СИСТЕМА БЕЗОПАСНОСТИ И УПРАВЛЕНИЯ ГРУЗОПОДЪЕМНОЙ МАШИНЫ

Полезная модель относится к подъемно-транспортному машиностроению и может быть использована в системах безопасности и управления грузоподъемных машин.
Известно устройство безопасности грузоподъемного крана (RU 51606 U1, 27.02.2006), в котором для повышения быстродействия и повышения информативности отображения информации в цифровом вычислителе использован 32-х разрядный RISC микропроцессорный контроллер с внутренним блоком оперативной памяти емкостью не менее 2 кбайт и внутренним блоком энергонезависимой памяти емкостью не менее 128 кбайт. Такое техническое решение повышает производительность вычислительно-управляющего устройства, однако нахождение внутренней памяти в микропроцессорном устройстве не позволяет оперативно изменять ее объем в зависимости от поставленной задачи, что приводит к тому, что при решении задачи, не требующей обработки информации в объеме, который позволяет данное микропроцессорное устройство, стоимость такого устройства оказывается неоправданно завышенной, а в случае решения задачи, требующей большего объема встроенной памяти, чем у данного микропроцессорного устройства, решение задачи становится невозможным, что сужает функциональные возможности такого устройства.
Известно устройство защиты грузоподъемного крана с графическим дисплеем (RU 2326806 С1, 20.06.2008), в котором на экране графического дисплея формируется динамическое отображение рабочей зоны крана и условное изображение крана. Процессор этого устройства периодически формирует графическую информацию и записывает ее в специальный блок памяти графической информации графического дисплея. Недостатком этого устройства является необходимость использования графического дисплея с блоком памяти графической информации, что усложняет и удорожает устройство.
Известно устройство защиты грузоподъемного крана, в котором для идентификации оператора используется модуль считывания биометрической информации (RU 2267457 С2, 27.02.2006). Однако при использовании такого модуля могут возникать проблемы в эксплуатации, например, в случае сдачи крана в аренду, или при необходимости оперативной подмены машиниста крана и других подобных ситуациях, т.к. в памяти устройства может храниться биометрическая информация только ограниченного числа лиц.
Известна система безопасности грузоподъемной машины, в которой цифровой вычислитель и/или датчики рабочих параметров выполнены на основе программируемой системы на кристалле (PSoC) для повышения надежности, снижения габаритов и расширения функциональных возможностей системы (патент RU 51986 U1, 10.03.2006). Однако в настоящее время получили распространение PSoC, в основном, для 8-ми разрядных процессоров, и, кроме того, они позволяют сконфигурировать только относительно простые периферийные устройства.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели по совокупности элементов является система безопасности и управления грузоподъемной машины, содержащая: вычислительно-управляющее устройство, приспособленное для установки операционной системы реального времени и включающее в себя: перепрограммируемое энергонезависимое запоминающее устройство, энергонезависимые часы реального времени, приемопередатчик последовательного интерфейса для подключения к общему интерфейсному каналу, приемопередатчик стандартного интерфейса для связи с другими системами грузоподъемной машины, один или несколько стандартных компьютерных портов, приемник идентификатора оператора и/или уровня доступа, например, в виде радиомодуля и два микропроцессорных контроллера, из которых, по меньшей мере, один приспособлен для выполнения как 32-битного, так и 16-битного набора инструкций и включает в себя постоянное запоминающее устройство с программой начальной загрузки и периферийные устройства для сопряжения с внешними устройствами, в том числе контроллер стандартного последовательного интерфейса, подключенный через приемопередатчик последовательного интерфейса к общему интерфейсному каналу, контроллер стандартного интерфейса, подключенный к приемопередатчику стандартного интерфейса для связи с другими системами, и контроллер стандартного компьютерного интерфейса, подключенный к стандартному компьютерному порту непосредственно, либо через приемопередатчик; индикатор, звуковой сигнализатор и устройство ввода команд и информации, подключенные к вычислительно-управляющему устройству; и датчики измеряемых или контролируемых параметров грузоподъемной машины, подключенные к вычислительно-управляющему устройству непосредственно и/или к общему проводному или беспроводному интерфейсному каналу (RU 91062 U1, 27.01.2010). Недостатком известной системы является необходимость использования отдельного блока расширения входов-выходов, подключаемого к общему интерфейсному каналу, что усложняет конструкцию системы, снижает ее надежность и увеличивает нагрузку на общий интерфейсный канал.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемая полезная модель, является упрощение конструкции системы и повышение ее надежности. Дополнительной задачей настоящей полезной модели является расширение функциональных возможностей системы.
