ОГРАНИЧИТЕЛЬ НАГРУЗКИ ГРУЗОПОДЪЕМНОГО КРАНА

Область техники
Полезная модель относится к области подъемно-транспортной техники и может быть использована в системах управления и защиты от перегрузок мостовых и козловых электрических кранов при использовании их во взрывоопасных зонах.
Уровень техники
В настоящее время в подъемно-транспортной технике широко используются устройства и приборы безопасности, обеспечивающие защиту грузоподъемных кранов от перегрузок и опрокидывания при подъеме груза, от контакта с окружающими объектами, а также для информирования машиниста о состоянии крана и положение его рабочего оборудования, в том числе для световой и звуковой сигнализации о перегрузке или иной критической ситуации.
В частности, известен ограничитель нагрузки грузоподъемного крана мостового типа, содержащий датчик нагрузки, установленный на крюковой подвеске, и управляющее устройство, соединенное с датчиком нагрузки с помощью беспроводного или комбинированного канала передач данных, и выполненное на основе микроконтроллера с возможностью формирования предупреждающих сигналов для машиниста и сигналов управления приводом подъема крюка, направленных на предотвращение превышения измеренной нагрузки крана ее предельно допустимой величины. К микроконтроллеру подключены запоминающее устройство, дисплей и световые индикаторы предупредительной и аварийной сигнализации, модуль звуковой сигнализации, регистратор параметров крана и исполнительный блок, выходы которого соединены с входами управления приводов грузоподъемного крана (RU 2483016 C2, B66C 1/40, B66C 23/88, B66C 13/16, G01G 3/12, G01G 3/14, 27.05.2013).
В описании изобретения по патенту RU 2483016 отсутствуют какие-либо рекомендации по конструктивному выполнению ограничителя нагрузки грузоподъемного крана и входящих в его состав элементов во взрывобезопасном исполнении, а также по монтажу его составных частей на кране. И поэтому данный ограничитель нагрузки крана не может быть использован на кранах, предназначенных для эксплуатации во взрывоопасных зонах.
Известен также ограничитель нагрузки крана мостового типа ОНК-160М производства Арзамасского электромеханического завода, выбранный заявителем в качестве прототипа. Ограничитель нагрузки содержит: расположенный в корпусе блок управления на основе микроконтроллера, к которому подключены устройство для визуального отображения информации, модуль звуковой сигнализации и регистратор параметров крана, снабженный приемопередатчиком инфракрасного излучения для беспроводной связи со считывателем телеметрической информации; датчики параметров крана, включающие в себя, по крайней мере, один датчик усилия, подключенный к блоку управления с помощью комбинированной кабельной линии связи, включающей в себя линию обмена данными и линию электропитания; выходное устройство, подключенное к микроконтроллеру и включающее в себя исполнительные реле и регистрирующие входы; и систему электропитания, включающую в себя сетевой понижающий трансформатор (Ограничитель нагрузки крана мостового типа ОНК-160М. Руководство по эксплуатации ЛГФИ.408844.029 РЭ. Приборы безопасности грузоподъемных машин: Сборник документов. Серия 10. Выпуск 66 / Колл. авт. - М.: Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-технический центр по безопасности в промышленности», 205, с. 198-233).
Данный ограничитель нагрузки так же, как и описанный выше, не может быть использован на кране, предназначенном для временной или постоянной эксплуатации во взрывоопасных технологических процессах, так как входящее в его состав электрическое, электромеханическое и электронное оборудование не исключает возможность образования искры, способной инициировать горение легковоспламеняемой (стехиометрической) смеси горючего вещества (газа, пара, пыли) с воздухом, при нахождении крана во взрывоопасной зоне.
Раскрытие полезной модели
Задачей настоящей полезной модели является разработка ограничителя нагрузки грузоподъемного крана во взрывобезопасном исполнении, при этом конструкция ограничителя нагрузки должна обеспечивать возможность его установки как на вновь изготавливаемые электрические краны, так и на краны, находящиеся в эксплуатации.
