Кабельная комбинированная линия связи между модулями системы контроля, управления и безопасности грузоподъемного крана
Полезная модель относится к технике электрической связи и может быть использована в системах контроля, управления и безопасности грузоподъемных кранов. Кабельная комбинированная линия связи между модулями системы контроля, управления и безопасности грузоподъемного крана включает в себя двухпроводную линию обмена данными и двухпроводную линию электропитания. Линия связи снабжена, по крайней мере, одним блоком гальванической развязки, включающим в себя цифровой изолятор, встроенный в линию обмена данными, и изолирующий преобразователь напряжения постоянного тока в напряжение постоянного тока, встроенный в линию электропитания, с раздельным питанием гальванически развязанных частей цифрового изолятора от гальванически развязанных частей изолирующего преобразователя. Технический результат от использования данной полезной модели - повышение помехозащищенности линии связи от внешних электромагнитных наводок и защита оборудования системы от разрядов атмосферного и статического электричества. 2 з.п. ф-лы, 3 илл.
Полезная модель относится к технике электрической связи и может быть использована в системах контроля, управления и безопасности грузоподъемных кранов.
Известны кабельные комбинированные линии связи между модулями систем контроля, управления и безопасности грузоподъемных кранов, включающие двухпроводную линию обмена данными и двухпроводную линию электропитания измерительных модулей указанной системы от информационно-управляющего модуля (см., например, патент РФ на полезную модель 
38747, B66C 23/90, 05.04.2004). Такая линия связи использована, в частности, в приборах безопасности грузоподъемных кранов «Ограничитель нагрузки ОНК-160», выпускаемых Арзамасским электромеханическим заводом, для связи информационно-управляющего блока (блока отображения информации «БОИ» в приборах безопасности ОНК-160Б и ОНК-160С или блока управления «БУ» в приборе безопасности ОНК-160М) и комплекса датчиков параметров крана, включающего аналоговые, цифровые и дискретные датчики, при этом цифровые датчики подключаются к линии связи непосредственно, а аналоговые датчики - через контроллеры. Линия связи обеспечивает электропитанием датчики параметров крана от блока питания ограничителя нагрузки и обмен информацией между датчиками и информационно-управляющим блоком ними во время работы грузоподъемного крана, но она обладает недостаточной помехозащищенностью от линий электропередач, грозовых разрядов и иных атмосферных явлений, а также при работе в условиях промышленных объектов: в непосредственной близости от мощных двигателей, сварочных агрегатов, коммутирующей аппаратуры, электроплавильных печей или других источников сильного электромагнитного излучения. В такой среде очень велика вероятность потерь данных или возникновения ошибок при передаче информации с последующим отключением приборами безопасности дорогостоящего оборудования, что увеличивает стоимость его простоя, а в некоторых случаях является совершенно недопустимым, например, в металлургическом производстве. Снижает также помехозащищенность системы использование кабелей с традиционным способом их экранирования - оплеткой, так как оплетка не обладает удовлетворительными экранирующими способностями в широком диапазоне частот и вообще не экранирует провода от магнитного поля. Кроме того, одна из наиболее серьезных проблем, возникающих при передаче данных между электронными устройствами - несовпадение нулевых потенциалов этих устройств, так называемых «земель». Если непосредственно соединить земляные цепи разных устройств при помощи провода или экрана кабеля, то возникают паразитные контуры, по которым начинают проходить земляные токи. Они вызывают искажения сигналов, помехи и повышенный уровень излучения, а при большой разности земляных потенциалов могут приводить к повреждениям устройств.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание проводной линии связи между модулями системы контроля, управления и безопасности грузоподъемного крана, обладающей повышенной надежностью передачи данных между модулями данной системы путем повышения помехозащищенности от внешних электромагнитных наводок. Дополнительные решаемые задачи и преимущества заявленной полезной модели будут понятны из последующего описания.
