Система безопасности грузоподъемного крана (ее варианты)
Полезная модель относится к подъемно-транспортному машиностроению и может быть использована в системах защиты и управления стреловых грузоподъемных кранов, в том числе кранов-трубоукладчиков. Сущность полезной модели заключается в том, что в системе безопасности грузоподъемного крана, содержащей датчики его рабочих параметров, в том числе датчик нагрузки, датчик угла наклона стрелы и датчик крена грузоподъемного крана, выходное устройство, цифровой вычислитель и подключенное к нему устройство ввода/вывода информации, причем входы выходного устройства подключены к дополнительным выходам цифрового вычислителя или устройства ввода/вывода информации, выходы выходного устройства соединены с исполнительными устройствами грузоподъемного крана, а датчик крена содержит первичные преобразователи углов продольного и поперечного наклона грузоподъемного крана и два усилительно-преобразовательных устройства, которые размещены в непосредственной близости или в одном корпусе с первичными преобразователями углов продольного и поперечного наклона и своими входами соединены с выходами этих первичных преобразователей, а выходы или двунаправленные входы/выходы усилительно-преобразовательных устройств посредством отдельных проводов или мультиплексного канала обмена данными соединены соответственно с входами или по меньшей мере с одним входом/выходом устройства ввода/вывода информации. Второй вариант предложенной полезной модели отличается от первого тем, что датчик крена содержит одно усилительно-преобразовательное устройство с двумя каналами обработки данных, размещенное в непосредственной близости или в одном корпусе с первичными преобразователями углов продольного и поперечного наклона и соединенное
своими входами с выходами этих первичных преобразователей, а выходы или двунаправленный вход/выход усилительно-преобразовательного устройства посредством отдельных проводов или мультиплексного канала обмена данными соединены/соединен соответственно с входами или с входом/выходом устройства ввода/вывода информации. В третьем варианте полезной модели первичные преобразователи углов продольного и поперечного наклона грузоподъемного крана размещены в непосредственной близости или в одном корпусе цифровым вычислителем и своими выходами соединены с входами этого цифрового вычислителя или с дополнительными входами устройства ввода/вывода информации. Кроме того, при реализации предложенной полезной модели, дополнительно возможно: выполнение усилительно-преобразовательного устройства в виде одноканального или двухканального усилителя с нормированным выходным сигналом в виде напряжения или тока; выполнение усилительно-преобразовательного устройства в виде последовательно соединенных информационно-измерительной схемы и контроллера или драйвера мультиплексного канала обмена данными с соответствующим введением аналогичного контроллера или драйвера мультиплексного канала обмена данными в состав устройства ввода/вывода информации; выполнение информационно-измерительной схемы в виде микроконтроллера и аналого-цифрового преобразователя, подключенного к микроконтроллеру, или микроконтроллера со встроенным аналого-цифровым преобразователем; введение в цифровой вычислитель и/или в микроконтроллер информационно-измерительной схемы энергонезависимого запоминающего устройства для записи хранения и считывания настроечных коэффициентов с последующим использованием этих настроечных коэффициентов при программной корректировке параметров выходного сигнала датчика крена при помощи этого цифрового вычислителя и/или микроконтроллера; выполнение первичных преобразователей датчика крена грузоподъемного крана в виде микромеханических кремниевых акселерометров или в виде жидкостных электролитических или емкостных инклинометров, или в виде тензометрических
инклинометров, или в виде преобразователей угла поворота, например потенциометров, к осям которых прикреплены инерционные массы со смещенными центрами тяжести; выполнение первичных преобразователей продольного и поперечного наклона в датчике крена грузоподъемного крана совмещенными в виде или двухосевого (ортогональные оси X, Y) микромеханического акселерометра/инклинометра, который реализован в одном кристалле кремния, или в виде двухосевого жидкостного инклинометра; размещение по меньшей мере одного первичного преобразователя датчика крена грузоподъемного крана в одном из других датчиков системы безопасности грузоподъемного крана, например в датчике нагрузки или в датчике угла азимута, а также дополнительное введение в систему безопасности органов управления и индикаторов, подключенных к цифровому вычислителю. Полезная модель обеспечивает повышение надежности защиты грузоподъемного крана за счет повышения помехоустойчивости, точности системы безопасности и ее упрощения, позволяет получить взаимозаменяемость датчиков, а также более широкие функциональные возможности системы безопасности грузоподъемного крана.
Полезная модель относится к подъемно-транспортному машиностроению и может быть использована в системах защиты и управления грузоподъемных кранов, в частности кранов-трубоукладчиков.
Из авторского свидетельства SU 1533990 A1, B 66 C 15/00, 07.01.1990 г., известно устройство для автоматического регулирования нагрузки крана-трубоукладчика, содержащее электронный блок и подключенные к нему датчики рабочих параметров крана-трубоукладчика, в том числе датчик нагрузки, датчик угла наклона стрелы, датчик угла наклона грузового полиспаста и датчик поперечного угла наклона крана-трубоукладчика. Электронный блок содержит задающее, вычислительное и выходное устройства, причем выход последнего подключен к исполнительному устройству крана-трубоукладчика.
Данное устройство обеспечивает защиту крана (или крана-трубоукладчика) от перегрузки по грузовому моменту с учетом угла его поперечного наклона. Однако при этом не контролируется продольный наклон крана и, соответственно, не обеспечивается его защита от недопустимо больших углов продольного наклона. Это является существенным недостатком данного технического решения.
Наиболее близкой к предложенной является система безопасности грузоподъемного крана, известная из патента RU 2129524 С1, МПК 6 B 66 C 23/88, 13/18, 27.04.1999 г. и содержащая датчик угла наклона (подъема) стрелы, датчик длины стрелы, датчик массы груза, датчик угла поворота поворотной площадки крана (датчик угла азимута), датчик угла крена, цифровую вычислительную машину, выходное устройство (или блок управляющих реле),
устройство ввода/вывода информации, первое и второе устройства обработки информации, дешифратор, органы управления и индикаторы. Цифровая вычислительная машина предназначена для вычисления критических параметров, сравнения их с предельными и предоставления оператору текущей информации о работе крана на основании информации, поступающей с устройства ввода/вывода, а также для блокирования (запрета) опасных движений грузоподъемного крана.