Решение поставленной задачи и достижение технического результата обеспечивается тем, что в ограничитель нагрузки грузоподъемного крана, содержащий расположенный в корпусе блок управления на основе микроконтроллера, к которому подключены устройство для визуального отображения информации, модуль звуковой сигнализации и регистратор параметров крана, снабженный приемопередатчиком инфракрасного излучения для беспроводной связи со считывателем телеметрической информации, датчики параметров крана, включающие в себя, по крайней мере, один датчик усилия, подключенный к блоку управления с помощью комбинированной кабельной линии связи, включающей в себя линию обмена данными и линию электропитания, выходное устройство, подключенное к микроконтроллеру и включающее в себя исполнительные реле и регистрирующие входы, и систему электропитания, включающую в себя сетевой понижающий трансформатор, согласно полезной модели, введен блок питания, коммутации и регистрации с гальванической развязкой искроопасных и искробезопасных цепей, включающий в себя указанные элементы выходного устройства, автоматический выключатель и, по крайней мере, один источник искробезопасного электропитания элементов блока управления элементов блока питания, коммутации и регистрации и элементов датчиков параметров крана, при этом блок питания, коммутации и регистрации выполнен во взрывозащищенном корпусе, снабженным взрывонепроницаемыми кабельными вводами для ввода внутрь корпуса кабеля с проводниками сетевого электропитания, контроля и управления, а также кабеля дополнительной комбинированной кабельной линии связи с блоком управления, сетевой понижающий трансформатор выполнен с защитным экраном между первичной и вторичной обмотками, блок управления и датчики параметров крана выполнены во взрывобезопасном исполнении, а комбинированные кабельные линии связи выполнены искробезопасными из кабелей, не поддерживающих горение.
Достижению технического результата способствуют также частные существенные признаки полезной модели.
Блок питания, коммутации и регистрации, включает в себя два гальванически развязанных источника искробезопасного электропитания, а комбинированная линия связи выполнена с двумя гальванически развязанными двухпроводными питающими линиями.
Ограничитель содержит выносной пост индикации, включающий в себя элементы предупредительной и аварийной световой и звуковой сигнализации.
Сущность предложенного технического решения заключается в следующем.
Взрывобезопасность ограничителя нагрузки грузоподъемного крана обеспечивается:
- выделением из блока управления элементов питания, коммутации и регистрации с расположением их во взрывозащищенном корпусе, снабженным взрывонепроницаемыми кабельными вводами, в виде отдельного блока питания, коммутации и регистрации, связанного с блоком управления с помощью дополнительной комбинированной кабельной линии связи;
- гальваническим разделением в блоке питания, коммутации и регистрации выходных искробезопасных цепей от входных искроопасных цепей сетевого электропитания, управления и контроля;
- введением в систему электропитания, по крайней мере, одного источника искробезопасного электропитания;
- снабжением блока питания, коммутации и регистрации автоматическим выключателем, и взрывонепроницаемыми кабельными вводами для ввода внутрь корпуса кабеля с проводниками сетевого электропитания, контроля и управления;
- выполнением сетевого понижающего трансформатора с защитным экраном между первичной и вторичной обмотками;
- выполнением блока управления и датчиков параметров крана во взрывобезопасном исполнении;
- выполнением комбинированных кабельных линий связи искробезопасными из кабелей, не поддерживающих горение.
Включение в блок питания, коммутации и регистрации двух гальванически развязанных источников искробезопасного электропитания и выполнение комбинированной линии связи с двумя гальванически развязанными двухпроводными питающими линиями обеспечивает ограничение величин напряжений и токов электрических цепей до уровня искробезопасных и повышает помехозащищенность ограничителя.
Снабжение ограничителя нагрузки выносным постом индикации, включающим в себя элементы предупредительной и аварийной световой и звуковой сигнализации, повышает информативность ограничителя.
Приведенные далее описание предлагаемого ограничителя нагрузки грузоподъемного крана, в частности, мостового крана с электрическим приводом его механизмов, и сопровождающие чертежи предназначены только для иллюстрации полезной модели и ни в коем случае не ограничивают объема формулы полезной модели.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана функциональная схема ограничителя нагрузки мостового крана; на фиг. 2 - конструкция блока питания, коммутации и регистрации; на фиг. 3 - разрез A-A на фиг. 2.