Поставленные технические задачи решаются тем, что кабельная комбинированная линия связи между модулями системы контроля, управления и безопасности грузоподъемного крана, включающая двухпроводную линию обмена данными и двухпроводную линию электропитания, согласно полезной модели, снабжена, по крайней мере, одним блоком гальванической развязки, включающим в себя цифровой изолятор, встроенный в линию обмена данными, и изолирующий преобразователь напряжения постоянного тока в напряжение постоянного тока, встроенный в линию электропитания, с раздельным питанием частей схемы цифрового изолятора от изолированных источников питания указанного изолирующего преобразователя.
Линия связи может быть выполнена с двумя разнесенными по ее длине блоками гальванической развязки, с последовательным соединением в линии электропитания изолирующих преобразователей указанных блоков.
Предпочтительно, блок гальванической развязки выполнен в виде адаптера с разъемным подключением к линии связи.
В основу предложенной кабельной комбинированной линии связи между модулями системы контроля, управления и безопасности грузоподъемного крана положены активные методы защиты от электромагнитных помех, основанные на применении гальванической развязки как в линии двухстороннего обмена данными между модулями данной системы, так и в линии электропитания одного из модулей данной системы от связанного с ним другого модуля данной системы, с раздельным питанием частей схемы цифрового изолятора от изолированных источников питания изолирующего преобразователя.
Выполнение линии связи с двумя разнесенными по ее длине блоками гальванической развязки, с последовательным соединением в линии электропитания изолирующих преобразователей указанных блоков, позволяет расположить блоки гальванической развязки в непосредственной близости к модулям системы контроля, управления и безопасности грузоподъемного крана, что обеспечивает защиту линии связи и модулей от грозовых разрядов и разрядов статического электричества, повышает помехозащищенность модулей от электромагнитных наводок на длинные линии связи и значительно уменьшает долю электромагнитных помех в сигнале, подаваемом по кабельной линии, так как на выходе цифрового изолятора сигнал нормируется по уровню, поэтому такое исполнение кабельной комбинированной линии связи предпочтительно при использовании ее на башенных кранах, где протяженность линии связи составляет 100 м и более, или на кранах с повышенной протяженностью линий связи.
Выполнение блока гальванической развязки в виде адаптера с разъемным подключением к линии связи обеспечивает возможность повысить помехозащищенность систем контроля, управления и безопасности грузоподъемных кранов, находящихся в эксплуатации, без замены блоков и модулей, входящих в состав данных систем, с сохранением их штатных соединительных кабелей.
Технический результат от использования данной полезной модели - повышение помехозащищенности линии связи от внешних электромагнитных наводок и защита оборудования системы от разрядов атмосферного и статического электричества.
На фиг.1 показана функциональная схема системы контроля, управления и безопасности грузоподъемного крана; на фиг.2 - предлагаемая кабельная комбинированная линия связи между модулями данной системы; на фиг.3-линия связи по второму примеру исполнения полезной модели.
Система контроля, управления и безопасности грузоподъемного крана состоит из различных составных частей, выполненных в виде электронных устройств, осуществляющих измерение параметров работы грузоподъемного крана, обработку информации и управление исполнительными механизмами. Так, например, показанная на фиг.1 система контроля, управления и безопасности грузоподъемного крана содержит информационно-управляющий блок 1 и комплекс 2 датчиков параметров крана, соединенные между собой с помощью линии связи в виде шины 3 последовательного интерфейса. Комплекс 2 датчиков параметров крана включает в себя аналоговые, цифровые и дискретные датчики. Цифровые датчики подключаются к шине 3 последовательного интерфейса непосредственно, а аналоговые датчики - через контроллеры (на чертеже не показаны). Шина 3 последовательного интерфейса представляет собой четырехпроводный кабель 4, содержащий витую пару проводов линии 5 обмена данными, и дополнительно два провода линии 6 электропитания датчиков параметров крана от блока питания, входящего в состав информационно-управляющего блока 1 (на чертеже не показан). Все провода помещены в общий экран. Кабель имеет на концах электрические разъемные соединители 7 типа «вилка».
По первому примеру исполнения полезной модели, представленному на фиг.2, линия связи снабжена одним блоком 8 гальванической развязки, включающим в себя цифровой изолятор 9, встроенный в линию 5 обмена данными, и изолирующий преобразователь 10 напряжения постоянного тока в напряжение постоянного тока (изолирующий DC/DC преобразователь), встроенный в линию 6 электропитания. На фиг.2 изоляция показана условно параллельными линиями.
