ЛИНИЯ СВЯЗИ МЕЖДУ МОДУЛЯМИ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ, УПРАВЛЕНИЯ И БЕЗОПАСНОСТИ ГРУЗОПОДЪЕМНОГО КРАНА

Полезная модель относится к подъемно-транспортному машиностроению и может быть использована в системах контроля, управления и безопасности грузоподъемных кранов с проводной и беспроводной передачей данных между модулями системы, в частности между информационно-управляющим блоком и периферийными устройствами регистрации параметров крана, имеющих, в том числе нестандартный протокол обмена данными.
Известна кабельная линия связи между модулями систем контроля, управления и безопасности грузоподъемных кранов, включающая двухпроводную линию обмена данными между измерительными модулями и информационно-управляющим модулем (RU 38747 U1, 05.04.2004).
Такая линия связи обладает недостаточной помехозащищенностью от линий электропередач, грозовых разрядов и иных атмосферных явлений, а также при работе в условиях промышленных объектов: в непосредственной близости от мощных двигателей, сварочных агрегатов, коммутирующей аппаратуры, электроплавильных печей или других источников сильного электромагнитного излучения. В такой среде очень велика вероятность потерь данных или возникновения ошибок при передаче информации с последующим отключением приборами безопасности дорогостоящего оборудования, что увеличивает стоимость его простоя, а в некоторых случаях является совершенно недопустимым, например, в металлургическом производстве. Снижает также помехозащищенность системы использование кабелей с традиционным способом их экранирования - оплеткой, так как оплетка не обладает удовлетворительными экранирующими способностями в широком диапазоне частот и вообще не экранирует провода от магнитного поля. Кроме того, одна из наиболее серьезных проблем, возникающих при передаче данных между электронными устройствами - несовпадение нулевых потенциалов этих устройств, так называемых «земель». Если непосредственно соединить земляные цепи разных устройств при помощи провода или экрана кабеля, то возникают паразитные контуры, по которым начинают проходить земляные токи. Они вызывают искажения сигналов, помехи и повышенный уровень излучения, а при большой разности земляных потенциалов могут приводить к повреждениям устройств.
Известна также беспроводная линия связи между модулями систем контроля, управления и безопасности грузоподъемных кранов, содержащая введенные в модули передатчики и приемники радиочастотного излучения, входы и выходы которых соединены соответственно с выходами блоков формирования и с входами блоков приема последовательных цифровых сигналов соответствующих модулей, а также соединяющий приемопередатчики модулей радиоканал передачи данных (RU 2251524 С2, 10.05.2005).
Данная беспроводная линия связи также не позволяет решить задачу помехозащищенности линии связи по целому ряду причин. Одним из самых главных недостатков данной линии связи является то, что цифровой последовательный код, используемый в модулях для проводной связи, передается и принимается приемопередатчиками без какого бы то ни было преобразования его в код для радиопередачи. Известно, что протоколы передачи данных по проводным и по беспроводным каналам имеют совершенно разную структуру, кодировку и методы контроля правильности обмена и способы обеспечения помехозащищенности, обусловленные именно особенностями среды передачи сигнала - по проводам или по радио. А в системах безопасности, в силу присущих им особенностей, зачастую применяются нестандартные протоколы проводного обмена, что делает просто невозможной их непосредственную передачу или прием посредством радиоканала, так как приемопередатчики обычно выполняются в виде законченных микросхем промышленного изготовления, на вход которых должен подаваться строго определенный сигнал, а не произвольный сигнал, как это предлагается в данной линии связи. Высокочастотный приемопередатчик типа R5/T5 фирмы Solutions, приведенный в описании примера реализации такой линии связи, вообще не может быть использован для передачи или приема какого бы то ни было известного последовательного протокола и может использоваться лишь в простейших изделиях типа брелков для дистанционного (на расстояние 3-5 м) включения иммобилайзеров и постановки автомобилей на охрану.
Кроме того, известная линия связи имеет и другие существенные недостатки. Это, в первую очередь, «введенные в модули передатчики и приемники радиочастотного излучения». Введение в модуль управления, устанавливаемый в кабине оператора крана, приемопередатчика радиоизлучения приводит к длительному облучению оператора крана и может оказаться небезопасным для его здоровья. Информационно-управляющий модуль и остальные модули системы безопасности при этом теряют универсальность использования, т.е. не могут использовать в случае необходимости кабельную линию связи, которая имеет гораздо меньшую стоимость изготовления и при отсутствии помех более целесообразна, чем радиоканал. Введение в каждый модуль системы безопасности приемопередатчика неоправданно значительно повышает стоимость всей системы, усложняет ее конструкцию, настройку и эксплуатацию.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели по совокупности существенных признаков является кабельная линия связи между модулями системы контроля, управления и безопасности грузоподъемного крана, содержащая двухпроводную линию обмена данными для приема и передачи последовательных цифровых сигналов, снабженную блоком гальванической развязки в виде цифрового изолятора (RU 187418 U1, 10.10.2009).
