Система предотвращения столкновений рабочего оборудования грузоподъемных кранов с электрическим приводом
Полезная модель относится к области подъемно-транспортного оборудования. Система предотвращения столкновений рабочего оборудования грузоподъемных кранов с электрическим приводом содержит установленный на каждом из "n" работающих в группе грузоподъемных кранов прибор безопасности, имеющий в своем составе микропроцессорный блок обработки данных, к которому подключены датчики параметров грузоподъемного крана и исполнительный блок, и приемо-передающее устройство для обмена информацией между блоками обработки данных грузоподъемных кранов, приемо-передающее устройство подключено к блоку обработки данных с помощью кабельной цифровой линии связи и включает в себя PLC-адаптер (Powerline communication), выполненный с возможностью подключения к проводной линии связи, в качестве которой использована общая линия электропередачи, к которой подключено электрооборудование грузоподъемных кранов с пересекающимися зонами обслуживания, и подключенный к PLC-адаптеру микроконтроллер, приспособленный для согласования протоколов передачи данных по кабельной цифровой линии связи и общей линии электропередачи. Технический результат - повышение ремонтопригодности системы. 2 з.п. ф-лы, 2 илл.
Полезная модель относится к области подъемно-транспортного оборудования и может быть использована в системах управления и защиты от перегрузок и повреждения грузоподъемных кранов с электрическим приводом.
В настоящее время одним из направлений повышения безопасности выполнения работ на рабочем участке является использование систем предотвращения столкновений рабочего оборудования грузоподъемных кранов с пересекающимися зонами обслуживания.
Известна, в частности, антиколлизийная система "SMIE-AC30" (Франция) для предотвращения столкновений грузоподъемных кранов. Система "SMIE-AC30" содержит установленное на каждом кране устройство безопасности, включающее в себя цифровые датчики параметров крана, информационно-управляющий модуль с цифровым вычислителем, дисплей и исполнительный блок. Информационно-управляющие модули кранов связаны между собой кабелем или радиосвязью, образуя совместную сеть для обмена информацией о положении, движениях и нагрузке оборудования кранов (Дана Рафчикова. Антиколлизионные системы "SMIE-AC30" защиты кранов. Журнал "Подъемные сооружения. Специальная техника". 2001, 
4).
Система "SMIE-AC30" повышает безопасность выполнения грузоподъемных работ за счет использования информации о состоянии других близкорасположенных кранов с пересекающимися зонами обслуживания. Однако данное техническое решение может быть реализовано только в новых разработках систем предотвращения столкновений грузоподъемных кранов, в которых заранее предусматривается возможность соединения информационно-управляющих модулей между собой кабелем или радиосвязью. При этом известная система обладает недостаточной ремонтопригодностью, так как выход из строя цифрового трансивера, входящего в состав информационно-управляющего модуля, вызывает необходимость полной замены последнего с последующей настройкой прибора безопасности на кране и считывания информации с регистратора параметров крана.
Наиболее близкой к заявленной полезной модели по совокупности существенных признаков является система предотвращения столкновений рабочего оборудования грузоподъемных кранов с электрическим приводом, содержащая установленный на каждом из "n" работающих в группе кранов прибор безопасности, имеющий в своем составе микропроцессорный блок обработки данных (информационно-управляющий модуль) с питанием от бортовой сети крана, к которому подключены датчики параметров крана и исполнительный блок, и приемо-передающее устройство для обмена информацией между информационно-управляющими модулями о положении, движениях и нагрузке оборудования кранов по беспроводной линии связи (RU 2282576 С2, В66С 13/18, 27.08.2008).
Это техническое решение, также как и описанное выше, может быть реализовано только в новых разработках систем предотвращения столкновений рабочего оборудования грузоподъемных кранов, в которых заранее предусматривается возможность соединения информационно-управляющих модулей между собой с помощью беспроводной линии связи, и поэтому оно не может быть использовано для грузоподъемных кранов, оснащенных системой безопасности с передачей информации между ее элементами по кабельной цифровой линии связи.
