СИСТЕМА БЕЗОПАСНОСТИ И УПРАВЛЕНИЯ ГРУЗОПОДЪЕМНОЙ МАШИНЫ

Область техники
Полезная модель относится к подъемно-транспортному машиностроению и может быть использована, например, в системах безопасности и управления грузоподъемных кранов.
Уровень техники
Известна система безопасности и управления грузоподъемной машины (грузоподъемного крана), содержащая процессор, реализованный на основе микроконтроллера с интегрированной памятью данных и программ и подключенных к нему интерфейсных устройств, обеспечивающих согласование входов/выходов микроконтроллера с внешними линиями связи. К процессору подключены:
датчики рабочих параметров грузоподъемной машины, характеризующих нагрузку и/или пространственное положение ее рабочего оборудования, а также датчики положения органов управления гидравлической системы грузоподъемной машины, положений опор и противовеса, датчик приближения к линии электропередачи. Подключение аналоговых и дискретных датчиков к процессору осуществляется по отдельным проводам, а цифровых - посредством мультиплексного канала обмена данными;
выходное устройство, выполненное в виде набора силовых электронных усилителей, ключей или электромагнитных реле с соответствующими драйверами, либо в виде микроконтроллера с подключенными к нему усилителями, электронными ключами или электромагнитными реле. Выходы выходного устройства подключены к исполнительным устройствам грузоподъемной машины;
органы управления и графический матричный дисплей с блоком памяти графической информации (RU 2326806 С1, В66С 23/90, В66С 13/18, 20.06.2008).
В известной системе безопасности и управления грузоподъемной машины на экране графического дисплея формируется динамическое отображение рабочей зоны грузоподъемной машины и ее условное изображение. Процессор этой системы периодически формирует графическую информацию и записывает ее в специальный блок памяти графической информации графического дисплея.
Основным недостатком данной системы является то, что обработка сигналов всех периферийных устройств, реализация всех алгоритмов по расчету рабочих параметров грузоподъемной машины, записи их в память регистратора параметров, формирование содержимого памяти графической информации и сигналов управления исполнительными устройствами и устройствами сигнализации производится единственным микроконтроллером процессора системы безопасности и управления грузоподъемной машины, что обуславливает высокие требования к параметрам микроконтроллера из-за весьма напряженных режимов использования его ресурсов, тормозит процесс смены отображаемой на экране дисплея информации.
Кроме того, эта система не позволяет выполнять функцию диагностики и индикации неисправностей при аппаратных отказах и сбоях программы микроконтроллера процессора, либо при неисправности элементов интерфейсной линии связи процессора с графическим дисплеем.
Все это снижает надежность известной системы и безопасность работы грузоподъемной машины.
Еще одним недостатком упомянутой системы является затрудненный доступ к регистратору параметров для считывания информации в случае, если процессор расположен за креслом машиниста грузоподъемной машины или вне кабины. Кроме того, расположение процессора вне кабины требует дополнительных мер защиты разъема для подключения устройства считывания информации от внешних воздействий.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели по совокупности существенных признаков является система безопасности и управления грузоподъемной машины, содержащая:
вычислительно-управляющее устройство, приспособленное для установки операционной системы реального времени, а также для программирования и отладки с помощью компьютера с использованием пользовательской среды программирования;
датчики измеряемых или контролируемых параметров грузоподъемной машины, подключенные к вычислительно-управляющему устройству непосредственно и/или к общему проводному или беспроводному внутрисистемному последовательному интерфейсному каналу.
Вычислительно-управляющее устройство содержит:
перепрограммируемое энергонезависимое запоминающее устройство;
энергонезависимые часы реального времени;
приемопередатчик последовательного интерфейса для подключения к общему внутрисистемному интерфейсному каналу;
приемопередатчик стандартного интерфейса для связи с внешними устройствами (системами управления двигателем, гидроприводом и т.д.);
один или несколько стандартных компьютерных портов;
два связанных между собой микропроцессорных контроллера.