Эта система безопасности обеспечивает защиту грузоподъемного крана как от перегрузки, так и от недопустимо больших углов поперечного и продольного наклона.
Однако она имеет низкую помехоустойчивость и низкую точность контроля рабочих параметров грузоподъемного крана. Это обусловлено отсутствием в этой системе какого-либо усиления или преобразования результатов измерения рабочих параметров крана непосредственно в датчиках. Измеряемые параметры непосредственно с выходов первичных преобразователей передаются в аналоговой форме на аналого-цифровой преобразователь и на устройства обработки информации, расположенные в вычислительной части системы управления. При этом аналоговые сигналы, передаваемые по грузоподъемному крану без предварительного усиления и без преобразования в цифровую форму, подвержены искажениям ввиду воздействия на них электрических помех, особенно на кранах с электрическим приводом. Это приводит к погрешности определения опасных режимов работы, к несвоевременному формированию сигналов блокирования (запрета) опасных движений грузоподъемного крана и, соответственно, к снижению надежности защиты крана от перегрузок и повреждений.
Кроме того, эта система имеет повышенную сложность, вызванную большим числом функциональных блоков в этой системе, что приводит к увеличению интенсивности отказов и к соответствующему снижению надежности защиты грузоподъемного крана.
Другим недостатком известной системы безопасности является отсутствие взаимозаменяемости однотипных датчиков ввиду отсутствия в датчиках каких-либо устройств предварительной обработки и нормирования выходных сигналов - калибровки коэффициентов передачи, компенсации напряжения смещения нуля и т.д.
Кроме того, недостатком известной системы безопасности являются невысокие функциональные возможности, вызванные отсутствием электронной настройки выходных сигналов датчиков и диагностики состояний датчиков и внешних линий связи, которую невозможно реализовать ввиду использования передачи сигналов с датчиков в аналоговой форме.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявленная полезная модель, является повышение надежности защиты грузоподъемного крана за счет повышения помехоустойчивости и точности системы безопасности и ее упрощения (и соответствующего снижения интенсивности отказов). Дополнительным техническим результатом является обеспечение взаимозаменяемости однотипных датчиков системы безопасности. Еще одним техническим результатом заявленной полезной модели является расширение функциональных возможностей системы безопасности грузоподъемного крана.
Указанные технические результаты достигаются за счет того, что в первом варианте системы безопасности грузоподъемного крана, содержащей датчики его рабочих параметров, в том числе датчик нагрузки, датчик угла наклона стрелы и датчик крена грузоподъемного крана, выходное устройство, цифровой вычислитель и подключенное к нему устройство ввода/вывода информации, причем датчик крена содержит первичные преобразователи углов продольного и поперечного наклона грузоподъемного крана, а по меньшей мере один выход выходного устройства подключен к исполнительному устройству грузоподъемного крана, согласно полезной модели, датчик крена дополнительно содержит два усилительно-преобразовательных устройства, которые размещены в непосредственной близости или в одном корпусе с первичными
преобразователями углов продольного и поперечного наклона грузоподъемного крана и своими входами соединены с выходами этих первичных преобразователей, а выходы или двунаправленные входы/выходы усилительно-преобразовательных устройств посредством отдельных проводов или мультиплексного канала обмена данными соединены соответственно с входами или по меньшей мере с одним входом/выходом устройства ввода/вывода информации, причем по меньшей мере один вход выходного устройства подключен к дополнительному выходу цифрового вычислителя или устройства ввода/вывода информации.
Во втором варианте системы безопасности грузоподъемного крана эти технические результаты достигаются за счет того, что в этой системе, содержащей датчики рабочих параметров грузоподъемного крана, в том числе датчик нагрузки, датчик угла наклона стрелы и датчик крена грузоподъемного крана, выходное устройство, цифровой вычислитель и подключенное к нему устройство ввода/вывода информации, причем датчик крена содержит первичные преобразователи углов продольного и поперечного наклона грузоподъемного крана, а по меньшей мере один выход выходного устройства подключен к исполнительному устройству грузоподъемного крана, согласно полезной модели, датчик крена дополнительно содержит усилительно-преобразовательное устройство, которое содержит по меньшей мере два канала обработки данных, размещено в непосредственной близости или в одном корпусе с первичными преобразователями углов продольного и поперечного наклона грузоподъемного крана и своими входами соединено с выходами этих первичных преобразователей, а выходы или двунаправленный вход/выход усилительно-преобразовательного устройства посредством отдельных проводов или мультиплексного канала обмена данными соединены/соединен соответственно с входами или с входом/выходом устройства ввода/вывода информации, причем по меньшей мере один вход выходного устройства подключен к дополнительному выходу цифрового вычислителя или устройства ввода/вывода информации.
В третьем варианте системы безопасности грузоподъемного крана эти технические результаты достигаются за счет того, что в этой системе, содержащей датчики рабочих параметров грузоподъемного крана, в том числе датчик нагрузки, датчик угла наклона стрелы и датчик крена грузоподъемного крана, выходное устройство, цифровой вычислитель и подключенное к нему устройство ввода/вывода информации, причем датчик крена содержит первичные преобразователи углов продольного и поперечного наклона грузоподъемного крана, а по меньшей мере один выход выходного устройства подключен к исполнительному устройству грузоподъемного крана, согласно полезной модели, первичные преобразователи углов продольного и поперечного наклона грузоподъемного крана размещены в непосредственной близости или в одном корпусе цифровым вычислителем и своими выходами соединены с входами этого цифрового вычислителя или с дополнительными входами устройства ввода/вывода информации, а по меньшей мере один вход выходного устройства подключен к дополнительному выходу цифрового вычислителя или устройства ввода/вывода информации.
