Система безопасности и управления грузоподъёмной машины

Область техники
Полезная модель относится к грузоподъемной технике и может быть использована, преимущественно, в системах безопасности и управления грузоподъемных кранов стрелового типа.
Уровень техники
Известно устройство защиты грузоподъемного крана, содержащее датчики нагрузки и пространственного положения стрелового оборудования крана, выходное устройство, графический дисплей с блоком памяти графической информации и процессор, связанный с упомянутыми датчиками, графическим дисплеем и с выходным устройством, соединенным с исполнительными устройствами крана. В данном устройстве на экране графического дисплея формируется динамическое отображение рабочей зоны крана и условное изображение крана. Процессор устройства периодически формирует графическую информацию и записывает ее в блок памяти графической информации графического дисплея (RU 2326806 CI, В66С 23/90, В66С 13/18, 20.06.2008).
Недостатком этого устройства является необходимость использования ресурсов основного процессора для управления графическим дисплеем при выводе динамических изображений, что предъявляет очень высокие требования по быстродействию и объему оперативной памяти процессора, что значительно усложняет и удорожает устройство.
Известна также система безопасности и управления грузоподъемной машины, содержащая датчики измеряемых или контролируемых параметров грузоподъемной машины, вычислительно-управляющее устройство, к контроллеру которого подключен графический дисплей, и блок расширения входов-выходов, подключенные к общему внутрисистемному интерфейсному каналу (RU 98409 U1, В66С 23/00, 20.10.2010).
В данной системе на вычислительно-управляющее устройство поступает информация от значительного количества периферийных устройств по различным типам интерфейсов, что требует дополнительных преобразований передаваемой информации. Это снижает скорость обмена информацией между графическим дисплеем и вычислительно-управляющим устройством и приводит к возникновению мерцания дисплея и видимого процесса перерисовки графического изображения на нем.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели по совокупности существенных признаков является система безопасности и управления грузоподъемной машины, содержащая: датчики измеряемых или контролируемых параметров грузоподъемной машины; блок управления и индикации, к контроллеру которого подключен модуль графического дисплея (графическая панель); и контроллер управления гидравликой, подключенные к общему внутрисистемному интерфейсному каналу. Модуль графического дисплея снабжен: графическим TFT LCD дисплеем; собственным контроллером для вывода информации на графический дисплей, подключенным к контроллеру блока управления и индикации через низкоскоростной последовательный интерфейс и высокоскоростной параллельный интерфейс; а также собственной энергонезависимой оперативной памятью для хранения информации о графических объектах, и запоминающим устройством (энергонезависимой памятью графических изображений), подключенными к контроллеру модуля графического дисплея (RU 189103 U1, В66С 23/90, В66С 23/00, В66С 23/88, 13.05.2019).
Подключение контроллера графического дисплея к контроллеру блока управления и индикации через два интерфейса, снабжение модуля графического дисплея собственной энергонезависимой оперативной памятью, требующей дополнительного автономного источника питания (например, в виде батарейки или аккумулятора с блоком подзарядки), который должен устойчиво работать в тех же жестких климатических условиях, что и подъемная машина, которую он обслуживает, и необходимость выполнения модуля графического дисплея с отсеком для дополнительного автономного источника питания, усложняет конструкцию системы безопасности и управления грузоподъемной машины и ее обслуживание, а также снижает ее надежность. Кроме того, при замене модуля графического дисплея в процессе эксплуатации, необходимо программирование запоминающего устройства с использованием дополнительного оборудования при помощи специальной программы на персональном компьютере.
Раскрытие полезной модели
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение надежности системы безопасности и управления грузоподъемной машины при сохранении ее быстродействия и функциональных возможностей, и как следствие - повышение обеспечиваемого уровня безопасности.
Поставленные технические задачи решаются тем, что в системе безопасности и управления грузоподъемной машины, содержащей: датчики измеряемых или контролируемых параметров грузоподъемной машины, блок управления и индикации, к контроллеру которого подключена графическая панель, снабженная графическим дисплеем, контроллером для вывода информации на графический дисплей и оперативной видеопамятью, подключенной к контроллеру графической панели, и блок управления грузоподъемной машиной, подключенные к общему внутрисистемному интерфейсному каналу, и энергонезависимую память графических изображений, согласно полезной модели, оперативная видеопамять графической панели выполнена в виде энергозависимой оперативной видеопамяти (SRAM-памяти), размер которой позволяет хранить группу экранов, необходимых при работе и настройке системы безопасности и управления грузоподъемной машиной, и связана с контроллером блока управления и индикации через интерфейс MCU, а энергонезависимая память графических изображений подключена к контроллеру блока управления и индикации, выполненному с возможностью загружать в оперативную видеопамять графической панели графическую информацию в "теневом" режиме неактивных экранов из энергонезависимой памяти графических изображений, а затем переключать оперативную видеопамять графической панели на отображение нужного экрана.
Сущность предложенного технического решения заключается в следующем.
