УСТРОЙСТВО БЕЗОПАСНОСТИ ГРУЗОПОДЪЕМНОГО КРАНА

Полезная модель относится к подъемно-транспортному машиностроению и может быть использована в системах защиты и управления грузоподъемных кранов.
Из патентов US 5730305 А, В 66 С 13/16, 13/18, 24.03.1998 г. и RU 2023452 C1, МПК6 B 66 C 13/18, 15/00, 23/88, 20.10.1997 г. известно устройство безопасности грузоподъемного крана, содержащее датчики его рабочих параметров, в том числе датчик угла наклона стрелы, датчик длины стрелы и датчик нагрузки, цифровой микропроцессорный вычислитель, запоминающее устройство, выходное устройство и графический дисплей. Входы/выходы цифрового вычислителя подключены к входам/выходам дисплея и датчиков рабочих параметров крана, входы выходного устройства подключены к выходам цифрового вычислителя, а его выходы подключены к исполнительным электрогидравлическим устройствам крана.
Недостатком этого устройства является отсутствие формирования звуковых предупреждающих сообщений для крановщика.
Этого недостатка не имеет устройство безопасности грузоподъемного крана по патенту US 4368824, G 08 B 21/00, B 66 C 23/90 В, 18.01.1983 г., наиболее близкое к предложенному и содержащее датчики параметров работы грузоподъемного крана, выходное устройство, графический или алфавитно-цифровой дисплей, звуковой сигнализатор и цифровой вычислитель, реализованный на основе микроконтроллера, в корпусе которого интегрированы (т.е. выполнены в виде одной интегральной микросхемы) процессор и подключенные к нему блоки оперативной памяти информационной емкостью 512 байт, энергонезависимой памяти информационной емкостью 8 кбайт и блоки периферийных устройств, причем входы, выходы и двунаправленные
входы/выходы блоков периферийных устройств непосредственно и через дополнительные согласующие устройства соединены с соответствующими выходами, входами и двунаправленными выходами/входами датчиков параметров работы грузоподъемного крана, графического или алфавитно-цифрового дисплея, звукового сигнализатора и выходного устройства, выходы которого подключены к исполнительным устройствам грузоподъемного крана.
Недостатком известного устройства является пониженная эффективность защиты грузоподъемного крана от перегрузок и повреждений, вызванная невысоким быстродействием устройства, а также невысокой информативностью отображения информации о работе грузоподъемного крана на дисплее и невысокой информативностью предупреждающих сообщений, формируемых с помощью звукового сигнализатора. Это обусловлено низкими вычислительными возможностями микроконтроллера - малой информационной емкостью блоков памяти и малой разрядностью процессора.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявленная полезная модель, является повышение эффективности защиты грузоподъемного крана от перегрузок и повреждений путем повышения быстродействия срабатывания устройства защиты в динамических режимах работы крана, а также повышения информативности отображения информации о работе грузоподъемного крана на дисплее и информативности предупреждающих сообщений, формируемых звуковым сигнализатором.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве безопасности грузоподъемного крана, содержащем датчики параметров его работы, выходное устройство, графический или алфавитно-цифровой дисплей, звуковой сигнализатор и цифровой вычислитель, выполненный на основе микроконтроллера, в корпусе которого интегрированы процессор и подключенные к нему блоки оперативной памяти, энергонезависимой памяти и периферийных устройств, причем входы, выходы и/или двунаправленные входы/выходы последних непосредственно и/или через дополнительные согласующие устройства соединены с соответствующими выходами, входами
и/или двунаправленными выходами/входами датчиков параметров работы грузоподъемного крана, графического или алфавитно-цифрового дисплея, звукового сигнализатора и выходного устройства, по меньшей мере, один выход которого подключен к, по меньшей мере, одному исполнительному устройству грузоподъемного крана, при этом, согласно полезной модели, архитектура процессора реализована с возможностью обработки 32-разрядного базового ограниченного набора команд RISC (Reduced Instruction Set Computing) и/или с возможностью обработки данных в 32-разрядном формате, блок оперативной памяти имеет информационную емкость не менее 2 кбайт, а блок энергонезависимой памяти имеет информационную емкость не менее 128 кбайт.