Осуществление полезной модели Ограничитель нагрузки мостового крана содержит: блок 1 управления, расположенный в кабине машиниста крана; блок 2 питания, коммутации и регистрации, закрепленный на металлоконструкции крана; датчики 3 усилия плоские цифровые; и выносной пост 4 световой и звуковой сигнализации.
Соединение блока 1 управления с датчиками 3 усилия и блоком 2 питания, коммутации и регистрации осуществляется посредством двух комбинированных кабельных линий связи 5 и 6, каждая из которых включает в себя двухпроводную линию обмена данными (шина последовательного CAN-интерфейса) и две двухпроводные гальванически развязанные линии электропитания, а соединение блока 2 питания, коммутации и регистрации с электрической схемой крана и выносным постом 4 световой и звуковой сигнализации осуществляется с помощью проводной линии связи 7.
Блок 1 управления может иметь и другое наименование, например, управляющее устройство, информационно-управляющий блок, цифровой вычислитель, вычислительно-управляющее устройство, блок отображения информации и т.д. Конструкция самого блока управления не является предметом заявленной полезной модели, так как различные конструкции управляющих устройств на основе современных микроконтроллеров широко описаны в технической литературе.
В предлагаемом примере исполнения полезной модели блок 1 управления содержит микроконтроллер (МК) 8, к которому подключены: устройство 9 для визуального отображения информации, включающее в себя два семисегментных цифровых индикатора для отображения значений рабочих параметров крана и светодиодные индикаторы для отображения режимов работы крана и ограничителя; клавиатура 10 для ввода рабочих характеристик крана и режимов работы ограничителя; модуль 11 звуковой сигнализации; встроенный регистратор параметров крана (РП) 12, снабженный инфракрасным излучателем 13 для считывания информации из регистратора параметров крана.
В рабочем режиме на одном из семисегментных цифровых индикаторов отражается степень загрузки основной (главной) лебедки крана относительно паспортной грузоподъемности (в процентах), или масса груза (в тоннах), поднимаемого главной лебедкой; а на другом семисегментном цифровом индикаторе отражается степень загрузки вспомогательной лебедки крана относительно его паспортной грузоподъемности (в процентах), или масса груза (в тоннах), поднимаемого вспомогательной лебедкой.
Конструктивно блок 1 управления представляет собой металлический корпус, на котором установлены два разъема 14 и 15. Внутри корпуса блока 1 управления находится плата микроконтроллера 8, которая вместе с семисегментными индикаторами и светодиодами залита по всему объему электроизоляционным прозрачным компаундом.
В состав блока 2 питания, коммутации и регистрации входят:
- модуль МК 16 микроконтроллера 17;
- три реле 18, 19, 20 с нормально разомкнутыми контактами (380 В, частота 50 Гц; 1,5 А): реле 18 - для выдачи сигнала на разрешение работы привода главного подъема груза; реле 19 - для выдачи сигнала разрешения работы привода вспомогательного подъема груза; реле 20 - для выдачи сигнала на включение выносного поста 4 аварийной сигнализации;
- сетевой понижающий трансформатор 21, выполненный с защитным экраном между первичной и вторичной обмотками;
- автоматический выключатель 22;
- два источника 23, 24 искробезопасного электропитания ISAS6-S12P;
- плата 25 соединителей.
Однофазный трансформатор 21 понижает входное напряжение 380 В до напряжения 127 В, необходимого для питания двух источников 23, 24 искробезопасного электропитания. Источники 23, 24 искробезопасного электропитания преобразуют входное однофазное переменное напряжение 127 В, 50 Гц в искробезопасное стабилизированное постоянное напряжение 12 В. Входная цепь сетевого трансформатора 21 защищена автоматическим выключателем 22, разрывающим входную цепь при превышении током первичной обмотки заданного значения, например, 0,16 А.
