Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЗАЩИТЫ И РЕГИСТРАЦИИ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ ГРУЗОПОДЪЕМНОЙ МАШИНЫ

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в системах контроля, защиты и управления грузоподъемных машин.

Известен способ защиты и регистрации параметров работы грузоподъемного крана с элементами экспертной системы. Он предусматривает измерение рабочих параметров грузоподъемного крана, их обработку с использованием априорно сформированных баз данных и последующее представление на индикаторах информации о необходимости выполнения крановщиком действий по предотвращению аварий крана. При возникновении критически опасных режимов работы крана осуществляется автоматическое вмешательство автоматизированной системы управления в его управление [1].

Недостатками этого технического решения являются повышенная сложность системы защиты, а также отсутствие универсальности в ее применении, что обусловлено различным содержанием баз данных для грузоподъемных машин (кранов) различных конструкций.

Известен также способ защиты и регистрации параметров работы грузоподъемной машины с диагностикой ее технического состояния. В системе защиты машины от перегрузок, реализующей этот способ, осуществляется предварительное определение предельно допустимых нагрузок, измерение в процессе работы машины параметров, характеризующих ее текущую нагрузку, сравнение текущей нагрузки с предельно допустимой и последующее защитное отключение приводов в зависимости от результатов этого сравнения. Перед началом работы машины дополнительно задают предельные значения диагностических параметров, характеризующих техническое состояние грузоподъемной машины, а в процессе ее работы определяют их текущие значения и накладывают соответствующие ограничения предельно допустимых нагрузок [2].

Недостатком этого способа является отсутствие контроля технического состояния самой системы защиты.

Этого недостатка не имеет способ защиты и регистрации параметров работы грузоподъемной машины, наиболее близкий к предложенному. Он заключается в задании в системе защиты машины предельно допустимых значений параметров, характеризующих нагрузку, пространственное положение ее стрелы и/или грузозахватного органа, измерении текущих значений этих параметров, последующем формировании сигналов блокирования работы приводов из условия предотвращения превышения измеренных значений параметров работы грузоподъемной машины их предельно допустимых значений, а также записи значений параметров работы грузоподъемной машины в энергонезависимое запоминающее устройство с возможностью считывания в случае необходимости. Дополнительно, путем взаимного сопоставления выходных сигналов датчиков параметров грузоподъемной машины, осуществляется выявление неисправностей системы защиты [3].

В этом способе осуществляется проверка только электронной части системы, хотя из практики эксплуатации известно, что отказы систем безопасности (защиты) чаще всего происходят по причине выхода из строя их исполнительных (выходных) устройств. Это обеспечивает неполноту диагностики технического состояния системы защиты.

Кроме того, в системах, реализующих этот способ, не обеспечивается выявление умышленного блокирования устройств защиты грузоподъемной машины, например, с целью подъема груза, превышающего его номинальную грузоподъемность, - несанкционированного использования имеющегося запаса устойчивости и прочности конструкции грузоподъемной машины.

Задачами, на решение которых направлено предложенное техническое решение, являются:

- выявление умышленного отключения системы защиты грузоподъемной машины с целью последующей реализации мер, направленных на предотвращение этого отключения и соответствующее повышение безопасности работы грузоподъемной машины;

- выявление непреднамеренного отключения системы защиты грузоподъемной машины с аналогичной целью;

- обеспечение контроля за несанкционированным вмешательством в конструкцию грузоподъемной машины или ее системы защиты и управления;

- повышение безопасности работы грузоподъемной машины путем оперативного информирования машиниста и/или обслуживающего персонала о работе машины с отключенной системой защиты;

- обеспечение более полного документирования технического состояния системы защиты, в том числе ее исполнительных устройств;

- повышение достоверности результатов расследования причин аварий грузоподъемной машины;

- расширение функциональных возможностей системы за счет формирования информационного сигнала о работе грузоподъемной машины с отключенной системой защиты, а также выявления и индикации неисправностей не только электронной части системы защиты, но и ее исполнительных устройств.

В известном способе защиты и регистрации параметров работы грузоподъемной машины, заключающемся в задании в ее системе защиты предельно допустимых значений параметров, характеризующих нагрузку, пространственное положение стрелы и/или грузозахватного органа, измерении значений этих параметров и последующем формировании сигнала блокирования или снятия разрешения работы приводов машины из условия предотвращения превышения измеренных значений параметров их предельно допустимых значений, а также записи параметров работы в энергонезависимое запоминающее устройство с возможностью считывания в случае необходимости, указанные технические результаты достигаются тем, что дополнительно выявляют отсутствие блокирования или наличие разрешения работы какого-либо привода машины, не предусмотренное конструкцией грузоподъемной машины или ее системы защиты, или выявляют работу этого привода при наличии превышения измеренного значения параметра работы грузоподъемной машины его предельно допустимого значения, в результате чего формируют сигнал или информационное сообщение о работе грузоподъемной машины с отключенной или неработающей системой защиты.