Данная кабельная линия связи успешно решает вопросы помехозащищенности, благодаря наличию гальванической развязки в цепях питания и проводных сигнальных цепях, соединяющих модули системы безопасности грузоподъемного крана. Однако эта линия является кабельной и не допускает возможности соединения базового модуля с модулями, установленными на подвижных и/или вращающихся узлах крана. На мостовых кранах, например, такими узлами являются: поворотная грузовая тележка с углами поворота, большими 360°, грузовая тележка с троллейным токоподводом, крюковая обойма с установленным в ней датчиком силы, а также подвижная кабина оператора крана для козловых и контейнерных кранов. На кранах обычно даже неподвижные кабельные соединения между модулями системы безопасности подвержены частым и многочисленным разрывам, а соединения с подвижными модулями по кабелю просто невозможны.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является создание линии связи между модулями системы контроля, управления и безопасности грузоподъемного крана, обладающей повышенной надежностью передачи данных между базовым модулем данной системы и периферийными модулями, в том числе модулями, которые в процессе работы крана перемещаются и/или вращаются, и сочетающей в себе относительно невысокую стоимость и простоту кабельного соединения между расположенными рядом модулями системы безопасности с высокой помехозащищенностью гальванической развязки между разнесенными модулями системы безопасности.
Поставленные технические задачи решаются тем, что линия связи между модулями системы контроля, управления и безопасности грузоподъемного крана, содержащая двухпроводную линию обмена данными для приема и передачи последовательных цифровых сигналов, снабженную блоком гальванической развязки, согласно полезной модели, выполнена комбинированной, с проводной и беспроводной передачей данных, и включает в себя два концевых участка в виде отрезков указанной двухпроводной линии обмена данными и расположенный между ними участок беспроводной передачи данных, включающий в себя два радиочастотных приемопередатчика и соединяющий их радиоканал передачи данных, образующих совместно указанный блок гальванической развязки, при этом каждый приемопередатчик снабжен подключенным к нему с помощью двухстороннего канала обмена данными блоком согласования протоколов обмена данными с соответствующим модулем или группой модулей, размещенных в одной конструкционной зоне крана и соединенных с линией связи с помощью локальных двухпроводных линий.
Предпочтительно, блоки согласования выполнены на основе микроконтроллеров.
Кроме того, линия связи может включать в себя, по крайней мере, один активный ретранслятор в виде дополнительного радиочастотного приемопередатчика, установленного на промежуточном пункте линии связи для приема, усиления и дальнейшей передачи радиосигналов от промежуточного пункта к приемному модулю.
Выполнение линии связи комбинированной, с проводной и беспроводной передачей данных, повышает надежность передачи данных между модулями за счет исключения возможности механического повреждения длинных кабельных линий связи. При этом сохраняется высокая помехозащищенность модулей от электромагнитных наводок на длинные линии связи за счет гальванической развязки между модулями системы безопасности грузоподъемного крана, установленными на разнесенных узлах конструкции крана и дает возможность установки части модулей системы безопасности на движущихся и/или вращающихся узлах крана, поэтому такое исполнение линии связи предпочтительно на мостовых, козловых, контейнерных и башенных кранах, где протяженность линии связи составляет 100 м и более, а также на кранах, работающих в непосредственной близости от источников сильного электромагнитного излучения, например, в металлургическом производстве. Кроме того, выполнение концевых участков линии связи в виде отрезков двухпроводной линии обмена данными позволяет организовать радиоканал передачи данных с минимальным искажением радиосигнала путем удаления приемопередатчика от затеняющих металлических элементов конструкции крана, а также позволяет уменьшить влияние излучения приемопередатчика, подключенного к модулю, расположенному в кабине крана, на здоровье оператора крана, путем вынесения приемопередатчика за пределы кабины крана. Снабжение каждого приемопередатчика блоком согласования протоколов обмена данными с модулем системы контроля, управления и безопасности грузоподъемного крана или группой модулей, размещенных в одной конструкционной зоне крана и соединенных с линией связи с помощью локальных двухпроводных линий, позволяет использовать в данной системе периферийные модули для регистрации параметров крана, имеющие, в том числе, нестандартный протокол обмена данными, например, RS232, RS422, RS485 и др. При этом модули системы безопасности остаются универсальными и допускают использование их без каких-либо конструктивных доработок в системах безопасности грузоподъемных кранов как с кабельными линиями связи между модулями, так и с беспроводными или комбинированными линиями связи.