Кроме того, для достижения указанных технических результатов, в первом и втором вариантах реализации предложенной полезной модели дополнительно возможно:
- выполнение усилительно-преобразовательного устройства в виде одноканального или двухканального усилителя с нормированным выходным сигналом в виде напряжения или тока;
- включение в состав усилительно-преобразовательного устройства информационно-измерительной схемы и контроллера или драйвера мультиплексного канала обмена данными, по меньшей мере один первый вход/выход которого подключен к по меньшей мере одному входу/выходу информационно-измерительной схемы, а по меньшей мере один второй вход/выход контроллера или драйвера мультиплексного канала обмена данными подключен к соответствующему входу/выходу устройства ввода/вывода информации, которое содержит контроллер или драйвер мультиплексного канала обмена
данными, при этом выходы первичных преобразователей подключены к входам двух информационно-измерительных схем (для первого варианта реализации системы безопасности) или к входам двухканальной информационно-измерительной схемы (для второго варианта ее реализации);
- исполнение информационно-измерительной схемы в виде микроконтроллера и аналого-цифрового преобразователя, подключенного к микроконтроллеру, или микроконтроллера со встроенным аналого-цифровым преобразователем;
- дополнительное введение в цифровой вычислитель и/или в микроконтроллер информационно-измерительной схемы энергонезависимого запоминающего устройства и их выполнением с возможностью записи в это энергонезависимое запоминающее устройство значений настроечных коэффициентов, последующего хранения и считывания значений этих коэффициентов из указанного энергонезависимого запоминающего устройства, а также с возможностью программного изменения параметров выходного сигнала датчика крена в зависимости от значений считанных настроечных коэффициентов, в частности путем сложения и/или перемножения этих значений и выходного сигнала первичного преобразователя угла продольного и/или поперечного наклона грузоподъемного крана;
- выполнение первичных преобразователей датчика крена грузоподъемного крана в виде микромеханических кремниевых акселерометров или в виде жидкостных электролитических или емкостных инклинометров, или в виде тензометрических инклинометров, содержащих, в частности, тензометрические балки с закрепленными на их концах инерционными массами, или в виде преобразователей угла поворота, например потенциометров, к осям которых прикреплены инерционные массы со смещенными относительно этих осей центрами тяжести;
- выполнение первичных преобразователей продольного и поперечного наклона в датчике крена грузоподъемного крана совмещенными в виде двухкоординатного или двухосевого микромеханического акселерометра/инклинометра,
который реализован в одном кристалле кремния, или в виде двухкоординатного или двухосевого жидкостного инклинометра, который содержит электроды для измерения угла наклона в двух плоскостях, установленные в одном сосуде с жидкостью;
- размещение по меньшей мере одного первичного преобразователя датчика крена грузоподъемного крана в одном из других датчиков системы безопасности грузоподъемного крана, например в датчике нагрузки или в датчике угла азимута, и подключение выхода этого первичного преобразователя к дополнительному входу или к дополнительным входам усилительно-преобразовательного устройства этого датчика.
- дополнительное введение в систему безопасности органов управления и индикаторов, подключенных к цифровому вычислителю.
Для достижения указанных технических результатов, в третьем варианте реализации предложенной полезной модели также возможно выполнение первичных преобразователей датчика крена грузоподъемного крана в виде микромеханических кремниевых акселерометров или в виде жидкостных электролитических или емкостных инклинометров, а также дополнительное применение органов управления и индикаторов, подключенных к цифровому вычислителю.
Благодаря указанным отличительным признакам, в заявленной полезной модели обеспечивается передача сигналов по линиям связи с предварительным усилением или с предварительным преобразованием в цифровую форму, что обеспечивает значительное повышение помехоустойчивости и точности передачи сигналов в системе безопасности. Одновременно, благодаря применению микроконтроллеров, совместной обработки сигналов нескольких первичных преобразователей и применению современных конструкций первичных преобразователей, обеспечивается значительное упрощение системы безопасности при одновременном расширении ее функциональных возможностей. Это обеспечивает значительное повышение надежности защиты крана.
Установка в датчиках усилительно-преобразовательных устройств обеспечивает возможность компенсации технологических разбросов чувствительных элементов (смещения нуля, коэффициента передачи и т.д.) в этих усилительно-преобразовательных устройствах на стадии изготовления датчиков. Благодаря этому достигается взаимозаменяемость однотипных датчиков на грузоподъемном кране.
Кроме того, применение в цифровом вычислителе или в микроконтроллере усилительно-преобразовательного устройства энергонезависимой памяти с возможностью выполнения операций с калибровочными коэффициентами, обеспечивает возможность исключение механической регулировки положения датчиков при настройке системы безопасности на кране, а также возможность ее настройки при любом (в том числе негоризонтальном) исходном положении крана или крана-трубоукладчика. Дополнительно, применение мультиплексного канала обмена данными позволят реализовать в системе безопасности встроенную диагностику неисправностей как датчиков, так и линий связи. Все это приводит к существенному расширению функциональных возможностей системы безопасности.
Поэтому приведенные отличительные признаки заявленной полезной модели находятся в прямой причинно-следственной связи с достижением основного и дополнительных технических результатов, т.е. эти признаки являются существенными.
На фиг.1 в качестве примера приведена функциональная схема системы безопасности, на фиг.2 и фиг.3 - примеры реализации одноканального и двухканального усилительно-преобразовательных устройств.
