Система защиты от столкновений грузоподъемных кранов, перемещающихся на общих и разноярусных путях (варианты)
Группа полезных моделей относится к подъемно-транспортному оборудованию и может быть использована для обеспечения безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов с пересекающимися зонами обслуживания, в частности грузоподъемных мостовых кранов машинных залов АЭС. Решаемой задачей является создание относительно простой и надежной системы защиты (СЗ), обеспечивающей автономную для каждого крана защиту от столкновений с препятствиями при работе кранов в пересекающихся в трехмерном пространстве зонами обслуживания. Решение указанной задачи достигается тем, что каждый из кранов снабжен устройствами обнаружения препятствий (УОП), включающими источник и приемник оптического или акустического излучения, а также блоком управления, связанным со всеми устройствами обнаружения, расположенными на кране, и выполненным с возможностью приема и обработки их выходных сигналов, а также с возможностью формирования в зависимости от результатов этой обработки сигнала управления движением механизмов крана и/или сигнала оповещения. При этом:
- выполнение функции защиты от столкновений опущенной грузовой подвески (ГП) кранов верхнего яруса с кранами нижнего яруса обеспечивается тем, что каждый из кранов верхнего яруса снабжен группой УОП вертикального действия, установленной с возможностью детектирования кранов нижнего яруса, а блок управления крана верхнего яруса выполнен с дополнительной возможностью определения признака его опущенной грузовой подвески;
- выполнение функции защиты от столкновений кранов нижнего яруса с опущенной ГП кранов верхнего яруса обеспечивается тем, что каждый из кранов нижнего яруса снабжен группой УОП горизонтального действия, направленных вдоль моста крана и установленных с возможностью детектирования опущенной ГП крана верхнего яруса, или группой УОП вертикального действия, установленной с возможностью детектирования излучения от устройств обнаружения кранов верхнего яруса, при этом блок управления каждого крана верхнего яруса дополнительно снабжен устройством независимого питания;
- выполнение функции защиты от столкновений кранов одного яруса между собой обеспечивается тем, что каждый из кранов снабжен группой УОП горизонтального действия, направленных вдоль подкрановых путей и установленных с возможностью детектирования другого крана этого же яруса, или (для кранов нижнего яруса) специальным пассивным элементом, например, пластиной, установленной с возможностью его детектирования устройством обнаружения горизонтального действия другого крана этого же яруса, направленных вдоль моста крана и выполняющих одновременно функцию защиты от столкновений крана нижнего яруса с опущенной ГП кранов верхнего яруса;
- выполнение функции защиты от столкновений со стенами цеха (опционально) обеспечивается тем, что каждый из кранов снабжен группой УОП горизонтального действия, установленной с возможностью детектирования препятствий, расположенных на соответствующем ярусе.
Группа полезных моделей относится к подъемно-транспортному оборудованию и может быть использована для обеспечения безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов с пересекающимися зонами обслуживания, в частности грузоподъемных мостовых кранов (МК) машинных залов атомных электрических станций (АЭС).
Конструктивно типовой МК состоит из моста, передвигающегося в пределах цеха (зала) по подкрановым путям, и, по крайней мере, одной крановой тележки, передвигающейся вдоль моста, с установленными на ней одним или двумя механизмами подъема груза. Управление краном осуществляется с пульта управления, расположенного в кабине машиниста МК.
В машинном зале АЭС МК расположены на двух (верхнем и нижнем) ярусах с возможностью передвижения грузоподъемного оборудования (грузовых подвесок) МК вдоль и поперек цеха для выполнения операций по вертикальному и горизонтальному транспортированию грузов с большим диапазоном веса.
Для таких МК действующей нормативной документацией установлен ряд специальных требований по их безопасной эксплуатации. В частности, в соответствии с п.4.4.3 НП-043-03 «Для кранов ОИАЭ, перемещающихся на общих путях, должна быть предусмотрена защита от столкновений. Аналогичная по принципу действия защита должна быть предусмотрена и для грузовой подвески крана ОИАЭ верхнего (верхних) яруса (ярусов) с расположенным ниже краном ОИАЭ». Следует отметить, что на АЭС реализация защиты от столкновений для действующих МК вызывает определенные трудности, обусловленные крайне ограниченными возможностями размещения на таких МК дополнительного оборудования (допускается внесение минимальных и строго ограниченных и согласованных изменений в конструкцию крана).
Из предшествующего уровня техники известна система защиты (СЗ) от столкновений башенных кранов, содержащая установленное на каждом кране устройство безопасности, включающее 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 [1].