по меньшей мере, один автономный или встроенный в микропроцессорный контроллер аналого-цифровой преобразователь;
по меньшей мере, один выходной ключ и/или драйвер ключа, приспособленный для формирования релейных и широтно-импульсных управляющих сигналов
внешнее устройство ввода команд и отображения информации с оснащенным контроллером графическим дисплеем, содержащее стандартный компьютерный порт и приспособленное для программирования и отладки с помощью компьютера с использованием пользовательской среды программирования (RU 98409 U1, В66С 23/00, 20.10.2010).
Данная система обладает широкими функциональными возможностями и в комплексе решает задачу управления, контроля и безопасности грузоподъемной машины. Использование двух микропроцессорных контроллеров в вычислительно-управляющем устройстве позволяет выполнять одновременно несколько процессов при использовании операционных систем реального времени.
Однако формирование всего содержимого памяти графической информации по-прежнему производится в вычислительно-управляющем устройстве, что создает на него дополнительную нагрузку, а отсутствие связи второго контроллера с общей интерфейсной шиной не позволяет выполнять диагностику системы при некоторых неисправностях основного контроллера. Остаются также недостатки, связанные с доступом и защитой регистратора параметров, встроенного в вычислительно-управляющее устройство.
Раскрытие полезной модели
Задачей, на решение которой направлено предлагаемая полезная модель, является повышение надежности системы управления и безопасности грузоподъемной машины. Дополнительной задачей настоящей полезной модели является расширение функциональных возможностей системы.
Поставленные технические задачи решаются тем, что в системе безопасности и управления грузоподъемной машины, содержащей вычислительно-управляющее устройство, подключенное к первому общему интерфейсному каналу, приспособленное для установки операционной системы реального времени, а также для программирования и отладки с помощью компьютера с использованием пользовательской среды программирования, и включающее в себя:
первый микропроцессорный контроллер и подключенные к нему и/или входящие в его состав периферийные устройства, включающие, по меньшей мере, один аналого-цифровой преобразователь и, по меньшей мере, один выходной ключ, приспособленный для формирования релейных и широтно-импульсных управляющих сигналов;
перепрограммируемое энергонезависимое запоминающее устройство;
энергонезависимые часы реального времени;
датчики измеряемых или контролируемых параметров грузоподъемной машины, подключенные к вычислительно-управляющему устройству непосредственно и/или к первому общему интерфейсному каналу;
внешнее устройство ввода команд и отображения информации с оснащенным контроллером графическим дисплеем, содержащее стандартный компьютерный порт и приспособленное для программирования и отладки с помощью компьютера с использованием пользовательской среды программирования;
согласно полезной модели, внешнее устройство ввода команд и отображения информации дополнительно содержит, по меньшей мере, один порт для подключения к первому общему интерфейсному каналу, а перепрограммируемое энергонезависимое запоминающее устройство и энергонезависимые часы реального времени подключены или входят в состав контроллера графического дисплея внешнего устройства ввода команд и отображения информации.
Достижению технического результата способствуют также частные существенные признаки полезной модели.
Внешнее устройство ввода команд и отображения информации содержит, по меньшей мере, один приемник сигнала и/или выходной ключ, которые подключены или входят в состав контроллера графического дисплея.
Система содержит, по меньшей мере, один дополнительный общий интерфейсный канал, к которому подключены вычислительно-управляющее устройство и/или внешнее устройство ввода и отображения информации.
Вычислительно-управляющее устройство и/или внешнее устройство ввода и отображения информации приспособлены для обмена информацией через первый и/или дополнительный общий интерфейсный канал с другими системами грузоподъемной машины.
Вычислительно-управляющее устройство содержит, по меньшей мере, один дополнительный микропроцессорный контроллер, подключенный к первому микропроцессорному контроллеру и к первому и/или дополнительному общему интерфейсному каналу.