Поставленные технические задачи решаются тем, что в системе безопасности грузоподъемного крана, содержащей вычислительно-управляющее устройство, приспособленное для установки операционной системы реального времени и включающее в себя: перепрограммируемое энергонезависимое запоминающее устройство, энергонезависимые часы реального времени, приемопередатчик последовательного интерфейса для подключения к общему внутрисистемному интерфейсному каналу, приемопередатчик стандартного интерфейса для связи с другими системами грузоподъемной машины, один или несколько стандартных компьютерных портов, приемник идентификатора оператора и/или уровня доступа в виде радиомодуля и два микропроцессорных контроллера, из которых, по меньшей мере, один приспособлен для выполнения как 32-битного, так и 16-битного набора инструкций и включает в себя постоянное запоминающее устройство с программой начальной загрузки и периферийные устройства для сопряжения с внешними устройствами, в том числе контроллер стандартного последовательного внутрисистемного интерфейса, подключенный через приемопередатчик последовательного интерфейса к общему внутрисистемному интерфейсному каналу, контроллер стандартного интерфейса, подключенный к приемопередатчику стандартного интерфейса для связи с другими системами, и контроллер стандартного компьютерного интерфейса, подключенный к стандартному компьютерному порту непосредственно, либо через приемопередатчик; индикатор, звуковой сигнализатор и устройство ввода команд и информации, подключенные к вычислительно-управляющему устройству; и датчики измеряемых или контролируемых параметров грузоподъемной машины, подключенные к вычислительно-управляющему устройству непосредственно и/или к общему проводному или беспроводному внутрисистемному последовательному интерфейсному каналу, согласно полезной модели, вычислительно-управляющее устройство дополнительно включает в себя, по меньшей мере, один автономный или встроенный в микропроцессорный контроллер аналого-цифровой преобразователь и, по меньшей мере, один выходной ключ и/или драйвер ключа, приспособленный для формирования релейных и широтно-импульсных управляющих сигналов, при этом вычислительно-управляющее устройство, индикатор, звуковой сигнализатор и устройство ввода команд и информации выполнены в виде единого конструктивного блока.
При этом вычислительно-управляющее устройство приспособлено для программирования и отладки с помощью компьютера с использованием пользовательской среды программирования.
Предпочтительно, радиомодуль встроен в один из микропроцессорных контроллеров вычислительно-управляющего устройства.
При этом радиомодуль приспособлен для обмена информацией вычислительно-управляющего устройства с другими составными частями системы и внешними устройствами.
Предпочтительно микропроцессорные контроллеры вычислительно-управляющего устройства связаны между собой с помощью параллельного или последовательного интерфейса, входящего в состав периферийных устройств микропроцессорных контроллеров.
Система может содержать, по меньшей мере, один блок расширения входов-выходов, подключенный к общему внутрисистемному интерфейсному каналу или с помощью линии беспроводной связи к вычислительно-управляющему устройству.
При этом по меньшей мере, один датчик измеряемых или контролируемых параметров подключен к блоку расширения входов-выходов.
Система может содержать, по меньшей мере, один орган управления грузоподъемной машиной, подключенный к вычислительно-управляющему устройству или к блоку расширения входов-выходов.
Система может содержать внешнее устройство отображения и/или ввода команд и информации, подключенное к вычислительно-управляющему устройству с помощью стандартного последовательного интерфейса.
