ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ЭКСКАВАТОРА

Полезная модель относится к электронному оборудованию экскаваторов и может быть использована в качестве бортовой информационной системы карьерных гусеничных и шагающих экскаваторов.
Из описания к патенту на изобретение RU №2158952 (далее - патент) известно техническое решение (выбрано в качестве ближайшего аналога), в котором воплощена система сбора данных для экскаватора, по сути, представляющая собой бортовую информационную систему, предназначенную для сбора данных, их обработки и передачи. Известная информационная система содержит программируемый логический контроллер (далее - ПЛК; по патенту признак «главный блок управления»), системы управления (по патенту признаки «блок управления режимом средств приведения в движение» и «блок управления земляными работами»), программный модуль обработки первичной информации (центральный процессор обработки данных), блоки данных (по патенту признак «блок сбора данных»), персональный компьютер с пользовательским интерфейсом и дисплеем, функциональный модуль обработки информации (по патенту признак «центральный процессор»). ПЛК выполнен с возможностью контроля режима работы системы управления главными приводами (по патенту «блок управления обеспечивает изменение режима параметров средств приведения в движение»). Кроме того, информационная система содержит информационную шину, связывающую ПЛК с дисплеем (по патенту «средство взаимодействия интерфейса с главным блоком управления).
Данная информационная система характеризуется сложностью выполнения из-за наличия, кроме указанных общих признаков с предлагаемой полезной моделью, дополнительных элементов. К таким элементам относятся, например, радиолокационная и антенная системы, а также многочисленные связи между различными системами и функциональными блоками.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в расширении арсенала средств подобного назначения с обеспечением технического результата, заключающегося в реализации патентуемого устройства.
Задача решается тем, что информационная система экскаватора включает блок сопряжения, предназначенный для сбора и преобразования сигналов, поступающих с датчиков и систем управления экскаватором, и связанный с четырьмя информационными входами программируемого логического контроллера (ПЛК), который, в свою очередь, связан с компьютером, причем в состав ПЛК входят: четыре программных модуля обработки первичной информации, каждый из которых содержит соответствующий информационный вход и представляет собой первый программный модуль обработки первичной информации о параметрах системы управления главными приводами, второй программный модуль - о параметрах системы управления вспомогательными приводами, третий программный модуль - о параметрах системы управления густой смазкой, четвертый программный модуль - о сигналах с датчиков, программные модули обработки первичной информации соединены с соответствующими четырьмя блоками данных: первым блоком данных текущих параметров и состояний системы управления главными приводами, вторым блоком данных параметров и состояний системы управления вспомогательными приводами, третьим блоком данных параметров и состояний системы управления густой смазкой и четвертым блоком данных параметров, полученных с датчиков, указанные четыре блока данных текущих параметров и состояний объединены в блок хранения информации, включающий также дополнительный пятый блок данных результатов обработки информации, состоящий из ячеек для записи соответствующей информации, и шестой блок данных нештатных состояний, состоящий из ячеек для записи соответствующей информации, ПЛК содержит семь функциональных модулей обработки информации, выполненных в виде первого функционального модуля для контроля соответствия показаний датчиков допустимым значениям, вход которого связан с первым выходом четвертого блока данных, а выход с первым входом шестого блока данных, обеспечивающим в соответствующих ячейках запись о несоответствии допустимым значениям, второго функционального модуля для учета времени работы механизмов и времени работы бригады, вход которого связан с первым выходом первого блока данных, а выход с первым входом пятого блоком данных, обеспечивающим в соответствующих ячейках запись о результатах обработки данной информации, третьего функционального модуля для расчета веса горной массы, вход которого связан со вторым выходом первого блока данных, а выход со вторым входом пятого блока данных, обеспечивающим в соответствующих ячейках запись о результатах обработки данной информации, четвертого функционального модуля для учета производительности работы экскаватора, первый вход которого связан с третьим выходом первого блока данных, второй вход с первым выходом второго блока данных, третий вход с вторым выходом четвертого блока данных, четвертый вход с первым выходом пятого блока, а выход с третьим входом пятого блока данных, обеспечивающим в соответствующих ячейках запись о результатах обработки данной информации, пятого функционального модуля для контроля работы системы густой смазки, первый вход, которого связан с четвертым выходом первого блока данных, второй вход с первым выходом третьего блока данных, а выход со вторым входом шестого блока данных, обеспечивающим в соответствующих ячейках запись о нештатной ситуации работы системы густой смазки, шестого функционального модуля для контроля допустимых режимов работы экскаватора, первый вход которого связан с пятым выходом первого блока данных, второй вход с третьим выходом четвертого блока данных, третий вход со вторым выходом пятого блока данных, а выход данного модуля - с третьим входом шестого блока данных, обеспечивающего в соответствующих ячейках запись о нештатных ситуациях, также седьмого функционального модуля для контроля работы механизмов вспомогательных приводов, вход которого связан со вторым выходом второго блока данных, а выход с четвертым входом шестого блока данных, обеспечивающего в соответствующих ячейках запись о нештатных ситуациях; компьютер содержит программный модуль обработки информации и подготовки ее для отображения на дисплее, вход указанного модуля связан через информационную шину с блоком хранения информации, при этом данный программный модуль выполнен с возможностью формирования блока оперативного архива данных о производительности экскаватора, блока оперативного архива данных о предупредительных и аварийных сообщениях, а также с возможностью предоставления данных блока хранения информации и указанных двух блоков оперативного архива в виде информационного материала, предназначенного для отображения на дисплее.
