Система безопасности и управления грузоподъёмной машины

Область техники
Полезная модель относится к грузоподъемной технике и может быть использована в системах безопасности и управления грузоподъемных машин.
Уровень техники
Известно устройство защиты грузоподъемного крана с графическим дисплеем, содержащее датчики нагрузки и пространственного положения стрелового оборудования крана, выходное устройство, графический дисплей с блоком памяти графической информации и процессор, связанный с упомянутыми датчиками, графическим дисплеем и с выходным устройством, соединенным с исполнительными устройствами крана. В данном устройстве на экране графического дисплея формируется динамическое отображение рабочей зоны крана и условное изображение крана. Процессор устройства периодически формирует графическую информацию и записывает ее в блок памяти графической информации графического дисплея (RU 2326806 С1, В66С 23/90, В66С 13/18, 20.06.2008).
Недостатком этого устройства является необходимость использования ресурсов основного процессора для управления графическим дисплеем при выводе динамических изображений, что предъявляет очень высокие требования по быстродействию и объему оперативной памяти процессора, что значительно усложняет и удорожает устройство.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели по совокупности существенных признаков является система безопасности и управления грузоподъемной машины, содержащая датчики измеряемых или контролируемых параметров грузоподъемной машины, блок расширения входов-выходов, подключенный к общему внутрисистемному интерфейсному каналу, и вычислительно-управляющее устройство, к которому подключены модуль графического дисплея, звуковой сигнализатор и устройство ввода команд и информации. Вычислительно-управляющее устройство включает в себя:
- перепрограммируемое энергонезависимое запоминающее устройство;
- энергонезависимые часы реального времени;
- приемопередатчик последовательного интерфейса для подключения к общему внутрисистемному интерфейсному каналу;
- приемопередатчик стандартного интерфейса;
- один или несколько стандартных компьютерных портов;
- радиомодуль;
- микропроцессорный контроллер, включающий в себя постоянное запоминающее устройство с программой начальной загрузки, аналого-цифровой преобразователь 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, и контроллер стандартного компьютерного интерфейса, подключенный к стандартному компьютерному порту (RU 98409 U1, В66С 23/00, 20.10.2010).
Недостатком данной системы является использование для связи между вычислительно-управляющим устройством и графическим дисплеем внешнего последовательного интерфейса, требующего дополнительных преобразований передаваемой информации и дополнительных кабелей и жгутов. Это снижает скорость обмена информацией между дисплеем и вычислительно-управляющим устройством и приводит к возникновению дополнительных источников отказов.
Раскрытие полезной модели
Задачей, на решение которой направлено предлагаемая полезная модель, является повышение оперативности информирования машиниста грузоподъемной машины, 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 и управления грузоподъемной машины, содержащей: датчики измеряемых или контролируемых параметров грузоподъемной машины, блок расширения входов-выходов, подключенный к общему внутрисистемному интерфейсному каналу, и вычислительно-управляющее устройство, к которому подключены модуль графического дисплея, звуковой сигнализатор и устройство ввода команд и информации, при этом вычислительно-управляющее устройство включает в себя:
- перепрограммируемое энергонезависимое запоминающее устройство;
- энергонезависимые часы реального времени;
- приемопередатчик последовательного интерфейса для подключения к общему внутрисистемному интерфейсному каналу;
- приемопередатчик стандартного интерфейса;
- один или несколько стандартных компьютерных портов;
- радиомодуль;
- микропроцессорный контроллер, включающий в себя постоянное запоминающее устройство с программой начальной загрузки, аналого-цифровой преобразователь 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, и контроллер стандартного компьютерного интерфейса, подключенный к стандартному компьютерному порту,
согласно полезной модели, модуль графического дисплея включает в себя микропроцессорный контроллер, с подключенными к нему графической панелью и энергонезависимым запоминающим устройством, и выполнен в едином конструктивном блоке с вычислительно-управляющим устройством, звуковым сигнализатором и устройством ввода команд и информации.
Достижению технического результата способствуют также частные существенные признаки полезной модели.
Радиомодуль приспособлен для обмена информацией вычислительно-управляющего устройства с составными частями системы и внешними устройствами.
В качестве радиомодуля использован Wi-Fi модуль.
Часть датчиков измеряемых или контролируемых параметров подключена к общему внутрисистемному интерфейсному каналу непосредственно и/или с помощью блока расширения входов-выходов.
В качестве внешнего устройства ввода команд и информации использована сенсорная панель графического дисплея.
Вычислительно-управляющее устройство выполнено с возможностью подключения к нему непосредственно или через один из интерфейсных каналов органа управления грузоподъемной машиной.
