СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ КРАНОВ ОТ СТОЛКНОВЕНИЙ
SYSTEM TO PREVENT COLLISION OF HOISTING CRANES

Изобретение относится к технике обеспечения безопасности работы грузоподъемных кранов, преимущественно башенных.
Известна система защиты от столкновений группы башенных кранов «SMIE-AC30» (Франция), содержащая устройства проводного (по кабелю) или беспроводного (по радиоканалу) обмена информацией между устройствами защиты, установленными на каждом из «N» работающих в группе башенных кранов, о положении, движениях и нагрузке его оборудования, а также установленное на каждом кране устройство защиты крана, включающее в себя группу датчиков контроля параметров оборудования крана и цифровой вычислитель, содержащий центральный процессор (микроконтроллер), дисплей и исполнительный блок. Цифровые вычислители связаны между собой кабелем или радиосвязью, образуя сеть для обмена информацией о положении, движениях и нагрузке кранов. Положение крана и его оборудования в этой системе «привязаны» к определенным точкам стройплощадки. Цифровой вычислитель, контролируя положение, нагрузку и скорость перемещения крана и его оборудования, выявляет опасные сближения грузоподъемных кранов. Цифровой вычислитель на другом кране производит аналогичные вычисления для своего крана, и оба устройства обмениваются их результатами [1].
В этой системе, когда расчеты свидетельствуют об опасном сближении оборудования кранов, каждый цифровой вычислитель формирует соответствующие предупредительные сигналы и сигналы блокирования движений своего крана. При этом на их дисплеях отображаются условные графические изображения положения кранов на плане стройплощадки, изображения запретных (перекрываемых) зон безопасности, соответствующих столкновению и опасному сближению, направления опасных движений и пути безопасного вывода кранов из перекрываемых зон.
Известна также аналогичная система безопасности, в которой, с целью повышения безопасности и эффективности работы кранов, на экране дисплея дополнительно формируются информационные сигналы, предваряющие начало движения или ограничивающие движение оборудования кранов в случае возможного пересечения их траекторий [2].
Недостатком известных систем является пониженная безопасность и пониженная эффективность одновременной работы кранов за счет отсутствия как прямого определения расстояния между ними, так и предупреждения их столкновений с неподвижными препятствиями и объектами.
Основной задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является расширение функциональных возможностей системы защиты за счет реализации прямого контроля и последующего учета расстояния между кранами, а также учета местоположения неподвижных препятствий и объектов на строительной площадке с соответствующим повышением безопасности работы группы грузоподъемных кранов.
Дополнительной задачей является повышение эффективности работы группы кранов за счет формирования дополнительных информационных сигналов или ограничений движений оборудования кранов в случае возможного пересечения их траекторий, а также за счет сокращения затрат времени на установку параметров или координат местоположения неподвижных препятствий и объектов на строительной площадке.
В первом варианте реализации системы защиты грузоподъемных кранов от столкновений, содержащей установленные на каждом кране устройство беспроводного обмена данными, датчики пространственного положения крана и одноблочное или многоблочное цифровое вычислительное устройство, выполненное с возможностью приема и обработки выходных сигналов указанных датчиков и устройства беспроводного обмена данными, а также с возможностью формирования, в зависимости от результатов этой обработки, предупредительного сигнала и/или сигнала блокирования движений крана при его сближении или прогнозируемом сближении с другим краном, поставленные технические задачи решаются за счет того, что устройства беспроводного обмена данными, расположенные на различных кранах, выполняются с возможностью определения расстояния между ними, а, по меньшей мере, одно цифровое вычислительное устройство выполняется с возможностью указанной обработки сигналов и формирования предупредительного сигнала и/или сигнала блокирования движений крана с учетом этого расстояния.