Система содержит, по меньшей мере, один блок расширения входов-выходов, подключенный к первому или дополнительному общему интерфейсному каналу.
Система содержит, по меньшей мере, один орган управления и/или пульт дистанционного управления грузоподъемной машиной, подключенный к первому или дополнительному общему интерфейсному каналу и/или к вычислительно-управляющему устройству.
Система содержит, по меньшей мере, одну видеокамеру, подключенную к внешнему устройству ввода команд и отображения информации.
Сущность предложенного технического решения заключается в следующем.
Подключение внешнего устройства ввода команд и отображения информации, приспособленного для установки операционной системы, к общему интерфейсному каналу позволяет производить прием, обработку и индикацию информации от датчиков и других источников, подключенных к первому общему интерфейсному каналу и не используемых для осуществления функций безопасности и управления, непосредственно в самом внешнем устройстве ввода команд и отображения информации. Кроме того, самим этим устройством производится отработка команд, связанных с управлением режимами индикации, управлением дополнительными устройствами, подключенными к первому общему интерфейсному каналу и т.п., без участия вычислительно-управляющего устройства. Это, во-первых, разгружает первый микропроцессорный контроллер вычислительно-управляющего устройства от функций, не связанных с решением задач безопасности и управления грузоподъемной машины, а, во-вторых, позволяет выполнять производить диагностику составных частей системы при неисправности первого микропроцессорного контроллера вычислительно-управляющего устройства с помощью контроллера графического дисплея внешнего устройства ввода и отображения информации.
Перенос перепрограммируемого энергонезависимого запоминающего устройства и энергонезависимых часов реального времени во внешнее устройство ввода команд и отображения информации разгружает первый микропроцессорный контроллер вычислительно-управляющего устройства от функции записи и хранения массивов регистрируемой информации, обеспечивает удобный доступ оператору для считывания этой информации и облегчает защиту порта для считывания информации.
Снабжение внешнего устройства ввода команд и отображения информации приемниками сигналов и/или выходными ключами, подключенными или входящими в состав контроллера графического дисплея, позволяют сократить длину проводов и количество контактных соединений для подключения органов управления и исполнительных устройств, расположенных на панели управления в кабине машиниста грузоподъемной машины (переключателей, звукового сигнала и т.д.). Это также позволяет увеличить надежность предлагаемой системы безопасности и управления грузоподъемной машины.
Наличие дополнительных общих интерфейсных каналов, к которым подключены вычислительно-управляющее устройство и/или внешнее устройство ввода и отображения информации, позволяет уменьшить нагрузку в каналах при наличии большого количества устройств в системе и подключении к каналам других систем грузоподъемной машины (контроллера управления двигателем, гидрораспределителями и т.п.). Также это обеспечивает резервирование общего канала обмена информации системы и обеспечивает работоспособность системы и возможность ее диагностирования при повреждении одного из каналов. Надежность предлагаемой системы безопасности и управления грузоподъемной машины возрастает.
Приспособление вычислительно-управляющего устройства и/или внешнего устройства ввода и отображения информации для обмена информацией через первый и/или дополнительный общий интерфейсный канал с другими системами грузоподъемной машины позволяет производить диагностирование этих систем с выводом информации на дисплей внешнего устройства ввода и отображения информации, а также расширить функциональные возможности предлагаемой системы безопасности и управления грузоподъемной машины.
Введение дополнительного микропроцессорного контроллера, подключенного к первому микропроцессорному контроллеру и к первому или дополнительному общему интерфейсному каналу, в вычислительно-управляющем устройстве, позволяет осуществлять постоянный контроль исправного состояния первого (основного) контроллера и, при необходимости, блокировать формирование выходных сигналов включения движений, а также дублировать некоторые функции основного контроллера и выполнять диагностику вычислительно-управляющего устройства при неисправном основном контроллере.
