Система безопасности гидравлического грузоподъемного крана
Система безопасности гидравлического грузоподъемного крана относится к области машиностроения и может быть использована для защиты грузоподъемных кранов от перегрузок и повреждения. Сущность полезной модели заключается в том, что в системе безопасности грузоподъемного крана, имеющего гидравлическую систему ручного управления с электрогидравлическими клапанами, содержащей первый электронный блок и датчики рабочих параметров крана, соединенные с первым электронным блоком при помощи мультиплексного канала обмена данными, дополнительно используются датчики положения органов ручного управления гидравлической системы крана и второй электронный блок, подключенный к мультиплексному каналу обмена данными, причем выходы второго электронного блока подключены к электрогидравлическим клапанам, а входы этого блока соединены с датчиками положения органов управления гидравлической системы крана. При этом второй электронный блок размещен в той конструкционной зоне крана, в которой размещены датчики положения органов ручного управления гидравлической системы крана или по меньшей мере один электрогидравлический клапан, в частности в нижней части кабины или под полом кабины крана. Первый электронный блок содержит микроконтроллер и подключенные к нему индикаторы, блок памяти и трансивер или драйвер мультиплексного канала обмена данными. Второй электронный блок реализован на основе микроконтроллера и подключенных к нему силовых ключей, предназначенных для управления электрогидравлическими клапанами, устройства сопряжения с датчиками положения органов ручного управления гидравлической системы крана и трансивера или драйвера мультиплексного канала обмена данными. Полезная модель позволяет повысить надежность системы безопасности за счет сокращения линий связи, повышения помехоустойчивости и уменьшения количества электрогидравлических клапанов а также упростить компоновку электронных блоков на кране.
Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в системах управления и защиты от перегрузок и повреждения грузоподъемных кранов с гидравлическим приводом его механизмов.
Из патента RU 2011632 С1, МПК 5 В 66 С 23/90, 30.04.1994 известна система безопасности грузоподъемного крана, содержащая цифровой вычислительный блок и подключенные к нему аналого-цифровой преобразователь, цифровой запоминающий блок, синтезатор звука, таймер и блок визуальной информации, а также цифровой управляемый фильтр и исполнительный блок. При этом датчики дискретных параметров подключены непосредственно к входам цифрового вычислительного блока, а датчики аналоговых параметров - к входам аналого-цифрового преобразователя.
В этой системе при помощи датчиков осуществляется измерение рабочих параметров крана. Цифровой вычислительный блок осуществляет выбор одной из предварительно записанных в его память предварительно рассчитанных характеристик отключения, осуществляет сопоставление текущих значений рабочих параметров крана с выбранной характеристикой отключения и, на основании этого сопоставления, формирует сигналы ограничения рабочих движений крана, поступающие на исполнительный блок.
При этом сигналы с каждого датчика аналогового и дискретного параметра крана передаются в цифровой вычислительный блок по отдельному проводу, что приводит к большому количеству электрических соединений на грузоподъемном кране. Из практики эксплуатации электронных систем на
грузоподъемных кранах известно, что значительная часть отказов этих систем приходится именно на электрические соединения. Поэтому большое число этих соединений приводит к снижению надежности системы безопасности.
Этот недостаток частично устранен в системе безопасности грузоподъемного крана с ручной гидравлической системой управления, описанной в патенте RU 2237006 С2, МПК 7 В 66 С 13/18, 13/56, 27.09.2004 и наиболее близкой к предложенной. Эта система содержит электронный блок и датчики рабочих параметров грузоподъемного крана, соединенные с электронным блоком при помощи мультиплексного канала обмена данными, а также исполнительный блок, входы которого подключены к дополнительным выходам электронного блока, а выходы - к электрогидравлическим клапанам (к предохранительным клапанам с разгрузкой, управляемым электромагнитами). Электронный блок содержит цифровую вычислительную машину (или микроконтроллер) и подключенные к ней блок памяти, органы управления, при помощи которых осуществляется ввод параметров, определяющих режимы работы системы безопасности крана, а также индикаторы и устройство ввода-вывода информации, обеспечивающее сопряжение цифровой вычислительной машины с мультиплексным каналом обмена данными и с исполнительным блоком, выполненным в виде набора силовых электронных ключей.