Известно, что для обеспечения требуемой надежности и помехозащищенности протоколы передачи данных по проводным и по беспроводным каналам имеют совершенно разную структуру, кодировку и методы контроля правильности обмена и способы обеспечения помехозащищенности, обусловленные именно особенностями среды передачи сигнала - по проводам или по радиоканалу. А в системах безопасности, в силу присущих им особенностей, зачастую применяются нестандартные протоколы проводного обмена, что делает просто невозможной их непосредственную передачу или прием посредством радиоканала, так как приемо-передающие радиомодули обычно выполняются в виде законченных микросхем промышленного изготовления, на вход которых должен подаваться сигнал, соответствующий какому-либо стандартному протоколу. Поэтому для реализации системы по патенту RU 2282576 с использованием известных модемов промышленного изготовления необходимо ввести в конструкцию блока обработки данных дополнительные элементы для бесперебойной связи между модемом и микроконтроллером блока обработки данных, но в прототипе они отсутствуют и в описании изобретения к патенту RU 2282576 нет соответствующих рекомендаций.
При этом известная система, также как и описанная выше система "SMIE-AC30", обладает недостаточной ремонтопригодностью, так как выход из строя цифрового трансивера, входящего в состав информационно-управляющего модуля, вызывает необходимость полной замены последнего с последующей настройкой прибора безопасности на кране и считывания информации с регистратора параметров крана.
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является разработка системы предотвращения столкновений рабочего оборудования грузоподъемных кранов с электрическим приводом и пересекающимися зонами обслуживания на базе выпускаемых или находящихся в эксплуатации микропроцессорных приборов безопасности, обладающей повышенной надежностью и ремонтопригодностью.
Решение поставленных задач и достижение технического результата обеспечивается тем, что в системе предотвращения столкновений рабочего оборудования грузоподъемных кранов с электрическим приводом, содержащая установленный на каждом из "n" работающих в группе грузоподъемных кранов прибор безопасности, имеющий в своем составе микропроцессорный блок обработки данных, к которому подключены датчики параметров грузоподъемного крана и исполнительный блок, и приемо-передающее устройство для обмена информацией между блоками обработки данных грузоподъемных кранов, согласно полезной модели, приемо-передающее устройство подключено к блоку обработки данных с помощью кабельной цифровой линии связи и включает в себя PLC-адаптер (Powerline communication), выполненный с возможностью подключения к проводной линии связи, в качестве которой использована общая линия электропередачи, к которой подключено электрооборудование грузоподъемных кранов с пересекающимися зонами обслуживания, и подключенный к PLC-адаптеру микроконтроллер, приспособленный для согласования протоколов передачи данных по кабельной цифровой линии связи и общей линии электропередачи.
Достижению технического результата способствуют также частные существенные признаки полезной модели.
В приемо-передающее устройство введен радиомодем, подключенный к микроконтроллеру, дополнительно приспособленному для согласования протоколов передачи данных по кабельной цифровой линии связи и радиоканалу.
Кабельная цифровая линия связи выполнена комбинированной и включает в себя двухпроводную CAN-линию обмена данными и двухпроводную линию питания приемо-передающего устройства от блока обработки данных.
Сущность предложенного технического решения заключается в следующем.
Подключенное к кабельной цифровой линии связи приемо-передающее устройство является по существу приемо-передающим устройством выносного типа, конструктивно необъединенным с микропроцессорным блоком обработки данных, и которое может быть изготовлено и поставлено потребителям как дополнительная опция к выпускаемым в настоящее время или находящимся в эксплуатации приборам безопасности грузоподъемных кранов с электрическим приводом. Это позволяет упростить реализацию предлагаемой системы на базе находящихся в эксплуатации современных приборов безопасности грузоподъемных кранов с электрическим приводом без возврата их на завод-изготовитель и какой-либо дополнительной конструктивной доработки блока обработки данных, а также повысить тем самым ремонтопригодность предлагаемой системы, так как приемопередающий блок может быть заменен, при необходимости, без замены полностью микропроцессорного блока обработки данных и последующей необходимости настройки прибора безопасности на кране и считывания информации с регистратора параметров крана. При этом включение в приемо-передающее устройство PLC-адаптера (Power-line communication), выполненного с возможностью подключения к проводной линии связи, в качестве которой использована общая линия электропередачи, к которой подключено электрооборудование грузоподъемных кранов с пересекающимися зонами обслуживания, и подключение к PLC-адаптеру микроконтроллера, приспособленного для согласования протоколов передачи данных по кабельной цифровой линии связи и общей линии электропередачи, устраняет возможность влияния радиопомех на передачу данных между кранами и повышает тем самым надежность предлагаемой системы.