Снабжение предлагаемой системы блоком расширения входов-выходов, подключенным к первому или дополнительному общему интерфейсному каналу, позволяет сократить длину проводов и количество контактных соединений для подключения датчиков и исполнительных устройств, расположенных вдали от вычислительно-управляющего устройства, что также повышает надежность системы безопасности и управления грузоподъемной машины.
Подключение к системе органов управления и/или пульта дистанционного управления грузоподъемной машиной позволяет сократить количество электронных блоков за счет совмещения всех функций управления и защиты в одной системе.
Снабжение предлагаемой системы одной или несколькими видеокамерами, подключенными к внешнему устройству ввода команд и отображения информации, позволяет без увеличения нагрузки на вычислительно-управляющее устройство обеспечить машинисту грузоподъемной машины удобное наблюдение за элементами или механизмами грузоподъемной машины, расположенными вне зоны видимости, например, за барабанами грузовых лебедок. Это также позволяет повысить безопасность работы грузоподъемной машины.
Технический результат от использования данной полезной модели заключается в повышении надежности системы безопасности и управления грузоподъемной машины, расширении ее функциональных возможностей и повышении безопасности работы грузоподъемной машины.
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 вычислительно-управляющего устройства; на фиг.3 - функциональная схема внешнего устройства ввода команд и отображения информации.
Осуществление полезной модели
Система безопасности и управления грузоподъемной машины, например, грузоподъемного крана стрелового типа, оборудованного навесной люлькой для работы в качестве подъемника, включает в себя вычислительно-управляющее устройство 1, связанное с группами датчиков 2 и 3 с цифровыми выходными сигналами посредством первого общего интерфейсного канала 4. Датчики 2, расположенные на корневой секции стрелы служат для измерения длины и угла наклона стрелы. Датчики 3, расположенные на поворотной платформе крана служат для измерения крена поворотной платформы и азимута. Датчики 5 с аналоговым сигналом, служащие для измерения давления в полостях гидроцилиндра подъема стрелы, и датчики 6 с релейным выходным сигналом, служащие для контроля положения элементов конструкции крана, подключены к входам вычислительно-управляющего устройства 1 посредством отдельных линий связи. А выходы вычислительно-управляющего устройства 1 подключены к электроуправляемым клапанам блока пропорциональных гидрораспределителей привода рабочих движений. К выходам вычислительно-управляющего устройства 1 подключен также индикатор 7 для индикации его состояния и состояния системы в целом.
К первому общему интерфейсному каналу 4 подключены также органы 8 управления (джойстики) для управления рабочими движениями из кабины крана и пульт 9 дистанционного управления для управления рабочими движениями из навесной люльки, закрепленной на оголовке стрелы.
Система содержит подключенное к первому общему интерфейсному каналу 4 внешнее устройство 10 ввода команд и отображения информации, к выходу которого подключен звуковой сигнализатор 11.
В систему введен второй (дополнительный) общий интерфейсный канал 12, связывающий вычислительно-управляющее устройство 1 и внешнее устройство 10 ввода команд и отображения информации с блоком 13 расширения входов-выходов, к которому подключены датчики 14, расположенные на неповоротной части крана, а также с другими системами крана (электронной системой управления и контроля двигателя, шасси и т.д.).
Вычислительно-управляющее устройство 1 содержит первый микропроцессорный контроллер 15 и периферийные устройства 16, в состав которых входят: контроллеры 17 интерфейсной шины САN, подключаемые через трансиверы 18 шины САN к первому и дополнительному общим интерфейсным каналам 4 и 12;
аналого-цифровой преобразователь 19 для преобразования сигналов аналоговых датчиков 5 в цифровую форму;
формирователь 20 широтно-импульсно модулированных и релейных сигналов, управляющих работой выходных электронных ключей 21;
модуль 22 универсальных входов-выходов, осуществляющий прием релейных сигналов датчиков 6 и управление индикатором 7;
контроллер 23 внутренней интерфейсной шины для связи со вторым (дополнительным) микропроцессорным контроллером 24.