Указанный технический результат может быть получен также за счет того, что согласующее устройство датчиков параметров работы грузоподъемного крана с микроконтроллером выполнено в виде интерфейса обмена данными по мультиплексному каналу, а микроконтроллер и, по меньшей мере, один датчик параметров работы грузоподъемного крана, выполнены с возможностью обмена данными по этому каналу, либо одно из периферийных устройств микроконтроллера выполнено в виде аналого-цифрового преобразователя, а датчики параметров работы грузоподъемного крана выполнены с возможностью формирования аналоговых выходных сигналов и своими выходами соединены с входами аналого-цифрового преобразователя.
Реализация указанных отличительных признаков независимого пункта формулы заявленной полезной модели, а именно, реализация архитектуры процессора с возможностью обработки 32-разрядного базового ограниченного набора команд RISC (Reduced Instruction Set Computing) и обработки данных в 32-разрядном формате, а также увеличение информационной емкости блоков оперативной и энергонезависимой памяти не менее чем, соответственно, до 2 килобайт и до 128 кбайт, обеспечивает существенное увеличение вычислительных возможностей микроконтроллера. Благодаря этому повышается быстродействие работы устройства защиты и, соответственно, обеспечивается
более быстрое формирование команд управления исполнительными устройствами и блокирование работы крана в динамических режимах его работы при возникновении опасных ситуаций. Это обеспечивает существенное повышение эффективности защиты крана от перегрузок и повреждений.
Кроме того, известно, что формирование графических изображений и обработка речевых файлов требуют больших вычислительных ресурсов микроконтроллера и невозможны при той конфигурации и при тех параметрах вычислительного устройства, которые использованы в известном устройстве. Поэтому реализация обработки 32-разрядного базового ограниченного набора команд RISC и обработка данных в 32-разрядном формате, а также увеличение информационной емкости блоков оперативной и энергонезависимой памяти позволяет повысить информативность отображения информации на дисплее, в частности реализовать цветное графическое отображение информации, отображение движения механизмов крана в динамических режимах его работы в режиме мультипликации и т.д., а также, благодаря возможности обработки процессором звуковых файлов, сформировать речевые предупреждающие сообщения для крановщика.
Повышение информативности отображения информации позволяет крановщику более оперативно и более точно оценивать работу грузоподъемного крана в динамических режимах его работы, более оперативно реагировать на возникающие потенциально опасные ситуации и, соответственно, более оперативно принимать меры по их предотвращению. Это также приводит к повышению эффективности защиты крана от перегрузок и повреждений.
Поэтому отличительные признаки независимого пункта формулы находятся в прямой причинно-следственной связи с достижением указанного технического результата, т.е. являются существенными.
Применение быстродействующего аналогового или цифрового мультиплексного канала обмена данными между датчиками и процессором, реализованного в соответствии с признаками зависимых пунктов формулы, позволяет
повысить быстродействие и надежность передачи данных, что приводит к повышению эффективности защиты крана от перегрузок и повреждений и, соответственно, также находится в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом.
На чертеже в качестве примера приведена функциональная схема устройства безопасности грузоподъемного крана.
Устройство содержит цифровой вычислитель, реализованный на основе микроконтроллера 1, например семейства ML 67XXXX фирмы Oki, и датчики параметров работы крана 2, подключенные к микроконтроллеру 1 непосредственно или через одно из согласующих устройств 3 при помощи отдельных проводов или по мультиплексному каналу обмена данными - CAN, LIN и т.п. К датчикам 2 относятся, в частности, датчик нагрузки, выполненный, например, в виде тензометрического датчика силы, установленного в стреловом или грузовом канате или в виде тензометрических датчиков давления, установленных в гидроцилиндре подъема стрелы, датчик угла наклона стрелы, выполненный, например, в виде микромеханического кремниевого акселерометра/инклинометра, потенциометрический датчик угла азимута, потенциометрический датчик длины стрелы, выполненный в виде кабельного барабана с редуктором, концевой выключатель предельного подъема грузозахватного органа, концевые выключатели положений органов ручного управления гидравлической системы крана, концевой выключатель положения опор крана, датчик приближения к линии электропередачи и т.д. Конкретный набор датчиков 2 определяется исходя из установленных требований к устройству безопасности и конструктивных особенностей конкретного типа грузоподъемного крана.