Устройства, входящие в состав блока 2 питания, коммутации и регистрации, конструктивно размешены в металлическом взрывозащищенном корпусе 26 в виде коробки с крышкой, снабженным элементами 27 для крепления корпуса 26 на металлоконструкции крана и элементом 28 для заземления. На противоположных боковых поверхностях корпуса 26 установлены два Ex-кабельных ввода 29, 30. Кабельный ввод 29 типа FLS031 предназначен для ввода внутрь корпуса 26 проводной линии связи 7 в виде кабеля с восемнадцатью изолированными медными проводниками, два из которых предназначены для цепей сетевого электропитания, десять - для цепей пяти дискретных сигналов переменного напряжения, шесть - для цепей трех релейных сигналов управления краном. Второй кабельный ввод 30 типа FLS011 предназначен для ввода внутрь корпуса 26 комбинированной кабельной линии связи 6 в виде экранированного кабеля с тремя витыми парами изолированных медных проводников с цепями искробезопасного питания (12 В, 0,5 А) блока 1 управления и цифровых датчиков 3 усилия, с цепями искробезопасного питания (12 В, 0,5 А) трансиверов двухпроводного CAN интерфейса микроконтроллера 8 и цифровых датчиков 3 усилия, с искробезопасными цепями интерфейса CAN-H и CAN-L. Экранирующая оплетка кабеля подключается к зажиму заземления внутри корпуса 26.
Плата 25 соединителей предназначена для подключения к внутренним устройствам блока 2 питания, коммутации и регистрации внешних электрических цепей, вводимых внутрь корпуса 26 через кабельные вводы 29, 30. На плате 25 соединителей установлены коммутационные элементы (клеммы 31, 32 и реле 18, 19, 20), а также AC/DC преобразователь 33 (TMS 06124) с выходным стабилизированным постоянным напряжением 12 В для электропитания катушек реле 18, 19, 20. Преобразователь 33 также питается от вторичной обмотки трансформатора 21.
Модуль 16 микроконтроллера 17 имеет металлический корпус 34, внутри которого размещена кассета, залитая по всему объему теплопроводящим электроизоляционным компаундом типа ПК-68. Кассета состоит их двух плат с электронными компонентами: платы управления (на чертежах не показана) и платы 35 микроконтроллера 17. Плата управления осуществляет прием пяти дискретных сигналов переменного напряжения и трансляцию этих сигналов с помощью оптронов (на чертежах не показаны) на плату 35 микроконтроллера 17, а также осуществляет прием с платы 35 микроконтроллера 17 через оптроны 36 сигналов управления тремя реле 18, 19, 20 (на фиг 1 связи микроконтроллера и оптронов не показаны).
Модуль 16 микроконтроллера 17 обеспечивает прием от схемы электрооборудования крана пяти дискретных сигналов переменного напряжения и обрабатывает их в соответствии с алгоритмом программы в микроконтроллера 8, а также обеспечивает управление тремя реле 18, 19, 20, разрешающих выполнение операций управления краном и включение выносного поста 4 индикации, включающего в себя элементы предупредительной и аварийной световой и звуковой сигнализации.
Блок 1 управления предназначен для: приема данных с цифровых датчиков 3 усилия; выдачи в блок 2 питания, коммутации и регистрации информации о необходимом состоянии выходных реле 18, 19, 20; приема из блока 2 питания, коммутации и регистрации информации о состоянии дискретных входов; проведения необходимых расчетов в соответствии с алгоритмом работы ограничителя нагрузки; записи информации о работе крана в память регистратора 12 параметров крана; и формирования предупреждающих сигналов для машиниста и сигналов управления приводом подъема грузозахватного органа крана, направленных на предотвращение превышения измеренной нагрузки крана ее предельно допустимой величины.
Через разъем 14 в блок 1 управления поступают гальванически развязанные цепи двухпроводного интерфейса и цепи от двух гальванически развязанных источников 23 и 24 искробезопасного элекропитания. Через разъем 15 эти цепи транслируются на цифровые датчики 3 усилия.
Блок 2 питания, коммутации и регистрации предназначен для: выработки из переменного напряжения 380 В 50 Гц двух искробезопасных гальванически развязанных стабилизированных постоянных напряжений для питания модуля 16 микроконтроллера 17, элементов блока 1 управления и цифровых датчиков 3 усилия, выдачи в электрическую схему крана трех релейных сигналов нормально разомкнутыми контактами реле 18, 19, 20, разрешающих выполнение операций краном; приема пяти дискретных сигналов переменного напряжения для обеспечения работы программы ограничителя нагрузки крана; расчета и записи в регистратор 12 параметров крана времени работы механизмов крана, и управления выносным постом 4 световой и звуковой сигнализации.