Вычислительно-управляющее устройство выполнено с возможностью подключения к нему блока дистанционного мониторинга, включающего контроллер, связанный с приемником глобальных спутниковых систем определения координат ГЛОНАСС/GPS и приемопередатчик GSM/GPRS.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Объединение модуля графического дисплея в единый модуль с вычислительно-управляющим устройством и использование в модуле графического дисплея микроконтроллера, графической панели и энергонезависимого запоминающего устройства позволяют исключить внешние линии связи, дополнительные преобразования интерфейсов при обмене информацией между графическим дисплеем и микропроцессорным контроллером, существенно сократить объем передаваемой информации, а также разгрузить память основного микропроцессорного контроллера вычислительно-управляющего устройства от хранения выводимых графических образов. Это позволяет повысить надежность и скорость обмена данными между микропроцессорным контроллером вычислительно-управляющего устройства и графическим дисплеем.
Радиомодуль, приспособленный для обмена информацией вычислительно-управляющего устройства с составными частями системы и внешними устройствами может работать как в режиме устройства, так и в режиме точки доступа, и служит для подключения мобильных устройств (планшет, ноутбук и т.д. для чтения данных регистратора параметров, обновления прошивок, чтения и загрузки настроек, вывода информации о рабочих параметрах), а также для обмена информацией между элементами системы управления и безопасности в беспроводном исполнении.
Подключение части датчиков измеряемых или контролируемых параметров к общему внутрисистемному интерфейсному каналу непосредственно и/или с помощью блока расширения входов-выходов позволяет сократить длину линий связи для подключения удаленных от вычислительно-управляющего устройства датчиков и исполнительных устройств.
Использование в качестве устройства ввода команд и информации сенсорной панели, улучшают информативность и повышают удобство работы оператора.
Выполнение вычислительно-управляющее устройства с возможностью подключения к нему непосредственно или через один из интерфейсных каналов органа или органов управления грузоподъемной машиной 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).
Выполнение вычислительно-управляющего устройства с возможностью подключения к нему блока дистанционного мониторинга, включающего контроллер, связанный с приемником глобальных спутниковых систем определения координат ГЛОНАСС/GPS и приемопередатчик GSM/GPRS, 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 оперативности информирования машиниста грузоподъемной машины, а также в повышении надежности системы безопасности и управления грузоподъемной машины и расширении ее функциональных возможностей.
Краткое описание чертежей
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 звуковым сигнализатором и устройством ввода команд и информации; на фиг. 3 - функциональная схема блока расширения входов-выходов; на фиг. 4 - функциональная схема модуля графического дисплея. На приведенных рисунках одни и те же элементы обозначены одинаковыми позициями.
Осуществление полезной модели
Система безопасности и управления грузоподъемной машины, например, грузоподъемного крана стрелового типа, содержит связанные с помощью общего внутрисистемного интерфейсного канала вычислительно-управляющее устройство 1 и блок 2 расширения входов/выходов. К вычислительно-управляющему устройству 1 подключены звуковой сигнализатор 4, устройство 5 ввода команд и информации (УВКиИ) и модуль 6 графического дисплея. Вычислительно-управляющее устройство 1, звуковой сигнализатор 4, устройство 5 ввода команд и информации и модуль 6 графического дисплея выполнены в виде единого конструктивного блока 7. К вычислительно-управляющему устройству 1 посредством стандартного интерфейса (CAN) подключаются органы 8 управления грузоподъемной машиной (джойстики) и 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. В частности, это датчики 9 с аналоговыми выходными сигналами (датчики давления, датчик азимута и т.д.), датчики 10 с цифровыми выходными сигналами (датчик вылета и т.д.) и датчики 11 с дискретными выходными сигналами (датчики предельного подъема грузозахватного органа - основной и вспомогательный и т.д.). При этом датчики 10 подключены к общему внутрисистемному интерфейсному каналу непосредственно, а датчики 9 и 11 подключены к общему внутрисистемному интерфейсному каналу с помощью блока расширения входов-выходов.
Вычислительно-управляющее устройство 1 приспособлено для программирования и отладки с помощью компьютера. Оно содержит:
- перепрограммируемое энергонезависимое запоминающее устройство 12 (ППЗУ);
- энергонезависимые часы 13 реального времени (RTC);
- приемопередатчик 14 последовательного интерфейса для подключения к общему последовательному внутрисистемному интерфейсному каналу;
- один или несколько стандартных компьютерных портов (USB порт 15, СОМ порт 16) для подключения к хост-компьютеру, блоку дистанционного мониторинга, либо других внешних устройств, поддерживаемых операционной системой;
- радиомодуль 17 в виде Wi-Fi модуля;
- микропроцессорный контроллер 18, содержащий периферийные устройства 19 для сопряжения с внешними устройствами, в том числе контроллер стандартного последовательного интерфейса 20, подключенный через приемопередатчик 14 стандартного интерфейса к общему внутрисистемному интерфейсному каналу, контроллер 21 стандартного интерфейса, подключенный к приемопередатчику 22 стандартного интерфейса для связи с другими системами, и контроллер 23 стандартного компьютерного интерфейса, подключенный к стандартному компьютерному порту 15;
- аналого-цифровой преобразователь 24, встроенный в микропроцессорный контроллер 18.
Блок 2 расширения входов-выходов включает в себя: микропроцессорный контроллер 25 со встроенным аналогово-цифровым преобразователем 26, выходные ключи 27, приспособленные к формированию релейных и/или пропорциональных (ШИМ) выходных сигналов, и приемопередатчик 28 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, например, STM32 ARM Cortex 32-х битные микропроцессорные контроллеры.
