Разработка аппаратной части тренажера оператора портального крана

УДК 681

P.A. Файзрахманов, А.Б. Федоров

Пермский государственный технический университет

РАЗРАБОТКА АППАРАТНОЙ ЧАСТИ ТРЕНАЖЕРА ОПЕРАТОРА ПОРТАЛЬНОГО КРАНА

Рассматривается решение задачи по разработке универсальной аппаратной части тренажера оператора портального крана. В качестве элементов управления тренажера были выбраны реальные промышленные джойстики портального крана «GANZ». Приводится описание разработанных контроллеров.

В рамках промышленных работ нередко встречаются задачи, которые предъявляют повышенные требования к оператору, например, по поддержанию необходимой производительности труда и точности выполнения работ. При этом оператор должен обладать высоким уровнем квалификации, чтобы избежать повреждения оборудования и, в худшем случае, возникновения аварии, которая может привести к тяжелым последствиям [1].

Актуальность разработки тренажера оператора портального крана обусловлена необходимостью увеличения количества персонала, обладающего требуемыми навыками работы и высоким уровнем квалификации, а также снижением сроков подготовки. Наиболее успешным средством для этого являются тренажеры, которые позволяют с относительно небольшими затратами сымитировать окружающую среду с высокой степенью достоверности, что позволяет подготовить оператора к работе в реальных условиях без риска нанести ущерб оборудованию, грузам или находящемуся поблизости персоналу. Таким образом, обучение операторов портальных кранов с использованием тренажера позволит существенно уменьшить экономические затраты в долгосрочной перспективе.

Постановка задачи. Первоначально разрабатываемые контроллеры планировалось использовать в промышленных джойстиках портального крана «GANZ» (Венгрия) 1980 г. выпуска. Тем не менее, контроллеры можно использовать и с другими видами промышленных

джойстиков, имеющих дискретные положения рычагов управления [2]. Использование реальных промышленных джойстиков либо их точных копий позволяет оператору в ходе обучения на тренажере почувствовать величину физических усилий на рычаги и другие органы управления.

Структура тренажера. Тренажер представляет собой платформу, оснащенную действующими промышленными джойстиками, объединенными в сеть, а также систему визуализации процесса с помощью проектора. В дальнейшем планируется установка тренажера на динамическую платформу.

На рис. 1 представлена общая структура тренажера оператора портального крана с использованием промышленных джойстиков портального крана «GANZ».

ПК

USB ПУС RS232

ПК Персональный компьютер

USB Интерфейс ИБВ

ПУС Преобразователь уровня сигнала

RS232 Интерфейс ЯБ232

КП Контроллер джойстика первичный

Д1 Джойстик 1

КВ Контроллер джойстика вторичный

Д2 Джойстик 2

БК1, БК2 Блок клеммников контроллера

БКВ1, БКВ2 Блок концевых выключателей джойстика

Джойстик 1

Джойстик 2

RS232 КП

БК1 БК2

ГГ

КВ

БК1 БК2

БКВ1 БКВ2

Д1

гт

БКВ1 БКВ2

Д2

Рис. 1. Общая структура тренажера оператора портального крана

Для управления портальным краном «GANZ» используются два джойстика, условно названные на рис. 1 как джойстик 1 и джойстик 2, что вызвало необходимость использовать два контроллера - первичный и вторичный, расположенные в соответствующем корпусе джойстика. Первичный контроллер включает в себя микроконтроллер для определения текущего состояния элементов управления джойстика 1, управляющий микроконтроллер и преобразователь уровней TTL-RS232. Вторичный контроллер содержит только микроконтроллер для определения текущего состояния элементов управления джойстика 2. Элементы управления джойстика 1 показаны на рис. 2, а джойстика 2 - на рис. 3.

Джойстик 1 оборудован двумя рычагами, которые могут двигаться вдоль оси джойстика и имеют по семь фиксированных положений. Каждый рычаг соединен с осью, где установлены коленчатые толкатели, взаимное расположение которых относительно концевых контактов задает одно из семи кодовых состояний.