Указанная СЗ позволяет повысить безопасность выполнения грузоподъемных работ за счет получения оперативной информации о расположении кранов в пересекающихся (на одном уровне) зонах обслуживания.
Близкой по назначению является также СЗ грузоподъемного крана, содержащая датчики положения крана, устройство беспроводного обмена данными, цифровое вычислительное устройство, выполненное с возможностью приема и обработки выходных сигналов указанных датчиков и устройства беспроводного обмена данными, формирования, в зависимости от результатов этой обработки, предупредительного сигнала и/или сигнала блокирования движений крана, а также с возможностью определения расстояния до другого крана и неподвижных препятствий [2].
Из статьи [1], так же, как из формулы и описания патента [2], не следует возможность использования приведенных технических решений для обеспечения безопасности работ при двухуровневом расположении пересекающихся зон обслуживания МК, а также для защиты от столкновений с обесточенным краном или с его опущенной грузовой подвеской (определение положения крана посредством датчиков положения и обмен данными с другим краном для вычисления расстояния между ними требует питания соответствующих устройств).
В обоих приведенных технических решениях, так же, как в аналогичных им по назначению, не обнаружено общих существенных признаков с таковыми для заявленной полезной модели (ПМ) - в них содержатся близкие по назначению и/или названию элементы (например, «цифровые датчики параметров крана» [1], «датчики положения», «цифровое вычислительное устройство» [2] и пр.), которые не обязательны или не используются в технических решениях заявленной ПМ.
Задачей, решаемой заявленной полезной моделью, является создание относительно простой и надежной СЗ для предотвращения столкновений опущенной грузовой подвески МК верхнего яруса с кранами нижнего яруса, столкновений МК, перемещающихся на общих путях, а также столкновений со случайными препятствиями и стенами цеха (опционально). При этом необходимо, во-первых, чтобы при поднятых ГП МК верхнего яруса краны обоих ярусов могли беспрепятственно передвигаться под (над) друг другом, во-вторых, каждый кран должен обладать автономной защитой от столкновений, независимо от возможного обесточивания других кранов. Технический результат, достигаемый заявленной полезной моделью, заключается в создании СЗ с совокупностью указанных свойств.
Следует отметить, что защита механизмов перемещения кранов от столкновения со стенами цеха не является ключевой задачей СЗ рассматриваемых кранов, так как для них предусмотрена обязательная установка механических концевых выключателей и тупиковых упоров. Однако, в некоторых случаях, например, при использовании в системах управления статических преобразователей частоты, для повышения надежности, целесообразна установка дополнительных «концевых выключателей» - для снижения скорости или блокировки движения МК.
В первом варианте реализации СЗ решение поставленной задачи достигается тем, что каждый из кранов снабжен устройствами обнаружения препятствий (УОП), включающими источник и приемник оптического или акустического излучения, а также блоком управления, связанным со всеми УОП, расположенными на кране, и выполненным с возможностью приема и обработки их выходных сигналов, а также с возможностью формирования в зависимости от результатов этой обработки сигнала управления движением механизмов крана и/или сигнала оповещения. При этом каждый кран верхнего яруса снабжен группой УОП горизонтального действия, установленной с возможностью детектирования препятствий, находящихся на этом же ярусе (другого крана, стены цеха), при сближении крана с ними, а также группой устройств обнаружения вертикального действия, установленной с возможностью детектирования кранов нижнего яруса, при сближении проекций на горизонтальную плоскость кранов верхнего и нижнего ярусов. Каждый кран нижнего яруса снабжен группой УОП горизонтального действия, установленной с возможностью детектирования препятствий, находящихся на этом же ярусе, и опущенной грузовой подвески крана верхнего яруса при сближении крана с ними. Блок управления каждого крана верхнего яруса выполнен с дополнительной возможностью определения признака опущенной грузовой подвески крана и учета этого признака при формировании сигнала управления движением механизмов крана и/или сигнала оповещения.
Отличие второго варианта реализации СЗ от первого состоит в том, что каждый кран нижнего яруса дополнительно снабжен, по крайней мере, одним пассивным элементом (например, пластиной), установленным с возможностью его детектирования, по крайней мере, одним устройством обнаружения горизонтального действия, установленным на другом кране этого же яруса, при сближении кранов. Это позволяет уменьшить количество УОП горизонтального действия, устанавливаемых на кранах нижнего яруса, для решения той же поставленной задачи (появляется возможность детектирования как ГП крана верхнего яруса, так и крана этого же яруса - его пассивного элемента - одним и тем же устройством обнаружения).