В этой системе аналогичным образом обеспечивается защита грузоподъемного крана как от перегрузки по грузовому моменту, так и от столкновений с препятствиями (координатная защита). При этом, благодаря наличию мультиплексного канала, обмен данными между электронным блоком и датчиками осуществляется не по отдельным проводам, а по общей однопроводной (при использовании, в частности, интерфейса типа LIN) или двухпроводной (при использовании интерфейса типа CAN) линии связи. Это приводит к сокращению количества электрических соединений и к соответствующему повышению надежности системы безопасности.
Однако в этой системе связь между электронным и исполнительным блоками по-прежнему осуществляется при помощи отдельных проводов. Это увеличивает число соединений и снижает надежность системы.
Кроме того, согласно действующим «Правилам устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов», при блокировании какого-либо движения крана при срабатывании защиты от перегрузки по грузовому моменту и по координатной защите, должно быть разрешено движение крана в противоположную сторону. Например, в случае перегрузки крана при попытке поднять грузовой лебедкой недопустимо большой груз, система безопасности должна заблокировать подъем груза - отключить гидравлический привод подъема груза лебедкой. Но при этом, для обеспечения возможности вывода крана из этого положения, должно быть разрешено опускание груза как этой же лебедкой, так и путем опускания стрелы. В известной системе не предусмотрен контроль управляющих воздействий крановщика, что приводит к необходимости применения множества электрогидравлических клапанов для реализации отдельной независимой блокировки каждого движения крана. Это приводит к значительному усложнению системы и к соответствующему снижению ее надежности.
Дополнительно, увеличение количества электрогидравлических клапанов и соответствующих силовых цепей исполнительного блока приводит к снижению надежности системы за счет снижения помехоустойчивости - увеличения вероятности сбоев в работе электронного блока из-за воздействия на него электромагнитных помех, создаваемых силовыми цепями в момент срабатывания и отключения электромагнитов электрогидравлических клапанов.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявленная полезная модель, является повышение надежности системы безопасности крана за счет сокращения линий связи, повышения помехоустойчивости системы, а также уменьшения количества электрогидравлических клапанов.
Дополнительным техническим результатом является упрощение компоновки электронных блоков на кране и улучшение интерьера кабины
крановщика за счет уменьшения габаритных размеров электронного блока, размещенного перед крановщиком, и уменьшения подключенных к нему электрических жгутов.
Указанный технический результат в системе безопасности гидравлического грузоподъемного крана, имеющего гидравлическую систему ручного управления с по меньшей мере одним электрогидравлическим клапаном, содержащей первый электронный блок и датчики рабочих параметров грузоподъемного крана, соединенные с первым электронным блоком при помощи мультиплексного канала обмена данными, достигается за счет того, что эта система дополнительно снабжается датчиками положения органов ручного управления гидравлической системы крана и вторым электронным блоком, подключенным к мультиплексному каналу обмена данными, причем по меньшей мере один выход второго электронного блока подключен к по меньшей мере одному электрогидравлическому клапану, а входы этого блока соединены с датчиками положения органов управления гидравлической системы крана. При этом, для решения поставленной задачи, второй электронный блок размещается в той конструкционной зоне крана, в которой размещены датчики положения органов ручного управления гидравлической системы крана или по меньшей мере один электрогидравлический клапан, в частности в нижней части кабины или под полом кабины крана.
Кроме того, указанный технический результат достигается за счет того, что первый электронный блок содержит микроконтроллер или цифровую вычислительную машину и подключенные к ней блок памяти, индикаторы и устройство сопряжения с мультиплексным каналом обмена данными, выполненное, в частности, в виде трансивера или драйвера этого мультиплексного канала, а второй электронный блок содержит микроконтроллер и подключенные к нему по меньшей мере один силовой ключ, устройство сопряжения с датчиками положения органов ручного управления гидравлической системы крана и устройство сопряжения с мультиплексным каналом обмена данными, выполненное, в частности, в виде трансивера или драйвера этого
мультиплексного канала, причем выходы по меньшей мере одного силового ключа подключены к по меньшей мере одному электрогидравлическому клапану.