Выполнение оперативной видеопамяти графической панели в виде энергозависимой оперативной видеопамяти (SRAM-памяти), размер которой позволяет хранить группу экранов, необходимых при работе и настройке системы безопасности и управления грузоподъемной машиной, связь оперативной видеопамяти с контроллером блока управления и индикации через интерфейс MCU, подключение энергонезависимой памяти графических изображений к контроллеру блока управления и индикации и выполнение контроллера блока управления и индикации с возможностью загружать в оперативную видеопамять графическую информацию в "теневом" режиме неактивных экранов из энергонезависимой памяти графических изображений, а затем переключать оперативную видеопамять на отображение нужного экрана, позволяет исключить из графической панели недостаточно надежный дополнительный источник питания оперативной видеопамяти, использовать только один интерфейс MCU для связи контроллера графического дисплея с контроллером блока управления и индикации, избежать, как и в прототипе, видимого процесса рисования экрана, эффектов мерцания экрана, и создавать при этом динамические картинки (например, графическое отображение на экране дисплея грузовой характеристики грузоподъемного крана, положение крюка и степень его нагружения в процессе подъема/опускания груза, динамическое изменение графика грузовой характеристики в процессе выдвижения/втягивания секций стрелы крана, и осциллографирование давлений в гидросистеме крана по показаниям датчиков, подключенных к блоку управления краном).
Достигаемый технический результат выражается в повышении надежности системы безопасности и управления грузоподъемной машины при сохранении ее быстродействия и функциональных возможностей.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена функциональная схема одного из примеров выполнения предлагаемой системы безопасности и управления грузоподъемной машины; на фиг. 2 - функциональная схема блока управления и индикации. На приведенных рисунках одни и те же элементы обозначены одинаковыми позициями.
Осуществление полезной модели
Система безопасности и управления грузоподъемной машины, например, самоходного гидравлического крана стрелового типа (далее - кран) для защиты его от перегрузки и опрокидывания, содержит: блок 1 управления и индикации и блок 2 управления краном, подключенные к общему проводному последовательному внутрисистемному интерфейсному каналу - линии 3 связи, обеспечивающей магистральную структуру соединения составных частей системы. С учетом области применения данной системы наиболее целесообразно использовать интерфейс спецификации CAN 2.0b стандарта SAE J1939.
Система содержит так же, как и в прототипе, датчики измеряемых или контролируемых параметров крана с аналоговыми, цифровыми и дискретными выходными сигналами:
датчики 4, расположенные на оголовке телескопической стрелы и подключенные к входам блока 5 оголовка стрелы. Это датчики с аналоговыми выходными сигналами (датчик скорости ветра, датчик приближения к линии электропередачи (модуль защиты от опасного напряжения МЗОН), датчики с цифровыми выходными сигналами (датчик усилия, датчик угла) и датчики с дискретными выходными сигналами (датчики предельного подъема грузозахватного органа - основной и вспомогательный);
датчики 6 с цифровыми выходными сигналами, расположенные на корневой секции стрелы (датчик длины стрелы и датчик угла наклона стрелы длины), подключенные к линии 3 связи;
датчики, расположенные на поворотной платформе. Это датчики 7 с цифровыми выходными сигналами (датчик крена, датчики давления в напорных магистралях, датчики давления в поршневой и штоковой полостях гидроцилиндра подъема стрелы, датчик массы противовеса), и устройства 8 управления краном (джойстики), подключенные к линии 3 связи, и датчики 9 с аналоговыми выходными сигналами (датчики давления, датчик азимута, датчик температуры и др.), подключенные к блоку 2 управления краном;
датчики на неповоротной части крана: датчики положения выдвижных опор, датчики усилия в опорах (на чертеже не показаны).
К блоку 5 оголовка стрелы подключены также устройства 10 управления электрооборудованием, расположенным на оголовке стрелы (включением фары и габаритного огня).
К блоку 1 управления и индикации могут быть подключены модем 11 по интерфейсу RS-232 для передачи данных на удаленный сервер и блок 12 управления оборотами двигателя с интерфейсом CAN спецификации 2.0.
В качестве датчиков 6 может быть использован кабельный барабан с встроенным потенциометром и прикрепленным датчиком угла наклона стрелы НПП «Электрогидросистемы». Через кабель барабана обеспечивается связь блока 2 управления краном с блоком 5 оголовка стрелы по однопроводной линии 13 связи.
Блок 1 управления и индикации включает в себя контроллер 14 LPC1768FBD100 (NXP Semiconductors), выполненный на базе 32 разрядного процессора с ядром ARM Cortex-М3 с встроенными часами реального времени.
К контроллеру 14 подключены:
- клавиатура 15 для управления блоком 1 управления и индикации, выполненная в виде пленочной клавиатуры;
- настроечная память 16 для хранения текущих настроек системы безопасности и управления краном, выполненная на базе микросхемы энергонезависимой памяти;
- регистратор 17 параметров для хранения данных о параметрах работы крана за определенный промежуток времени;
- порт 18 интерфейса CAN 2.0 (интерфейс 1). Через порт 18 контроллер 14 подключается к общей линии связи 3;
- порт 19 интерфейса CAN 2.0 (интерфейс 2). Через порт 19 контроллер 14 подключается к блоку 12 управления оборотами двигателя;
- порт 20 USB интерфейса;
- порт 21 RS-232 интерфейса, подключаемый к контроллеру 14 по интерфейсу UART и выполненный в виде микросхемы преобразования интерфейсов типа MAX3232ESE+;
- порт 22 RS-485 интерфейса, выполненного на базе микросхемы SN65HVD3085ED.