Введение в приемо-передающее устройство радиомодема повышает надежность данной системы, так как процесс обмена информацией между блоками обработки данных грузоподъемных кранов осуществляется по двум независимым каналам с использованием проводной и беспроводной линий связи.
Выполнение кабельной цифровой линия связи комбинированной обеспечивает возможность питания элементов приемо-передающего устройства от блока обработки данных, что также упрощает реализацию данной системы и повышает ее надежность.
На фиг.1 и 2 показаны два примера выполнения предлагаемой системы.
По первому примеру исполнения система предотвращения столкновений рабочего оборудования грузоподъемных кранов с электрическим приводом, упрощенная функциональная схема которой приведена на фиг.1, содержит установленный на каждом из "n" работающих в группе грузоподъемных кранов штатный многофункциональный прибор 2 безопасности, имеющий в своем составе микропроцессорный блок 3 обработки данных, к которому подключены посредством кабельной цифровой can-линии связи 4 (шины последовательного CAN-интерфейса) комплекс датчиков 5 параметров грузоподъемного крана, исполнительный блок 6 и приемо-передающее устройство 7 для обмена информацией между блоками 3 обработки данных о положении, движениях и нагрузке оборудования грузоподъемных кранов с пересекающимися зонами обслуживания.
Конструкция блока 3 обработки данных не является предметом настоящей полезной модели, так как различные конструкции блоков обработки данных на основе современных микропроцессоров широко описаны в технической литературе. Блок 3 обработки данных в общем случае содержит собственный микроконтроллер, внешнее запоминающее устройство, клавиатуру, модуль визуальной индикации, включающий в себя в себя дисплей и световые индикаторы предупредительной и аварийной сигнализации, модуль звуковой сигнализации, блок питания и встроенный регистратор параметров работы грузоподъемного крана с часами реального времени. Блок 3 обработки данных может иметь и другое наименование, например, информационно-управляющий блок, цифровой вычислитель, вычислительно-управляющее устройство, блок отображения информации, блок управления и т.д.
Кабельная цифровая линия связи 4 выполнена комбинированной и включает в себя двухпроводную CAN-линию обмена данными и двухпроводную линию вторичного электропитания комплекса датчиков 5, исполнительного блока 6 и приемо-передающего устройства 7 от блока 3 обработки данных, снабженного встроенным или внешним блоком питания, подключенным к бортовой сети грузоподъемного крана. Такая кабельная цифровая линия связи использована, в частности, в приборах безопасности грузоподъемных кранов «Ограничитель нагрузки ОНК-160» для связи блока обработки данных (блока отображения информации «БОИ» в приборах безопасности ОНК-160Б и ОНК-160С или блока управления «БУ» в приборе безопасности ОНК-160М) и комплекса датчиков параметров крана.
Комплекс датчиков 5 измеряемых или контролируемых параметров грузоподъемного крана включает в себя аналоговые, цифровые и дискретные датчики. Цифровые датчики подключаются к линии связи 4 непосредственно, а аналоговые датчики - через контроллеры (на чертеже не показаны). В качестве датчиков 5 можно использовать специализированные датчики, используемые в выпускаемых приборах и системах безопасности, либо общепромышленные датчики соответствующего исполнения. Конкретный набор датчиков, используемых в системе, зависит от типа грузоподъемного крана.