Благодаря наличию мультиплексного канала обмена данными между первым и вторым электронным блоками, обеспечивается сокращение линий связи в системе безопасности грузоподъемного крана, что обеспечивает повышение ее надежности. Одновременно, применение мультиплексного канала при обмене данными со вторым электронным блоком позволяет уменьшить общую протяженность силовых электрических цепей, что приводит к уменьшению уровня создаваемых ими электрических помех и, соответственно, к повышению помехоустойчивости и надежности системы безопасности. К этому же результату приводит и размещение второго электронного блока в той же конструкционной зоне крана, в которой находятся гидравлические исполнительные механизмы крана.
Кроме того, благодаря применению датчиков положения органов ручного управления гидравлическими распределителями крана (датчиков управляющих воздействий крановщика), блокировка отдельных движений крана обеспечивается при меньшем количестве электрогидравлических клапанов, что также приводит к существенному повышению надежности работы системы безопасности. Одновременно, снижение количества электрогидравлических клапанов и соответствующих им силовых электрических цепей, также приводит к повышению помехоустойчивости (к уменьшению вероятности сбоев в работе электронных блоков) и к соответствующему повышению надежности системы безопасности.
Применение в системе безопасности двух электронных блоков (первый - вычислительный блок, информационно-управляющий блок, блок индикации, блок обработки данных и т.п., и второй - выходной блок, силовой блок и т.п.) приводит к уменьшению габаритных размеров электронных блоков, что упрощает их размещение на кране. Уменьшение габаритных размеров электронного блока, размещенного перед крановщиком, и уменьшение
подключенных к нему электрических жгутов (уменьшение количества линий связи за счет применения мультиплексного канала и уменьшение их сечений за счет отсутствия силовых цепей) приводит также к улучшение интерьера кабины крановщика.
Поэтому указанные отличительные признаки заявленной полезной модели находятся в прямой причинно-следственной связи как с основным, так и с дополнительным достигаемым техническим результатом, т.е. эти признаки являются существенными.
На чертеже, в качестве примера реализации полезной модели, представлена функциональная схема системы безопасности гидравлического грузоподъемного крана.
Система безопасности гидравлического грузоподъемного крана, имеющего гидравлическую систему ручного управления, содержит первый электронный блок 1, второй электронный блок 2 и датчики рабочих параметров 3 грузоподъемного крана.
Датчики рабочих параметров 3 могут именоваться периферийными устройствами регистрации параметров крана, контроллерами, узлами сети (например CAN-сети), что не имеет принципиального значения.
Управление краном осуществляется в ручном режиме при помощи гидравлических распределителей 4. Воздействие крановщика на гидравлические распределители 4 осуществляется при помощи органов управления (рычагов, рукояток, педалей, джойстиков и т.п.) 5, механически связанных с золотниками этих распределителей.
Положение органов управления 5 гидравлическими распределителями 4 контролируется датчиками их положения 6, выполненными, в частности, в виде концевых выключателей, срабатывающих при отклонении какого-либо из органов управления 5 в направлениях, соответствующих подъему груза лебедкой, опусканию груза лебедкой, подъему стрелы, опусканию стрелы, повороту крана влево и вправо, выдвижению и втягиванию стрелы и т.п.
Для блокирования (запрета) движения какого-либо механизма крана при срабатывании защиты крана по перегрузке или по координатной защите, в его гидравлическую систему включаются электрогидравлические клапаны 7, осуществляющие сброс давления (разгрузку) в каком-либо гидравлическом приводе крана.
В системе может быть установлен только один электрогидравлический клапан 7. В этом случае при снятии напряжения с этого клапана осуществляется запрет перемещений всех механизмов крана.
В зависимости от варианта исполнения гидравлической системы крана, возможно также раздельное блокирование работы его отдельных механизмов-приводов. В этом случае система содержит два и более электрогидравлических клапана 7. Например, на гидравлический привод механизма поворота крана может быть установлен отдельный блокирующий электрогидравлический клапан 7.
Первый электронный блок 1 выполнен в виде микроконтроллера или цифровой вычислительной машины 8 и подключенных к ней блока памяти 9, индикаторов 10 и устройства сопряжения с мультиплексным каналом обмена данными 11, выполненного, в частности, в виде трансивера или драйвера этого мультиплексного канала (CAN, UN, RS-232C, RS-485 и т.п.).