Сущность полезной модели поясняется следующим образом.
Для получения наиболее полной информации о работе экскаватора в предлагаемом устройстве структура функциональных блоков и модулей сформирована исходя из обработки информации, поступающей от системы управления главными приводами (СУГП), системы управления вспомогательными приводами (СУВП) и системы управления густой смазкой. Таким образом, наиболее полный охват оборудования для получения информации о работе экскаватора обусловлен связью с указанными системами управления и с установленными датчиками.
Наличие программируемого логического контроллера (ПЛК), соединенного информационной шиной с компьютером, обеспечивает синхронное получение информации от указанных электронных средств.
Так, ПЛК предназначен для получения первичной информации, поступающей в виде соответствующих сигналов от трех систем управления и установленных датчиков, обработки такой информации и хранения информации о результатах обработки. При этом связь ПЛК и компьютера обеспечивает получение информации о работе экскаватора с предоставлением информационных материалов пользователю информационной системы.
Первичная информация, поступающая из трех систем управления и установленных датчиков, обрабатывается в четырех программных модулях и хранится в соответствующих блоках данных, каждый из которых имеет название по виду информации, поступающей из определенного программного модуля. Иными словами, программный модуль обработки первичной информации о параметрах СУГП связан с блоком данных текущих параметров и состояний СУГП, программный модуль обработки информации о параметрах СУВП - с блоком данных текущих параметров СУВП.
Четыре блока данных связаны своими информационными выходами с входами соответствующих функциональных модулей обработки информации, программа которых сконфигурирована для обработки информации из блоков данных, входящих блок хранения информации. При этом названия функциональных модулей соответствуют признакам информации, которая характеризует работу экскаватора в соответствии с данными о работе трех систем управления и показаниям сети датчиков, а также в соответствии с полученными расчетными данными, а именно:
- о показаниях датчиков;
- о работе механизмов и оборудования, а также времени работы бригад;
- о весе горной массы;
- о производительности работы экскаватора;
- о контроле работы системы густой смазки;
- о допустимых режимах работы экскаватора;
- о работе механизмов вспомогательных приводов.
Как указывалось, блок хранения информации, кроме четырех указанных блоков данных, содержит также дополнительные блоки: блок данных результатов обработки (пятый блок) и блок данных нештатных ситуаций (шестой блок).
В блоке хранения информации четыре блока данных содержат исходящую информацию для обработки в соответствующих функциональных модулях, в то же время пятый блок данных содержат как исходящую информацию (для четвертого и шестого модулей), так и входящую информацию, полученную путем обработки во втором, третьем и четвертом модулях, причем шестой блок данных - содержит входящую информацию из функциональных модулей, обрабатывающих информацию по признакам трех систем управления и установленных датчиков.
Таким образом, связь блоков данных и функциональных модулей сконфигурирована оптимальным образом с точки зрения получения интегрированной информации о работе экскаватора.
Важным условием для работы информационной системы является возможность визуализации информационного материала. Для этого в компьютер введен программный модуль обработки информации, связанный с блоком хранения информации, содержащимся в ПЛК. Заложенная возможность данного программного модуля формировать на основе входящей информации блоки оперативного архива данных (о производительности экскаватора и о предупредительных и аварийных сообщениях) и интерпретировать данные в форму, пригодную для визуализации, в полной мере отвечает вышеуказанному условию.
Заявляемая полезная модель поясняется примером конкретной реализации информационной системы, который не является единственно возможным, но демонстрирует результат расширения линейки средств подобного назначения.
На фигуре представлена блок-схема информационной системы, установленной на борту карьерного экскаватора ЭКГ-12А.
