным, что определяется количеством входов/выходов устройства формирования сигнала перегрузки 1 и блока расширения входов/выходов 14, а также рабочей программой цифрового вычислителя 5 и микроконтроллера 15.
Кроме составных частей, указанных на чертеже, ограничитель может дополнительно содержать датчик нагрузки механизма вспомогательного подъема груза, который может быть выполнен по функциональной схеме, аналогичной схеме датчика нагрузки механизма основного подъема груза 2, и аналогичным образом подключен к мультиплексному каналу обмена данными 23.
Ограничитель может также содержать датчик скорости ветра (на чертеже условно не показан), выход которого подключен к дополнительному входу цифрового вычислителя 5 или к дополнительному входу входного устройства 8, 16 устройства формирования сигнала перегрузки 1 или блока расширения 14. При этом датчик ветра может быть выполнен, в частности, в виде крыльчатки, приводимой во вращение набегающим потоком ветра, и импульсного датчика скорости вращения этой крыльчатки.
Первичный силоизмерительный преобразователь 3 может быть выполнен с возможностью измерения усилия в опоре грузового барабана основного или вспомогательного подъема груза или усилия в грузовом канате, в частности в его в неподвижной ветви, или усилия в оси уравнительного блока крана.
Каждое из устройств последовательного интерфейса 22, 11, 18 датчика нагрузки 2, датчика нагрузки в механизме вспомогательного подъема груза, устройства формирования сигнала перегрузки 1 и блока расширения 14 может быть выполнено в виде стандартных интегральных микросхем трансивера или драйвера мультиплексного канала обмена данными, в частности последовательного интерфейса CAN или LIN.
Цифровой вычислитель 5 может быть выполнен на основе микроконтроллера, например серии MSP430 фирмы TI с возможностью записи сигналов нагрузки крана и дискретных сигналов системы управления крана 13 в запоминающее устройство 9, которое выполнено энергонезависимым на основе микросхем Flash памяти, например серии AT45DB фирмы Atmel. Для фиксации времени этих записей, используются часы реального времени 10, реализованные, в частности, на основе специализированной микросхемы со встроенным кварцевым резонатором и автономным литиевым источником питания. Считывание записанных данных регистратора параметров осуществляется, например, под управлением цифрового вычислителя с использованием специального разъема мультиплексного канала обмена данными 23.
Органы управления 6 могут быть выполнены в виде клавиатуры или набора переключателей. Для ограничения доступа посторонних лиц к управлению краном, в состав органов управления 6, может входить ключ-марка, например серии ПЕ. Входное устройство 8, 16 может быть выполнено в виде преобразователей уровней сигналов, в частности с оптронной развязкой, а выходное устройство 12, 17 - в виде набора электронных ключей или электромагнитных реле с соответствующими драйверами этих ключей или реле.
Объединение между собой датчиков и блоков ограничителя при помощи мультиплексного канала обмена данными может быть выполнено, с использованием соединительных жгутов с электрическими разъемами. В этом случае, при необходимости разветвления соединений, на датчики и/или блоки ограничителя нагрузки устанавливаются по два электрических разъема с объединенными одноименными выводами мультиплексного канала обмена данными.
Возможна также реализация ответвлений в соединительных жгутах. В этом случае применяется ответвитель (распределительная коробка, разветвитель и т.п.), например в виде трех электрических разъемов с объединенными одноименными выводами мультиплексного канала обмена данными.
Основной функцией ограничителя является запрет движения подъема груза, вес которого превышает паспортную грузоподъемность крана, с одновременной индикацией режима недопустимой перегрузки.
Устройство формирования сигнала перегрузки 1 является ведущим устройством в ограничителе нагрузки крана. После включения напряжения питания этого устройства, микроконтроллер его цифрового вычислителя 5 автоматически переходит в тестовый режим. В тестовом режиме осуществляется обмен данными с датчиком (датчиками) нагрузки 2 и с блоком расширения входов/выходов 14 по мультиплексному каналу обмена данными 23 (при наличии этого блока в ограничителе). При этом, например с использованием контрольных сумм в передаваемых данных, определяется исправность датчика (датчиков) нагрузки 2 и блока расширения входов/выходов 14. Путем контроля напряжения в линиях связи, проверяется наличие коротких замыканий в этих линиях между собой и на массу крана. Путем контроля токов и напряжений на исполнительных устройствах системы управления 13, т.е. параметров выходных сигналов выходных устройств 12 и 17, проверяется исправность выходных устройств. Проводятся также другие проверки всех составных частей ограничителя.
Все сообщения о выявленных неисправностях цифровой вычислитель 5 выводит на индикатор 7, например на символьный дисплей.
Если неисправности отсутствуют, то ограничитель переходит в рабочий режим и по мультиплексному каналу  обмена данными 23 периодически передает запрос на получение данных о нагрузке крана от датчиков нагрузки 2 механизмов основного и/или вспомогательного подъема груза. При этом режим работы крана, в частности режим работы с основным или вспомогательным механизмом подъема груза, предварительно задается крановщиком при
помощи органов управления 6. Одновременно цифровой вычислитель 5 при помощи входных устройств 8 и/или 16 контролирует состояние дискретных сигналов системы управления краном 13.