Устройство безопасности содержит также графический или алфавитно-цифровой дисплей 4, например цветной жидкокристаллический матричный дисплей AR320240G фирмы Ampire или жидкокристаллический алфавитно-цифровой дисплей типа PC1602LRU фирмы Powertip. Дисплей 4 может содержать встроенный контроллер этого дисплея, подключенный к микроконтроллеру
1, либо микроконтроллер 1 может содержать встроенный контроллер дисплея, что не имеет принципиального значения.
Выходы или двунаправленные входы/выходы микроконтроллера 1 непосредственно (на чертеже условно не показано) или через согласующие устройства 3 подключены к входам или к двунаправленным входам/выходам выходного устройства 5, по меньшей мере, один выход которого подключен к, по меньшей мере, одному исполнительному устройству грузоподъемного крана, выполненному, например, в виде электрогидравлического клапана или контактора (магнитного пускателя), осуществляющего блокирование опасных перемещений механизмов крана. На грузоподъемном кране может быть установлено либо одно, либо несколько исполнительных устройств.
Выходное устройство 5 может быть выполнено в виде набора силовых электронных ключей или электромагнитных реле с соответствующими драйверами. Это устройство 5 может быть также выполнено на основе микроконтроллера и подключенных к нему силовых электронных ключей или электромагнитных реле, выходы которых подключаются к исполнительному устройству крана. Соединение выходного устройства 5 с микроконтроллером 1 или с одним из согласующих устройств 3, в зависимости от варианта исполнения, может осуществляться при помощи отдельных линий связи или мультиплексного канала обмена данными. В последнем случае согласующие устройства 3 включают в себя соответствующий контроллер, трансивер или драйвер, обеспечивающий двунаправленную передачу сигналов по последовательному мультиплексному каналу связи.
Датчики параметров работы грузоподъемного крана 2 могут быть выполнены с аналоговыми выходами, в частности в виде напряжений или токов, например стандартных уровней 0-5 В или 4-20 мА. В этом случае подключение датчиков 2 к микроконтроллеру 1 или к одному из согласующих устройств 3 осуществляется по отдельным проводам. В этом случае это согласующее устройство или микроконтроллер 1 содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП), в общем случае многоканальный (по числу датчиков
2), входы которого подключены к выходам датчиков 2. Причем согласующее устройство 3 в этом случае содержит цепи защиты сигнальных цепей/входов от перенапряжений и, в случае применения датчиков 2 с токовым выходом - нагрузочные резисторы.
Датчики параметров работы грузоподъемного крана 2 могут быть выполнены также цифровыми с последовательным мультиплексным каналом обмена данными. В этом случае каждый датчик 2 содержит последовательно соединенные первичный преобразователь, собственный АЦП датчика, микроконтроллер датчика (или микроконтроллер датчика со встроенным АЦП) и контроллер, трансивер или драйвер мультиплексного канала обмена данными последовательного интерфейса LIN (Local Interconnect Network), J1850 (SAE), CAN (Controller Area Network), CarLink, VAN, A-bus, RS-232C, MIDI, Micro-LAN и т.п., выполненный в виде специализированной микросхемы. Аналогичный контроллер, трансивер или драйвер мультиплексного канала обмена данными имеет и одно из согласующих устройств 3, к которому параллельно подключаются эти датчики 2. К этому же каналу может быть подключено и выходное устройство 5, если передача в него сигналов управления исполнительными устройствами крана также реализована по мультиплексному каналу обмена данными.
Трансивер, контроллер или драйвер последовательного интерфейса может быть также встроен в микроконтроллер 1, в микроконтроллер любого датчика 2 или в микроконтроллер выходного устройства 5 (при наличии микроконтроллеров в датчиках 2 и/или в выходном устройстве 5).
К микроконтроллеру 1 могут быть дополнительно подключены звуковой или речевой сигнализатор 6, выполненный, например, в виде усилителя мощности и громкоговорителя, органы управления 7, выполненные, например, в виде кнопок или переключателей, а также дополнительное цифровое запоминающее устройство регистратора параметров, выполненное, например, в виде микросхем Flash-памяти, часы реального времени и другие устройства, условно не показанные на чертеже.