В третьем варианте реализации СЗ решение поставленной задачи достигается тем, что каждый из кранов снабжен устройствами обнаружения препятствий, включающими источник и приемник оптического или акустического излучения, а также блоком управления, связанным со всеми устройствами обнаружения, расположенными на кране, и выполненным с возможностью приема и обработки их выходных сигналов, а также с возможностью формирования в зависимости от результатов этой обработки сигнала управления движением механизмов крана и/или сигнала оповещения. При этом каждый кран снабжен группой УОП горизонтального действия, установленной с возможностью детектирования препятствий, находящихся на общем с ним ярусе, при сближении крана с ними. Каждый кран верхнего яруса дополнительно снабжен группой УОП вертикального действия, установленной с возможностью детектирования кранов нижнего яруса, при сближении проекций на горизонтальную плоскость кранов верхнего и нижнего ярусов (что обеспечивает защиту от столкновения с ГП кранов верхнего яруса). Каждый кран нижнего яруса дополнительно снабжен группой УОП вертикального действия, установленной с возможностью детектирования излучения от УОП кранов верхнего яруса, при сближении проекций на горизонтальную плоскость кранов нижнего и верхнего ярусов. Блок управления каждого крана верхнего яруса дополнительно снабжен устройством независимого питания и выполнен с дополнительной возможностью определения признака опущенной грузовой подвески крана и учета этого признака при формировании сигнала управления движением механизмов крана и/или сигнала оповещения.
Все указанные варианты реализации СЗ обеспечивают относительно простое и надежное решение поставленной задачи. При этом для функционирования СЗ не требуется определение расстояния между кранами, обмен информацией (проводной или беспроводной) между ними и, соответственно, применение дорогостоящего и сложного для монтажа на действующих кранах оборудования.
Повышению надежности и снижению стоимости СЗ способствует также частный случай реализации всех ее вариантов, при котором блок управления выполнен из релейных и/или релейно-оптронных элементов (для достаточно простых алгоритмов работы СЗ, при таком ее построении, не обязательно применение цифровых, или микропроцессорных, вычислительных устройств).
На фиг. 1, 2, 3 схематично показана характерная для машинных залов АЭС общая зона обслуживания 4-х МК, расположенных на 2-х ярусах, с указанием для такой зоны мест расположения элементов СЗ на кранах, соответственно, по 1-му, 2-му и 3-му вариантам ее реализации.
На чертежах показаны следующие позиции:
А1 , А2 и Б1, Б2, - МК, расположенные, соответственно, на верхнем и нижнем ярусах;
L - расстояние между проекциями на горизонтальную плоскость кранов верхнего и нижнего ярусов;
1 - подкрановые пути;
2, 3 и 4 - мост, тележка и грузовая подвеска МК соответственно;
5 - кабина машиниста;
6 - блок управления (БУ);
7 - устройство обнаружения препятствий (УОП), направленное вдоль осевой линии моста крана; 7а и 7б - элементы данного УОП;
8, 9 - УОП горизонтального действия, направленные параллельно подкрановым путям в сторону другого крана, расположенного на этом же ярусе, и стены цеха соответственно;
10 - УОП вертикального действия, направленные вниз;
11 - пассивный элемент, например, пластина, закрепленная на штанге;
12 - УОП вертикального действия (приемник излучения), направленные вверх.
На фиг. 4 показана структурная схема подвода питания СЗ по 3-му варианту ее реализации.
Каждый МК одного яруса имеет возможность выполнения транспортно-технологических операций вдоль всей длины подкрановых путей 1. Длина зоны обслуживания (подкрановых путей) каждого МК составляет (280
320) м; разница высот между ярусами составляет примерно 5 м.
Устройства обнаружения препятствий включают в себя источник и приемник оптического или акустического излучения, которые могут быть размещены как в едином блоке, так и в отдельных блоках.
Так, на фиг. 1, 2 (варианты 1, 2) показан пример размещения источника 7а и приемника 76 УОП 7 в двух отдельных блоках. В качестве источника излучения в этом примере используется твердотельный лазер или светодиод, в качестве приемника - фотодиодный блок, которые установлены соосно и разнесены вдоль моста на расстояние не менее длины пути тележки крана. УОП 7 может быть выполнен также в едином блоке (как и УОП 8-10) и работать по принципу отражения излучения от препятствия (такие устройства широко известны, например, оптические - Omron E3Z, E3F2, ультразвуковые - Balluff BUS M30M1, QT50U Banner).