При подъеме груза, его вес передается на опору вала грузового барабана и далее на первичный силоизмерительный преобразователь 3, например на упругую балку с закрепленными на ней тензометрическими резисторами, объединенными в тензометрический мост. Первичный силоизмерительный преобразователь 3 может быть также установлен в оси вала уравнительного блока, в грузовом канате (например, в его неподвижном конце), что не имеет принципиального значения.
Выходной сигнал первичного силоизмерительного преобразователя 3 поступает на усилитель 13 усилительно-преобразовательного устройства 4 и после усиления подается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 20, где преобразуется в цифровую форму. Далее микроконтроллер 21, работая по программе, осуществляет необходимые преобразования оцифрованного сигнала нагрузки, т.е. осуществляет компенсацию смещения, лианеризацию передаточной характеристики, термокомпенсацию и калибровку коэффициента передачи датчика нагрузки 2. Дополнительно микроконтроллер 21 осуществляет обмен с мультиплексной линией связи 23 с использованием устройства последовательного интерфейса 22.
Цифровой вычислитель 5, после получения данных от датчика нагрузки 2 механизмов основного и/или вспомогательного подъема груза, осуществляет сравнение этих данных с максимально-допустимыми величинами нагрузок (с паспортной грузоподъемностью крана), предварительно записанными в памяти цифрового вычислителя 5. Далее, в случае, если текущее значение нагрузки превышает максимально допустимое, цифровой вычислитель 5 через выходное устройство 12 формирует сигнал блокирования (остановки) привода соответствующего механизма подъема груза, предотвращая попытку подъема недопустимо большого груза и, соответственно, обеспечивая защиту крана от перегрузки.
Сигнал блокирования подъема груза может передаваться также через выходное устройство 17 блока расширения входов/выходов 14, которое в соответствии с программой микроконтроллера 15 в данном случае работает в режиме ретранслятора сигналов цифрового вычислителя 5.
Одновременно блок расширения входов/выходов 14 при помощи входного устройства 16 осуществляет контроль уровней дискретных сигналов в цепях системы управления краном 13 и по мультиплексной линии связи по запросу цифрового вычислителя 5 передает данные об этих уровнях в цифровой вычислитель 5.
Дополнительно цифровой вычислитель 5 программно реализует необходимую логику формирования сигналов останова (блокирования) работы механизмов подъема груза, управления механизмом захвата контейнера и управления устройством защиты от спадания канатов и т.д. в зависимости как от перегрузки крана, так и от значений дискретных сигналов системы управления краном 13 - сигналов включения механизма главного и вспомогательного подъема груза, сигналов включения передвижения тележки и крана в целом и т.п. Эта логика зависит от конструкции конкретного грузоподъемного крана, разрабатывается на стадии проектирования ограничителя нагрузки и предварительно записывается в память цифрового вычислителя 5 в виде программы работы его микроконтроллера.
При наличии в ограничителе датчика скорости ветра, его выходной сигнал цифровым вычислителем 5 сравнивается с максимально допустимым значением скорости ветра, предварительно записанным в памяти микроконтроллера цифрового вычислителя 5 и в случае, когда текущее значение скорости ветра превышает максимально-допустимое, цифровой вычислитель 5 аналогичным образом формирует сигналы блокирования движений грузоподъемного крана.
Одновременно с реализацией защитных функций, микроконтроллер цифрового вычислителя 5 передает на индикатор 7 информацию о степени загрузки крана относительно его максимально-допустимого значения, о предельно-допустимой
массе груза (о максимальной грузоподъемности), о фактической массе поднимаемого груза (о текущем значении нагрузки крана) и о наличии защитных отключений механизмов крана, а также периодически записывает в реальном масштабе времени все эти данные одновременно со значениями дискретных входных сигналов в энергонезависимое запоминающее устройство 9 встроенного регистратора параметров. Записанные данные, в случае необходимости, по командам с органов управления 6 выводятся на индикатор 7 или через мультиплексный канал обмена данными передаются во внешнее устройство считывания данных регистратора параметров.
В соответствии с вышеизложенным, в предложенной полезной модели обеспечивается существенное расширение функциональных возможностей ограничителя нагрузки мостового или козлового крана путем обеспечения защиты от перегрузки механизмов как основного, так и вспомогательного подъема груза, обеспечения дополнительной защиты по максимально-допустимой скорости ветра, реализации функций регистратора параметров, обеспечения нормирования выходных сигналов датчиков и обеспечения диагностики исправности всех составных частей ограничителя. Дополнительно достигается высокая помехоустойчивость и помехозащищенность ограничителя за счет перехода от аналогового обмена данными между составными частями ограничителя нагрузки к цифровому.