Во втором варианте реализации этой системы защиты, содержащей установленные на каждом кране устройство обмена данными, датчики пространственного положения крана и одноблочное или многоблочное цифровое вычислительное устройство, выполненное с возможностью приема и обработки выходных сигналов указанных датчиков и устройства обмена данными, а также с возможностью формирования, в зависимости от результатов этой обработки, предупредительного сигнала и/или сигнала блокирования движений крана при его сближении или прогнозируемом сближении с другим краном или с неподвижным препятствием, координаты и/или параметры которого записаны в блок памяти цифрового вычислительного устройства, поставленные технические задачи решаются за счет того, что цифровые вычислительные устройства выполняются с возможностью обмена данными о координатах и/или параметрах неподвижного препятствия или объекта с использованием упомянутых устройств обмена данными, а также с возможностью использования этих данных при указанной обработке сигналов и формировании предупредительных сигналов и/или сигналов блокирования движений крана.
Кроме того, в обоих вариантах системы защиты от столкновений для решения поставленных задач дополнительно может быть реализовано:
- выполнение устройств беспроводного обмена данными с использованием ультразвукового, и/или оптического, и/или электромагнитного излучения, а также с возможностью определения расстояния между ними по времени прохождения этого излучения между устройствами;
- выполнение устройств беспроводного обмена данными с возможностью приема и передачи информации о положении, движениях и нагрузке оборудования соответствующего крана;
- вычисление посредством цифрового вычислительного устройства расстояния между установленными на кранах устройствами беспроводного обмена данными с использованием сигналов датчиков пространственного положения своего и другого крана, последующее сопоставление вычисленного значения этого расстояния с расстоянием, определенным посредством устройств беспроводного обмена данными, и при получении различных величин формирование дополнительного предупреждающего сигнала и/или сигнала блокирования движений крана либо выбор наименьшего значения этого расстояния при формировании предупредительного сигнала и/или сигнала блокирования движений крана;
- определение посредством цифрового вычислительного устройства границ запретных зон безопасности вокруг стрелы каждого крана, соответствующих их сближению до минимально допустимого расстояния, при реализации обработки сигналов датчиков и устройства беспроводного обмена данными, заключающейся в обнаружении пересечений границы запретной зоны с последующим формированием предупредительного сигнала и/или сигнала блокирования движений крана;
- оснащение цифрового вычислительного устройства графическим дисплеем, подключенным к процессору или к микроконтроллеру вычислительного устройства, с отображением на экране дисплея условного графического изображения положения самого крана на плане стройплощадки и условного графического изображения положения другого или других кранов и/или их запретных зон безопасности;
- отображение на экране дисплея траекторий перемещения кранов и/или их оборудования и отображения текущих и/или прогнозируемых точек или областей пересечения границ этих запретных зон безопасности;
- определение границ запретных зон безопасности с учетом инерции перемещаемого оборудования крана;
- оснащение цифровых вычислительных устройств, по меньшей мере, двух кранов, блоками памяти, в которых записаны координаты и/или параметры неподвижных препятствий или объектов на строительной площадке, а также реализация обмена данными между цифровыми вычислительными устройствами об этих координатах и/или параметрах с использованием устройств беспроводного обмена данными с последующим использованием этих данных при формировании предупредительных сигналов и/или сигналов блокирования движений крана;
- сопоставление посредством цифрового вычислительного устройства данных о координатах и/или параметрах неподвижного препятствия или объекта, считанных из собственного блока памяти и полученных от блока памяти цифрового вычислительного устройства другого крана, и при наличии противоречий между этими данными последующий выбор наименьшей зоны допустимых перемещений крана и/или формирование предупредительных сигналов и/или сигналов блокирования движений крана;
- передача координат и/или параметров неподвижных препятствий или объектов, подлежащих записи в блоки памяти цифровых вычислительных устройств одного или нескольких кранов из стационарного поста в цифровые вычислительные устройства с использованием имеющихся устройств беспроводного обмена данными или дополнительных устройств последовательного проводного или беспроводного интерфейса;
- оснащение цифровых вычислительных устройств регистраторами параметров крана с часами реального времени.
Благодаря реализации указанных отличительных признаков предложенная система защиты обладает расширенными функциональными возможностями за счет реализации прямого контроля и последующего учета расстояния между кранами, а также реализации защиты от столкновений кранов с неподвижными препятствиями и объектами на строительной площадке.