Два УОП 7 расположены на штангах по обе стороны от продольной оси моста крана нижнего яруса на расстоянии от крана, обеспечивающем его безопасное торможение, и имеют возможность детектирования (обнаружения) препятствий (ГП 4 кранов А1, А2, а также пассивного элемента 11 другого крана и случайного препятствия, например, человека, находящихся на этом же ярусе) при пересечении ими линий действия УОП.
Работа СЗ осуществляется следующим образом.
Вариант 1 (Фиг. 1)
Защита от столкновения грузовой подвески каждого из кранов верхнего яруса (А1, А2) от столкновения с краном нижнего яруса (Б1, Б2)
При включении крана типа А блок управления 6 включает, в т.ч., УОП вертикального действия 10 данного крана. При этом блок управления СЗ контролирует наличие признака опущенной ГП всех механизмов подъема крана, например, по состоянию контактов реле цепи концевого выключателя (КВ) механизма подъема.
В случае фиксирования каким-либо из УОП 10 (в зависимости от направления движения крана типа А: вперед - от «тупика» или назад - к «тупику») отраженного излучения от моста крана нижнего яруса и наличия при этом признака опущенной ГП, блок управления 6 крана типа А дает команду в СУ этого крана на его останов и запрет движения вперед или назад соответственно, с выдачей на информационную панель машиниста звукового и визуального оповещения.
При отсутствии признака опущенной ГП СЗ не препятствует движению крана вдоль подкрановых путей. При этом в случае наличия сигнала от любого из УОП 10 (при детектировании им крана нижнего яруса) блок управления 6 выдает команду блокировки опускания ГП.
Защита от столкновения крана нижнего яруса (Б 1, Б2) от столкновения с грузовой подвеской кранов верхнего яруса (А1, А2), а также с препятствиями, расположенными на нижнем ярусе
При начале движения крана типа Б блок управления 6 включает, в т.ч., УОП горизонтального действия 7, направленные вдоль моста крана. В случае пересечения препятствием, расположенным на нижнем ярусе, либо ГП крана верхнего яруса (например, его тросом) луча, формируемого каким-либо из источников излучения 7а (в зависимости от направления движения крана типа Б: вперед - от «тупика» или назад - к «тупику»), блок управления 6 крана типа Б дает команду в СУ этого крана на его останов и запрет движения вперед или назад соответственно, с выдачей на информационную панель машиниста звукового и визуального оповещения.
Защита кранов А1 и А2, Б1 и Б2, перемещающихся по общим путям от столкновения между собой и со стенами цеха
При начале движения моста крана типа Б, блок управления 6 крана включает, в т.ч., УОП 8 и 9 горизонтального действия. В случае детектирования УОП 8, расположенного на данном кране, другого крана этого же яруса или УОП 9 - стены цеха, при сближении с ними (на расстоянии не менее длины тормозного пути крана), блок управления 6 дает команду в СУ этого крана на его останов и запрет движения в соответствующем направлении или переход на малую скорость, с выдачей на информационную панель машиниста звукового и визуального оповещения.
Для кранов А1 и А2 верхнего яруса работа системы, в части реализации данной функции, аналогична.
Вариант 2 (Фиг. 2)
Отличие работы СЗ по данному варианту ее реализации от работы по варианту 1 заключается только в реализации функции защиты от столкновений между собой кранов нижнего яруса Б1 и Б2. При сближении крана Б1 (Б2) с другим краном этого же яруса пластина 11 (пассивный элемент) крана Б2 (Б1 ) пересекает линию действия расположенного на кране Б1 (Б2) УОП 7, что приводит к его срабатыванию. При этом блок управления 6 крана Б1 (Б2) дает команду в СУ этого крана на его останов и запрет движения вперед, с выдачей на информационную панель машиниста звукового и визуального оповещения.
Вариант 3 (Фиг. 3)
Защита от столкновения грузовой подвески каждого из кранов верхнего яруса (A1, А2) от столкновения с краном нижнего яруса (В1, В2) осуществляется аналогично вариантам 1, 2 со следующим дополнением.
Блок управления 6 каждого из кранов верхнего яруса обеспечивает постоянно включенное состояние расположенных на них УОП 10 вертикального действия при наличии признака опущенной ГП какого-либо механизма подъема, независимо от включенного или выключенного состояния крана.