В информационную систему экскаватора введены программируемый логический контроллер (ПЛК) 1, связанный с персональным компьютером 2, а также блок сопряжения 3, предназначенный для преобразования сигналов, поступающих с датчиков состояния оборудования экскаватора и систем управления в данные области входов ПЛК 1.
Управление механизмами экскаватора осуществляется тремя системами управления - система управления главными приводами 4, система управления вспомогательными приводами 5, система управления густой смазкой 6. Для контроля над состоянием оборудования установлены датчики измерения температуры подшипников, обмоток двигателей, воздуха в шкафах управления, в кабине и за бортом экскаватора, а также температуры масла в баках жидкой смазки, датчики протока воздуха контролируют проток воздуха в вентиляторах охлаждения двигателей, проток жидкой смазки в редукторах поворота контролируется датчиками протока масла, так же осуществляется контроль давления воздуха в пневмосистеме датчиком давления и контроль уровня стояния экскаватора датчиком положения (инклинометром). Кроме этих датчиков установлены индуктивные датчики конечного положения для контроля положения лестницы и подсчета зубьев венцовой шестерни.
Блок сопряжения 3 связан с информационными входами ПЛК, каждый из которых соответствует информационному входу программного модуля обработки первичной информации. Таким образом, в ПЛК 1 программный модуль 8 обработки информации о параметрах системы управления главными приводами, программный модуль 9 обработки информации о параметрах системы управления, программный модуль обработки информации 10 о работе системы густой смазкой, программный модуль 11 о сигналах с датчиков состояния оборудования экскаватора.
Информационная система содержит блок хранения информации 18, при этом связь программных модулей 8-11 с блоком 18 осуществляется посредством прямой связи каждого из указанных модулей с соответствующим блоком данных, т.е. модуль 8 связан с блоком данных 12 текущих параметров и состояний системы управления главными приводами, модуль 9 связан с блоком данных 13 параметров и состояний системы управления вспомогательными приводами, модуль 10 с блоком данных 14 параметров и состояний системы управления густой смазкой, модуль 11 с блоком данных 15 параметров, полученных с датчиков 7.
Входящие в блок хранения информации 18 блоки 12-15 и дополнительные блоки - блок 16 данных о результатах обработки и блок 17 данных о нештатных состояниях - связаны с семью функциональными модулями 19-25.
Так, вход модуля 19 (первый модуль) для контроля соответствия показаний датчиков допустимым значениям связан с первым выходом блока данных 15 (четвертый блок), а выход - с первым входом блока данных 17 (шестой блок), обеспечивающим в соответствующих ячейках запись о несоответствии допустимым значениям.
Вход модуля 20 (второй модуль) для учета времени работы механизмов и времени работы бригады связан с первым выходом блока данных 12 (первый блок), а выход - с первым входом блока данных 16 (пятый блок), обеспечивающим в соответствующих ячейках запись о несоответствии допустимым значениям.
Вход функционального модуля 21 (третий модуль) для расчета веса горной массы, связан со вторым выходом блока данных 12 (первый блок), а выход - со вторым входом блока данных 16 (пятый блок), обеспечивающим в соответствующих ячейках запись о результатах обработки данной информации.
Первый вход модуля 22 (четвертый модуль) для учета производительности работы экскаватора связан с третьим выходом блока данных 12 (первый блок), второй вход с первым выходом блока данных 13 (второй блок), третий вход со вторым выходом блока данных 15 (четвертый блок), четвертый вход с первым выходом блока 16 (пятый бок), а выход - третьим входом блока данных 16 (пятый блок), обеспечивающим в соответствующих ячейках запись о результатах обработки данной информации.
Первый вход модуля 23 (пятый модуль) для контроля работы системы густой смазки связан с четвертым выходом блока данных 12 (первый блок), второй вход, с первым выходом блока данных 14 (третий блок), а выход со вторым входом блока данных 17 (шестой блок), обеспечивающим в соответствующих ячейках запись о нештатной ситуации работы системы густой смазки.
Первый вход модуля 24 (шестой модуль) для контроля допустимых режимов работы экскаватора связан с пятым выходом блока данных 12 (первый блок), второй вход с третьим выходом блока данных 15 (четвертый блок), третий вход со вторым выходом блока данных 16 (пятый блок), первый выход данного модуля - с третьим входом блока данных 17 (шестой блок), обеспечивающего в соответствующих ячейках запись о нештатных ситуациях.
Вход модуля 25 (седьмой модуль) для контроля работы механизмов вспомогательных приводов связан со вторым выходом блока данных 13 (второй блок), а выход с четвертым входом блока данных 17 (шестой блок), обеспечивающего в соответствующих ячейках запись о нештатных ситуациях.