Первый электронный блок 1 может также дополнительно содержать органы управления 12 (кнопки, клавиши или переключатели), обеспечивающие возможность ввода в микроконтроллер 1 параметров, определяющих режимы работы системы безопасности крана (вид стрелового оборудования, степень запасовки грузового полиспаста, выдвижение опор, ввод параметров координатной защиты и т.п.).
Второй электронный блок также выполнен на основе микроконтроллера 13, соединенного со входами по меньшей мере одного силового ключа 14, с выходами устройства сопряжения с датчиками положения органов ручного управления гидравлической системы крана 15 и с входами-выходами устройства сопряжения с мультиплексным каналом обмена данными 16, выполненного,
аналогичным образом, в виде трансивера или драйвера этого мультиплексного канала.
В качестве микроконтроллеров 8 и 13 могут быть использованы, в частности, микроконтроллеры серии MSP430 фирмы TI или микроконтроллеры PIC фирмы Microchip. Вспомогательные цепи микроконтроллеров - цепи питания, сброса, тактового генератора и т.п. являются типовыми и на функциональной схеме условно не показаны.
Микроконтроллеры работают по предварительно записанной в их памяти программе, которая, в частности определяет конфигурацию выводов этих микроконтроллеров (вход, выход или двунаправленный вывод) в зависимости от того, к какому функциональному блоку подключен этот вывод микроконтроллера.
Индикаторы 10 могут быть выполнены в виде набора светодиодов и символьного жидкокристаллического дисплея, блок памяти 9 - на базе микросхем серии AT45DB Atmel. Необходимая информационная емкость блока памяти 9 выбирается с учетом возможности его использования для регистрации параметров грузоподъемного крана. Подключение внешнего устройства считывания регистратора параметров осуществляется через мультиплексный канал обмена данными.
Устройства сопряжения с мультиплексным каналом обмена данными 11, 16 (и в каждом из датчиков 3), целесообразно реализовать в виде трансивера или драйвера мультиплексного канала на интегральных микросхемах, в частности типа МСР2510, L9637 и т.п.
Выходы силовых ключей (ключа) 14, выполненных, например, в виде силовых интегральных микросхем серии BTS фирмы Infineon, подключены к электромагнитам электрогидравлических клапанов (электрогидравлического клапана) 7, а выходы датчиков (концевых выключателей) положений органов управления 6 подключены к входам устройства сопряжения (согласования) с этими датчиками 7, выполненного в виде набора преобразователей уровней сигналов.
Датчики рабочих параметров грузоподъемного крана 3 в общем случае включают в себя датчик массы груза (тензометрический датчик силы или тензометрические датчики давления) 17, потенциометрический датчик длины стрелы 18 (установленный в кабельном барабане, соединяющим невыдвигаемые и выдвигаемые секции стрелы), датчик угла наклона (подъема) стрелы (например микромеханический инклинометр-акселерометр) 19 и другие датчики 20, в число которых может входить потенциометрический или магнитный датчик угла поворота площадки крана (датчик азимута), датчик (концевой выключатель) предельного подъема грузозахватного органа, датчик приближения к линии электропередачи и другие датчики, необходимость установки которых определяется конструкцией конкретного грузоподъемного крана, на который устанавливается система безопасности.
Каждый из датчиков 3 в общем случае содержит последовательно соединенные соответствующий чувствительный элемент (тензометрический мост, потенциометр и т.п.), микроконтроллер и устройство сопряжения с мультиплексным каналом обмена данными - микросхему трансивера или драйвера мультиплексного канала.
Для сокращения общей длины линий связи и уменьшения электромагнитных помех, второй электронный блок размещается преимущественно в той конструкционной зоне крана, в которой размещены датчики положений органов ручного управления гидравлической системы крана или по меньшей мере один электрогидравлический клапан. Этой зоной обычно является нижняя часть кабины крана или пространство под полом кабины.
Предложенная система безопасности гидравлического грузоподъемного крана работает следующим образом.