Защита от столкновения крана нижнего яруса (Б1, Б2) от столкновения с грузовой подвеской кранов верхнего яруса (А1, А2)
При начале движения крана типа Б блок управления 6 включает, в т.ч., УОП 12 вертикального действия (приемники излучения). В случае детектирования ими излучения от УОП 10, расположенных на кранах верхнего яруса, блок управления 6 крана типа Б дает команду в СУ этого крана на его останов и запрет движения вперед или назад (в зависимости от того, от какого из УОП 12, расположенных по обе стороны моста крана, получен сигнал), с выдачей на информационную панель машиниста звукового и визуального оповещения.
Постоянно включенное состояние УОП 10 вертикального действия кранов верхнего яруса при наличии признака опущенной ГП необходимо для защиты от столкновений с ней кранов нижнего яруса в случае выключения крана верхнего яруса с опущенной ГП. Это обеспечивается, например, организацией питания блоков управления 6 кранов верхнего яруса от вспомогательных цепей в соответствии со структурной схемой, приведенной на фиг. 4.
Источники информации
1. Д. Рафчикова. «Антиколлизионные системы 
SMIE-AC30 защиты кранов». Журнал Подъемные сооружения. Специальная техника, 
4, 2001 г.
2. Патент РФ 2398728, B66C 13/18, 2009 г.
1. Система защиты от столкновений грузоподъемных кранов, перемещающихся на общих и разноярусных путях, характеризующаяся тем, что каждый из кранов снабжен устройствами обнаружения препятствий, включающими источник и приемник оптического или акустического излучения, а также блоком управления, связанным со всеми устройствами обнаружения, расположенными на кране, и выполненным с возможностью приема и обработки их выходных сигналов, а также с возможностью формирования в зависимости от результатов этой обработки сигнала управления движением механизмов крана и/или сигнала оповещения, при этом каждый кран верхнего яруса снабжен группой устройств обнаружения горизонтального действия, установленной с возможностью детектирования препятствий, находящихся на этом же ярусе, при сближении крана с ними, а также группой устройств обнаружения вертикального действия, установленной с возможностью детектирования кранов нижнего яруса, при сближении проекций на горизонтальную плоскость кранов верхнего и нижнего ярусов, каждый кран нижнего яруса снабжен группой устройств обнаружения горизонтального действия, установленной с возможностью детектирования препятствий, находящихся на этом же ярусе, и опущенной грузовой подвески крана верхнего яруса при сближении крана с ними, блок управления каждого крана верхнего яруса выполнен с дополнительной возможностью определения признака опущенной грузовой подвески крана и учета этого признака при формировании сигнала управления движением механизмов крана и/или сигнала оповещения.
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что блок управления выполнен из релейных и/или релейно-оптронных элементов.
3. Система по п.1, отличающаяся тем, что каждый кран нижнего яруса дополнительно снабжен, по крайней мере, одним пассивным элементом, установленным с возможностью его детектирования, по крайней мере, одним устройством обнаружения горизонтального действия, установленным на другом кране этого же яруса, при сближении кранов.
4. Система по п.3, отличающаяся тем, что блок управления выполнен из релейных и/или релейно-оптронных элементов.
5. Система защиты от столкновений грузоподъемных кранов, перемещающихся на общих и разноярусных путях, характеризующаяся тем, что каждый из кранов снабжен устройствами обнаружения препятствий, включающими источник и приемник оптического или акустического излучения, а также блоком управления, связанным со всеми устройствами обнаружения, расположенными на кране, и выполненным с возможностью приема и обработки их выходных сигналов, а также с возможностью формирования в зависимости от результатов этой обработки сигнала управления движением механизмов крана и/или сигнала оповещения, при этом каждый кран снабжен группой устройств обнаружения горизонтального действия, установленной с возможностью детектирования препятствий, находящихся на общем с ним ярусе, при сближении крана с ними, каждый кран верхнего яруса дополнительно снабжен группой устройств обнаружения вертикального действия, установленной с возможностью детектирования кранов нижнего яруса, при сближении проекций на горизонтальную плоскость кранов верхнего и нижнего ярусов, каждый кран нижнего яруса дополнительно снабжен группой устройств обнаружения вертикального действия, установленной с возможностью детектирования излучения от устройств обнаружения кранов верхнего яруса, при сближении проекций на горизонтальную плоскость кранов нижнего и верхнего ярусов, блок управления каждого крана верхнего яруса дополнительно снабжен устройством независимого питания и выполнен с дополнительной возможностью определения признака опущенной грузовой подвески крана и учета этого признака при формировании сигнала управления движением механизмов крана и/или сигнала оповещения.
6. Система по п.5, отличающаяся тем, что блок управления выполнен из релейных и/или релейно-оптронных элементов.
