СИСТЕМА БЕЗОПАСНОСТИ ГРУЗОПОДЪЕМНОГО КРАНА С ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИМ МАТРИЧНЫМ ГРАФИЧЕСКИМ ИЛИ АЛФАВИТНО-ЦИФРОВЫМ ДИСПЛЕЕМ

Полезная модель относится к подъемно-транспортному машиностроению и может быть использована в системах защиты и управления грузоподъемных кранов.
Из патента RU 2116240 C1, B 66 C 23/90, 27.07.1998 г., известна система безопасности грузоподъемного крана, содержащая цифровой вычислительный блок и подключенные к нему датчики рабочих параметров крана, запоминающий блок, таймер, цифровой управляемый фильтр, исполнительный блок и блок визуальной индикации, выполненный в виде жидкокристаллического семисегментного индикатора-дисплея, в частности типа ИЖЦ21-4/7.
Недостатком этой системы является низкая информативность отображения информации о работе грузоподъемного крана, вызванная ограниченными возможностями семисегментного индикатора-дисплея, не позволяющего отображать графическую и текстовую информацию (за исключением небольшого количества букв, которые могут быть синтезированы с помощью 7-сегментного индикатора).
Наиболее близкой к предложенной является система безопасности грузоподъемного крана, известная из патентов US 5730305 А, B 66 C 13/16, 13/18, 24.03.1998 г. и RU 2023452 C1, МПК 6 B 66 C 13/18, 15/00, 23/88, 20.10.1997 г. и содержащая датчики рабочих параметров грузоподъемного крана, в том числе датчик угла наклона стрелы, датчик длины стрелы и датчик нагрузки, цифровой микропроцессорный вычислитель, подключенный к источнику питания этого вычислителя, запоминающее устройство, выходное устройство и жидкокристаллический матричный графический или алфавитно-цифровой
дисплей с подключенным к нему контроллером этого дисплея. Входы/выходы цифрового вычислителя подключены к входам/выходам контроллера дисплея и датчиков рабочих параметров крана, входы выходного устройства подключены к выходам цифрового вычислителя, а его выходы подключены к исполнительным электрогидравлическим устройствам крана.
В этой системе безопасности, благодаря применению матричного графического или алфавитно-цифрового (символьного) жидкокристаллического дисплея (ЖКД), обеспечивается повышенная информативность отображения режимов работы и рабочих параметров грузоподъемного крана, а также предупреждающих сообщений для крановщика. Кроме того, применение ЖКД обеспечивает возможность считывания информации при любой внешней освещенности дисплея, в том числе при воздействии на него прямого солнечного света.
Однако при этом не предусмотрено разделение цепей питания дисплея и цифрового вычислителя. Известно, что для повышения вычислительных возможностей, в частности быстродействия цифрового микропроцессорного вычислителя, необходимо применение пониженного напряжения питания. (Например, современные микроконтроллеры имеют напряжение питания не более 3,3 В). С другой стороны, к системе безопасности грузоподъемного крана предъявляется требование сохранения работоспособности в широком диапазоне температур окружающей среды. Это требует повышения рабочего напряжения ЖКД для сохранения оптической контрастности изображения при низких рабочих температурах. Поэтому, при использовании общего источника питания цифрового вычислителя и ЖКД, одновременное получение как высоких вычислительных возможностей, в том числе быстродействия системы безопасности, так и широкого диапазона рабочих температур, не представляется возможным. Это является существенным недостатком известной системы безопасности грузоподъемного крана.
Другим недостатком известной системы безопасности является отсутствие автоматического поддержания наиболее комфортной для крановщика температуры в кабине крана.
Основным техническим результатом, на достижение которого направлена заявленная полезная модель, является одновременное расширение диапазона рабочих температур и повышение вычислительных возможностей системы безопасности грузоподъемного крана, в том числе ее быстродействия.
Дополнительным техническим результатом является поддержание необходимой температуры в кабине грузоподъемного крана.
