СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПОДВИЖНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ГРУЗОПОДЪЁМНОГО КРАНА

Полезная модель относится к области подъемно-транспортного машиностроения и может быть использована на грузоподъемных кранах для защиты их от опрокидывания при перемещении груза или от поломок, связанных с динамическими перегрузками.
В настоящее время в грузоподъемной технике широко применяются системы безопасности, в которых используются различные электронно-вычислительные блоки, позволяющие достаточно полно контролировать их работу с предупреждением о выходе на критические ситуации.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели по совокупности существенных признаков и решаемым задачам является система обеспечения безопасности перемещения подвижных элементов грузоподъемного крана, содержащая установленные в каждом канале управления перемещением подвижного элемента цифровой вычислительный блок, блок задания ограничений координатной защиты, логический модуль определения подхода к границе координатной защиты, формирующий командный сигнал аварийной остановки подвижного элемента, блок сигнализации, модуль блокирования движения подвижного элемента и периферийные устройства измерения перемещения подвижного элемента и технологических параметров грузоподъемного крана, при этом блок задания ограничений координатной защиты соединен с первым информационным входом цифрового вычислительного блока и с первым информационным входом логического модуля определения подхода к границе координатной защиты, первый информационный выход цифрового вычислительного блока соединен с блоком сигнализации, а второй его информационный выход - со вторым входом логического модуля определения подхода к границе координатной защиты, к выходному каналу которого подключен входной канал модуля блокирования движения, а периферийные устройства измерения параметров перемещения подвижного элемента и
технологических параметров грузоподъемного крана подключены ко второму информационному входу цифрового вычислительного блока (см. патент Российской Федерации №2151732, В 66 С 15/00, 23/88, 27.06.2000). Данная система успешно защищает подъемный кран от смещения за пределы установленных границ координатной защиты, однако при блокировке движения перемещаемого элемента крана не учитывается скорость его перемещения, что приводит к динамическим перегрузкам при резкой остановке перемещаемого элемента.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание системы обеспечения безопасности перемещения подвижных элементов грузоподъемного крана, предотвращающей динамические перегрузки крана, возникающие при остановке перемещаемого элемента по команде аварийного останова.
Поставленная техническая задача решается тем, что система обеспечения безопасности перемещения подвижных элементов грузоподъемного крана, содержащая установленные в каждом канале управления перемещением подвижного элемента цифровой вычислительный блок, блок задания ограничений координатной защиты, логический модуль определения подхода к границе координатной защиты, формирующий командный сигнал аварийной остановки подвижного элемента, блок сигнализации, модуль блокирования движения подвижного элемента и периферийные устройства измерения перемещения подвижного элемента и технологических параметров грузоподъемного крана, при этом блок задания ограничений координатной защиты соединен с первым информационным входом цифрового вычислительного блока и с первым информационным входом логического модуля определения подхода к границе координатной защиты, первый информационный выход цифрового вычислительного блока соединен с блоком сигнализации, а второй его информационный выход - со вторым входом логического модуля определения подхода к границе координатной защиты, к выходному каналу которого подключен входной канал модуля блокирования движения подвижного элемента, а периферийные устройства
измерения параметров перемещения подвижного элемента и технологических параметров грузоподъемного крана подключены ко второму информационному входу цифрового вычислительного блока, согласно полезной модели, оснащена логическим модулем ограничения динамической нагрузки, определяющим величину пути торможения в режимах экстренного и плавного торможения и формирующим командные сигналы на аварийную остановку подвижного элемента и на разрешение перемещения подвижного элемента с максимальной скоростью, поступающих соответственно на первый и второй выходные каналы, а модуль блокирования движения подвижного элемента оснащен вторым входным каналом, причем информационный вход логического модуля ограничения динамической нагрузки подключен к блоку задания ограничений координатной защиты и ко второму информационному выходу цифрового вычислительного блока, первый выходной канал логического модуля ограничения динамической нагрузки и выходной канал логического модуля определения подхода к границе координатной защиты подключены через модуль "И" к первому входному каналу модуля блокирования движения подвижного элемента, а второй выходной канал логического модуля ограничения динамической нагрузки подключен ко второму входному каналу модуля блокирования движения подвижного элемента.