Предпочтительно, внешнее устройство отображения и/или ввода команд и информации содержит стандартный компьютерный порт и приспособлено для программирования и отладки с помощью компьютера с использованием пользовательской среды программирования.
Внешне устройство отображения и/или ввода команд и информации может быть выполнено прозрачным.
В качестве внешнего устройства отображения информации может быть использован графический электролюминисцентный, или жидкокристаллический, или проекционный дисплей, а в качестве внешнего устройства ввода команд и информации - сенсорная панель.
Система может содержать блок дистанционного мониторинга, включающий контроллер, связанный с приемником глобальных спутниковых систем определения координат ГЛОНАСС/GPS и приемопередатчиком GSM/GPRS, и подключенный к общему внутрисистемному интерфейсному каналу посредством приемопередатчика последовательного интерфейса.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Наличие в вычислительно-управляющем устройстве, по меньшей мере, одного автономного или встроенного в микропроцессорный контроллер аналого-цифрового преобразователя и, по меньшей мере, одного выходного ключа и/или драйвера ключа, приспособленного для формирования релейных и широтно-импульсных управляющих сигналов позволяет подключать датчики с дискретными и аналоговыми сигналами, а также исполнительные устройства непосредственно к вычислительно-управляющему устройству, что позволяет исключить во многих случаях блок расширения входов-выходов и разгрузить общий внутрисистемный интерфейсный канал. При этом выполнение вычислительно-управляющего устройства, индикатора, звукового сигнализатора и устройства ввода команд и информации в виде единого конструктивного блока позволяет исключить лишние согласующие устройства, линии связи и корпусные детали.
Вычислительно-управляющее устройство, приспособленное для программирования и отладки с помощью компьютера с использованием пользовательской среды программирования, позволяет выполнять разработку и отладку программного обеспечения системы безопасности и управления без привлечения программистов.
Встройка радиомодуля в один из микропроцессорных контроллеров вычислительно-управляющего устройства сокращает количество используемых радиоэлементов.
Приспособление радиомодуля для обмена информацией вычислительно-управляющего устройства с другими составными частями системы и внешними устройствами позволяет использовать для работы линии беспроводной связи имеющийся радиомодуль приемника идентификатора оператора и/или уровня доступа без добавления новых модулей.
Связь микропроцессорных контроллеров вычислительно-управляющего устройства между собой с помощью параллельного или последовательного интерфейса, входящего в состав периферийных устройств микропроцессорных контроллеров, обеспечивают максимальную надежность и скорость обмена информацией между контроллерами.
Введение в систему, по меньшей мере, одного блока расширения входов-выходов, подключенного к общему внутрисистемному интерфейсному каналу или с помощью линии беспроводной связи к вычислительно-управляющему устройству позволяет сократить длину линий связи для подключения удаленных от вычислительно-управляющего устройства датчиков и исполнительных устройств.
Снабжение системы, по меньшей мере, одним органом управления грузоподъемной машиной, подключенным к вычислительно-управляющему устройству или к блоку расширения входов-выходов, позволяет непосредственно получать информацию о включаемых движениях и управлять включением и скоростью движений без дополнительных внешних элементов (датчиков положения органов управления, блоков формирования управляющих сигналов).
Ведение в систему внешнего устройства отображения и/или ввода команд и информации, подключенного к вычислительно-управляющему устройству с помощью стандартного последовательного интерфейса, позволяет сократить количество кабелей, прокладываемых в кабину машиниста крана, и улучшает эргономические параметры системы.
Использование в качестве внешнего устройства отображения информации графического дисплея, а в качестве устройства ввода команд и информации сенсорной панели, улучшают информативность и повышают удобство работы оператора. Причем для обеспечения беспрепятственного наблюдения за технологическим процессом подъема и перемещения груза при установке дисплея в поле зрения оператора дисплей может быть выполнен прозрачным.