Прямой контроль или прямое измерение расстояния между кранами позволяет осуществить контроль этого расстояния с высокой точностью и надежностью и независимо от работоспособности и точности работы датчиков системы защиты.
Обмен информацией о координатах и/или параметрах неподвижных препятствий (объектов) между цифровыми вычислительными устройствами, расположенными на различных кранах, а также передача этих данных со стационарного поста одновременно на несколько кранов повышает как эффективность работы системы защиты, т.е. безопасность работы кранов, так и производительность их работы за счет сокращения потерь времени на запись этих параметров в запоминающие устройства.
Формирование дополнительных информационных сигналов, предваряющих начало движения или ограничивающих движение оборудования кранов до их опасного сближения, в ряде случаев исключает необходимость выполнения крановщиком обходных или возвратных движений кранов, что также приводит к повышению эффективности их работы, включая сокращение непроизводительных потерь времени и энергетических потерь.
На фиг.1 показана упрощенная структурная схема системы защиты грузоподъемных кранов от столкновений. На фиг.2 - фрагменты изображений оборудования двух «смежных» кранов на экране дисплея.
Система содержит установленные на каждом кране устройства беспроводного обмена данными 1 (1') (фиг.1, фиг.2) датчики параметров работы крана 2 (2') и одноблочные или многоблочные цифровые вычислительные устройства 3 (3'), осуществляющие прием и обработку их выходных сигналов (фиг.1). На фиг.1 условно показаны компоненты систем 1, 2 и 3 (1', 2' и 3') для двух грузоподъемных кранов. Их число может быть любым в установленных пределах.
Каждое цифровое вычислительное устройство 3 (3') имеет одноблочное или многоблочное исполнение и содержит центральный процессор или микроконтроллер 4 (4') и соединенные с ним дисплей 5 (5'), блок памяти 6 (6') и выходное устройство 7 (7'), выходы которого подключены к исполнительным механизмам или приводам грузоподъемного крана.
Цифровое вычислительное устройство 3 (3') может содержать дополнительные узлы и блоки, условно не показанные на фиг.1 и соединенные с микроконтроллером 4 (4') непосредственно или при помощи каких-либо согласующих устройств. К ним относятся, в частности, дополнительный блок энергонезависимой памяти регистратора параметров с часами реального времени, интерфейс для беспроводного или проводного считывания данных регистратора параметров, устройство звуковой или речевой сигнализации, органы управления системой, дискретные светодиодные индикаторы и т.д.
Центральный процессор или микроконтроллер 4 (4') в общем случае содержит процессорное ядро, встроенные запоминающие устройства для хранения данных и программы его работы, тактовый генератор и периферийные устройства.
Датчики параметров работы крана 2 (2') в общем случае включают в себя датчики пространственного положения крана (угла азимута, угла наклона и длины стрелы, положения крана на подкрановом пути, перемещения грузовой тележки по направляющим поясам стрелы крана, высоты подъема грузозахватного органа и т.д.), датчик нагрузки (усилия или давления в гидроцилиндре подъема стрелы), датчик приближения к линии электропередач и другие датчики, необходимость применения которых определяется конструкцией конкретного грузоподъемного крана.
Центральный блок цифрового вычислительного устройства 3 (3') может именоваться контроллером, блоком обработки данных, блоком индикации, информационно-управляющим или информационно-вычислительным блоком и т.д., что не имеет принципиального значения.
Подключение устройства обмена данными 1 (1') и датчиков 2 (2') к цифровому вычислительному устройству 3 (3') может осуществляться посредством мультиплексного канала обмена данными (CAN, LIN и т.п.) с использованием отдельных проводов или по радиоканалу.