При этом логический модуль ограничения динамической нагрузки включает в себя два компаратора, шину приема данных информационного входа и подключенные к ней блок вычисления тормозного пути при плавном торможении, блок вычисления тормозного пути при экстренном торможении, блок вычисления скорости перемещения подвижного элемента, блок вычисления расстояния до границы координатной защиты, причем выход блока вычисления скорости перемещения подвижного элемента подключен к входам обоих блоков вычисления тормозного пути, выход блока вычисления тормозного пути при экстренном торможении и выход блока вычисления расстояния до границы координатной защиты через первый компаратор соединены с первым командным выходом логического модуля ограничения
динамической нагрузки, а выход блока вычисления тормозного пути при плавном торможении и выход блока вычисления расстояния до границы координатной защиты через второй компаратор соединены со вторым командным выходом логического модуля ограничения динамической нагрузки.
Кроме того, датчики линейного перемещения подвижного элемента дополнительно подключены к информационному входу логического модуля ограничения динамической нагрузки.
При этом блок сигнализации дополнительно подключен к выходу модуля "И" и ко второму выходному каналу логического модуля ограничения динамической нагрузки.
Оснащение системы обеспечения безопасности перемещения подвижных элементов грузоподъемного крана логическим модулем ограничения динамической нагрузки, определяющим величину пути торможения в режимах экстренного и плавного торможения, дает возможность по известным формулам определить величину пути торможения перемещаемого подвижного элемента как в номинальном режиме торможения с плавным уменьшением скорости перемещения подвижного элемента, так и в режиме экстренного торможения при максимальном тормозном усилии. Величина пути экстренного торможения рассматривается как предельно допустимое приближение к границе координатной защиты с выдачей команды на экстренное торможение в модуль блокирования движения подвижного элемента. Необходимая информация для расчета путей торможения поступает из блока задания ограничений координатной защиты (значения границ координатной защиты, радиуса стрелы, предельного угла поворота), цифрового вычислительного блока (вес поднимаемого груза, текущие значения угла поворота, линейного перемещения и т.п.), обрабатывающего данные с периферийных устройств измерения перемещения подвижного элемента и технологических параметров грузоподъемного крана (например, текущее значение угла поворота и радиуса стрелы). Так же, как и в прототипе, наличие логического модуля определения подхода к границе координатной защиты позволяет остановить перемещение подвижного элемента при
достижении границы координатной защиты при медленных перемещениях подвижного элемента, не приводящих к появлению чрезмерных ускорений при торможении. Использование модуля "И" для подключения к первому входному каналу модуля блокирования движения подвижного элемента обоих логических блоков обеспечивает торможение подвижного элемента при любом варианте опасного приближения к границе координатной защиты. Подключение второго выходного канала логического модуля ограничения динамической нагрузки ко второму входному каналу модуля блокирования движения подвижного элемента подтверждает возможность безопасной работы грузоподъемного крана с максимальными скоростями перемещения подвижного элемента.
Наличие в логическом модуле ограничения динамической нагрузки шины приема данных информационного входа обеспечивает получение на вход логического модуля любого количества информации с любого блока системы обеспечения безопасности с последующим распределением ее между функциональными блоками логического модуля. Блок вычисления скорости перемещения подвижного элемента (дифференцирующий блок) позволяет определить текущее значение скорости по изменению пути перемещения. Блок вычисления тормозного пути при экстренном торможении позволяет определить путь экстренного торможения из условия гашения кинетической энергии подвижного элемента при максимальном тормозном усилии. Данные для расчета тормозного пути поступают с шины приема данных и из блока вычисления скорости перемещения подвижного элемента. Блок вычисления тормозного пути при плавном торможении позволяет определить путь номинального торможения из условия понижения скорости перемещения подвижного элемента до минимальной скорости за заданное время с последующим гашением кинетической энергии подвижного элемента при номинальном тормозном усилии. Данные для расчета тормозного пути поступают с шины приема данных и из блока вычисления скорости перемещения подвижного элемента. Блок вычисления расстояния до границы координатной защиты определяет текущую разницу между границей
координатной защиты и перемещением подвижного элемента. Возникновение критической ситуации определяется в компараторах сравнением текущего значения расстояния до границы координатной защиты с расчетными значениями, полученными в соответствующих блоках.
Дополнительное подключение датчиков линейного перемещения подвижного элемента к информационному входу логического модуля ограничения динамической нагрузки позволяет использовать напрямую показания датчиков линейного перемещения.
Дополнительное подключение блока сигнализации к выходу модуля "И" и ко второму выходному каналу логического модуля ограничения динамической нагрузки позволяет получить предупредительный сигнал при возникновении любой критической ситуации.
На фиг.1 изображена блок-схема предлагаемой системы обеспечения безопасности перемещения подвижных элементов грузоподъемного крана на примере одного канала управления перемещением подвижного элемента; на фиг.2 - блок-схема логического модуля ограничения динамической нагрузки.