Указанные технические результаты достигаются за счет того, что в системе безопасности грузоподъемного крана с жидкокристаллическим матричным графическим или алфавитно-цифровым дисплеем, содержащей датчики параметров грузоподъемного крана, в том числе датчик его нагрузки, цифровой вычислитель, выполненный на основе микроконтроллера, подключенного к источнику питания микроконтроллера, выходное устройство и жидкокристаллический матричный графический или алфавитно-цифровой дисплей с подключенным к нему контроллером этого дисплея, причем входы/выходы цифрового вычислителя подключены к входам/выходам контроллера дисплея, к выходам или двунаправленным входам/выходам датчиков параметров грузоподъемного крана и к входам или двунаправленным входам/выходам выходного устройства, по меньшей мере один выход которого подключен к по меньшей мере одному исполнительному устройству грузоподъемного крана, согласно полезной модели, используется дополнительный источник питания, который подключается к контроллеру жидкокристаллического матричного графического или алфавитно-цифрового дисплея и имеет величину выходного напряжения, превышающую величину выходного напряжения источника питания микроконтроллера, или к контроллеру этого дисплея одновременно подключаются выходы источника питания микроконтроллера и дополнительного источника, причем последний имеет полярность выходного
напряжения, противоположную полярности выходного напряжения источника питания микроконтроллера.
Кроме того, указанные технические результаты могут быть получены за счет того, что:
- система безопасности дополнительно содержит датчик температуры, выход которого подключен к дополнительному входу цифрового вычислителя, или микроконтроллер цифрового вычислителя имеет встроенный датчик температуры. При этом дополнительный источник питания имеет управляющий вход, который подключен к дополнительному выходу цифрового вычислителя, который выполнен с возможностью управления выходным напряжением дополнительного источника питания таким образом, что меньшему значению температуры окружающей среды соответствует большее абсолютное значение этого напряжения;
- выход выходного устройства подключен к отопителю кабины грузоподъемного крана, а цифровой вычислитель выполнен с возможностью хранения заданной величины температуры в кабине крана и формирования сигнала включения отопителя кабины грузоподъемного крана, если измеренное датчиком значение температуры меньше заданной величины;
- система безопасности дополнительно содержит датчик температуры, выход которого подключен к управляющему входу дополнительного источника питания, или дополнительный источник питания имеет встроенный датчик температуры, причем дополнительный источник питания выполнен с возможностью увеличения абсолютного значения его выходного напряжения при уменьшении температуры окружающей среды;
- дополнительный источник питания имеет отрицательную полярность выходного сигнала и реализован в виде диодно-конденсаторного выпрямителя-инвертора, подключенного к выходу цифрового вычислителя, который выполнен с возможностью формирования на этом выходе периодического импульсного сигнала;
- датчики параметров грузоподъемного крана выполнены с возможностью формирования аналоговых выходных сигналов, а цифровой вычислитель содержит аналого-цифровой преобразователь, входы которого подключены к выходам этих датчиков;
- по меньшей мере один датчик параметров грузоподъемного крана и цифровой вычислитель содержат контроллер или драйвер мультиплексного канала и выполнены с возможностью обмена данными по этому каналу;
- цифровой вычислитель и выходное устройство содержат контроллер или драйвер мультиплексного канала и выполнены с возможностью обмена данными по этому каналу;
- система безопасности дополнительно содержит органы управления и запоминающее устройство, подключенные к цифровому вычислителю.
Благодаря указанным отличительным признакам, в заявленной полезной модели обеспечивается возможность применения низковольтных высокопроизводительных микроконтроллеров в цифровом вычислителе, а также достигается высокая оптическая контрастность ЖКД в широком диапазоне рабочих температур. Одновременно реализуется управление отопителем кабины грузоподъемного крана. Поэтому эти отличительные находятся в прямой причинно-следственной связи с достижением как основного, так и дополнительного технического результата, т.е. являются существенными.
На чертеже в качестве примера приведена функциональная схема системы безопасности грузоподъемного крана с жидкокристаллическим матричным графическим или алфавитно-цифровым дисплеем.
Система безопасности содержит цифровой вычислитель 1, реализованный на основе микроконтроллера, например серии MSP430 фирмы TI, и датчики рабочих параметров крана 2, подключенные к нему по отдельным проводам или по мультиплексному каналу обмена данными. К датчикам 2 относятся, в частности, датчик нагрузки, выполненный, например, в виде тензо-метрического датчика силы, установленного в стреловом или грузовом канате или 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 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 системе безопасности и конструктивных особенностей конкретного типа грузоподъемного крана.