Выходное устройство 7 (7') может именоваться исполнительным или выходным блоком, контроллером поворотной или неповоротной части крана и т.д. В зависимости от конструктивного исполнения исполнительных приводов грузоподъемного крана он выполнен в виде усилителей мощности (набора электронных ключей, реле, пускателей и т.д.), электрогидравлических распределителей, электромеханических позиционеров и т.п. Он может содержать собственный микроконтроллер и средства для подключения к центральному микроконтроллеру 4 (4') цифрового вычислительного устройства 1 (1') посредством мультиплексного канала обмена данными. Выходное устройство 7 (7') может быть также выполнено с возможностью ретрансляции части или всех выходных сигналов устройства обмена данными 1 (1') и датчиков 2 (2') в цифровое вычислительное устройство 3 (3').
Датчики датчиков 2 (2'), которые могут именоваться периферийными устройствами регистрации, периферийными контроллерами, измерительными устройствами и т.д., размещены в различных зонах крана и включают в себя аналоговые датчики с аналого-цифровыми преобразователями и цифровые датчики.
Устройства обмена данными 1 (1'), расположенные на различных кранах (фиг.2), например на оголовках их башен, в первом варианте исполнения системы защиты выполнены беспроводными с использованием ультразвукового, оптического или электромагнитного излучения. Содержащиеся в них приемники и передатчики последовательных цифровых сигналов обмена данными выполнены с возможностью определения расстояния между ними, в частности, по времени прохождения этого излучения между устройствами. Для этого может быть использована технология NanoLOC, разработанная компанией Nanotron (www.nanotron.com).
Устройства обмена данными 1 (1') (приемопередатчики TRX) nanoLOC, установленные на различных грузоподъемных кранах, могут реализовывать различные сетевые топологии с поддержкой прямого и случайного доступа к среде передачи. Прямой доступ может быть реализован по схеме с временным TDMA либо частотным FDMA разделением либо по схеме «мастер - ведомый». Случайный доступ - по методу множественного доступа с обнаружением несущей и предотвращением коллизий (CSMA/CA).
Эти устройства обеспечивают как передачу данных между цифровыми вычислительными устройствами 3 (3'), так и расстояний между точками их установки на различных грузоподъемных кранах. Если прямого определения расстояния между устройствами обмена данными 1 (1') не требуется, они могут быть реализованы с использованием проводных линий связи.
Система защиты грузоподъемных кранов от столкновений работает следующим образом.
При первоначальной установке системы производится ее настройка на кранах, прежде всего датчиков 2, с целью ее «привязки» к стройплощадке.
Во время работы системы все цифровые вычислительные устройства 3 (3') работают аналогично друг другу.
Сигналы датчиков 2 контроля параметров оборудования первого крана поступают на микроконтроллер 4, который определяет положение оборудования первого крана и нагрузку на него с целью определения инерции движения с их одновременной передачей на второй кран с использованием устройств обмена данными 1 и 1'. Изменения положения оборудования первого крана, фиксируемые датчиками 2, преобразуются микроконтроллером 4 в величины, направления и траектории его движения, которые одновременно с условным графическим изображением оборудования крана отображаются на дисплее 5 на плане стройплощадки (фиг.2).
Одновременно микроконтроллер 4, используя сигналы, полученные от датчиков 2' второго крана с помощью устройств обмена данными 1 и 1', формирует на экране дисплея 5 условное графическое изображение оборудования второго крана. Эта информация на дисплеях 5 и 5' отображается, например, в виде проекций их оборудования (стрел).
Одновременно микроконтроллер 4 цифрового вычислительного устройства 3, работая по программе, предварительно записанной в его памяти, с использованием сигналов, полученных от датчиков 2 и 2', определяет и с помощью дисплея 5 отображает границы запретных зон безопасности вокруг стрелы (стрелового оборудования) каждого крана, соответствующих их сближению до минимально допустимого расстояния, с учетом скоростей перемещения и инерционности этого оборудования.
При выявлении пересечений запретных зон безопасности оборудования различных кранов или при их прогнозируемом пересечении через установленные интервалы времени микроконтроллер 4 формирует на выходное устройство 7 предупредительные сигналы и сигналы блокирования движений первого крана. В этот момент времени микроконтроллер 4' цифрового вычислительного устройства 3' второго крана аналогичным образом формирует предупредительные сигналы и сигналы блокирования движений второго крана. Благодаря этому обеспечивается предупреждение столкновений кранов.