Ведение в систему блока дистанционного мониторинга расширяет функциональные возможности системы безопасности, в частности позволяют отслеживать местоположение и режимы эксплуатации крана, а также строить системы предотвращения столкновения кранов, работающих рядом.
Технический результат от использования данной полезной модели заключается в повышении надежности системы безопасности и управления грузоподъемной машины.
На фиг.1 представлена функциональная схема одного из примеров выполнения предлагаемой системы безопасности и управления грузоподъемной машины; на фиг.2 - функциональная схема блока, содержащего вычислительно-управляющее устройство с подключенными к нему индикатором, звуковым сигнализатором и устройством ввода команд и информации; на фиг.3 - функциональная схема блока расширения входов-выходов.
Система безопасности и управления грузоподъемной машины, например, грузоподъемного крана стрелового типа, содержит связанные с помощью беспроводной линии связи вычислительно-управляющее устройство 1 и блок 2 расширения входов/выходов. К вычислительно-управляющему устройству 1 подключены индикатор 3, звуковой сигнализатор 4, устройство 5 ввода команд и информации (УВКиИ) и внешнее устройство отображения и/или ввода команд и информации, например, графический дисплей 6. Вычислительно-управляющее устройство 1, индикатор 3, звуковой сигнализатор 4 и устройство 5 ввода команд и информации выполнены в виде единого конструктивного блока 7. К вычислительно-управляющему устройству 1 подключаются блок пропорциональных гидрораспределителей, а также электрооборудование шасси и электроника управления двигателем.
Система содержит также датчики измеряемых или контролируемых параметров грузоподъемного крана с аналоговыми, цифровыми и дискретными выходными сигналами. Конкретный набор датчиков, используемых в системе, зависит от типа грузоподъемной машины. Датчики могут быть разбиты на группы по месту расположения на элементах конструкции крана. В частности, для грузоподъемного крана стрелового типа датчики разбиты на четыре группы:
первая группа включает в себя датчики, расположенные на оголовке телескопической стрелы и подключенные к входам блока 2 расширения входов-выходов. Это датчики 8 с аналоговыми выходными сигналами (датчик скорости ветра ДСВ, датчик приближения к линии электропередачи (модуль защиты от опасного напряжения МЗОН), датчики 9 с цифровыми выходными сигналами (датчик усилия, датчик угла) и датчики 10 с дискретными выходными сигналами (датчики предельного подъема грузозахватного органа - основной и вспомогательный);
вторая группа включает в себя датчики 11 с цифровыми выходными сигналами, расположенные на корневой секции стрелы (датчик длины стрелы и датчик угла наклона стрелы), подключенные к общему проводному последовательному внутрисистемному интерфейсному каналу, обеспечивающему магистральную структуру соединения составных частей системы;
третья группа включает в себя датчики, расположенные на поворотной платформе. Это датчики 12 с цифровыми выходными сигналами (датчик азимута, совмещенный с датчиком крена, датчики давления в напорных магистралях, датчики давления в поршневой и штоковой полостях гидроцилиндра подъема стрелы, датчик массы противовеса), подключенные к общему проводному последовательному внутрисистемному интерфейсному каналу, датчики 13 с аналоговыми выходными сигналами (датчик температуры, рукоятки управления, расположенные в кабине, и др.) и датчики 14 с дискретными выходными сигналами (концевые выключатели), подключенные к дополнительным входам вычислительно-управляющего устройства 1;
четвертая группа включает в себя датчики на неповоротной части крана (датчики положения выдвижных опор, датчики усилия в опорах), подключаемые, по необходимости, к дополнительному блоку расширения (на чертеже не показаны).