Микроконтроллер 1 содержит процессор 8, выполненный с ядром ARM (Advanced RISC Machines Ltd.), с ограниченным набором команд RISC (Reduced Instruction Set Computing). ARM-архитектура процессора основана на обработке 32-разрядного базового комплекта команд и обработке данных в 32-разрядном формате. В корпус микроконтроллера 1 интегрированы (содержатся в нем) и при помощи системной шины подключены в процессору 8 блоки оперативной памяти 9 информационной емкостью не менее 4 кбайт, блоки энергонезависимой памяти 10 информационной емкостью не менее 128 кбайт и блоки различных периферийных устройств 11 (в зависимости от конкретного типа микроконтроллера 1) - блоки АЦП, цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), портов ввода/вывода, таймеров, контроллера дисплея, последовательного интерфейса и т.д.
Блок оперативной памяти 9 может быть выполнен в виде статического оперативного запоминающего устройства, а блок энергонезависимой памяти 10 - в виде Flash-памяти (энергонезависимой полупроводниковой перезаписываемой памяти с произвольным доступом), либо в виде ROM-памяти - постоянного масочного запоминающего устройства.
При этом все ранее описанные соединения микроконтроллера 1 с согласующими устройствами 3, дисплеем 4, звуковым сигнализатором 6, органами управления 7 и с другими устройствами, условно не показанными на чертеже, осуществляются с соответствующими входами, выходами или двунаправленными входами/выходами соответствующих периферийных устройств 11 микроконтроллера 1. В частности, входы звукового сигнализатора 6 могут быть подключены к выходу периферийного устройства - ЦАП, выходы органов управления 7 - к портам ввода/вывода, входы/выходы согласующих устройств 3 - к блокам последовательного интерфейса или к портам ввода/вывода, входы или входы/выходы дисплея 4 - к портам ввода/вывода или к встроенному контроллеру жидкокристаллического индикатора микроконтроллера 1. Дополнительный блок памяти и часы реального времени, если
они имеются в устройстве, могут быть подключены к периферийным устройствам 11, реализующим последовательный интерфейс SPI или I2C.
Для работы микроконтроллера 1 в составе устройства безопасности крана, к нему дополнительно подключаются тактовый генератор 12, цепи питания, цепи начального сброса и, при необходимости, другие дополнительные цепи и устройства, предусмотренные схемой включения микроконтроллера 1 соответствующего типа. Указанные цепи и устройства вместе с микроконтроллером 1 образуют цифровой вычислитель.
Микроконтроллер 1, согласующие устройства 3, графический или алфавитно-цифровой дисплей 4, выходное устройство 5, звуковой сигнализатор 6 и, при необходимости, органы управления 7 и другие подключенные к микроконтроллеру 1 устройства могут быть выполнены в виде единого электронного блока, именуемого блоком индикации, блоком обработки данных, центральным контролером устройства безопасности и т.п.
Возможна также многоблочная реализация устройства безопасности, при которой, кроме датчиков 2, присутствует два и более электронных блока. Например, выходное устройство 5 может быть выполнено в отдельном корпусе, т.е. может быть вынесено в отдельный блок (блок расширения, выходной блок, исполнительный контроллер системы безопасности и т.п.).
Устройство безопасности грузоподъемного крана работает следующим образом.
Перед началом работы грузоподъемного крана, крановщиком, если это необходимо для данной конструкции грузоподъемного крана, при помощи органов управления 7 задаются и вводятся в микроконтроллер 1 данные о режиме и параметрах работы устройства безопасности - тип использующегося стрелового оборудования, положение опор, кратность запасовки грузового полиспаста, параметры координатной защиты и т.д. Эти данные сохраняются в блоке энергонезависимой памяти 10 или в дополнительном цифровом запоминающем устройстве, которое на чертеже условно не показано.
В процессе выполнения грузоподъемных операций, процессор 8 микроконтроллера 1, работая по программе, предварительно записанной в его энергонезависимой памяти 10, по отдельным линиям связи или по мультиплексному каналу обмена данными получает от датчиков 2 текущие значения рабочих параметров грузоподъемного крана. На основании этих данных, в соответствии с заранее записанным в блоке энергонезависимой памяти 10 порядком (алгоритмом) обработки этих параметров, процессор 8 микроконтроллера 1 вычисляет текущую нагрузку грузоподъемного крана и положение его грузоподъемного стрелового оборудования. Вычисления производятся с использованием математической модели грузоподъемного крана. Промежуточные результаты вычислений хранятся в блоке оперативной памяти 9. При этом, особенно для большегрузных мобильных кранов с многосекционной телескопической стрелой, определение нагрузки и вылета с учетом прогиба стрелы требует повышенных вычислительных возможностей системы безопасности грузоподъемного крана, в том числе ее быстродействия, поскольку это определение осуществляется в реальном масштабе времени. С этой целью используется высокопроизводительный микроконтроллер 1 с 32-х разрядным процессором 8.