Компьютер 2 устанавливается в кабине машиниста экскаватора и содержит программный модуль 26 для обработки информации и подготовки ее отображения на дисплее 27. С этим модулем связанны блоки данных 29, 30. Программный модуль 26 через информационную шину 28 связан с блоком хранения информации 18.
Результат работы информационной системы отображается на дисплее 27 компьютера 2, установленного в кабине машиниста. Программный модуль 26 компьютера 2 содержит набор видеокадров, которые машинист может просматривать, нажимая соответствующие кнопки на дисплее.
В состоянии нормальной работы экскаватора на дисплее 27 выводится главный экран системы, который содержит наиболее важную информацию о состоянии механизмов экскаватора, и данные о работе бригады за текущую смену, такие как количество погруженных самосвалов и общая масса отгруженной за смену породы. Так же на главный экран выводятся величины углов уровня стояния экскаватора в продольной и поперечной плоскостях, что позволяет повысить срок службы оборудования за счет предотвращения повышенного износа деталей при работе с недопустимыми углами стояния.
Процесс погрузки самосвала отображается на экране двумя столбиковыми диаграммами. Первая отображает вес породы в ковше, вторая вес породы, погруженной в самосвал. Это позволяет машинисту контролировать загрузку транспортного средства, избегать как его перегрузки, так и недогруза.
Все нештатные ситуации, обнаруженные системой, мгновенно отображаются в виде текстовых сообщений в специальной области дисплея 27, и сопровождаются звуковым сигналом для привлечения внимания машиниста. Появление текстового сообщения сопровождается окрашиванием в красный цвет кнопки вызова видеокадра, с подробным отображением оборудования, на котором произошла данная нештатная ситуация. Оборудование на этом видеокадре прорисовано в виде условных обозначений, наложенных на мнемосхему экскаватора. Элементы, вызвавшие нештатную ситуацию, окрашиваются в красный цвет. Такой подход позволяет машинисту и обслуживающему персоналу однозначно выявить расположение в кузове экскаватора вышедшего из строя механизма.
Все сообщения, с датой и временем их возникновения и временем их ухода заносятся в блок данных 30. Информация в этом блоке данных хранится на жестком диске компьютера 2 в виде архива, который обслуживающий персонал может просматривать на специальном видеокадре.
Данные о работе бригады, такие как количество погруженных самосвалов, общий вес отгруженной за смену горной массы, время, затраченное на выполнение полезной и вспомогательной работы, время, затраченное на передвижение экскаватора и время простоев, а так же количество потребленной и израсходованной активной и реактивной электрической энергии, так же записываются в блок данных 29, который хранится на жестком диске компьютера 2. Информация этого блока данных может быть так же просмотрена на специальных видеокадрах системы, при этом программа позволяет делать различные выборки показателей, такие например, как показатели по бригаде за месяц, за год, или общие показатели по экскаватору за каждый месяц и год.
Для реализации полезной модели:
- в качестве блока сопряжения применяются преобразователи SM331 (6ES7331-7KF02-0AB0), М-7015 (Modbus DCON, Input RTD), M-7041D (Modbus DCON, Input 14Ch DI) и конвертеры GW-7552 CR (PROFIBUS/MODBUS) и CANopen-DP-T (C.2908.03);
- в качестве ПЛК используется SIMATIC S7 CPU-317-2PN/DP (6ES7317-2EK14-0AB0) (2), который содержит прикладное программное обеспечение, написанное на языке высокого уровня SCL (Structured Control Language) фирмы SIEMENS;
- в компьютере используется программный модуль в виде приложения SCADA WinCC фирмы SIEMENS.
- в компьютере формирование оперативного архива данных обеспечивается с использованием СУБД MS SQL Server.
К датчикам состояния оборудования, передающим сигналы информационной системе, относятся: датчики измерения температуры подшипников и обмоток двигателей, датчиков измерения температуры воздуха за бортом экскаватора, в кабине оператора, в шкафах управления, датчики измерения температуры масла в баках жидкой смазки, датчики протока воздуха и масла, датчик давления воздуха в пневмосистеме, датчик положения/уровня (инклинометр), датчиков конечного положения.
Таким образом, заявляемая совокупность признаков информационной системы экскаватора свидетельствует о расширении линейки средств подобного назначения.
Предлагаемая информационная система может быть установлена на борту карьерных гусеничных и шагающих экскаваторов, что характеризует ее в качестве универсальной и способной получать интегрированную информацию, позволяющую осуществлять эффективную и безаварийную эксплуатацию экскаватора.