Система обеспечения безопасности перемещения подвижных элементов грузоподъемного крана содержит цифровой вычислительный блок 1, блок 2 задания ограничений координатной защиты, логический модуль 3 определения подхода к границе координатной защиты, формирующий командный сигнал аварийной остановки подвижного элемента, логический модуль 4 ограничения динамической нагрузки, определяющий величину пути торможения в режимах экстренного и плавного торможения и формирующий командные сигналы на аварийную остановку подвижного элемента и на разрешение перемещения подвижного элемента с максимальной скоростью, блок 5 сигнализации, модуль 6 блокирования движения подвижного элемента, телеметрический модуль 7 и периферийные устройства, включающие в себя датчик 8 углового перемещения подвижного элемента, датчик 9 линейного перемещения подвижного элемента и устройство 10 регистрации массы перемещаемого груза и устройства 11 и 12, регистрирующие другие технологические параметры грузоподъемного крана.
Блок 2 задания ограничений координатной защиты соединен с первым информационным входом 13 цифрового вычислительного блока 1, с первым информационным входом 14 логического модуля 3 определения подхода к границе координатной защиты и с информационным входом 15 логического модуля 4 ограничения динамической нагрузки. Первый информационный выход 16 цифрового вычислительного блока 1 соединен с блоком 5 сигнализации, второй его информационный выход 17 - со вторым входом 18 логического модуля 3 определения подхода к границе координатной защиты и с информационным входом 15 логического модуля 4 ограничения динамической нагрузки, а третий выход 19 - с телеметрическим модулем 7.
Периферийные устройства 8-12 подключены ко второму информационному входу 20 цифрового вычислительного блока 1. Датчик 9 линейного перемещения подвижного элемента дополнительно подключен к информационному входу 15 логического модуля ограничения динамической нагрузки.
Модуль 6 блокирования движения подвижного элемента выполнен с двумя входными каналами 21 и 22. Первый выходной канал 23 логического модуля 4 ограничения динамической нагрузки и выходной канал 24 логического модуля 3 определения подхода к границе координатной защиты подключены через модуль "И" 25 к первому входному каналу 21 модуля 6 блокирования движения подвижного элемента, а второй выходной канал 26 логического модуля 4 ограничения динамической нагрузки подключен ко второму входному каналу 22 модуля 6 блокирования движения подвижного элемента. Блок 5 сигнализации дополнительно подключен к выходу модуля "И" 25 и ко второму выходному каналу 26 логического модуля 4 ограничения динамической нагрузки.
Логический модуль 4 ограничения динамической нагрузки включает в себя два компаратора 27 и 28, шину 29 приема данных информационного входа и подключенные к ней блок 30 вычисления тормозного пути при плавном торможении, блок 31 вычисления тормозного пути при экстренном торможении, блок 32 вычисления скорости перемещения подвижного элемента, блок 33 вычисления расстояния до границы координатной защиты,
при этом выход блока 32 вычисления скорости перемещения подвижного элемента подключен к входам обоих блоков 30 и 31 вычисления тормозного пути, выход блока 31 вычисления тормозного пути при экстренном торможении и выход блока 33 вычисления расстояния до границы координатной защиты через первый компаратор 27 соединены с первым командным выходом 23 логического модуля 4 ограничения динамической нагрузки, а выход блока 30 вычисления тормозного пути при плавном торможении и выход блока 33 вычисления расстояния до границы координатной защиты через второй компаратор 28 соединены со вторым командным выходом 26 логического модуля 4 ограничения динамической нагрузки.
Предлагаемая система обеспечения безопасности перемещения подвижных элементов грузоподъемного крана работает следующим образом.
Подвижный элемент может перемещаться в любом режиме, если разрешающий командный сигнал поступает на оба входа 21 и 22 модуля 6 блокирования движения подвижного элемента. Для управления перемещением подвижного элемента из блока 2 задания ограничений кооординатной защиты в цифровой вычислительный блок 1 и в логические модули 3 и 4 передают заданные характеристики параметров, определяющих работу подвижного элемента. Текущие значения перемещения подвижного элемента и технологических параметров измеряются устройствами 8-12 и передаются на второй информационный вход 20 цифрового вычислительного блока 1 и на информационный вход 15 логического модуля 4. В цифровом вычислительном блоке 1 результаты измерений обрабатываются для получения исходных данных для модулей 3 и 4. Обработанные результаты измерений передаются в телеметрический модуль 7 и записываются в нем в режиме текущего времени, что дает возможность провести подробный анализ работы крана в соответствии с международным стандартом ИСО 4301/1.
