СИСТЕМА БЕЗОПАСНОСТИ ГРУЗОПОДЪЕМНОГО КРАНА

Полезная модель относится к области подъемно-транспортного машиностроения и может быть использована на грузоподъемных кранах (в частности, на башенных кранах) для защиты их от перегрузок и опрокидывания при подъеме груза, а также для выполнения функции координатной защиты крана и функции информирования машиниста о состоянии кранового оборудования.
6
Известен ограничитель нагрузки грузоподъемного крана (полезная модель РФ №7097 от 25.07.1997, МПК В66С 23/90). Это устройство содержит цифровой вычислительный блок, внешнее запоминающее устройство, регистратор параметров крана с информационным селектором, включающим в себя таймер реального времени, блок визуальной индикации, блок аварийной сигнализации, исполнительный блок, устройство ввода-вывода информации и периферийные устройства регистрации параметров крана, включающие «m» цифровых датчиков параметров крана и «n» аналоговых датчиков параметров крана с аналого-цифровыми преобразователями. К недостаткам указанной полезной модели нужно отнести невозможность внесения оперативных изменений в программу работы цифрового вычислительного блока через устройство ввода-вывода информации и возможность работы с цифровыми датчиками только дискретного типа.
7
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является система безопасности подъемного крана (полезная модель РФ №38747 от 05.04.2004, МПК В66С 23/90), которая содержит цифровой вычислительный блок, внешнее запоминающее устройство, регистратор параметров крана с таймером реального времени, блок визуальной индикации, блок аварийной сигнализации, исполнительный блок, устройство ввода-вывода информации
и периферийные устройства регистрации параметров крана, включающие «т» цифровых датчиков измерения дискретных параметров работы крана и «п» аналоговых датчиков измерения плавно изменяющихся параметров работы крана с аналого-цифровыми преобразователями. Система безопасности снабжена мультиплексным каналом обмена данными, соединяющим информационные входы цифрового вычислительного блока с выходами периферийных устройств регистрации параметров крана. Эта система безопасности позволяет обслуживать разветвленную сеть датчиков, контролирующую большинство рабочих параметров крана.
Основным недостатком известной системы является то, что и в этой полезной модели в качестве цифровых датчиков измерения дискретных параметров работы крана используются только сигнализаторы и конечные выключатели, имеющие всего два состояния (замкнуто - разомкнуто), а в качестве аналоговых датчиков, измеряющих плавно изменяющиеся параметры, - датчики, использующие потенциометры, вариометры и пр. и представляющие собой датчики давления любого типа, датчики усилий, датчики температуры, датчики длины стрелы, датчики поворота платформы крана и другие датчики относительного положения агрегатов крана. Показания аналоговых датчиков преобразуются в цифровой код и, таким образом, получаются «псевдо» цифровые датчики. У этих датчиков сохраняются все недостатки, присущие аналоговым датчикам, а именно:
- наличие зоны нечувствительности (30-45° у потенциометров);
- низкая износоустойчивость контактной системы потенциометров и вариометров;
- рост погрешности измерений в процессе эксплуатации;
- обязательное наличие дополнительного оборудования, например, сложных механических редукторов, необходимых для преобразования большого количества оборотов вала двигателя в один оборот потенциометра
(коэффициент редукции до 120) и связанная с этим высокая погрешность измерений.
Другим недостатком указанной полезной модели можно считать отсутствие обратной связи между цифровым вычислительным блоком и исполнительным блоком. Отсутствие обратной связи не позволяет проконтролировать прохождение команды на отключение/включение исполнительных устройств, что в системе безопасности грузоподъемного крана является существенным недостатком.
Задачей предлагаемого технического решения является снижение погрешности измерений параметров крана за счет применения в качестве датчиков относительного положения агрегатов крана «истинных» цифровых датчиков, свободных от указанных выше недостатков. Другой задачей полезной модели является упрощение конструкции системы за счет упразднения некоторых блоков системы, упрощение конструкции самих датчиков и снижение трудоемкости работ при настройке системы. Дополнительными задачами полезной модели является повышение информативности машиниста крана о зонах ограничений координатной защиты и о состоянии приводов крана, повышение надежности работы системы за счет введенной обратной связи между блоками системы.