Выполнение блоков согласования на основе микроконтроллеров обеспечивает упрощение конструкции блока согласования и позволяет выполнить его универсальным для согласования различных проводных протоколов с протоколом радиопередатчика за счет использования различных ветвей программы, прошитой в памяти микроконтроллера.
Включение в линию связи, по крайней мере, одного активного ретранслятора в виде дополнительного радиочастотного приемопередатчика, установленного на промежуточном пункте линии связи для приема, усиления и дальнейшей передачи радиосигналов от промежуточного пункта к приемному модулю повышает надежность передачи данных между модулями системы, а также позволяет существенно увеличить дальность действия линии связи без существенного увеличения мощности и чувствительности приемопередатчика.
Технический результат от использования данной полезной модели - повышенная надежность передачи данных между модулями системы контроля, управления и безопасности грузоподъемного крана, в том числе между модулями, которые в процессе работы крана перемещаются и/или вращаются.
На фиг.1 показана комбинированная линия связи между двумя модулями системы контроля, управления и безопасности грузоподъемного крана; на фиг.2 - соединение с помощью предлагаемой линии связи базового модуля данной системы и группы периферийных модулей.
По первому примеру исполнения линия 1 связи между модулями 2 и 3 системы контроля, управления и безопасности грузоподъемного крана, включает в себя два концевых участка в виде отрезков 4 и 5 двухпроводной линии обмена данными для приема и передачи последовательных цифровых сигналов и расположенный между ними участок беспроводной передачи данных, включающий в себя два радиочастотных приемопередатчика 6 и 7 с подключенными к ним антеннами 8 и 9 и соединяющий их радиоканал передачи данных, образующих совместно блок гальванической развязки. Приемопередатчик 6 снабжен подключенным к нему с помощью двухстороннего канала 10 обмена данными блоком 11 согласования протоколов обмена данными с модулем 2, а приемопередатчик 7 снабжен подключенным к нему с помощью двухстороннего канала 12 обмена данными блоком 13 согласования протоколов обмена данными с модулем 3. Модуль 2 является базовым - информационно-управляющим, а модуль 3 - информационно-измерительным, например, одним из цифровых датчиков параметров работы крана. Информационно-управляющий модуль 2 системы безопасности грузоподъемного крана может иметь и другое наименование, например, «Блок отображения информации», «Блок управления» и др.
Электропитание приемопередатчика 6 и блока 11 согласования, подключенного к информационно-управляющему модулю 2, осуществляется с помощью двухпроводной линии от блока питания, входящего в состав данного модуля (на чертеже не показано). Электропитание модуля 3, блока 13 согласования и приемопередатчика 7 осуществляется с помощью двухпроводной линии от автономного бесперебойного источника питания, например, от аккумулятора, снабженного блоком подзарядки (на чертеже не показано). Блок подзарядки может быть выполнен в виде солнечного элемента или с периодическим питанием от напряжения, подаваемого периодически на расположенные рядом электроприводы и узлы крана.
Для реализации системы беспроводной передачи данных можно использовать, например, радиомодули ХВ24 компании Digi (бывшая компания MaxStream), с приемопередатчиками, работающими на частоте 2,4 ГГц.
Блок 11 (13) согласования протоколов в зависимости от сложности преобразования может быть выполнен на одном или двух микроконтроллерах. При этом в качестве первого микроконтроллера может быть использован микроконтроллер, входящий в состав модуля приемопередатчика, например, MC9S08GT60 фирмы Freescale Semiconductor, а в качестве второго микроконтроллера может быть использован микроконтроллер MSP430F149 фирмы Texas Instruments (США), характеризующийся сверхнизким энергопотреблением, что важно для модулей с автономным питанием от аккумулятора или батарейки.
На фиг.2 показано в качестве примера соединение с помощью предлагаемой линии связи модуля 2 - информационно-управляющего модуля данной системы и группы, состоящей, например, из трех информационно-измерительных и/или исполнительных модулей 14-16, размещенных в одной конструкционной зоне крана, например, на поворотной или выдвижной части крана, и соединенных с линией 1 связи с помощью локальных двухпроводных линий 17. Линия связи дополнительно включает в себя активный ретранслятор 18 в виде дополнительного радиочастотного приемопередатчика, установленного на промежуточном пункте линии связи для приема, усиления и дальнейшей передачи радиосигналов от промежуточного пункта к приемному модулю.