В логическом модуле 3 обрабатываются данные о положении подвижного элемента относительно границ координатной защиты и пока подвижный элемент находится вне опасной зоны на выходном канале 24 модуля 3 поддерживается командный сигнал, разрешающий перемещение подвижного
элемента. При перемещении подвижного элемента в опасную зону, например, в зону опасной близости к высоковольтной линии, командный сигнал исчезает - снимается напряжение на выходном канале 24 модуля 3. Исчезновение сигнала на одном из входов модуля "И" 25 приводит к снятию разрешающего командного сигнала на выходе модуля "И" 25 и соответственно разрешающий командный сигнал исчезает с первого входного канала 21 модуля 6 блокирования движения подвижного элемента и выдается сигнал на остановку подвижного элемента.
В логическом модуле 4 ограничения динамической нагрузки рассчитываются две величины пути торможения, соответствующие экстренному и плавному торможению.
e
Величина пути экстренного торможения S рассчитывается в блоке 31 из условия гашения кинетической энергии подвижного элемента с воздействием максимального тормозного усилия по формуле:
где: М - приведенная масса, учитывающая массу подымаемого груза и массу самого подвижного элемента;
V - текущая скорость перемещения подвижного элемента;
1
Р - максимальное тормозное усилие, развиваемое приводом.
1
Параметры М и P поступают в логический блок 31 с шины 29 приема данных информационного входа. Текущая скорость перемещения V определяется в блоке 32 вычисления скорости перемещения подвижного элемента по формуле
где: S - координата текущего положения подвижного органа, измеренная датчиком 9 перемещения или расчитанная в цифровом вычислительном блоке 1.
s
Величина пути плавного торможения S рассчитывается в блоке 30 по формуле:
min
где: V - начальная скорость плавного торможения;
2
Р - тормозное усилие в режиме плавного торможения;
S
τ - постоянная времени устройства снижения скорости в модуле 6 блокировки движения подвижного элемента.
Текущее расстояние до границы кооординатной защиты определяется в блоке 33 по формуле:
0
ΔS=S-S,
0
где: S - координата границы координатной защиты.
e
e
В компараторе 27 текущее значение ΔS сравнивается с текущим значением пути экстренного торможения S и если ΔS>S необходимость экстренного торможения отсутствует и на первом выходном канале 23 модуля 4 поддерживается разрешающий командный сигнал. Если это условие не выполняется, то командный сигнал исчезает - снимается напряжение на выходном канале 23 модуля 4. Исчезновение сигнала на входе модуля "И" 25 приводит к снятию разрешающего командного сигнала на выходе модуля "И" 25 и соответственно разрешающий командный сигнал исчезает с первого входного канала 21 модуля 6 блокирования движения подвижного элемента и выдается сигнал на остановку подвижного элемента.
s
s
В компараторе 28 текущее значение ΔS сравнивается с текущим значением пути плавного торможения S и если ΔS>S командный сигнал на втором выходном канале 26 модуля 4 поддерживается разрешающий командный сигнал и подвижный элемент может перемещаться с любой скоростью, в том числе максимальной. Если это условие не выполняется, то на втором выходном канале 26 командный сигнал исчезает - снимается напряжение на выходном канале 26 модуля 4 ограничения динамической нагрузки, и соответственно исчезает разрешающий командый сигнал на втором входном канале 22 модуля 6 блокирования движения подвижного элемента и по
s
соответствующей команде скорость перемещения подвижного элемента уменьшается до величины, при которой выполняется условие ΔS>S.
При наличии нескольких подвижных элементов многоканальная система обеспечения безопасности перемещения подвижных элементов может быть построена с автономными каналами управления для каждого перемещаемого элемента подъемного крана. Можно использовать также объединенную систему обеспечения безопасности перемещения всех подвижных элементов подъемного крана с использованием в качестве цифрового вычислительного блока, блока задания ограничений координатной защиты, логического модуля определения подхода к границе координатной защиты и логического модуля ограничения динамической нагрузки микропроцессоров, соединенных между собой и с периферийными устройствами регистрации измерения перемещения подвижных элементов и технологических параметров грузоподъемного крана мультиплексными каналами обмена данных.
Заявленная полезная модель может быть изготовлена промышленным способом с использованием современных электронных компонентов и технологий. Логический модуль определения подхода к границе координатной защиты аналогичен по исполнению соответствующему модулю, описанному в прототипе. В системе безопасности подъемного крана можно использовать микропроцессор MSP430F149 фирмы "Texas Instruments" (США) или другие микропроцессоры подобного типа.