Вычислительно-управляющее устройство 1 приспособлено для установки операционной системы реального времени, а также для программирования и отладки с помощью компьютера с использованием пользовательской среды программирования. Оно содержит:
перепрограммируемое энергонезависимое запоминающее устройство 15 (ППЗУ);
энергонезависимые часы 16 реального времени (RTC);
приемопередатчик 17 последовательного интерфейса для подключения к общему последовательному внутрисистемному интерфейсному каналу;
один или несколько стандартных компьютерных портов (USB порт 18, СОМ порт 19), для подключения к хост-компьютеру, либо других внешних устройств, поддерживаемых операционной системой;
приемник идентификатора оператора и/или уровня доступа в виде радиомодуля 20, встроенного в микропроцессорный контроллер 22, обеспечивающего также работу общей беспроводной линии связи;
два микропроцессорных контроллера 21 и 22, причем микропроцессорный контроллер 21 приспособлен для выполнения как 32-битного, так и 16-битного набора инструкций и содержит постоянное запоминающее устройство 23 с программой начальной загрузки и периферийные устройства 24 для сопряжения с внешними устройствами, в том числе контроллер стандартного последовательного интерфейса 25, подключенный через приемопередатчик 17 стандартного интерфейса к общему внутрисистемному интерфейсному каналу, контроллер 26 стандартного интерфейса, подключенный к приемопередатчику 27 стандартного интерфейса для связи с другими системами, и контроллер 28 стандартного компьютерного интерфейса, подключенный к стандартному компьютерному порту 18;
аналого-цифровой преобразователь 29, встроенный в микропроцессорный контроллер 21;
выходные ключи 30, приспособленные для формирования релейных и широтно-импульсных управляющих сигналов.
Блок 2 расширения входов-выходов включает в себя: микропроцессорный контроллер 31 со встроенным аналогово-цифровым преобразователем 32 и радиомодулем 33, выходные ключи 34 и приемопередатчик 35 последовательного интерфейса для подключения блока 2 к общему проводному внутрисистемному интерфейсному каналу.
Система может быть реализована на имеющейся элементной базе.
Вычислительно-управляющее устройство 1 может быть выполнено в виде одноплатного компьютера. В качестве микропроцессорных контроллеров могут использоваться высоко интегрированные микропроцессоры «Система на кристалле» (System-on-Chip, сокращенно SoC), например, Stellaris LM3S9B96 и CC2530F64 фирмы Texas Instruments и другие.
Устройство 5 ввода команд и информации может быть выполнено в виде набора кнопок, клавиш, переключателей, мембранной клавиатуры и/или в виде сенсорной панели.
В качестве внешнего дисплея 6 может быть использован графический жидкокристаллический, или электролюминесцентный, или проекционный дисплей с подключением к вычислительно-управляющему устройству 1 с помощью стандартного последовательного интерфейса. Дисплей 6 имеет стандартный компьютерный порт и приспособлен для программирования и отладки с помощью компьютера с использованием пользовательской среды программирования.
В качестве датчиков измеряемых или контролируемых параметров грузоподъемного крана можно использовать специализированные датчики, используемые в выпускаемых приборах и системах безопасности, либо общепромышленные датчики соответствующего исполнения.
В качестве запоминающих устройств могут быть использованы специализированные микросхемы. Например, в качестве перепрограммируемого энергонезависимого запоминающего устройства 15 можно использовать одну или несколько микросхем М25Р80.
В качестве энергонезависимых часов 16 реального времени может быть использована, например, микросхема DS1338 с подключенным к ней литиевым элементом питания, а в качестве приемопередатчиков 17, 27 и 35 последовательного интерфейса - микросхемы ISO1050DUB (в случае использования интерфейсной шины CAN).
Система безопасности грузоподъемного крана работает следующим образом.