Информационно-измерительные и/или исполнительные модули 14-16 включают в себя первичные преобразователи измеряемых и/или контролируемых рабочих параметров грузоподъемного крана, характеризующих нагрузку, геометрию, условия или режимы работы крана, например, тензометрические преобразователи давления в штоковой и поршневой полостях гидроцилиндра подъема стрелы, тензометрические преобразователи усилия в грузовом или стреловом канате, потенциометрические преобразователи угла азимута и длины стрелы, акселерометр-преобразователь угла наклона стрелы, концевой выключатель предельного подъема грузозахватного органа, концевой выключатель положения опор крана, управляющие реле и т.д. На чертеже изображены условно только три модуля, контролирующих параметры крана, которых, естественно, может быть больше. Конкретный набор информационно-измерительных модулей определяется исходя из установленных требований к системе безопасности грузоподъемного крана и его конструктивных особенностей.
Передачей данных между модулями системы контроля, управления и безопасности грузоподъемного крана, осуществляется следующим образом.
Информационные и управляющие сигналы, которыми информационно-управляющий модуль 2 обменивается с информационно-измерительным модулем 3 или с группой информационно-измерительных модулей 14-16 (датчиками параметров крана), передаются в цифровом виде в соответствии с выбранным для данной системы контроля, управления и безопасности грузоподъемного крана последовательным интерфейсом для проводной линии связи. Управляющие сигналы поступают по двум сигнальным проводам отрезка 4 двухпроводной линии обмена данными от информационно-управляющего модуля 2 на входы микроконтроллера блока 11 согласования протоколов.
В блоке 11 согласования протоколов происходит преобразование цифрового последовательного сигнала проводной линии связи в цифровой последовательный код для передачи по радиоканалу. Это преобразование, как правило, состоит из одного или нескольких этапов преобразования сигнала. Протокол программирования проводной линии отличается от протокола беспроводной передачи данных прежде всего по уровню программирования от физического протокола до протокола высокого уровня - он может иметь до семи уровней, по частоте, уровням сигнала, числу стартовых и стоповых бит, проверке четности, по длине слова и по его составу, и строится, исходя из требований надежности и помехозащищенности проводной линии связи.
Протокол беспроводной линии, в свою очередь формирует цифровой последовательный сигнал, исходя из требований надежной беспроводной линии связи, защищенной от помех характерных для радиопередачи. Как правило, существуют помехи, характерные только для данного канала, например, синфазная помеха для проводной линии связи, и атмосферный разряд для радиоканала, и борьба с ними ведется разными способами и мероприятиями, так и помехи, которые имеют общий характер и действуют одинаково на передаваемый сигнал, это, в первую очередь переменные электрическое и магнитное поля, помехи, создаваемые при работе частотно-регулируемых проводов и т.д. Блок 11 согласования протоколов осуществляет преобразование проводного стандартного или нестандартного протокола в беспроводный протокол при передаче сигнала и обратное преобразование при приеме. Кроме того, в нем осуществляется формирование пакетов для пакетной передачи данных и обратное преобразование принятых пакетов в последовательный код при приеме.
Сформированный таким образом пакет поступает в приемопередатчик 6, где преобразуется в радиоизлучение, которое принимается соответствующим приемником, преобразуется в блоке 13 согласования в последовательный протокол проводной линии связи и передается по проводной линии связи информационно-измерительному модулю 3 или группе модулей 14-16, которым данный сигнал предназначен. При передаче сигналов по радиоканалу при необходимости может быть использован ретранслятор 18.
Беспроводная передача и прием данных осуществляется на частоте 2,4 ГГц на основе международного стандарта IEEE 802.15.4. Этот стандарт в настоящее время является наиболее употребительным в небольших сетях типа «звезда» для работы с датчиками с низким энергопотреблением. Для него многими производителями электронных компонентов выпускаются приемопередающие радиомодули различной мощности и степени интеграции, в частности приемопередающий модуль ХВ24 компании Digi (бывшая компания MaxStream).
Обратная передача данных от информационно-измерительного модуля 3 или от группы модулей 14-16 к информационно-управляющему модулю 2 осуществляется аналогичным образом.
Заявленная линия связи может быть изготовлена промышленным способом на приборостроительном заводе с использованием современных электронных компонентов и технологий.