Второй микропроцессорный контроллер 24, в свою очередь, содержит аналогичный контроллер 25 внутренней интерфейсной шины, модуль 26 универсальных входов-выходов для контроля состояния и управления электронными ключами 21 и контроллер 27 шины САN, подключаемый через трансивер 28 к первому или дополнительному общему интерфейсному каналу 4 или 12.
Внешнее устройство 10 ввода команд и отображения информации содержит органы управления 29 и графический дисплей 30, подключенные к контроллеру 31 графического дисплея 30. Для подключения внешнего устройства 10 ввода команд и отображения информации к первому общему интерфейсному каналу 4 и дополнительному общему интерфейсному каналу 12 к контроллеру 31 графического дисплея 30 подключены порты 32 интерфейсной шины САN, содержащие контроллер и трансивер шины САN.
К контроллеру 31 графического дисплея подключены также энергонезависимые часы 33 реального времени и перепрограммируемое энергонезависимое запоминающее устройство 34, обеспечивающие запись и хранение информации о регистрируемых рабочих параметрах крана.
Управление звуковым сигнализатором 11 осуществляется контроллером 31 графического дисплея 30 посредством подключенного к нему выходного ключа 35.
Для связи с персональным компьютером и устройством для считывания информации из памяти регистратора параметров предусмотрен USВ порт 36.
Система безопасности и управления может быть реализована на современной элементной базе.
В качестве вычислительно-управляющего устройства 1 с индикатором 7 может быть использован контроллер SС050-020 компании Sauer-Danfoss, содержащий два микропроцессорных контроллера и все необходимые периферийные устройства, и также светодиодные индикаторы. В контроллерах установлена операционная система реального времени. Их программирование производится в пользовательской графической среде программирования.
В качестве внешнего устройства 10 ввода команд и отображения информации могут быть использованы графические дисплеи DР200, DР250 компании Sauer-Danfoss, содержащие черно-белый или цветной графический дисплей, кнопки управления, приемники дискретных и аналоговых сигналов и электронный ключ для управления звуковым сигналом. Эти дисплеи также имеют USВ порт, часы реального времени и энергонезависимую память для регистрации параметров. При необходимости подключения видеокамер можно использовать дисплеи серий DР600 и DР700 с большим экраном.
В качестве звукового сигнализатора 11 можно применить звуковой индикатор SNР428.
В качестве органов 8 управления можно использовать джойстики с САN интерфейсом, например, джойстики Prof 1 компании Sauer-Danfoss.
В качестве блока 13 расширения входов-выходов можно применить модули расширения IOХ024-020 компании Sauer-Danfoss.
Пульт 9 дистанционного управления можно выполнить также на базе модуля IOX024-020 с подключенными к нему аналоговыми джойстиками, например JS2000.
В качестве датчиков 3 и 5 с цифровыми и аналоговыми сигналами можно использовать датчики параметров крана серийно выпускаемых приборов безопасности, например, прибора ОНК-160С или ОНК-140, а также общепромышленные датчики с необходимыми характеристиками.
В качестве датчиков 6 с релейными выходными сигналами можно использовать бесконтактные концевые выключатели, например серии ВБ2А производства ЗАО «МЕГА-К».
Система безопасности и управления грузоподъемного крана работает следующим образом.
При включении питания под управлением программы загрузчика производится загрузка операционной системы и рабочих программ в оперативное запоминающее устройство микропроцессорных контроллеров вычислительно-управляющего устройства 1 и внешнего устройства 10 ввода команд и отображения информации.
После завершения процесса загрузки запускается программа самодиагностики системы безопасности и управления. В процессе загрузки и самодиагностики микропроцессорный контроллер 15 не формирует команд разрешения движений крана.
После завершения самодиагностики системы, в случае отсутствия неисправностей, запускается рабочая программа, определяющая алгоритм функционирования системы безопасности.
Оператор с помощью органов 29 управления внешнего устройства 10 ввода команд и отображения информации производит выбор конфигурации и режимов работы кранового оборудования, а также режимов индикации.