Система безопасности содержит также жидкокристаллический матричный графический или алфавитно-цифровой дисплей 3 с подключенным к нему контроллером этого дисплея 4 (например, типа SED 1330F/1335F/1336F, HD 44780 и т.п.).
В качестве примера жидкокристаллического матричного графического дисплея с подключенным к нему контроллером можно привести модуль типа PG 320240 L RU фирмы Powertip, имеющий матрицу 240×230 точек и контроллер типа SED 1330, а в качестве жидкокристаллического матричного алфавитно-цифрового дисплея с подключенным к нему контроллером - модуль PC 1602 L RU фирмы Powertip, имеющий 2 строки по 16 знакомест, каждое из которых представляет матрицу 5×7 точек, и контроллер типа HD 44780.
Для обеспечения возможности работы в широком диапазоне яркостей внешнего освещения, включая работу в темноте и при прямом солнечном освещении, на грузоподъемном кране целесообразно использовать трансрефлективные (работающие на пропускание и отражение) ЖКД с задней подсветкой, имеющие полупрозрачное покрытие, которое отражает часть внешнего света, а также пропускает свет задней подсветки.
Выходы или двунаправленные входы/выходы цифрового вычислителя 1 подключены к входам/выходам контроллера дисплея 4 и к входам или к двунаправленным входам/выходам выходного устройства 5, по меньшей мере
один выход которого подключен к по меньшей мере одному исполнительному устройству 6 грузоподъемного крана, выполненному, например, в виде электромагнитного клапана или контактора (магнитного пускателя), осуществляющего блокирование опасных перемещений механизмов крана. На грузоподъемном кране может быть установлено либо одно, либо несколько исполнительных устройств 6.
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 6. Выходное устройство 5, в зависимости от варианта его исполнения, при помощи отдельных линий связи или мультиплексного канала обмена данными, может быть подключено к цифровому вычислителю 5 соответственно своими входами или двунаправленными входами/выходами.
Система безопасности содержит также источник питания микроконтроллера Е1 7, подключенный к цепям питания этого микроконтроллера (цифрового вычислителя 1) и, при необходимости, к цепи питания логической части контроллера дисплея 4, а также датчик температуры 8 (например терморезистор или специализированную микросхему датчика температуры) и дополнительный источник питания Е2 9, подключенный к цепи питания или к цепи регулирования контрастности контроллера 4 ЖКД 3.
Датчик температуры 8 подключается к входу микроконтроллера цифрового вычислителя 1, например к входу его встроенного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и/или к управляющему входу дополнительного источника питания 9. В качестве датчика температуры может также использоваться встроенный датчик температуры микроконтроллера цифрового вычислителя 1.
Выходное напряжение дополнительного источника питания Е2 9, подключенного к контроллеру 4 жидкокристаллического матричного графического
или алфавитно-цифрового дисплея 3, должно увеличиваться (по абсолютной величине) при понижении температуры окружающей среды. Такое изменение может быть реализовано цифровым вычислителем 1 программно, для чего дополнительный выход цифрового вычислителя 1 подключается к управляющему входу дополнительного источника питания Е2 9, либо аппаратурным (схемным) путем, для чего, соответственно, управляющий вход этого источника Е2 9 соединяется с выходом датчика температуры 8. Возможно также применение источника питания Е2 9 со встроенным датчиком температуры, например на основе микросхемы МАХ 1729 фирмы Maxim, обеспечивающей необходимую зависимость выходного напряжения этого источника питания Е2 от температуры без цифрового вычислителя 1 и внешнего датчика температуры 8.
Если питание логической части контроллера дисплея 4 осуществляется от источника питания микроконтроллера Е1 7 (на чертеже показано пунктиром), то дополнительный источник питания Е2 9 имеет отрицательную полярность. Ввиду небольшого значения потребляемого тока, отрицательное напряжения питания Е2 может быть получено путем выпрямления периодического импульсного выходного напряжения цифрового вычислителя 1. Схемы таких выпрямителей-преобразователей общеизвестны.
Датчики параметров грузоподъемного крана 2 могут быть выполнены с аналоговыми выходами, в частности токовыми. В этом случае подключение датчиков 2 к цифровому вычислителю 1 осуществляется по отдельным проводам. При этом цифровой вычислитель 1 содержит АЦП, в общем случае многоканальный (по числу датчиков 2), входы которого подключены к выходам этих датчиков 2.