Указанные технические результаты достигаются тем, что в систему безопасности грузоподъемного крана, содержащую внешнее запоминающее устройство, блок визуальной индикации, таймер реального времени, блок аварийной сигнализации и устройство ввода информации, подключенные к цифровому вычислительному блоку, исполнительный блок, цифровые датчики измерения дискретных параметров работы крана и подключенные к первому последовательному мультиплексному каналу обмена данными датчики измерения плавно изменяющихся параметров работы крана, включающие в себя датчики условий окружающей среды, датчики усилий и датчики относительного положения агрегатов крана, дополнительно введен
блок интерфейсных преобразователей, включенный между цифровым вычислительным блоком и первым последовательным каналом обмена данными, который соединен с исполнительным блоком, при этом таймер реального времени и блок визуальной индикации соединены с цифровым вычислительным блоком двусторонними каналами обмена данными. При этом внешнее запоминающее устройство выполнено с возможностью регистрации параметров крана, а в качестве датчиков условий окружающей среды и относительного положения агрегатов крана используют цифровые датчики.
Цифровые датчики относительного положения агрегатов крана, используемые в предлагаемой полезной модели, разделяются на три основных типа:
- энкодерные;
- магниточувствительные;
- бесконтактные датчики приближения.
В датчиках первого типа используются многооборотные датчики угла (энкодеры), формирующие за один оборот своего вала определенное количество импульсов (64, 256, 1024 и более) или цифровой код (например, код Грея). Большое количество импульсов за один оборот вала позволяет получать погрешности в измерениях физических величин (датчик вылета груза, датчик передвижения крана, датчик высоты подъема) от 2-3 сантиметров до нескольких долей миллиметров. Энкодеры не имеют зоны нечувствительности (рабочая зона 0-360°), большая часть энкодеров основана на бесконтактном способе формирования информации, что повышает надежность их работы. Ось вращения энкодера сопрягается непосредственно с осью вращения лебедок крана, что избавляет от необходимости изготавливать высокоточные механические редукторы. Помимо прочего, частота вращения вала энкодера может достигать нескольких тысяч оборотов в минуту.
Цифровые датчики второго типа используют принцип чувствительности к изменению магнитного поля Земли. Цифровой датчик угла азимута грузоподъемного крана, использующий указанный принцип работы, представлен в заявке РФ №2007111469. Данный датчик также использует бесконтактный способ формирования информации и не имеет ни одной подвижной механической части.
Бесконтактные датчики приближения индуктивного или емкостного типа построены таким образом, что они формируют выходной сигнал при приближении к металлическим предметам. Зазор между рабочей поверхностью датчика и предметом может быть от 0,1 до 15-20 миллиметров.
Упрощение конструкции достигается тем, что функции регистратора параметров крана выполняет внешнее запоминающее устройство, а применение цифровых датчиков, описанных выше, позволяет отказаться от сложных механических редукторов, что упрощает конструкцию датчиков, удешевляет их стоимость и повышает надежность работы.
Дополнительная задача решается применением в полезной модели графического матричного индикатора, имеющего точечную структуру. Применение такого индикатора позволяет выводить на экран большой объем текстовой, графической и цифровой информации, а также подробных пояснений о последовательности и порядке действий наладчика приборов безопасности при настройке системы на кране. Специальное программное обеспечение позволяет выводить на индикатор геометрическое изображение зон ограничений координатной защиты в виде произвольных многоугольников и проводить коррекцию любой точки в указанных зонах таким образом, что все остальные точки зоны сохраняют свои координаты и не требуют повторного ввода. Программное обеспечение системы позволяет машинисту крана выводить на экран кроме основной информации о параметрах датчиков агрегатов крана, степени его загрузки, данных
координатной защиты, также и дополнительную информацию, включающую в себя анализ работоспособности датчиков и блоков системы, состояние всех выходных реле исполнительного блока, время наработки всего крана в целом и отдельных механизмов в частности, календарную дату, время, температуру и пр.
Предлагаемая полезная модель может работать и со старыми кранами, на которых были установлены устаревшие приборы безопасности с аналоговыми датчиками, которые можно использовать в случае отказа какого-либо цифрового датчика относительного положения агрегатов крана или как «холодный» резерв. Для этой цели систему снабжают согласующим устройством, через которое выходы аналоговых датчиков соединяются с информационными входами цифрового вычислительного блока. Согласующее устройство предназначено для согласования уровней сигналов, фильтрации помех и защиты входов микроконтроллера от перенапряжений. В этом случае в цифровой вычислительный блок встраиваются аналоговый мультиплексор и аналого-цифровой преобразователь.
Оперативная информация за несколько последних часов работы крана, накопленная статистическая информация и служебная информация могут быть переданы внешним носителям информации, в качестве которых могут использоваться ЭВМ со стандартным набором портов ввода-вывода информации, мобильные носители информации с интерфейсом USB или с интерфейсом беспроводной связи. Такая передача может осуществляться по дополнительно введенному второму последовательному мультиплексному каналу обмена данными, подключенному к блоку интерфейсных преобразователей.