Блок 8 гальванической развязки выполнен в виде адаптера, снабженного дополнительным переходным кабелем 11 для подключения данного блока к комплексу датчиков параметров крана.
Адаптер содержит корпус, в котором установлена плата, на которой смонтированы элементы цифрового изолятора 9 и изолирующего преобразователя 10, а на корпусе установлены два электрических разъемных соединителя 12 типа «розетка».
Переходный кабель 11 выполнен аналогично кабелю 4 и снабжен на концах электрическими разъемными соединителями 13 типа «вилка», аналогичными соединителям 7 на концах кабеля 4. Один из концов кабеля 4 подключается к информационно-управляющему блоку 1, а другой конец кабеля 4 подключается к комплексу 2 датчиков параметров крана через блок 8 гальванической развязки и переходный кабель 11.
Изолирующий преобразователь 10 напряжения постоянного тока в напряжение постоянного тока может быть реализован, например, на двух микросхемах DCP 021212U фирмы Burr Brown. Данный изолирующий преобразователь содержит импульсный преобразователь, трансформатор и выпрямитель.
Цифровые изоляторы в настоящее время выпускаются различных типов: оптические, трансформаторные (индуктивные), емкостные. Для настоящей полезной модели наиболее предпочтительными являются емкостные цифровые изоляторы, так как они обеспечивают более высокую устойчивость к воздействию магнитных полей, которые в условиях производства создают основные и наиболее мощные помехи работе электронной аппаратуры, в том числе и аппаратуре приборов безопасности грузоподъемных машин. Кроме того, они потребляют примерно на 60% меньше электроэнергии, чем быстродействующие оптроны и имеют более высокое быстродействие. Такие изоляторы известны и выпускаются крупными производителями радиокомпонентов, такими как Texas Instruments, Analog Devices и другими. Например, для реализации цифрового изолятора 9 можно использовать микросхемы IS0721 и IS0721M компании Texas Instruments с раздельным питанием частей схемы цифрового изолятора 9 от изолированных источников питания преобразователя 10 с помощью шин питания 14 и 15.
При включении информационно-управляющего блока 1 напряжение питания подается по двум проводам линии 6 электропитания на вход изолирующего преобразователя 10 и, кроме того, подается по шине питания 14 на активные элементы части схемы цифрового изолятора 9, подключенной своими входами/выходами через два других провода линии 5 передачи данных к соответствующим выходам/входам информационно-управляющего блока 1. Постоянное напряжение блока питания информационно-управляющего блока 1 импульсным преобразователем микросхемы изолирующего преобразователя 10 преобразовывается в переменное напряжение высокой частоты, которое подается на первичную обмотку трансформатора микросхемы. Импульсы от генератора проходят через трансформатор на вторичную обмотку, с которой они поступают на выпрямитель микросхемы изолирующего преобразователя 10 и преобразуются в постоянное напряжение, от которого можно питать не только изолированную часть самой микросхемы преобразователя 10, но и внешние схемы. Это постоянное напряжение с одной стороны поступает через переходной кабель 11 на датчики параметров крана для питания электронной части этих датчиков и/или других блоков, а с другой стороны, это напряжение подается по шине питания 15 на активные элементы части схемы цифрового изолятора 9, подключенной своими входами/выходами через два других провода линии 5 передачи данных к соответствующим выходам/входам комплекса 2 датчиков параметров крана или к другим внешним блокам. Таким образом, обеспечивается полная гальваническая развязка информационно-управляющего блока 1 от датчиков и/или других внешних блоков, как по питанию, так и по информационным и управляющим цепям.
Питание на обе изолированные части цифрового изолятора 9 может подаваться как непосредственно от входа и выхода изолирующего преобразователя 10, как было описано выше, так и через дополнительные промежуточные DC/DC преобразователи в том случае, если напряжение питания цифрового изолятора 9 отличается от напряжения питания датчиков или внешних блоков.