Датчики параметров грузоподъемного крана 2 могут быть выполнены также с мультиплексным каналом обмена данными. В этом случае датчик содержит последовательно соединенный первичный преобразователь, АЦП, микроконтроллер (или микроконтроллер со встроенным АЦП) и контроллер, трансивер или драйвер мультиплексного канала обмена данными последовательного
интерфейса UN (Local Interconnect Network), J1850 (SAE), CAN (Controller Area Network), CarLink, VAN, A-bus, RS-232C, MIDI, MicroLAN и т.п., выполненный в виде специализированной микросхемы. Аналогичный контроллер, трансивер или драйвер мультиплексного канала обмена данными имеет и цифровой вычислитель 1. В этом случае все датчики 2 подключаются параллельно к мультиплексному каналу обмена данными. К этому же каналу может быть подключено и выходное устройство 5, если передача в него сигналов управления исполнительными устройствами крана 6 также реализована по мультиплексному каналу обмена данными.
Трансивер, контроллер или драйвер последовательного интерфейса может быть также встроен в микроконтроллер, использующийся в каком-либо устройстве системы безопасности - в любом из датчиков 2, в цифровом вычислителе 1 или в выходном устройстве 5. Микроконтроллеры с аппаратурной поддержкой последовательных интерфейсов UART, CAN, LIN и т.д. общеизвестны.
К цифровому вычислителю 1 могут быть дополнительно подключены органы управления 10, выполненные, например, в виде кнопок или переключателей, цифровое запоминающее устройство 11, выполненное, например, в виде микросхем Flash-памяти, часы реального времени, дополнительные устройства звуковой и световой сигнализации и т.п.(последние устройства на чертеже условно не показаны).
Цифровой вычислитель 1, жидкокристаллический матричный графический или алфавитно-цифровой дисплей 3 с контроллером этого дисплея 4, выходное устройство 5, источники питания 7, 9, датчик температуры 8 и, при необходимости, органы управления 10, индикаторы 11 и другие подключенные к цифровому вычислителю 1 устройства, могут быть выполнены в виде единого электронного блока - блока индикации, блока обработки данных, центрального контролера системы безопасности и т.п.
Возможна также многоблочная реализация системы 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.).
Перед началом работы грузоподъемного крана, крановщиком, если это необходимо для данной конструкции грузоподъемного крана, при помощи органов управления 10 задаются и вводятся в цифровой вычислитель 1 данные о режиме и параметрах работы системы безопасности - тип использующегося стрелового оборудования, положение опор, кратность запасовки грузового полиспаста, параметры координатной защиты и т.д. Эти данные сохраняются в памяти цифрового вычислителя 1 или в дополнительном цифровом запоминающем устройстве 11.
В процессе выполнения грузоподъемных операций, цифровой вычислитель 1, работая по программе, предварительно записанной в памяти его микроконтроллера и/или в запоминающем устройстве 11, 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 его памяти порядком (алгоритмом) обработки этих параметров, цифровой вычислитель 1 вычисляет текущую нагрузку грузоподъемного крана и положение его грузоподъемного стрелового оборудования. Вычисления производятся с использованием математической модели грузоподъемного крана. 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 в цифровом вычислителе 1 применяется высокопроизводительный микроконтроллер с повышенной разрядностью, например серии MSP 430, который являются низковольтным - имеет напряжение питания 3,3 В.
Допустимые режимы нагружения в виде грузовых характеристик крана хранятся в памяти микроконтроллера цифрового вычислителя 1 или в дополнительном цифровом энергонезависимом запоминающем устройстве 11.
Цифровой вычислитель 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, 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 безопасными для него.
Благодаря этому обеспечивается защита крана от перегрузки и координатная защита.
Дополнительно основные рабочие параметры грузоподъемного крана, а также предупреждающие сообщения для крановщика о срабатывании какой-либо защиты, отображаются на жидкокристаллическом дисплее (ЖКД) 3.