При этом, для достижения указанных технических результатов, в различных вариантах этого способа, в частности:

- указанное отсутствие блокирования или наличие разрешения работы привода выявляют путем контроля напряжения на электрогидравлическом или электромеханическом устройстве управления этого привода, в частности на электромагните электрогидравлического распределителя или на обмотке управления электромагнитного реле или пускателя, путем контроля величины тока в этом электромагните или в этой обмотке, силового напряжения электропривода или рабочего давления в гидроприводе;

- во время превышения измеренного значения параметра работы грузоподъемной машины его предельно допустимого значения, т.е. в те моменты времени, когда работа привода должна быть заблокирована, с целью выявления работы грузоподъемной машины с отключенной или неработающей системой защиты, осуществляют контроль изменения этого параметра;

- путем обработки данных регистратора параметров выявляют интервалы времени, в которых осуществлялось отключение напряжения питания системы защиты. После этого, путем сравнения величин параметров работы машины до и после отключения напряжения питания, с использованием регистратора параметров с часами реального времени выявляют изменение параметров ее работы при отключенном напряжении питания системы защиты. Указанная обработка данных регистратора параметров при этом может осуществляться как в самой системе защиты грузоподъемной машины, так и в стационарном или мобильном устройстве, в который введены данные регистратора параметров после их считывания из энергонезависимого запоминающего устройства;

- напряжение на устройстве управления какого-либо привода, разрешающее его работу, и/или напряжение в силовой цепи этого привода используют для питания системы защиты с регистратором параметров, штатное (основное) напряжение питания которой умышленно или непреднамеренно отключено;

- на грузоподъемную машину дополнительно устанавливают, по меньшей мере, один датчик положения управляющего элемента привода или устройства блокирования работы привода, например концевой выключатель, контролирующий положения золотника гидрораспределителя или якоря электромагнита и позволяющий выявить его механическое блокирование;

- систему управления с регистратором параметров дополнительно оснащают автономным источником питания и выполняют с возможностью периодического включения датчиков параметров работы машины и записи их выходных сигналов в энергонезависимое запоминающее устройство независимо от наличия основного (штатного) напряжения питания устройства защиты;

- при выявлении работы машины с неработающей защитой по одному приводу осуществляют защитное отключение всех ее приводов;

- во время работы какого-либо привода машины дополнительно осуществляют снижение максимально допустимого значения параметра работы машины до величины, меньшей его текущего значения, после чего путем выявления продолжения работы этого привода выявляют отсутствие его защитного отключения. Далее, при необходимости, формируют сигналы отключения всех приводов;

- сигнал о работе грузоподъемной машины с отключенной или неработающей системой защиты в этой системе, в ее регистраторе параметров или в мобильном или стационарном устройстве после записи в него данных регистратора параметров, используется для формирования светового дискретного, светового текстового, светового символьного, печатного текстового, звукового и/или речевого сообщения, которое передается на соответствующий световой индикатор, символьный дисплей, графический дисплей, принтер, звуковой сигнализатор и/или речевой синтезатор.

В системе защиты грузоподъемной машины, в которой реализованы указанные отличительные признаки, обеспечивается выявление работы системы с отключенной или неработающей системой защиты, документирование случаев такой работы, а также формирование соответствующих информационных сигналов. Это позволяет повысить безопасность работы машины за счет реализации мер, направленных на предотвращение этого отключения. Выявление и запись в энергонезависимую память регистратора параметров информации об умышленном или непреднамеренном отключении системы защиты грузоподъемной машины позволяет также повысить достоверность результатов расследования причин ее аварий. Поэтому отличительные признаки этого способа находятся в прямой причинно-следственной связи с достижением указанных технических результатов.

На чертеже в качестве примера приведена функциональная схема системы, реализующей предложенный способ защиты и регистрации параметров работы грузоподъемной машины,

Система содержит цифровое вычислительное устройство 1, именуемое также электронным блоком, контроллером, блоком индикации, блоком обработки данных, цифровым вычислителем и т.п., и датчики параметров работы грузоподъемной машины 2.

Цифровое вычислительное устройство 1 выполнено на основе микроконтроллера 3, к которому подключены органы управления вычислительным устройством (кнопки, клавиши) 4, индикаторы (светодиодные, символьные жидкокристаллические и т.п.) 5, энергонезависимое запоминающее устройство (микросхемы Flash-памяти) 6 и устройство ввода/вывода информации 7.