Приемопередатчики интерфейса CAN 2.0 выполнены в виде микросхемы преобразования интерфейсов TJA1050T.
Блок 1 управления и индикации содержит также:
- графическую панель 23 с TFT LCD дисплеем 24 и микросхемой 25 со встроенным контроллером 26, встроенной энергозависимой оперативной видеопамятью 27 (SRAM-памятью) и интерфейсом 28 MCU для связи графической панели 23 с контроллером 14;
- и энергонезависимую память 29 графических изображений, связанную с контроллером 14 блока управления и индикации.
В качестве графической панели 23 могут быть использованы готовые TFT LCD дисплеи Q-серии фирмы WinStar. Например, дисплей WF43QTIBEDBN0 с встроенной микросхемой SSD1963, или аналогичные дисплеи.
Порт 20 интерфейса USB предназначен для подключения ЭВМ к контроллеру 14 для считывания данных с регистратора 17 параметров, обновления прошивки контроллера 14, диагностики составляющих системы безопасности и загрузки графических изображений в энергонезависимую память 29 графических изображений.
Блок 2 управления краном содержит собственный контроллер управления гидравликой (на чертеже не показан), выполненный на базе 32 разрядного процессора с ядром ARM Cortex-M0/M3/M4, например, STM32F302RCT6. В качестве блока 2 управления краном могут быть использованы также блоки мобильной электроники "Danfoss", "Bosch Rexrot" или контроллер управления гидравликой (КУГ) НПП «Электрогидросистемы», входящий в состав ограничителя грузоподъемности ОГ-2 для автокранов и кранов-трубоукладчиков.
Блок 1 управления и индикации выполнен в виде единого конструктивного блока с возможностью подключения к нему электрооборудования шасси и электроники управления двигателем с помощью дополнительной проводной линии связи 30.
На передней панели данного блока наклеена пленочная клавиатура 15 с отверстием под стекло, за которым находится графический дисплей 24. На передней панели имеется отверстие, под которым установлен разъем USB. На задней поверхности блока расположены разъемы для подключения к линии 3 связи блока 12 управления оборотами двигателя и модема 11 с интерфейсом RS-232. Внутри блока 1 установлены печатные платы. Порт 20 USB интерфейса представляет собой разъем, подключенный к контроллеру 14.
Блок 2 управления краном конструктивно выполнен в виде самостоятельного блока с отверстиями под кабели. Внутри блока расположена плата с разъемами, к которым подключаются линия 3 связи, аналоговые датчики 9 и кабель подключения блока к электрооборудованию и гидрооборудованию крана.
Обработка информации, поступающей с датчиков 6, 7, выполняется блоком 1 управления и индикации, или блоком 2 управления краном в зависимости от функционального назначения датчиков.
Система безопасности и управления грузоподъемного крана работает следующим образом.
Алгоритм работы системы безопасности и управления крана определяется рабочими программами для блока 1 управления и индикации и блока 2 управления краном, подготовленными на персональном компьютере.
В процессе выполнения рабочей программы контроллер 14 блока 1 управления и индикации через линию связи 3 получает значения рабочих параметров крана, замеренных датчиками. На основании принятых показаний датчиков контроллером 14 производится вычисление рабочих параметров крана и анализ его состояния. В зависимости от результатов этого анализа контроллер 14 формирует команды разрешения, запрета и ограничения рабочих движений и передает их через линию связи 3 контроллеру блока 2 управления краном, который получает по CAN каналу информацию об отклонении рукояток джойстиков от нейтрального положения (направление отклонений и степень отклонения) и формирует пропорциональные отклонению джойстиков ШИМ сигналы на соответствующие электромагнитные пропорциональные клапана. При этом блок 1 управления и индикации выдает в цифровом коде по линии 3 связи разрешающие или запрещающие сигналы и вырабатывает управляющие сигналы на снижение скорости на те, или иные движения, в зависимости от ситуации.
Одновременно контроллером 14 осуществляется формирование команд для вывода информации о текущем состоянии крана на графический дисплей 24. Контроллер 14 также производит запись рабочих параметров крана в регистратор 17 параметров. В последующем, данные могут быть считаны в компьютер для расшифровки и последующей обработки через порт 20 USB интерфейса.
Если к блоку 1 управления и индикации подключены внешние устройства 11 по интерфейсу RS-232, контроллер 14 передает в устройство 11 информацию от текущих рабочих параметрах крана для последующей отправки в удаленное хранилище или удаленному пользователю для мониторинга в режиме реального времени.
Все элементы и узлы предлагаемого устройства, не раскрытые в настоящей заявке, известны из уровня техники и не являются предметом правовой охраны данной полезной модели.
Промышленная применимость
Заявленная система может быть изготовлена промышленным способом на приборостроительном предприятии с использованием современных электронных компонентов и технологий.