По этому каналу от внешних носителей информации к цифровому вычислительному блоку могут быть переданы данные об изменении параметров системы безопасности грузоподъемного крана или об изменении параметров зон ограничений координатной защиты. Второй мультиплексный
канал обмена данными может быть выполнен в виде последовательной проводной линии связи с интерфейсами типа СОМ-СОМ, USB-USB, СОМ-USB или может представлять собой беспроводной интерфейс.
Блок-схема предлагаемой полезной модели представлена на фиг.1. Система безопасности грузоподъемного крана содержит цифровой вычислительный блок 1, внешнее запоминающее устройство 2, блок визуальной индикации 3, таймер реального времени 4, блок аварийной сигнализации 5, устройство ввода информации 6 (клавиатура), блок 7 интерфейсных преобразователей, исполнительный блок 8, цифровые датчики 9. Цифровой вычислительный блок 1 построен на основе современного микроконтроллера, содержащего несколько последовательных портов UART и несколько двунаправленных портов ввода-вывода данных. Один из последовательных портов UART через блок 7 интерфейсных преобразователей соединен с цифровыми датчиками 9 крана и с исполнительным блоком 8 с помощью первой последовательной мультиплексной линии связи 10. Внешнее запоминающее устройство 2, блок визуальной индикации 3 и таймер реального времени 4 соединены с портами ввода-вывода данных цифрового вычислительного блока 1 двунаправленными каналами обмена данными. Блок аварийной сигнализации 5 и устройство ввода информации 6 соединены с портами ввода-вывода данных цифрового вычислительного блока 1 однонаправленными каналами обмена данными. Внешнее запоминающее устройство 2, выполненное в энергонезависимом исполнении, имеет выделенные области памяти для размещения в них параметров крана, корректирующих таблиц, оперативных данных, параметров координатной защиты, служебной информации и информации, относящейся к функции регистратора параметров.
В случае использования предлагаемой полезной модели на тех кранах, где уже установлены аналоговые датчики 11, необходимые для «холодного»
резерва или замены вышедших из строя цифровых датчиков относительного положения агрегатов крана, в систему вводится согласующее устройство 12. Через него выходы аналоговых датчиков соединены с информационными входами цифрового вычислительного блока 1, в который встраиваются аналоговый мультиплексор и аналого-цифровой преобразователь.
Если необходимо подключение внешних носителей информации, то система снабжается информационным выходом в виде второго последовательного мультиплексного канала обмена данными 13, подключенного к последовательному порту UART блока 7 интерфейсных преобразователей.
Работа предлагаемой полезной модели поясняется ниже.
Цифровые энкодерные датчики агрегатов крана (датчик вылета груза, датчик высоты подъема, датчик передвижения крана) устанавливаются на оси соответствующих лебедок и на ось ходового колеса. При настройке датчиков необходимо последовательно установить соответствующие механизмы крана (вылет, высоту, подкрановый путь) в крайние значения (минимальное и максимальное) и ввести эти значения в память прибора с помощью клавиатуры, установленной в устройстве ввода информации 6. Этим процесс настройки отличается от настройки «псевдо» цифровых датчиков, которые необходимо механическим путем устанавливать в начальное положение. При этом если «псевдо» цифровой датчик при установке соответствующего механизма крана в максимальное значение вышел за диапазон изменения чувствительного элемента (резистора), то процесс механической установки в начальное положение необходимо повторить.
Цифровой датчик угла азимута крана жестко закрепляется на поворотной части крана, например, на оголовке башни, и его настройка сводится к необходимости выполнения не менее одного полного поворота в одну сторону от выбранной начальной точки и последующего возврата в
начальную точку. За время этих поворотов датчик фиксирует изменение магнитного поля Земли. Информация с датчика обрабатывается цифровым вычислительным блоком 1 и записывается во внешнее запоминающее устройство 2. Эти данные могут содержать сильные погрешности, вызванные влиянием металлоконструкций крана или искажениями магнитного поля Земли в данной местности. Для устранения указанных погрешностей используется другой цифровой датчик - корректор поворота стрелы. Корректор поворота стрелы устанавливается около зубьев опорно-поворотного устройства (ОПУ) крана на расстоянии 5-10 мм от вершины зуба. Корректор поворота стрелы содержит в качестве чувствительного элемента индуктивный или емкостной датчик приближения, который формирует логический сигнал на своем выходе при прохождении около него очередного зуба. Цифровой вычислительный блок 1 при настройке магнитного датчика азимута одновременно подсчитывает число прошедших зубьев ОПУ и составляет поправочную таблицу, с помощью которой корректируются показания магнитного датчика азимута. Так как число зубьев ОПУ находится в пределах 100-150 для разных типов кранов, то окружность в 360° разбивается на узкие сектора шириной, определяемой числом зубьев ОПУ. Таким образом, ошибка в показаниях магнитного датчика не превышает 3,5-2,5°. Обычные датчики, использующие потенциометры и механические редукторы, определяют угол поворота крана с погрешностью 10-20°. Таблица с данными коррекции хранится во внешнем запоминающем устройстве 2.