Запоминающее устройство 6 выполнено с возможностью хранения данных, необходимых для реализации функций управления и защиты грузоподъемного крана, а также данных встроенного регистратора параметров его работы. Для повышения информативности регистрации, в системе могут быть установлены часы реального времени, подключенные к микроконтроллеру 3.

В случае применения в устройстве датчиков 2 с аналоговыми выходами, устройство ввода/вывода информации 7 содержит аналого-цифровой преобразователь, а при применении цифровых датчиков - трансивер или контроллер мультиплексного канала обмена данными, в частности последовательного интерфейса типа CAN (Control Area Network) или LIN (Local Interconnection Network). Возможно также подключение датчиков 2 с использованием в устройстве ввода/вывода информации 7 беспроводного интерфейса (ZigBee, Bluetooth, Wi-Fi и т.д.).

Выходное устройство 8 выполнено, в частности, в виде силового электронного блока с дискретными, пропорциональными или широтно-импульсными выходными сигналами. Его вход или двунаправленные входы/выходы подключены к устройству ввода/вывода информации 7 при помощи отдельных проводов или мультиплексного канала обмена данными.

Выходное устройство 8 может содержать электромагнитные пускатели или электромагнитные клапаны, включенные в гидравлическую или электрическую систему управления грузоподъемной машины.

Выходное устройство 8 может быть также выполнено на основе микроконтроллера и подключено к этому мультиплексному каналу обмена данными аналогично подключению датчиков 2. Кроме того, отдельные датчики 2, включая концевые выключатели и датчики аналоговых параметров, могут быть подключены непосредственно к выходному устройству 8.

Датчики 2 включают в себя, в частности, датчики пространственного положения стрелы и/или грузовой тележки и грузозахватного органа грузоподъемной машины (датчик длины стрелы 9, датчик угла наклона стрелы 10, датчик угла азимута 11, датчик высоты подъема грузозахватного органа и т.д.), датчик нагрузки грузоподъемной машины 12 (тензометрический датчик усилия в грузовом или стреловом канате или тензометрические датчики давления в гидроцилиндре подъема стрелы). Система может содержать также различные дополнительные датчики 13, к которым относятся датчик угла наклона оголовка стрелы, датчик предельного подъема грузозахватного органа (концевой выключатель), датчик приближения к линии электропередачи, датчики перемещений органов управления грузоподъемной машиной, датчик хода грузовой лебедки, датчик скорости ветра и т.п.

Отдельные датчики, показанные на чертеже, могут отсутствовать. Конкретный набор датчиков зависит от конструкции конкретной грузоподъемной машины и варианта реализации предложенного способа.

В состав системы входит также источник вторичного электропитания 15, подключенный к бортовой сети машины +Uc, и, при необходимости, автономный источник питания 16 (аккумулятор или гальваническая батарея).

Система может также содержать устройство считывания информации из запоминающего устройства 6 и другие устройства, подключенные или временно подключаемые к устройству ввода/вывода информации 7 (на чертеже условно не показаны).

При автоматизированном управлении грузоподъемной машиной ее пуск, остановка и/или регулирование скорости приводов 14 исполнительных механизмов грузоподъемной машины осуществляется с помощью органов управления грузоподъемной машиной 17 через цифровое вычислительное устройство 1, а при ручном управлении - путем прямого воздействия машиниста посредством органов управления 17 на управляющие элементы приводов исполнительных механизмов 14.

В последнем случае осуществляется непосредственное управление приводами 14 с использованием гидравлических, электрических или механических средств. При этом пуск проводов осуществляется, например, с помощью гидравлических распределителей с ручным управлением, а ограничение или блокирование их движений - с помощью электрогидравлических клапанов, соединенных с выходным устройством 8 или входящих в его состав.

Система работает следующим образом.

Перед началом работы грузоподъемной машины, машинист (оператор) при помощи органов управления 4 цифрового вычислительного устройства 1 вводит в микроконтроллер 3 параметры, определяющие режимы работы грузоподъемной машины - положение выдвижных опор, кратность запасовки грузового полиспаста, наличие, длину и угол наклона гуська и т.д., если для данной конструкции грузоподъемной машины ввод этих параметров является необходимым. Введенные параметры сохраняются в энергонезависимом (Flash) запоминающем устройстве 6 или в памяти (в EEPROM) микроконтроллера 3.