Система безопасности грузоподъемного крана (фиг.1), содержит датчики его рабочих параметров 1, в том числе датчик нагрузки 2, выполненный, например, в виде тензометрического датчика силы, установленного в стреловом или грузовом канате или тензометрических датчиков давления, установленных в гидроцилиндре подъема стрелы, датчик угла наклона стрелы 3, выполненный, например, в виде микромеханического кремниевого акселерометра/инклинометра,
датчик крена грузоподъемного крана 4 и дополнительные датчики 5, в число которых могут входить, в частности потенциометрические датчики угла азимута и длины стрелы, концевой выключатель предельного подъема грузозахватного органа, концевые выключатели положений органов управления гидравлической системы крана, концевой выключатель положения опор крана, датчик приближения к линии электропередачи и т.д. Конкретный набор датчиков 1 определяется исходя из установленных требований к системе безопасности и конструктивных особенностей конкретного типа грузоподъемного крана.
Система безопасности содержит также цифровой вычислитель 6, выполненный на основе микроконтроллера, например серии MSP430 фирмы TI, подключенное к нему устройство ввода/вывода информации 7 и выходное устройство 8, которое может быть выполнено в виде набора силовых электронных ключей или электромагнитных реле.
Выходное устройство 8 может быть также выполнено в виде отдельного блока (блока расширения, выходного блока, исполнительного контроллера системы безопасности и т.п.), содержащего свой микроконтроллер и подключенные к нему устройства ввода/вывода информации и указанные силовые электронные ключи или электромагнитные реле, выходы которых подключаются к исполнительному устройству крана 9, выполненному, например, в виде электромагнитного клапана или контактора (магнитного пускателя), осуществляющего блокировку опасных перемещений механизмов крана. В зависимости от варианта исполнения выходного устройства 8, оно при помощи отдельных линий связи или мультиплексного канала обмена данными может быть подключено либо к устройству ввода/вывода информации 7, либо непосредственно к дополнительным входам цифрового вычислителя 6 (на фиг.1 показано пунктиром).
На грузоподъемном кране может быть установлено либо одно, либо несколько исполнительных устройств 9. В соответствии с этим, в формуле полезной
модели указано, что выходное устройство 8 имеет по меньшей мере один вход, по меньшей мере один выход и соответствующие соединения.
Устройство ввода/вывода информации 7 выполняет согласование входных и выходных сигналов цифрового вычислителя 6 и датчиков 1 по уровню напряжений, а также обеспечивает защиту цифрового вычислителя 6 от повреждений при возникновении перенапряжений в сигналах на линиях связи. В случае применения датчиков 1 с аналоговыми выходами, устройство ввода/вывода информации 7 может быть выполнено в виде аналого-цифрового преобразователя, либо в виде передающего устройства сигналов датчиков в цифровой вычислитель с ограничением перенапряжений (при помощи специально установленных ограничителей), если аналого-цифровой преобразователь входит в состав цифрового вычислителя 6. Если в системе присутствуют дискретные датчики 5, например концевые выключатели, то соответствующая часть устройства ввода/вывода информации 7 выполнена в виде обычных преобразователей уровней сигналов. Если же в системе безопасности используется мультиплексный канал обмена данными, то в состав устройства ввода/вывода информации 7 входит трансивер, контроллер или драйвер последовательного интерфейса LIN (Local Interconnect Network), J1850 (SAE), CAN (Controller Area Network), CarLink, VAN, A-bus, RS-232C, MIDI, Micro-LAN и т.п., выполненный в виде специализированной микросхемы. Соответственно, аналогичный трансивер, контроллер или драйвер последовательного интерфейса входит в состав всех составных частей системы безопасности, к которым подключен этот мультиплексный канал обмена данными - в состав любого из датчиков 1 и/или выходного устройства 8.
Трансивер, контроллер или драйвер последовательного интерфейса может быть также встроен в микроконтроллер, использующийся в каком-либо устройстве системы безопасности - в любом из датчиков 1, в цифровом вычислителе 6 или в выходном устройстве 8. Микроконтроллеры с аппаратурной поддержкой последовательных интерфейсов UART, CAN, LIN и т.д. общеизвестны.
В мультиплексном канале обмена данными используются, как правило, либо одна, либо две двунаправленные линии связи. Например, в интерфейсе LIN, J1850 (SAE) - одна, а в интерфейсе CAN - как правило 2 линии (линии К и L). Поэтому при описании соединений мультиплексного канала в настоящей полезной модели указывается подключение «по меньшей мере одного входа/выхода». И при этом подразумевается, что этих входов/выходов может быть один или два в зависимости от использованного стандартного последовательного интерфейса.
К цифровому вычислителю 6 могут быть дополнительно подключены органы управления 10, выполненные, например, в виде кнопок или переключателей, и индикаторы 11 (светодиодные индикаторы, жидкокристаллический дисплей, звуковой сигнализатор и т.п.). Кроме того, к цифровому вычислителю 6 могут быть подключены дополнительные устройства - цифровое запоминающее устройство регистратора параметров, часы реального времени и т.п., условно не показанные на фиг.1.
Цифровой вычислитель 6, устройство ввода/вывода информации 7, выходное устройство 8 и, при необходимости, органы управления 10, индикаторы 11 и другие подключенные к цифровому вычислителю 6 устройства, могут быть выполнены в виде единого электронного блока 12 - блока индикации, блока обработки данных, центрального контролера системы безопасности и т.п.
Возможна также многоблочная реализация системы безопасности, при которой, кроме датчиков, присутствует два и более электронных блока. Например, выходное устройство 8 может быть выполнено в виде отдельного электронного блока (в отдельном корпусе). Возможно также применение отдельного блока обработки данных (блока индикации, дополнительного вычислительного блока, контроллера управлении и индикации и т.п.), также реализованного на основе микроконтроллера и подключенного, например, аналогично подключению любого из датчиков 1 (на фиг.1 условно не показано). В случае многоблочного исполнения, органы управления 10 и индикаторы
11 размещаются на передней панели того блока, который расположен в кабине крана в рабочей зоне крановщика, и подключаются к микроконтроллеру или цифровому вычислителю этого блока.