Допустимые режимы нагружения в виде грузовых характеристик крана хранятся в энергонезависимой памяти 10 микроконтроллера 1 цифрового вычислителя или в дополнительном цифровом энергонезависимом запоминающем устройстве.
Процессор 8 микроконтроллера 1 осуществляет сравнение фактического нагружения крана с предельно-допустимым, а также сравнение фактического положения грузоподъемного стрелового оборудования с зоной допустимых положений стрелы, заданных крановщиком при введении координатной защиты и, в зависимости от результатов указанных сравнений, через соответствующее периферийное устройство 11 и, при необходимости, через соответствующее согласующее устройство 3, по отдельным проводам или по мультиплексному каналу обмена данными передает на выходное устройство 5 сигналы
разрешения включения исполнительных устройств крана 6 только в том случае, если существующие в текущий момент параметры и режимы работы грузоподъемного крана являются для него безопасными. Если же существующие в текущий момент времени параметры и режимы работы крана выходят за допустимые пределы, микроконтроллер 1 отключает сигналы разрешения включения исполнительных устройств крана 6, блокируя его работу. Благодаря этому обеспечивается защита крана от перегрузки и координатная защита.
При этом, благодаря повышенной разрядности процессора, исключению циклов ожидания в процессорах с ARM архитектурой и выполнению команд в RISC процессорах, как правило, за один машинный цикл, обеспечивается повышенное быстродействие формирования сигналов управления исполнительными устройствами крана. Это обеспечивает более эффективную защиту крана от перегрузок и повреждений, особенно в динамических режимах его работы.
Основные рабочие параметры и режимы работы грузоподъемного крана, а также предупреждающие сообщения для крановщика о срабатывании какой-либо защиты, о приближении рабочих параметров крана к предельно-допустимым значениям и т.п. отображаются на дисплее 4. При этом на дисплее 4 формируются графические (при использовании символьного дисплея - псевдографические) изображения, предпочтительно цветные, в том числе изображения реальных механизмов грузоподъемного крана в динамических режимах его работы. Это требует больших объемов информации для поддержки дисплея и усложняет программу работы процессора 8. По этой причине в заявленной полезной модели используются блоки оперативной 9 и долговременной памяти 10 с повышенной информационной емкостью. Отображение информации на дисплее в простой и наглядной форме позволяет крановщику более оперативно и более точно оценивать работу крана в динамических режимах работы крана и более оперативно принимать меры по предотвращению возникающих потенциально опасных ситуаций. Это приводит
к повышению эффективности защиты крана от перегрузок и повреждений.
Кроме того, для уменьшения времени реакции оператора при опасных эволюциях крана, в предложенном устройстве формируются речевые предупреждающие сообщения для крановщика. С этой целью используется 32-х разрядный процессор с повышенными вычислительными ресурсами, обеспечивающий возможность обработки процессором звуковых файлов, а также соответствующие звуковые файлы и подпрограмма работы процессора 8 в режиме обработки звуковых файлов, хранящиеся в энергонезависимой памяти 10 или в дополнительном запоминающем устройстве.
Сформированные речевые предупреждающие сообщения дают крановщику непосредственные указания к действию, что исключает время на обдумывание этих сообщений и, соответственно, значительно уменьшает время реакции крановщика при возникновении опасных ситуаций при работе грузоподъемного крана. Это приводит к уменьшению задержки воздействия оператора на органы управления краном и, соответственно, повышает безопасность его работы.
С учетом изложенного, реализация отличительных признаков заявленной полезной модели обеспечивает повышение эффективности защиты грузоподъемного крана от перегрузок и повреждений путем повышения быстродействия срабатывания устройства защиты в динамических режимах работы крана, а также путем уменьшения времени реакции оператора на возникающие при работе крана опасные ситуации за счет повышения информативности отображения информации о работе грузоподъемного крана на дисплее и информативности звуковой сигнализации.