Датчики 3 усилия плоские цифровые устанавливаются под корпус подшипника грузового барабана и представляют собой тензометрический измерительный мост, наклеенный на стальное основание, которое деформируется под воздействием на него нагрузки от грузового барабана, пропорциональной весу груза на крюке. На основании закреплен металлический корпус, в котором расположена плата преобразователя. Корпус залит теплопроводящим прозрачным компаундом. На торцевой поверхности корпуса установлены два разъема 37 и 38. С помощью разъема 37 к датчику 3 от блока 1 управления подключаются гальванически развязанные цепи искробезопасного электропитания от двух источников 23, 24 искробезопасного электропитания, цепи CAN интерфейса и экранирующая оплетка кабеля. Разъем 38 является транслирующим для электрических цепей с разъема 37 к другим датчикам 3 усилия.
Блок 1 управления и блок 2 питания, коммутации и регистрации могут быть выполнены на базе прибора ОНК-160М Арзамасского электромеханического завода, с использованием перепрограммируемых микроконтроллеров MSP430F149 фирмы “Texas Instruments” (США).
Конкретный набор датчиков параметров крана во взрывобезопасном исполнении зависит от модели грузоподъемного крана. Выполнение датчиков 3 усилия во взрывобезопасном исполнении не представляет труда для специалистов, они, например, могут быть выполнены на базе датчиков усилия ДСПЦ Арзамасского электромеханического завода.
Конструкция считывающего устройства не является предметом полезной модели. Искробезопасный считыватель телеметрической информации может быть выполнен на базе прибора СТИ-3 Арзамасского электромеханического завода, который позволяет считывать информацию с регистратора параметров, а также передавать ее на любой стационарный компьютер или ноутбук, оборудованный портом USB.
Работа ограничителя нагрузки грузоподъемного крана осуществляется под управлением программы, заложенной в память микроконтроллера 8. Программное обеспечение включает в себя подпрограмму тестирования, подпрограмму настройки и рабочую программу. Выходное напряжение с диагонали тензометрического моста датчика 3 усилия преобразуется в цифровой последовательный код с уровнем сигналов, соответствующим промышленному интерфейсу CAN, и в таком виде сигналы поступают по двухпроводной линии связи (CANH, CANL) на сигнальный вход блока 1 управления. На входы блока 1 управления могут поступать также сигналы с других датчиков параметров работы грузоподъемного крана, например, от датчика предельной высоты подъема крюковой подвески, а также сигналы управления машиниста. В блоке 1 управления производится сравнение фактической нагрузки на грузозахватном органе крана с паспортной величиной грузоподъемности. Далее микроконтроллер 8 в зависимости от результатов этого сравнения, выдает в электрическую схему крана сигнал разрешения или запрещения его движений (например, подъема крюка). Одновременно микроконтроллер 8 формирует предупреждающие и информационные сигналы для машиниста, которые выводятся на световые индикаторы предупредительной и аварийной сигнализации, входящие в состав устройства 9 для визуального отображения информации, на модуль 11 звуковой сигнализации и выносной пост 4 индикации. Кроме того, микроконтроллер 8 осуществляет запись рабочих параметров в долговременную энергонезависимую память регистратора 12 параметров грузоподъемного крана. Регистратор 12 параметров крана обеспечивает запись и долговременное хранение информации о рабочих параметрах крана, а также о степени нагрузки крана в течение всего срока службы ограничителя.
Считывание информации с регистратора 12 параметров крана осуществляется при помощи искробезопасного считывателя телеметрической информации через прозрачное окно на передней панели блока 1 управления без вскрытия и демонтажа данного блока.
Описанный ограничитель нагрузки мостового крана является лишь частным примером осуществления полезной модели. Полезная модель допускает также иные варианты реализации ограничителя при сохранении общего изобретательского замысла, изложенного в формуле полезной модели. Все элементы и узлы предлагаемого ограничителя нагрузки грузоподъемного крана, не раскрытые в настоящей заявке, известны из уровня техники и не являются предметом правовой охраны данной полезной модели.
Промышленная применимость
Предлагаемый ограничитель нагрузки грузоподъемного крана может быть изготовлен промышленным способом на приборостроительном предприятии с использованием современного электрического, электромеханического и электронного оборудования во взрывозащищенном исполнении.