В процессе выполнения рабочей программы микропроцессорный контроллер 15 опрашивает через общий интерфейсный канал 4 значения рабочих параметров крана, замеренных датчиками 2 и 3, подключенных к этому каналу, датчики 5, подключенные к встроенному аналого-цифровому преобразователю 19 и датчики 6, подключенные модулю 22 универсальных входов-выходов. На основании принятых от датчиков сигналов микропроцессорным контроллером 15 производится вычисление рабочих параметров крана и анализ его состояния, определяются разрешенные и опасные движения. В зависимости от результатов этого анализа и значений управляющих сигналов оператора, полученных от органов 8 управления или от пульта 9 дистанционного управления по первому общему интерфейсному каналу 4, микропроцессорный контроллер 15 формирует сигналы управления ключами 21. Разрешаются только те движения крана, которые безопасны в данный момент, и с безопасной скоростью.
Внешнее устройство 10 ввода и отображения информации выводит на экран графического дисплея 30 необходимую оператору информацию, принятую от датчиков, подключенных к первому общему интерфейсному каналу 4 и дополнительному общему интерфейсному каналу 12 (через блок 13 расширения входов-выходов). Необходимая для индикации и регистрации информация о параметрах, не измеряемых непосредственно датчиками и измеряемых датчиками 5 и 6, поступает от вычислительно-управляющего устройства 1 по общим интерфейсным каналам 4 и 12.
Предварительная обработка и запись информации о регистрируемых параметрах производится контроллером 31 графического дисплея 30 во внешнем устройстве 10 ввода команд и отображения информации. Эта информация может быть считана через USВ порт 36 с помощью компьютера или специального устройства для считывания информации.
В процессе работы микропроцессорными контроллерами 15, 24 вычислительно-управляющего устройства 1 и контроллером 31 графического дисплея 30 внешнего устройства 10 ввода команд и отображения информации производится постоянный мониторинг исправного состояния всех составных частей системы и общих интерфейсных каналов. При выявленных неисправностях, в зависимости от их характера, производится переход системы на работу по программам для нештатных ситуаций, включение звуковой и световой сигнализации и вывод на экран графического дисплея 30 информации о характере неисправности. Причем диагностика возможна даже в случае отказа микропроцессорного контроллера 15 за счет использования связи микропроцессорного контроллера 24 с общим интерфейсным каналом 4 или 12. В этом случае контроллер 24 и контроллер 31 могут взять на себя частично функции управления и безопасности отказавшего контроллера 15. В случае критических отказов контроллер 24 блокирует работу выходных электронных ключей 21 вычислительно-управляющего устройства 1, останавливая рабочие движения грузоподъемного крана.
В случае отказа внешнего устройства 10 ввода команд и отображения информации, контроллер 15 вычислительно-управляющего устройства 1 переходит на одну из программ для работы в нештатной ситуации (в зависимости от характера отказа), а сигнализация о характере отказа производится индикатором 7.
Полная диагностика и настройка системы безопасности и управления производится с помощью персонального компьютера, подключаемого через USВ порт 36 или через специальный адаптер к одному из общих интерфейсных каналов 4 или 12.
Приведенная функциональная схема системы безопасности и управления грузоподъемного крана является лишь примером, одним из возможных вариантов реализации предлагаемого технического решения и не определяет конструктивное исполнение данной системы. В частности, управление движениями может осуществляться с помощью отдельной системы управления, подключаемой к одному из общих интерфейсных каналов. Система также может содержать блок дистанционного мониторинга, включающий контроллер, связанный с приемником глобальных спутниковых систем определения координат ГЛОНАСС/GPS и приемопередатчиком GSM/GPRS, и подключенный к общему внутрисистемному интерфейсному каналу посредством приемопередатчика последовательного интерфейса.
Промышленная применимость
Заявленная система может быть изготовлена промышленным способом на приборостроительном предприятии с использованием современных электронных компонентов и технологий.