Кроме указанного вычисления расстояния между оборудованием кранов по сигналам с датчиков 2 и 2' в микроконтроллер 4 от беспроводного устройства обмена данными 1 поступает дополнительный сигнал о расстоянии между оборудованием кранов, полученный в результате его прямого измерения.
Микроконтроллер 4 реализует свои функции защиты от столкновений кранов с использованием как вычисленного расстояния, так и измеренного. Для этого осуществляется сопоставление их величин и последующее формирование предупреждающих сигналов и/или сигналов блокирования движений крана либо после выбора наименьшего значения из двух полученных величин расстояния либо автоматическое формирование этих сигналов при наличии существенных различий этих величин. Благодаря этому обеспечивается повышенная безопасность работы кранов независимо от погрешности любого датчика пространственного положения любого крана, а также в случае полного отказа или отсутствия этого датчика.
При наличии на строительной площадке каких-либо неподвижных препятствий или объектов, столкновений с которыми или работы в зоне которых, в частности над ними, необходимо избежать, их координаты и/или параметры записываются блоком памяти 6 цифрового вычислительного устройства 3. Запись осуществляется путем передачи соответствующих данных со стационарного поста через устройство обмена данными 1, путем набора на органах управления (на клавиатуре) цифрового вычислительного устройства 3, путем подключения к нему внешнего носителя информации и т.д.
Далее микроконтроллер 4 использует эти данные для формирования условного графического отображения этих препятствий или объектов на экране дисплея 5, а также при формировании предупреждающих сигналов и/или сигналов блокирования движений крана.
Координаты и/или параметры неподвижных препятствий или объектов, записанные в блок памяти 6 или 6' цифрового вычислительного устройства 3 или 3' одного из кранов, с помощью устройств обмена данными 1 и 1' передаются на другой кран, что сокращает затраты времени на запись (ввод) этих координат или параметров и, соответственно, приводит к уменьшению простоев грузоподъемных кранов и к повышению производительности их работы.
Координаты и/или параметры неподвижных препятствий или объектов могут быть записаны в блоки памяти 6 или 6' на обоих кранах от одного источника информации из стационарного поста с использованием имеющихся устройств беспроводного обмена данными или дополнительных устройств последовательного проводного или беспроводного интерфейса. Это сокращает затраты времени на запись.
Если же эти координаты и/или параметры записаны на каждом кране независимо, то возможны их расхождения. В этом случае микроконтроллер 4 после обмена данными с другим краном осуществляет сопоставление их величин, «приведенных» к конкретному крану. При несовпадении этих величин микроконтроллер 4 осуществляет выбор наименьшей зоны допустимых перемещений оборудования крана либо формирует предупреждающий сигнал о неправильном вводе координат и/или параметров неподвижных препятствий или объектов с блокированием, в случае необходимости, движений крана.
При необходимости, микроконтроллер 4 передает на дисплей 5 сигналы для отображения на его экране изображений прогнозируемых или уже возникших при работе кранов пересечений защитных зон безопасности их оборудования, а также разрешенных или предпочтительных с точки зрения производительности или безопасности работы крана, направлений перемещения его оборудования. Границы всех запретных зон безопасности определяются микроконтроллером 4, в частности, с использованием математической модели крана, предварительно записанной в его памяти, и с учетом инерции его перемещаемого оборудования.
Все виды и направления движений крана из микроконтроллера 4 цифрового вычислительного устройства 3 могут передаваться в регистратор параметров и записываться в нем в режиме реального времени для последующего контроля и анализа работы крана.
Изобретение допускает также иные варианты реализации системы безопасности грузоподъемного крана, содержащей признаки, изложенные в его формуле.
Источники информации
1. Дана Рафчикова. Антиколлизионные системы «SMIE-AC30» защиты кранов. Журнал «Подъемные сооружения. Специальная техника.» - 2001, №4.
2. RU 2326046 C1, B66C 13/18, B66C 23/88, B66C 15/00, 10.06.2008.