Исполнительный блок 6 выполнен в виде набора электронных силовых ключей, обеспечивающих усиление выходных сигналов блока обработки данных до уровня, необходимого для управления исполнительными механизмами грузоподъемного крана.
Приемо-передающее устройство 7 включает в себя PLC-адаптер 9 (Powerline communication), выполненный с возможностью подключения к проводной линии связи, в качестве которой использована общая линия электропередачи 10 переменного тока напряжением 220/380 В, к которой подключено электрооборудование грузоподъемных укранов с пересекающимися зонами обслуживания. К PLC-адаптеру 9 подключен микроконтроллер 8, приспособленный для согласования протоколов передачи данных по кабельной цифровой линии связи 4 и общей линии электропередачи 10.
Грузоподъемные краны могут быть оборудованы, в частности, приборами безопасности «Ограничитель нагрузки ОНК-160» (модификации: ОНК-160М, ОНК-160Б и ОНК-160С), выпускаемыми Арзамасским электромеханическим заводом. Данные приборы выполнены на базе микроконтроллера MSP430F149 фирмы «Texas Instruments» (США).
В качестве микроконтроллера 8 может быть использован, например, микроконтроллер STM32F405 фирмы STMicroelectronics.
PLC-адаптер 9 может быть реализован на основе микроконтроллера МАХ2992 фирмы MAXIM.
Система работает следующим образом.
Рабочие параметры грузоподъемного крана, обозначенного на чертеже как l1, т.е. параметры, характеризующие его нагрузку, геометрию и режим работы, измеряются, или контролируются с помощью комплекса датчиков 5 параметров грузоподъемного крана (первичными преобразователями). Микроконтроллер блока 3 обработки данных, работая по программе, записанной в памяти микроконтроллера, осуществляет опрос датчиков 5 и обработку измеренных и преобразованных в цифровую форму сигналов указанных датчиков. Эта обработка может заключаться, в частности, в вычислении текущего значения грузового момента, определении текущего положения стрелового оборудования и в сравнении полученных величин соответственно с грузовой характеристикой грузоподъемного крана, хранящейся в памяти микроконтроллера, а также с зоной допустимых положений стрелы в своей рабочей зоне, заданной оператором грузоподъемного крана при помощи клавиатуры при введении параметров координатной защиты. Далее микроконтроллер блока 3 обработки данных, в зависимости от результатов этого сравнения, формирует сигналы управления исполнительным блоком 6, осуществляя защиту грузоподъемного крана от перегрузок, и реализует координатную защиту в своей рабочей зоне. Кроме того, микроконтроллер осуществляет запись рабочих параметров в долговременную энергонезависимую память регистратора параметров грузоподъемного крана. При этом форма, объем и порядок записей устанавливаются в соответствии с нормативными требованиями Ростехнадзора.
Одновременно микроконтроллер блока 3 обработки данных осуществляет передачу информации о пространственном положении рабочего оборудования грузоподъемного крана l1 на подключенное к блоку 3 приемопередающее устройство 7 для последующей передачи этих данных с помощью PLC-адаптера 9 на другие грузоподъемные краны l2-ln с пересекающимися зонами обслуживания, электрооборудование которых подключены к общей линии электропередачи 10.
Высокоскоростной микроконтроллер 8 необходим для таких операций как канальное кодирование в полосе пропускания, коррекция ошибок, мультиплексирование с ортогональным частотным разделением сигналов для избежания определенного набора частот и т.д.. PLC-адаптер 9 физического интерфейса реализует автоматическую регулировку усиления с широким динамическим диапазоном. Например, микросхема МАХ2991 фирмы MAXIM имеет диапазон более 60 дБ, а также встроенную функцию программирования внутренних фильтров для высокоскоростной (до 300 Кб/с) передачи в условиях зашумленных линий электропередач.
В свою очередь микроконтроллеры блоков 3 обработки данных грузоподъемных кранов l2 -ln принимают через свои приемо-передающие устройства 7 данные о пространственном положении окружающих их кранов и передают также данные о своем кране.