Перед началом работы на грузоподъемном кране, оператор в ручном режиме при помощи органов управления 12, расположенных на размещенном перед ним первом электронном блоке 1, осуществляет ввод параметров работы, определяющих режимы работа крана (положение выдвижных опор, степень запасовки полиспаста, наличие, длину и угол наклона гуська и т.д.),
если для данной конструкции крана ввод этих параметров является необходимым. Введенные параметры сохраняются в энергонезависимом (Flash) блоке памяти 9 или в памяти микроконтроллера 8 (в EEPROM микроконтроллера).
Зона допустимых значений положения грузоподъемного (стрелового) оборудования крана вводится при задании параметров координатной защиты при помощи органов управления 12 и также сохраняется в памяти микроконтроллера 8 или в блоке памяти 9.
Управление грузоподъемным краном (гидравлическими распределителями 4 крана) осуществляется оператором в ручном режиме путем перемещения органов управления (рукояток, рычагов и т.п.) 5 гидравлическими распределителями 4 в соответствующих направлениях. Например, для осуществления подъема груза грузовой лебедкой, крановщик перемещает в соответствующем направлении орган управления (рукоятку, рычаг и т.п.) 5 той секции гидравлического распределителя, которая связана с гидравлическим приводом лебедки. Управляющие действия крановщика при этом контролируются (выявляются) при помощи датчиков положения органов управления 6, дающих возможность определить намерение крановщика, т.е. определить, какое движение крана он пытается осуществить и в каком направлении.
Для того, чтобы произошло какое-либо движение крана, необходимо как наличие управляющего воздействия крановщика (перемещения соответствующего органа управления 5 в нужном направлении), так и отсутствие блокировки этого движения со стороны соответствующего электрогидравлического клапана 7.
При отсутствии перегрузки крана по грузовому моменту и при нахождении его стрелы в зоне допустимых значений по координатной защите, все электрогидравлические клапаны 7 включены и не блокируют управляющие воздействия крановщика.
При работе грузоподъемного крана, датчики рабочих параметров 3 осуществляют измерение параметров загрузки крана и положения его грузоподъемного (стрелового оборудования).
Микроконтроллер (цифровая вычислительная машина) 8 работает по программе, записанной в его памяти или в блоке памяти 9, и через устройство сопряжения с мультиплексным каналом обмена данными 11 поочередно формирует запрос на получение информации от каждого датчика 3 (17...20), от второго электронного блока 2 или запрос на передачу данных во второй электронный блок 2 по установленному протоколу LIN, CAN, RS-485 и т.п. Сигналы с датчиков 3 (17...20) и со второго электронного блока 2 по мультиплексной линии связи (по мультиплексному каналу) через устройство сопряжения 11 поступают в микроконтроллер 8 в цифровой форме (в последовательном коде).
После получения информации от датчиков 3 (17...20), микроконтроллер 8 по программе, определенной при проектировании системы безопасности и предварительно записанной в его память или в блок памяти 9, по известным функциональным зависимостям определяет текущую нагрузку крана и положение его грузоподъемного (стрелового) оборудования. Допустимые режимы нагружения в виде грузовых характеристик крана хранятся в памяти микроконтроллера или в блоке памяти 9.
Далее микроконтроллер 8 осуществляет сравнение фактического нагружения крана с предельно-допустимым, а также сравнение фактического положения грузоподъемного оборудования с зоной допустимых положений, заданных при введении координатной защиты и, в зависимости от результатов указанных сравнений, через устройство согласования с мультиплексным каналом обмена 11 подает на второй электронный блок 2 сигналы блокировки (отключения) соответствующего электрогидравлического клапана 7. Эти сигналы блокировки во втором электронном блоке 2 через устройство сопряжения с каналом мультиплексного обмена 16 поступают на микроконтроллер 13, который работает про записанной в его памяти программе и формирует соответствующий сигнал управления силовыми ключами 14, подключенным к электромагниту того электрогидравлического клапана 7, который осуществляет блокировку (отключение, остановку) данного движения
грузоподъемного крана. Благодаря этому осуществляется автоматическая защита крана от перегрузки по грузовому моменту и защита от столкновений стрелового оборудования с различными препятствиями (координатная защита).
При этом наиболее важные параметры крана, например степень его загрузки по грузовому моменту, а также предупреждающие сигналы о перегрузке или срабатывании координатной защиты крана, отображаются на лицевой панели расположенного перед крановщиком первого электронного блока 1 при помощи индикаторов 10.