R L

R Правый рычаг джойстика

L Левый рычаг джойстика

С Клавиша «Сигнал»

P Педаль «Тормоз»

F Движение «Вперёд» крана по рельсам

В Движение «Назад» крана по рельсам

X1-X6 Концевые контакты, состояние которых кодирует положение соответствующего рычага джойстика

Рис. 2. Расположение элементов управления джойстика 1 портального крана «GANZ»

1 ^3

S9

V Перемещение рычага джойстика по вертикали

н Перемещение рычага джойстика по горизонтали

S Клавиша «Стоп двигатель»

Х-Х 1 4 Концевые контакты, состояние которых кодирует положение соответствующего рычага джойстика

Рис. 3. Расположение элементов управления джойстика 2 портального крана «GANZ»

Джойстик 2 оборудован одним рычагом, который имеет 5 дискретных положений по вертикали и 3 - по горизонтали. Рычаг джойстика подключен к блокам концевых контактов, сигналы с которых кодируют текущее положение рычага.

Связь между первичным и вторичным контроллером осуществляется по двухпроводной линии: первичный контроллер выдает управляющие сигналы синхронизации, а вторичный контроллер последовательно передает данные по ниспадающему фронту синхросигнала.

Управляющий микроконтроллер первичного контроллера передает данные о состоянии элементов управления джойстика 1 и джойстика 2 на персональный компьютер по последовательному интерфейсу ЯБ232С, используя преобразователь уровней. При этом, если необходимо, может быть использован преобразователь иБВ-Я8232С.

Режимы работы управляющего микроконтроллера задаются с помощью управляющих слов, передаваемых с персонального компьютера контроллеру, и могут быть следующими:

- передача непрерывного потока данных о состоянии элементов управления джойстиков;

- передача данных о состоянии элементов управления джойстиков только при изменении состояния одного из элементов управления;

- передача состояния элементов управления джойстиков по запросу программной части тренажера.

При использовании реального образца промышленного джойстика определение текущего положения рычага может сводиться к тому, чтобы сравнивать сигналы с блока концевых контактов с заданной в микроконтроллере таблицей истинности. Но по причине того, что концевые контакты, как и любые негерметичные механические контакты, не могут обеспечить 100 % надежности срабатывания, в контроллере принимаются дополнительные меры по обеспечению правильного распознавания состояния каждого из рычагов джойстиков. К таким мерам можно отнести аппаратные (нанесение на проводящие элементы концевых контактов тонкого слоя токопроводящего клея; подключение блока герметичных контактов) и программные (сохранение и выдача предыдущего состояния рычага джойстика в течение некоторого интервала времени, если текущее состояние не удается определить, например, при медленном изменении положения рычага; выделение из запрещенных состояний таблицы истинности некоторого числа условных состояний и добавление их к рабочим состояниям).

Внешний вид первичного контроллера приведен на рис. 4.

Рис. 4. Внешний вид первичного контроллера

Контроллеры, как первичный, так и вторичный, состоят из двух печатных плат - непосредственно печатной платы контроллера и печатной платы с блоком клеммников. Первичный контроллер может получать электрическое питание как от разъема и8В, расположенного на задней панели, так и от встроенных аккумуляторов. Максимальный потребляемый ток при напряжении 5 В составляет не более 20 мА.

Заключение. Универсальность тренажера заключается в обеспечении подготовки различного рода операторов в зависимости от типа используемых промышленных джойстиков и модели крана в программной среде.

Благодаря внедрению тренажера оператора портального крана значительно повышается безопасность обучения, снижаются аварийность и сроки подготовки операторов.

Библиографический список

1. М.С. Тер-Мхитаров. Оператор перегрузочных машин. -Пермь: Перм. книжное изд-во, 1982.

2. Инструкция по эксплуатации портальных кранов «Альбатрос» грузоподъемностью 10/20 т постройки 1972-1974 гг. - М.: ЦРИА «Морфлот», 1979. - 124 с.

Получено 04.10.2010