Датчик крена 4 имеет первичные преобразователи углов продольного 13 и поперечного 14 углов наклона грузоподъемного крана (фиг.2, фиг.3), расположенные на опорно-ходовой или на поворотной части крана, на портале, на раме или на любой другой конструкционной части крана таким образом, чтобы изменение пространственного положения стрелы не влияло на измерение того угла наклона, который измеряет этот первичный преобразователь. Первичные преобразователи 13, 14 могут быть расположены, например, в кабине крана, в частности в отдельном датчике крена 4 или в электронном блоке 12. На кране-трубоукладчике, например, возможно размещение первичного преобразователя продольного наклона крана 13 в общем корпусе с датчиком угла наклона стрелы 3 или с датчиком нагрузки 2. Удобно также совместное размещение в общем корпусе датчика крена 4 и датчика угла азимута (если датчик азимута присутствует в системе безопасности крана) с использованием одного общего, в данном случае трехканального усилительно-преобразовательного устройства 16.
Первичные преобразователи 13, 14 могут быть выполнены в виде микромеханических кремниевых акселерометров, например типа ADXL103 фирмы AD, или в виде жидкостных электролитических или емкостных инклинометров, например типа H001-TILT-AB фирмы Hanitech, или в виде тензометрических инклинометров, содержащих, в частности, тензометрические балки с закрепленными на их концах инерционными массами, или в виде преобразователей угла поворота, например потенциометров, к осям которых прикреплены инерционные массы со смещенными относительно этих осей центрами тяжести. Причем первичные преобразователи продольного 13 и поперечного 14 наклона в датчике крена могут быть выполнены совмещенными в виде двухкоординатного (или двухосевого - с двумя взаимно перпендикулярными осями чувствительности) микромеханического акселерометра/инклинометра,
реализованного в одном кристалле кремния, например типа ADXL202, ADXL203 фирмы AD, или в виде двухкоординатного или двухосевого жидкостного инклинометра, который содержит электроды для измерения угла наклона в двух плоскостях, установленные в одном сосуде с жидкостью, например NS-25/C2 фирмы HL-Planartechnik GmbH.
Датчик крена 4 может содержать либо два отдельных усилительно-преобразовательных устройства 15, либо одно двухканальное усилительно-преобразовательное устройство 16, которые размещены в непосредственной близости или в одном корпусе с первичными преобразователями углов продольного 13 и поперечного 14 наклона грузоподъемного крана и своими входами соединены с выходами этих первичных преобразователей 13, 14 (см. фиг.2, фиг.3).
Усилительно-преобразовательное устройство 15, 16 в любом варианте его исполнения обеспечивает усиление и/или преобразование выходных сигналов первичных преобразователей углов продольного 13 и поперечного 14 наклона грузоподъемного крана до передачи этих сигналов по линиям связи, т.е. по грузоподъемному крану. Причем усиление и/или преобразование этих сигналов включает их нормализацию, т.е. компенсацию начального смещения, калибровку коэффициента передачи и, при необходимости, термокомпенсацию и лианеризацию, и может осуществляться как в аналоговой, так и в цифровой форме с использованием, например, АЦП и микроконтроллера.
В простейшем случае усилительно-преобразовательное устройство 15 (см. фиг.2) содержит усилитель 17, например тензометрический, и буферный усилитель или преобразователь напряжения в ток 18 со стандартным уровнем выходного сигнала 0-5 мА или 4-20 мА. Причем усилитель 17 и преобразователь напряжение/ток 18 могут быть выполнены в виде отдельных микросхем или одной специализированной микросхемы, в частности типа МАХ1457 фирмы Maxim.
Усилительно-преобразовательное устройство 16 (см. фиг.3) может также содержать информационно-измерительную схему 19 в виде последовательно
соединенных АЦП 20 и микроконтроллера 21, либо микроконтроллера со встроенным АЦП. При этом, при многоканальном исполнении усилительно-преобразовательного устройства 16, АЦП 20 имеет два и более входа. В последнем случае к входам АЦП 20 возможно подключение не только первичных преобразователей продольного 13 и поперечного 14 углов наклона грузоподъемного крана, но и первичных преобразователей других датчиков 1. Это обеспечивает упрощение системы безопасности и повышение эффективности защиты грузоподъемного крана.
АЦП 20 одновременно с преобразованием аналогового входного сигнала в цифровую форму, может одновременно выполнять функции усиления выходных сигналов первичных преобразователей продольного 13 и/или поперечного 14 углов наклона грузоподъемного крана. При необходимости выполнения термокомпенсации характеристик этих первичных преобразователей 13, 14, АЦП 20 или микроконтроллер 21 применяются со встроенным датчиком температуры, либо внешний датчик температуры подключается к дополнительному входу АЦП 20.
Микроконтроллер 21 содержит энергонезависимое запоминающее устройство (EEPROM), в котором в процессе изготовления или настройки системы безопасности записываются значения настроечных коэффициентов. В процессе работы системы безопасности (при работе датчика крена 4) микроконтроллер 21 считывает значения этих настроечных коэффициентов и, работая по записанной в его памяти программе, производит сложение и/или перемножение значений настроечных коэффициентов и выходного сигнала первичного преобразователя продольного 13 и/или поперечного 14 угла наклона грузоподъемного крана, предварительно переведенного в цифровую форму при помощи АЦП 20. Благодаря этому обеспечивается нормализация, в частности компенсация начального смещения, калибровка коэффициента передачи, термокомпенсация и лианеризация выходного сигнала датчика крена 4.
Указанные значения настроечных коэффициентов могут быть получены, в частности, путем измерения характеристик первичных преобразователей продольного 13 и поперечного 14 углов наклона грузоподъемного крана на стадии изготовления датчика крена 4, а программа микроконтроллера 21 предусматривает реализацию функциональных зависимостей выходного сигнала датчика крена 4 (наклона в продольной и поперечной плоскости) от значений выходных сигналов первичных преобразователей 13, 14, значений настроечных коэффициентов и, при необходимости, значений температуры окружающей среды (выходного сигнала датчика температуры). Причем указанные функциональные зависимости могут быть представлены в виде формул или таблиц.