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 модуля 6 графического дисплея может быть использован, например, модуль WF43MTIBEDRND компании WINSTAR, включающий графическую панель 29, энергонезависимое запоминающее устройство 30 и микропроцессорный контроллер 31, подключаемый к вычислительно-управляющему устройству 1 с помощью стандартных интерфейсов.
В качестве датчиков измеряемых или контролируемых параметров грузоподъемного крана можно использовать специализированные датчики, используемые в выпускаемых приборах и системах безопасности, например датчики приборов семейств ОНК-160 и OHK-SD-180 производства ООО «АЭМЗ», либо общепромышленные датчики соответствующего исполнения.
В качестве запоминающих устройств могут быть использованы специализированные микросхемы, например, в качестве перепрограммируемого энергонезависимого запоминающего устройства 12 можно использовать одну или несколько микросхем М25Р80, либо встроенную в микроконтроллер flash память.
В качестве энергонезависимых часов 13 реального времени может быть использована, например, микросхема DS1338 с подключенным к ней литиевым элементом питания, а в качестве приемопередатчиков 14, 22 и 28 последовательного интерфейса - микросхемы ISO1050DUB (в случае использования интерфейсной шины CAN).
Система безопасности грузоподъемного крана работает следующим образом.
Алгоритм работы системы безопасности определяется рабочей программой, подготовленной на компьютере в пользовательской среде, например, IAR, либо программного комплекса Code Composer Studio фирмы Texas Instruments, или программного комплекса CoDeSys фирмы Smart Software Solution, или LabVIEW фирмы National Instruments и т.п. с учетом архитектуры примененных в системе микропроцессорных контроллеров. Полученный программный код заносится в запоминающее устройство 12 из компьютера, или иного устройства для программирования, подключенного с помощью стандартного компьютерного интерфейса, например, USB, к вычислительно-управляющему устройству 1 через приемопередатчик 15, либо через беспроводный интерфейс (Wi-Fi модуль). Сформированный программный код может быть предварительно зашифрован для предотвращения использования его посторонними лицами. Загрузка программного кода в запоминающее устройство 12 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, после завершения процесса загрузки запускается программа самодиагностики системы безопасности. В процессе загрузки и самодиагностики микропроцессорный контроллер 18 не формирует команд разрешения движений крана.
После завершения самодиагностики системы 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 18 опрашивает через общий внутрисистемный канал последовательного интерфейса значения рабочих параметров крана, замеренных датчиками, подключенных к общему внутрисистемному интерфейсному каналу непосредственно, либо через блок 2 расширения входов-выходов, а также датчики, подключенные к встроенному аналого-цифровому преобразователю 24. На основании принятых сигналов от датчиков микропроцессорным контроллером 18 производится вычисление рабочих параметров крана и анализ его состояния, определяются разрешенные и опасные движения. В зависимости от результатов этого анализа микропроцессорный контроллер 18 формирует сигналы разрешения, запрета и ограничения рабочих движений, управляемых ключами 27. Разрешаются только те движения крана, которые безопасны в данный момент. Ключи 27 формируют сигналы в соответствии с направлением и величиной отклонения органов 8 управления грузоподъемной машины (джойстиков) с учетом принятых сигналов разрешения, запрета и ограничения рабочих движений.
Одновременно микропроцессорным контроллером 18 осуществляется формирование сигналов управления звуковым сигнализатором 4, а также и модулем 6 графического дисплея. Ход исполнения программы и отображения параметров контролируется с помощью устройства 5 ввода команд и информации.
Микропроцессорный контроллер 18 может также производить запись и хранение в специально выделенной области запоминающего устройства 12 рабочих параметров крана и данных об операторе (регистрация параметров), которая затем может быть считана в компьютер для расшифровки и последующей обработки непосредственно через приемопередатчик 15 стандартного последовательного интерфейса, либо с помощью внешнего устройства, подключаемого к вычислительно-управляющему устройству 1 посредством беспроводного интерфейса, работу которого обеспечивает радиомодуль 17 (Wi-Fi модуль).
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. Модуль вычислительно-управляющего устройства 1, объединенный с модулем 6 графического дисплея может называться блоком обработки данных или блоком отображения информации и т.д. В качестве блока 2 расширения входов-выходов могут использоваться контроллер поворотной части, контроллер неповоротной части, блок электронного управления приборов ОНК-160С и т.д. В качестве внешнего устройства 5 ввода команд и информации может быть использована также сенсорная панель. Вычислительно-управляющее устройство 1 может быть выполнено с возможностью подключения к нему блока дистанционного мониторинга, включающего контроллер, связанный с приемником глобальных спутниковых систем определения координат ГЛОНАСС/GPS и приемопередатчик GSM/GPRS.
Промышленная применимость
Заявленная система может быть изготовлена промышленным способом на приборостроительном предприятии с использованием современных электронных компонентов и технологий.