При приближении рабочего оборудования грузоподъемного крана l1 на недопустимое расстояние к оборудованию другого грузоподъемного крана, например, грузоподъемного крана l2, внесенное в память микроконтроллера блока 3 обработки данных, последний подает команду на отключение приводов рабочего оборудования грузоподъемного крана l1 через исполнительный блок 6.
Аналогичным образом работает прибор 2 безопасности грузоподъемного крана l2 .
По второму примеру исполнения предлагаемой системы, функциональная схема которой приведена на фиг.2, в приемо-передающее устройство 7 введен подключенный к микроконтроллеру 8 радиомодем 11, содержащий цифровой трансивер, при этом микроконтроллер 8 дополнительно приспособлен для согласования протоколов передачи данных по кабельной цифровой линии связи 4 и радиоканалу.
Беспроводная передача и прием данных осуществляется на частоте 2,4 ГГц на основе международного стандарта IEEE 802.15.4. Для него многими производителями электронных компонентов выпускаются цифровые трансиверы различной мощности и степени интеграции. Возможно использование цифровых трансиверов ХВР24 фирмы DiGi, сертифицированных в Российской Федерации. При передаче сигналов по радиоканалу при необходимости может быть использован ретранслятор (на чертеже не показан).
Микроконтроллер блока 3 обработки данных осуществляет передачу информации о пространственном положении рабочего оборудования грузоподъемного крана l1 на подключенное к блоку 3 приемо-передающее устройство 7, содержащее PLC-адаптер 9 и радиомодем 11, для последующей передачи этих данных на другие близко расположенные грузоподъемные краны l 2-ln, с пересекающимися зонами обслуживания, подключенные к общей линии электропередачи 10. Принятые данные из эфира от радиомодема 11 и от PLC-адаптера 9 сохраняются в памяти микроконтроллера 8 для дальнейшей обработки.
Аналогичным образом работает прибор 2 безопасности грузоподъемного крана l2 .
Возможны также и другие примеры исполнения предлагаемой системы. Например, при использовании трехфазной сети переменного тока для питания грузоподъемных кранов с пересекающимися зонами обслуживания, в качестве линии связи возможно использование как одной из ее фаз, так и различных фаз, к которым могут быть подключены PLC-адаптеры на других кранах. В этом случае в распределительных электрощитах грузоподъемных кранов устанавливаются дополнительные переходные конденсаторы между фазами для осуществления высокочастотной связи между фазами. Кроме того, PLC-адаптеры могут иметь два выхода для осуществления передачи информации как по силовым сетям переменного тока, так и по силовым сетям постоянного тока.
Предлагаемая полезная модель может быть изготовлена промышленным способом на приборостроительном предприятии с использованием современных электронных компонентов и технологий.
1. Система предотвращения столкновений рабочего оборудования грузоподъемных кранов с электрическим приводом, содержащая установленный на каждом из "n" работающих в группе грузоподъемных кранов прибор безопасности, имеющий в своем составе микропроцессорный блок обработки данных, к которому подключены датчики параметров грузоподъемного крана и исполнительный блок, и приемопередающее устройство для обмена информацией между блоками обработки данных грузоподъемных кранов, отличающаяся тем, что приемопередающее устройство подключено к блоку обработки данных с помощью кабельной цифровой линии связи и включает в себя PLC-адаптер (Powerline communication), выполненный с возможностью подключения к проводной линии связи, в качестве которой использована общая линия электропередачи, к которой подключено электрооборудование грузоподъемных кранов с пересекающимися зонами обслуживания, и подключенный к PLC-адаптеру микроконтроллер, приспособленный для согласования протоколов передачи данных по кабельной цифровой линии связи и общей линии электропередачи.
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что в приемопередающее устройство введен радиомодем, подключенный к микроконтроллеру, дополнительно приспособленному для согласования протоколов передачи данных по кабельной цифровой линии связи и радиоканалу.
3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что кабельная цифровая линия связи выполнена комбинированной и включает в себя двухпроводную CAN-линию обмена данными и двухпроводную линию питания приемопередающего устройства от блока обработки данных.