При этом, благодаря нормализации выходного сигнала датчика крена 4, обеспечивается возможность его замены без дополнительной подстройки и регулировки, т.е. обеспечивается взаимозаменяемость этого датчика.
Функции нормализации выходного сигнала датчика крена могут быть также аналогичным образом реализованы микроконтроллером цифрового вычислителя 6.
В случае применения в системе безопасности мультиплексного канала обмена данными, усилительно-преобразовательное устройство 16, как в одноканальном, так и в многоканальном исполнении, имеет двунаправленные входы/выходы, реализованные при помощи контроллера, трансивера или драйвера 22 мультиплексного канала обмена данными, который либо выполнен в виде специализированной микросхемы (типа TLE6258, МС33199 и т.п.) и соединен с микроконтроллером 21, либо входит его состав микроконтроллера 21. При этом параметры сигналов в мультиплексной линии связи, порядок их формирования (включая назначение стартовой посылки, идентификатора (адреса), бита запроса передачи сообщения, арбитражного бита, поля управления, поля данных, контрольного слова и т.д.) и порядок последующего приема и обработки этих сигналов, устанавливаются в соответствии со
спецификацией использованного последовательного интерфейса - LIN, J1850 (SAE), CAN, VAN, A-bus, RS-232C и т.п.
Применение мультиплексного канала обмена данными, с одновременным использованием при передаче данных контрольных сумм, позволяет цифровому вычислителю 6 реализовать программную проверку правильности приема и передачи всех сигналов в мультиплексном канале обмена данными. Это дает возможность реализовать встроенную диагностику исправности всех составных частей системы безопасности, что значительно расширяет ее функциональные возможности.
Для обеспечения высокой помехоустойчивости и, соответственно, надежности защиты крана, первичные преобразователи углов продольного 13 и поперечного 14 наклона грузоподъемного крана размещены в непосредственной близости или в одном корпусе с соответствующими усилительно-преобразовательными устройствами 15, 16. Причем в третьем варианте реализации полезной модели они размещены в непосредственной близости или в одном корпусе с цифровым вычислителем 6, в частности размещены на одной печатной плате с микроконтроллером цифрового вычислителя 6.
При работе системы безопасности, цифровой вычислитель 6 работает по программе, записанной в памяти его микроконтроллера, и через устройство ввода/вывода информации 8 по отдельным линиям связи или по мультиплексному каналу обмена данными получает от датчиков 1 текущие значения рабочих параметров грузоподъемного крана, в том числе, при необходимости, информацию о дискретных параметрах, характеризующих режим работы крана (о типе стрелового оборудования, положении опор, кратности запасовки грузового полиспаста и т.д.). На основании этих параметров, в соответствии с заранее записанным его памяти порядком (алгоритмом) обработки этих параметров, цифровой вычислитель 6 определяет текущую нагрузку грузоподъемного крана и положение его грузоподъемного стрелового оборудования.
Допустимые режимы нагружения в виде грузовых характеристик крана хранятся в памяти микроконтроллера цифрового вычислителя 6 или в дополнительном цифровом запоминающем устройстве (на фиг.1 условно не показано). При необходимости, крановщиком при помощи органов управления 10 задается зона допустимых положений грузоподъемного стрелового оборудования крана. Ее параметры сохраняются в памяти цифрового вычислителя 6 или в дополнительном цифровом запоминающем устройстве.
Цифровой вычислитель 6 осуществляет сравнение фактического нагружения крана с предельно-допустимым, а также сравнение фактического положения грузоподъемного стрелового оборудования с зоной допустимых положений стрелы, заданных при введении координатной защиты и, в зависимости от результатов указанных сравнений, передает на выходное устройство 8 сигналы разрешения включения исполнительных устройств крана 9 только в том случае, если существующие в текущий момент параметры и режимы работы грузоподъемного крана являются безопасными для него.
Благодаря этому обеспечивается защита крана от перегрузки и координатная защита.
Одновременно первичные преобразователи продольного 13 и поперечного 14 углов наклона датчика крена 4, в зависимости от места установки этих первичных преобразователей и конструкции грузоподъемного крана, выявляют угловое положение опорно-ходовой, поворотной части крана, его портала или рамы. Выходные сигналы первичных преобразователей 13, 14, после прохождения через усилительно-преобразовательные устройства 15 или 16, в нормализованном виде поступают на цифровой вычислитель 6.
При этом, если датчик крена 4 установлен на поворотной части крана, в для реализации защиты грузоподъемного крана от опрокидывания необходимы значения углов крена неповоротной части крана, в частности относительно направления рельсовой колеи железнодорожного крана, то цифровой вычислитель 6 вычисляет углы крена неповоротной части крана. Эти вычисления
осуществляются с использованием значений угла азимута по очевидным зависимостям.
Цифровой вычислитель 6 аналогичным образом осуществляет сравнение фактических значений углов продольного и поперечного наклона грузоподъемного крана, полученных от датчика крена 4, с предельно-допустимыми значениями с точки зрения безопасной работы крана, предварительно записанными в памяти цифрового вычислителя, например при изготовлении системы безопасности, или введенными крановщиком при помощи органов управления 10. Далее, если фактическое значение угла продольного и/или поперечного наклона грузоподъемного крана превышает предельно-допустимое, цифровой вычислитель 6 передает на выходное устройство 8 сигналы отключения соответствующих исполнительных устройств 9 грузоподъемного крана, к которым относятся в частности, механизм подъема груза, механизма поступательного перемещения крана, механизм поворота крана в сторону меньшей устойчивости и т.д. Благодаря этому обеспечивается защита крана от недопустимо больших углов его продольного и поперечного наклона, т.е. защита крана от опрокидывания.
Дополнительно все основные рабочие параметры грузоподъемного крана, а также предупреждающие сообщения для крановщика о срабатывании какой-либо защиты, отображаются на индикаторах 11.