Контроллер дисплея 4, с целью уменьшения количества необходимых выводов ЖКД 3, организует мультиплексное управление его сегментами, сгруппированными в матрицу. Контроллер создает разноамплитудные, синхронизированные по времени сигналы для строки и столбца, адресуя конкретный сегмент. При этом, для обеспечения необходимой оптической контрастности ЖКД в широком диапазоне температур, амплитуда этих сигналов (от пика до пика) превышает напряжение питания микроконтроллера цифрового вычислителя 1 и увеличивается при уменьшении температуры окружающей среды.
Напряжение на матрице ЖКД 3 задается при помощи только источника питания Е2 9, если к контроллеру 4 подключен только этот источник питания, либо суммарным напряжением источников питания Е1 7 и Е2 9. В последнем
случае напряжение питания Е1 продается на логическую схему контроллера ЖКД 3, обеспечивая согласование по уровню напряжений его входов/выходов со входами/выходами микроконтроллера цифрового вычислителя 1, а дополнительный источник питания Е2 9 имеет отрицательную полярность и используется для увеличения напряжения на жидкокристаллической матрице. В стандартных ЖКД-модулях дополнительный источник питания Е2 9 подключается к выводу регулирования контрастности этого модуля.
Регулирование величины выходного напряжения дополнительного источника питания Е2 9, т.е. термокомпенсация ЖКД, обеспечивается либо аппаратурным путем, либо программным способом с использованием микроконтроллера цифрового вычислителя 1, в программе работы которого предварительно заложена необходимая для реализации зависимость выходного напряжения дополнительного источника питания Е2 9 или величины управляющего напряжения на его входе от температуры окружающей среды.
В простейшем случае отрицательное напряжение дополнительного источника питания Е2 может быть получено путем выпрямления периодического выходного импульсного сигнала цифрового вычислителя 1 с одновременным инвертированием полярности этого сигнала. Схемы таких выпрямителей-преобразователей известны. Они предусматривают, в частности, подключение выпрямителя к выходу микроконтроллера через разделительный конденсатор. При этом возможно регулирование величины выходного напряжения дополнительного источника Е2 9 путем изменения частоты и/или скважности выходных импульсов цифрового вычислителя 1.
Для повышения информативности отображения информации, на ЖКД целесообразно формирование графических изображений, в том числе реальных механизмов грузоподъемного крана в динамических режимах его работы. Это требует больших объемов информации для поддержки ЖКД, которая может храниться в запоминающем устройстве 11. Современные Flash запоминающие устройства также выполняются низковольтными. Например, микросхемы серии AT45D фирмы Atmel в настоящее время выпускаются с напряжением
питания не более 3,3 В. Поэтому предложенное в полезной модели разделение напряжений питания ЖКД 3 и микроконтроллера цифрового вычислителя 1 может быть распространено и на запоминающее устройство 11. Это также способствуют получению того технического результата, на достижение которого направлена данная полезная модель.
ЖКД 3 расположен в электронном блоке, размещенном перед крановщиком в его рабочей зоне, т.е. в кабине грузоподъемного крана. Поэтому датчик температуры 8 одновременно с температурой ЖКД 3 измеряет и температуру воздуха в кабине грузоподъемного крана (с точностью, определяемую температурой самопрогрева электронного блока). Это дает возможность использовать датчик температуры 8 для автоматического поддержания наиболее комфортной для крановщика температуры воздуха в кабине крана.
Для этого в память микроконтроллера цифрового вычислителя 1 предварительно записываются заданные значения величины температуры в кабине крана, которые необходимо обеспечить в процессе регулирования. Цифровой вычислитель 1 осуществляет сравнение заданного значения температуры с фактическим, измеренным при помощи датчика температуры 8, и в случае, если измеренное датчиком значение температуры меньше заданной величины, по отдельному проводу или по мультиплексной линии связи формирует на выходное устройства сигнал включения отопителя кабины крана, который подключен к его выходу. Благодаря этому обеспечивается автоматическое поддержание заданной температуры воздуха в кабине крана.
С учетом изложенного, реализация отличительных признаков заявленной полезной модели обеспечивает одновременное расширение диапазона рабочих температур и повышение вычислительных возможностей системы безопасности грузоподъемного крана, в том числе ее быстродействия, а также позволяет расширить ее функциональные возможности за счет дополнительной реализации автоматического поддержания необходимой температуры в кабине грузоподъемного крана.