Информационные и управляющие сигналы, которыми информационно-управляющий блок 1 обменивается с датчиками и/или другими внешними блоками, в современных системах контроля, управления и безопасности грузоподъемных кранов передаются, как правило, в цифровом виде в соответствии с выбранным для данной системы последовательным интерфейсом. Управляющие сигналы поступают по двум сигнальным проводам линии 5 обмена данными от информационно-управляющего блока 1 на входы микросхемы цифрового изолятора 9 блока 8 гальванической развязки. В микросхеме цифрового изолятора входные логические перепады кодируются импульсами длительностью от одной до нескольких наносекунд, например, каждый положительный перепад вызывает появление двух импульсов, а каждый отрицательный - одного. Эти импульсы поступают на первичную обмотку трансформатора микросхемы цифрового изолятора. Импульсы с вторичной обмотки поступают на декодирующую схему, которая восстанавливает входной сигнал. Кроме того, специальная схема регенерации проверяет соответствие выходного уровня сигнала входному уровню даже в отсутствие логических перепадов на входе. Это требуется при включении питания, а также при малых скоростях передачи данных или при длительном отсутствии изменения уровня сигнала на входе устройства в условиях воздействия помех. Схема регенерации также защищает вторичную цепь от возможных выбросов напряжения в первичной цепи, например, от разрядов атмосферного электричества и др. Восстановленный в исходный последовательный код и нормированный по уровню сигнал далее передается по двум сигнальным проводам переходного кабеля 11 на сигнальные входы датчиков и/или других внешних блоков.
Аналогичным образом через те же сигнальные провода линии 5 обмена данными и те же цепи цифрового изолятора 9 происходит передача в обратном направлении информационных сигналов от датчиков параметров крана на вход информационно-управляющего блока 1.
По второму примеру реализации полезной модели, представленному на фиг.3, линия связи снабжена дополнительным блоком 16 гальванической развязки, аналогичным блоку 8, с последовательным подключением в линии электропитания изолирующих преобразователей 10 указанных блоков. Дополнительный блок 16 гальванической развязки снабжен двумя электрическими разъемными соединителями 17 типа «розетка», аналогичными соединителям 12, и дополнительным переходным кабелем 18 с электрическими разъемными соединителями 19 на концах типа «вилка», аналогичными соединителям 7 и 13. Один из концов дополнительного переходного кабеля 18 подключен к информационно-управляющему блоку 1, а другой конец - к входу дополнительного блока 16 гальванической развязки, выход которого через кабель 4 подключен к входу блока 8 гальванической развязки, выход которого подключен к комплексу 2 датчиков параметров крана с помощью переходного кабеля 11. При использовании такой линии связи, например, на башенных кранах, блоки 8 и 16 гальванической развязки размещаются в непосредственной близости соответственно к комплексу 2 датчиков параметров крана и информационно-управляющему блоку 1. При таком последовательном подключении блоков гальванической развязки обеспечивается защита соединительного кабеля большой длины (80-150 м), блоков и датчиков, расположенных в нижней части крана, и информационно-управляющего блока, расположенного в кабине башенного крана на высоте 80-130 м, от возможных разрядов атмосферного и статического электричества, которые, зачастую, выводят оборудование системы из строя или даже уничтожают его.
Заявленное устройство может быть изготовлено промышленным способом на приборостроительном заводе с использованием известных электронных компонентов и технологий.
1. Кабельная комбинированная линия связи между модулями системы контроля, управления и безопасности грузоподъемного крана, включающая двухпроводную линию обмена данными и двухпроводную линию электропитания, отличающаяся тем, что она снабжена, по крайней мере, одним блоком гальванической развязки, включающим в себя цифровой изолятор, встроенный в линию обмена данными, и изолирующий преобразователь напряжения постоянного тока в напряжение постоянного тока, встроенный в линию электропитания, с раздельным питанием частей схемы цифрового изолятора от изолированных источников питания указанного изолирующего преобразователя.
2. Линия связи по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена с двумя разнесенными по ее длине блоками гальванической развязки, с последовательным соединением в линии электропитания изолирующих преобразователей указанных блоков.
3. Линия связи по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что блок гальванической развязки выполнен в виде адаптера с разъемным подключением к линии связи.