После первоначальной установки датчика крена 4 на грузоподъемный кран, ввиду неточности его установки, т.е. невозможности закрепления крепежных элементов датчика крена на грузоподъемном кране строго параллельно продольной и поперечной осям крана, измеренные датчиком крена 4 значения углов продольного и поперечного наклона отличаются от фактических. Это вызывает необходимость подстройки начальных значений его выходных сигналов. Неточность пространственного закрепления датчика крена фактически эквивалентна смещению нуля первичных преобразователей продольного 13 и поперечного 14 наклона крана и может быть скомпенсирована
аналогичным образом - путем корректировки значений настроечных коэффициентов в энергонезависимом запоминающем устройстве.
Для этого, например, после установки грузоподъемного крана на горизонтальную площадку и после переключения системы безопасности в режим настройки, например, при помощи специального тумблера, входящего в состав органов управления 10, с этих же органов управления подается сигнал корректировки (обнуления) значений продольного и поперечного угла наклона крана. В этом случае те значения углов, которые были вызваны неточностью установки датчика крена 4, по команде, поступающей с органов управления 10 или с внешней линии связи, в частности мультиплексной, на соответствующий микроконтроллер цифрового вычислителя или информационно-измерительной схемы 19, записываются в энергонезависимое запоминающее устройство и далее используются как постоянная аддитивная поправка. Благодаря этому обеспечивается настройка датчика крена 4 без механической регулировки его пространственного положения и, соответственно, достигается дополнительное расширение функциональных возможностей системы безопасности.
С учетом изложенного, реализация отличительных признаков заявленной полезной модели обеспечивает повышение надежности защиты грузоподъемного крана за счет повышения помехоустойчивости и точности системы безопасности и ее упрощения, позволяет получить взаимозаменяемость однотипных датчиков, а также существенно расширить функциональные возможности этой системы.
1. Система безопасности грузоподъемного крана, содержащая датчики его рабочих параметров, в том числе датчик нагрузки, датчик угла наклона стрелы и датчик крена грузоподъемного крана, выходное устройство, цифровой вычислитель и подключенное к нему устройство ввода/вывода информации, причем датчик крена содержит первичные преобразователи углов продольного и поперечного наклона грузоподъемного крана, а по меньшей мере один выход выходного устройства подключен к исполнительному устройству грузоподъемного крана, отличающаяся тем, что датчик крена дополнительно содержит два усилительно-преобразовательных устройства, которые размещены в непосредственной близости или в одном корпусе с первичными преобразователями углов продольного и поперечного наклона грузоподъемного крана и своими входами соединены с выходами этих первичных преобразователей, а выходы или двунаправленные входы/выходы усилительно-преобразовательных устройств посредством отдельных проводов или мультиплексного канала обмена данными соединены соответственно с входами или по меньшей мере с одним входом/выходом устройства ввода/вывода информации, причем по меньшей мере один вход выходного устройства подключен к дополнительному выходу цифрового вычислителя или устройства ввода/вывода информации.
2. Система безопасности по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере одно усилительно-преобразовательное устройство выполнено в виде усилителя с нормированным выходным сигналом в виде напряжения или тока.
3. Система безопасности по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере одно усилительно-преобразовательное устройство содержит информационно-измерительную схему и контроллер или драйвер мультиплексного канала обмена данными, по меньшей мере один первый вход/выход которого подключен к по меньшей мере одному входу/выходу информационно-измерительной схемы, а по меньшей мере один второй вход/выход контроллера или драйвера мультиплексного канала обмена данными подключен к соответствующему входу/выходу устройства ввода/вывода информации, которое содержит контроллер или драйвер мультиплексного канала обмена данными, а выход первичного преобразователя подключен к входу информационно-измерительной схемы.
4. Система безопасности по п.3, отличающаяся тем, что информационно-измерительная схема содержит микроконтроллер и аналого-цифровой преобразователь, подключенный к микроконтроллеру, или микроконтроллер со встроенным аналого-цифровым преобразователем.
5. Система безопасности по п.1 или 4, отличающаяся тем, что цифровой вычислитель и/или микроконтроллер информационно-измерительной схемы содержит энергонезависимое запоминающее устройство и выполнен с возможностью записи в него значений настроечных коэффициентов, последующего хранения и считывания этих значений из указанного энергонезависимого запоминающего устройства, а также с возможностью программного изменения параметров выходного сигнала датчика крена в зависимости от значений считанных настроечных коэффициентов, в частности путем сложения и/или перемножения этих значений и выходного сигнала первичного преобразователя угла продольного и/или поперечного наклона грузоподъемного крана.
6. Система безопасности по п.1, отличающаяся тем, что первичные преобразователи датчика крена грузоподъемного крана выполнены в виде микромеханических кремниевых акселерометров или в виде жидкостных электролитических или емкостных инклинометров.
7. Система безопасности по п.1, отличающаяся тем, что первичные преобразователи датчика крена грузоподъемного крана выполнены в виде тензометрических инклинометров, содержащих, в частности, тензометрические балки с закрепленными на их концах инерционными массами.
8. Система безопасности по п.1, отличающаяся тем, что первичные преобразователи датчика крена грузоподъемного крана выполнены в виде преобразователей угла поворота, например потенциометров, к осям которых прикреплены инерционные массы со смещенными относительно этих осей центрами тяжести.
9. Система безопасности по п.1, отличающаяся тем, что первичные преобразователи датчика крена грузоподъемного крана выполнены совмещенными в виде двухкоординатного или двухосевого микромеханического акселерометра/инклинометра, который реализован в одном кристалле кремния, или двухкоординатного или двухосевого жидкостного инклинометра, который содержит электроды для измерения угла наклона в двух плоскостях, установленные в одном сосуде с жидкостью.