В однократно программируемое запоминающее устройство 23 микропроцессорного контроллера 21 прошивается программа начальной загрузки и операционная система реального времени, например, SAFERTOS. Алгоритм работы системы безопасности определяется рабочей программой, подготовленной на компьютере в пользовательской среде, например, с использованием программного комплекса Code Composer Studio фирмы Texas Instruments, или программного комплекса CoDeSys фирмы Smart Software Solution, или LabVIEW фирмы National Instruments и т.п. Причем в связи с наличием операционной системы в вычислительно-управляющем устройстве 1 при разработке рабочей программы нет необходимости в глубоких знаниях архитектуры примененных в системе микропроцессорных контроллеров. Полученный программный код заносится в энергонезависимое запоминающее устройство из компьютера, или иного устройства для программирования, подключенного с помощью стандартного последовательного интерфейса, например, RS-232 (СОМ порт), к вычислительно-управляющему устройству 1 через приемопередатчик 19. Сформированный программный код может быть предварительно зашифрован для предотвращения использования его посторонними лицами. Загрузка программного кода в энергонезависимое запоминающее устройство производится под управлением программы-загрузчика, которая производит проверку сертификата и производит дешифровку загружаемого кода рабочей программы. После программирования, установки и подключения составных частей системы на кране, она готова к работе.
При включении питания под управлением программы загрузчика производится загрузка операционной системы и рабочей программы в оперативное запоминающее устройство.
После завершения процесса загрузки запускается программа самодиагностики системы безопасности. В процессе загрузки и самодиагностики микропроцессорный контроллер 21 не формирует команд разрешения движений крана. Микропроцессорный контроллер 22 опрашивает приемник идентификатора оператора и уровня доступа и сравнивает коды доступа, содержащиеся в этой информации, с хранящимися в запоминающем устройстве микропроцессорного контроллера 22.
После завершения самодиагностики системы, в случае подтверждения прав оператора, запускается рабочая программа, определяющая алгоритм функционирования системы безопасности, либо программа настройки (при получении соответствующего сигнала от устройства 5 ввода команд и информации).
В процессе выполнения рабочей программы микропроцессорный контроллер 21 опрашивает через общий внутрисистемный канал последовательного интерфейса значения рабочих параметров крана, замеренных датчиками, подключенных к общему внутрисистемному интерфейсному каналу, а также датчики, подключенные к встроенному аналого-цифровому преобразователю 29. Микропроцессорный контроллер 22 опрашивает по радиоканалу датчики, подключенные к блоку 2 расширения входов-выходов и передает полученную информацию в микропроцессорный контроллер 21. На основании принятых сигналов от датчиков микропроцессорным контроллером 21 производится вычисление рабочих параметров крана и анализ его состояния, определяются разрешенные и опасные движения. В зависимости от результатов этого анализа микропроцессорный контроллер 21 формирует сигналы управления ключами 30 и 34. Разрешаются только те движения крана, которые безопасны в данный момент.
Одновременно микропроцессорным контроллером 21 осуществляется формирование сигналов управления индикатором 3 и звуковым сигнализатором 4, а также формирование в выделенной области оперативного запоминающего устройства информации для ее отображения на дисплее 6. Ход исполнения программы и отображения параметров контролируется с помощью устройства 5 ввода команд и информации.
Микропроцессорный контроллер 21 может также производить запись и хранение в специально выделенной области перепрограммируемого энергонезависимого запоминающего устройства 15 рабочих параметров крана и данных об операторе (регистрация параметров), которая затем может быть считана в компьютер для расшифровки и последующей обработки непосредственно через приемопередатчик 18 стандартного последовательного интерфейса, либо с помощью специализированного считывающего устройства, подключаемого к вычислительно-управляющему устройству 1 с помощью проводного или беспроводного интерфейса.
Приведенная функциональная схема системы безопасности грузоподъемного крана является лишь примером, одним из возможных вариантов реализации предлагаемого технического решения и не определяет конструктивное исполнение данной системы. В частности, внешнее устройство отображения и/или ввода команд и информации может быть выполнено прозрачным. В качестве внешнего устройства ввода команд и информации может быть использована также сенсорная панель. Система также может содержать блок дистанционного мониторинга, включающий контроллер, связанный с приемником глобальных спутниковых систем определения координат ГЛОНАСС/GPS и приемопередатчиком GSM/GPRS, и подключенный к общему внутрисистемному интерфейсному каналу посредством приемопередатчика последовательного интерфейса.
Заявленная система может быть изготовлена промышленным способом на приборостроительном предприятии с использованием современных электронных компонентов и технологий.