В предельном случае в системе используется один электрогидравлический клапан 7. В этом случае, после срабатывания защиты от перегрузки или срабатывания по координатной защите, отключение вторым электронным блоком 2 электрогидравлического клапана 7 блокирует все движения крана. Например, при перегрузке крана в процессе подъема груза грузовой лебедкой, отключение напряжения с электрогидравлического клапана 7 приводит к блокировке (запрету) всех движений крана, включая опускание груза, поворот крана и т.п.
Для вывода крана из этого состояния, крановщик переводит орган управления 5 гидравлического распределителя 4 грузовой лебедки в нейтральное положение. Далее крановщику, для выхода из состояния перегрузки крана, необходимо уменьшить грузовой момент. Это можно осуществить или путем опускания груза или путем подъема стрелы или путем втягивания (уменьшения длины) телескопической стрелы. Для этого крановщик переводит орган управления 5 соответствующего гидравлического распределителя 4 в необходимое положение.
При этом микроконтроллер 13 второго электронного блока 2, путем контроля состояний датчиков положения органов управления 6, выявляет, что крановщик осуществляет управляющее воздействие, безопасное для крана (в данном примере направленное на уменьшение грузового момента). В этом случае микроконтроллер 13, работая по программе, через силовой ключ 14
осуществляет включение электрогидравлического клапана 7 (подает на него напряжение), разрешая выбранное крановщиком безопасное движение крана.
Если гидравлическая схема такова, что осуществление блокировки всех движений крана с помощью одного электрогидравлического клапана конструктивно невозможно или нецелесообразно, в системе могут быть установлены два и более электромагнитных клапана 7. В этом случае, при срабатывании защиты от перегрузки или срабатывании координатной защиты, микроконтроллер 13 второго электронного блока 2, формирует через силовой ключ 14 сигнал отключения того электрогидравлического клапана 7, который осуществляет блокировку именно тех движений (механизмов) крана, которые привели к срабатыванию защиты от перегрузки или срабатыванию координатной защиты. Остальные электрогидравлические клапаны 7 при этом остаются включенными, а соответствующие им движения механизмов крана разрешенными.
Увеличение количества электрогидравлических клапанов 7 приводит к уменьшению необходимого количества датчиков положения органов управления. В остальном принцип работы системы безопасности не изменяется.
Из изложенного следует, что в предложенном техническом решении обеспечивается повышение надежности системы безопасности крана за счет сокращения линий связи, уменьшения количества электрогидравлических клапанов, а также повышения помехоустойчивости системы. Одновременно достигается упрощение компоновки электронных блоков на кране и улучшение интерьера кабины крановщика.
1. Система безопасности гидравлического грузоподъемного крана, имеющего гидравлическую систему ручного управления с по меньшей мере одним электрогидравлическим клапаном, содержащая блок обработки данных, мультиплексный канал обмена данными и датчики рабочих параметров грузоподъемного крана, подключенные к мультиплексному каналу обмена данными, отличающаяся тем, что она снабжена датчиками положения органов ручного управления гидравлической системы крана и выходным блоком, подключенным к мультиплексному каналу обмена данными, причем по меньшей мере один выход выходного блока подключен к по меньшей мере одному электрогидравлическому клапану, а входы этого блока соединены с датчиками положения органов управления гидравлической системы крана.
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что выходной блок размещен в той конструкционной зоне крана, в которой размещены датчики положения органов ручного управления гидравлической системы крана или по меньшей мере один электрогидравлический клапан, в частности в нижней части кабины или под полом кабины крана.
3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что блок обработки данных содержит микроконтроллер или цифровую вычислительную машину и подключенные к ней блок памяти, индикаторы и устройство сопряжения с мультиплексным каналом обмена данными, выполненное, в частности, в виде трансивера или драйвера этого мультиплексного канала.
4. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что выходной блок содержит микроконтроллер и подключенные к нему по меньшей мере один силовой ключ, устройство сопряжения с датчиками положения органов ручного управления гидравлической системы крана и устройство сопряжения с мультиплексным каналом обмена данными, выполненное, в частности, в виде трансивера или драйвера этого мультиплексного канала, причем выходы по меньшей мере одного силового ключа подключены к по меньшей мере одному электрогидравлическому клапану.