10. Система безопасности по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один первичный преобразователь датчика крена грузоподъемного крана размещен в одном из других датчиков системы безопасности грузоподъемного крана, например в датчике нагрузки или в датчике угла азимута, и подключен к дополнительному входу усилительно-преобразовательного устройства этого датчика.
11. Система безопасности по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит органы управления и индикаторы, подключенные к цифровому вычислителю.
12. Система безопасности грузоподъемного крана, содержащая датчики его рабочих параметров, в том числе датчик нагрузки, датчик угла наклона стрелы и датчик крена грузоподъемного крана, выходное устройство, цифровой вычислитель и подключенное к нему устройство ввода/вывода информации, причем датчик крена содержит первичные преобразователи углов продольного и поперечного наклона грузоподъемного крана, а по меньшей мере один выход выходного устройства подключен к исполнительному устройству грузоподъемного крана, отличающаяся тем, что датчик крена дополнительно содержит усилительно-преобразовательное устройство, которое содержит по меньшей мере два канала обработки данных, размещено в непосредственной близости или в одном корпусе с первичными преобразователями углов продольного и поперечного наклона грузоподъемного крана и своими входами соединено с выходами этих первичных преобразователей, а выходы или двунаправленный вход/выход усилительно-преобразовательного устройства посредством отдельных проводов или мультиплексного канала обмена данными соединены/соединен соответственно с входами или с входом/выходом устройства ввода/вывода информации, причем по меньшей мере один вход выходного устройства подключен к дополнительному выходу цифрового вычислителя или устройства ввода/вывода информации.
13. Система безопасности по п.12, отличающаяся тем, что усилительно-преобразовательное устройство выполнено в виде двухканального усилителя с нормированным выходным сигналом в виде напряжения или тока.
14. Система безопасности по п.12, отличающаяся тем, что усилительно-преобразовательное устройство содержит информационно-измерительную схему и контроллер или драйвер мультиплексного канала обмена данными, по меньшей мере один первый вход/выход которого подключен к по меньшей мере одному входу/выходу информационно-измерительной схемы, а по меньшей мере один второй вход/выход контроллера или драйвера мультиплексного канала обмена данными подключен к соответствующему входу/выходу устройства ввода/вывода информации, которое содержит контроллер или драйвер мультиплексного канала обмена данными, а выходы первичных преобразователей подключены к входам информационно-измерительной схемы.
15. Система безопасности по п.14, отличающаяся тем, что информационно-измерительная схема содержит микроконтроллер и аналого-цифровой преобразователь, подключенный к микроконтроллеру, или микроконтроллер со встроенным аналого-цифровым преобразователем.
16. Система безопасности по п.12 или 15, отличающаяся тем, что цифровой вычислитель и/или микроконтроллер информационно-измерительной схемы содержит энергонезависимое запоминающее устройство и выполнен с возможностью записи в него значений настроечных коэффициентов, последующего хранения и считывания этих значений из указанного энергонезависимого запоминающего устройства, а также с возможностью программного изменения параметров выходного сигнала датчика крена в зависимости от значений считанных настроечных коэффициентов, в частности путем сложения и/или перемножения этих значений и выходного сигнала первичного преобразователя угла продольного и/или поперечного наклона грузоподъемного крана.
17. Система безопасности по п.12, отличающаяся тем, что первичные преобразователи датчика крена грузоподъемного крана выполнены в виде микромеханических кремниевых акселерометров или в виде жидкостных электролитических или емкостных инклинометров.
18. Система безопасности по п.12, отличающаяся тем, что первичные преобразователи датчика крена грузоподъемного крана выполнены в виде тензометрических инклинометров, содержащих, в частности, тензометрические балки с закрепленными на их концах инерционными массами.
19. Система безопасности по п.12, отличающаяся тем, что первичные преобразователи датчика крена грузоподъемного крана выполнены в виде преобразователей угла поворота, например потенциометров, к осям которых прикреплены инерционные массы со смещенными относительно этих осей центрами тяжести.
20. Система безопасности по п.12, отличающаяся тем, что первичные преобразователи датчика крена грузоподъемного крана выполнены совмещенными в виде двухкоординатного или двухосевого микромеханического акселерометра/инклинометра, который реализован в одном кристалле кремния, или двухкоординатного или двухосевого жидкостного инклинометра, который содержит электроды для измерения угла наклона в двух плоскостях, установленные в одном сосуде с жидкостью.
21. Система безопасности по п.12, отличающаяся тем, что первичные преобразователи датчика крена грузоподъемного крана размещены в одном из других датчиков системы безопасности грузоподъемного крана, например в датчике угла азимута, и подключены к дополнительным входам усилительно-преобразовательного устройства этого датчика.
22. Система безопасности по п.12, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит органы управления и индикаторы, подключенные к цифровому вычислителю.
23. Система безопасности грузоподъемного крана, содержащая датчики его рабочих параметров, в том числе датчик нагрузки, датчик угла наклона стрелы и датчик крена грузоподъемного крана, выходное устройство, цифровой вычислитель и подключенное к нему устройство ввода/вывода информации, причем датчик крена содержит первичные преобразователи углов продольного и поперечного наклона грузоподъемного крана, а по меньшей мере один выход выходного устройства подключен к исполнительному устройству грузоподъемного крана, отличающаяся тем, что первичные преобразователи углов продольного и поперечного наклона грузоподъемного крана размещены в непосредственной близости или в одном корпусе цифровым вычислителем и своими выходами соединены с входами этого цифрового вычислителя или с дополнительными входами устройства ввода/вывода информации, а по меньшей мере один вход выходного устройства подключен к дополнительному выходу цифрового вычислителя или устройства ввода/вывода информации.
24. Система безопасности по п.23, отличающаяся тем, что первичные преобразователи датчика крена грузоподъемного крана выполнены в виде микромеханических кремниевых акселерометров или в виде жидкостных электролитических или емкостных инклинометров.
25. Система безопасности по п.23, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит органы управления и индикаторы, подключенные к цифровому вычислителю.