Отдельно использовать датчики приближения в качестве датчика угла поворота крана нельзя, т.к. в соответствии с «Правилами устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов ПБ 10-382-00» при выключенном питании и сильной ветровой нагрузке кран должен быть расторможен по повороту (т.е. может поворачиваться по направлению ветра) для предотвращения опрокидывания при сильных порывах ветра. Тогда
после включения питания датчик приближения «теряет» начальную точку, а магнитный датчик азимута позволяет сразу определить угол поворота крана, но с какой-то ошибкой, которая устраняется после прохождения первого зуба ОПУ. Таким образом, только совместная работа указанных датчиков позволяет точно определить угол поворота крана с малой погрешностью.
Аналогичным образом другой датчик приближения позволяет корректировать показания цифрового датчика передвижения крана при проскальзывании его колес по рельсам. Проскальзывание колес крана присуще всем типам кранов с передвижением и наиболее сильно проявляется в зимний период времени. Датчик приближения обнаруживает металлический предмет (болт, кусок арматуры и пр.), специально установленный около колеи крана на определенном, заранее измеренном расстоянии от нулевой точки пути крана. Этот предмет устанавливается на том участке рельсового пути крана, где кран перемещается наиболее часто. При каждом обнаружении указанного предмета система автоматически корректирует показания датчика передвижения крана. Таким образом, устраняется погрешность датчика, связанная с проскальзыванием колеса крана.
Устройство ввода информации 6 предназначено для ввода цифровых и буквенных символов, необходимых для работы системы. Блок аварийной сигнализации 5 формирует световую и звуковую сигнализацию при возникновении предельных ситуаций, связанных с опрокидывающим моментом или достижением зон ограничений координатной защиты. В этих же ситуациях цифровой вычислительный блок 1 передает команды в исполнительный блок 8 для отключения / включения реле, управляющих соответствующими приводами крана. За счет введенной обратной связи исполнительный блок передает цифровому вычислительному блоку 1 информацию о прохождении команды, которая также выводится на индикатор и может быть доступна машинисту крана.
Блок визуальной индикации 3 выполнен с применением современного графического индикатора, позволяющего генерировать различные изображения, в том числе и геометрические фигуры зон ограничений координатной защиты. Зоны ограничений координатной защиты представлены на индикаторе в виде многогранников, привязанных к координатной сетке с осями Х и У.
Весь объем памяти внешнего запоминающего устройства 2 разбит на логические сегменты, в которых хранятся постоянные данные, связанные со служебной информацией о кране, самой системе и о зонах ограничений координатной защиты, и сегменты, в которые поступает оперативная информация о параметрах датчиков и состоянии блоков крана. Оперативная информация снабжается метками таймера реального времени 4, необходимыми для выполнения функции регистратора параметров и выполнения требований нормативных документов, таких как РД 10-399-01 и международного стандарта ИСО 4301/1. Поступающая оперативная информация анализируется цифровым вычислительным блоком 1 и накапливается во внешнем запоминающем устройстве 2 в виде статистических данных о количестве грузовых циклах крана, их продолжительности по времени, массе поднятых грузов, достигнутой загрузке крана, времени работы крана и каждого механизма в отдельности и пр.
В качестве цифрового вычислительного блока можно использовать микроконтроллер ATmega 128, ATmega 256, в качестве блока внешней памяти - микросхемы энергонезависимой памяти фирмы Dallas - DS 1245, DS 1250 или аналогичные, в качестве таймера реального времени -микросхемы DS 1307 или аналогичные, в качестве блока визуальной индикации - графический матричный индикатор фирмы Winstar WB320240CO-TFK-WP.
В качестве цифровых энкодерных датчиков - датчики, выпускаемые ООО НПФ «РАДАР-ЭСКО» ФВБК 305451.010, использующие оптические энкодеры типа ENA2J-B28-L00064 или ENA2J-B28-L00256. В качестве магнитного датчика азимута - датчик положения стрелы, выпускаемый тем же предприятием ФВБК 305451.007, использующий микросхемы магниторезисторов фирмы HONEYWELL типа НМС 1022. В качестве цифрового датчика приближения используются индуктивные датчики расстояния фирмы OMRON типа E2A-M30K515-WP-C12M или емкостные датчики приближения фирмы SICK типа 16BNP-KW1. В качестве датчика усилий - датчик нагрузки тензорезисторный ДНТ 4273-00311722883 фирмы ООО «Искра».