Зона допустимых значений положения стрелового оборудования грузоподъемной машины вводится машинистом при задании параметров координатной защиты при помощи органов управления 4 и также сохраняется в памяти микроконтроллера 3 или в запоминающем устройстве 6. В этой же памяти хранятся предельно допустимые значения параметров, характеризующих нагрузку грузоподъемной машины и представленных, например, в виде ее грузовых характеристик.

Микроконтроллер 3 работает по программе, записанной в его памяти или в запоминающем устройстве 6, и через устройство ввода/вывода информации 7 по мультиплексному каналу обмена данными или по отдельным линиям связи получает от датчиков 2 значения параметров работы грузоподъемной машины. На основании этих значений микроконтроллер 3 определяет нагрузку и пространственное положение ее механизмов. Для определения текущей нагрузки грузоподъемной машины и/или текущего положения ее стрелы, грузовой каретки или грузозахватного органа, в общем случае, используется математическая модель грузоподъемной машины, записанная в памяти микроконтроллера 3 или в запоминающем устройстве 6.

При необходимости осуществляются преобразования выходных сигналов датчиков 2. Это имеет место в случае, когда текущая нагрузка грузоподъемной машины и/или положение ее стрелы или грузозахватного органа измеряются косвенными методами, например, при определении нагрузки стрелового гидравлического крана по давлениям в штоковой и поршневой полостях гидроцилиндра подъема стрелы.

Инициирование формирования сигналов управления приводами 14 грузоподъемного крана осуществляется путем перемещения машинистом органов управления (рукояток, рычагов и т.п.) 17, например электрических джойстиков, в соответствующих направлениях. Действительные сигналы управления приводами 14 формируются цифровым вычислительным устройством 1 после получения сигналов с органов управления 17. Уровни этих сигналов либо определяются микроконтроллером 3, либо формируются путем ограничений управляющих воздействий оператора на органы управления 17.

Указанное формирование сигналов или ограничение управляющих воздействий оператора (крановщика) осуществляется микроконтроллером 3 цифрового вычислительного устройства 1 после сравнения текущих значений параметров, характеризующего нагрузку, пространственное положение стрелы и/или грузозахватного органа грузоподъемной машины с предельно допустимыми значениями этих параметров. Формирования этих сигналов блокирования или снятия разрешения работы приводов 14 осуществляется из условия предотвращения превышения измеренных значений параметров работы грузоподъемной машины ее предельно допустимых значений.

Благодаря этому осуществляется защита грузоподъемной машины от перегрузки, от столкновения с препятствиями (координатная защита), от опасного приближения к линии электропередачи и т.д.

Одновременно текущие значения параметров работы грузоподъемной машины периодически записываются в энергонезависимое запоминающее устройство 6 с возможностью считывания через устройство ввода/вывода информации 7 в случае необходимости.

Дополнительно в системе осуществляется выявление отсутствия блокировки работы приводов 14 (наличия разрешения их работы) в те интервалы времени, когда работа привода в данном направлении невозможна из условия обеспечения защиты грузоподъемной машины от превышения предельно допустимого значения какого-либо параметра ее работы. Т.е. если работа привода приводит не к уменьшению, а к увеличению текущего значения параметра работы машины свыше его предельно допустимого значения. Для этого, в частности, выявляют работу привода 14 машины при наличии превышения измеренного значения параметра работы грузоподъемной машины его предельно допустимого значения. После этого микроконтроллер 3 формирует сигнал о работе грузоподъемной машины с отключенной или неработающей системой защиты, который записывают в запоминающее устройство 6 и, при необходимости, отображают на индикаторах 5.

В другом варианте реализации системы, отсутствие блокирования или наличие разрешения работы какого-либо привода 14 осуществляют путем контроля напряжения на электрогидравлическом или электромеханическом устройстве управления этого привода, например на электромагните электрогидравлического распределителя или на обмотке управления электромагнитного реле или пускателя, или тока в этом электромагните или в этой обмотке.

При эксплуатации грузоподъемных машин нередко встречаются ситуации, когда машинист, с целью подъема груза, превышающего номинальную грузоподъемность машины, умышленно отключает защиту от перегрузки. В этих случаях, с целью умышленного снятия блокировки работы привода 14, машинистом подается внешнее напряжение на электромагнит электрогидравлического клапана разгрузки гидравлической системы или на обмотку управления электромагнитного реле или пускателя (создается электрическая цепь, не предусмотренная конструкцией как грузоподъемной машины, так и ее системы управления). При работе описываемой системы защиты это напряжение (либо ток в этой цепи) подается на устройство ввода/вывода информации 7 и далее используется микроконтроллером 3 для выявления блокирования (отключения) системы защиты. Алгоритм этого выявления основан на том, что напряжение на устройстве управления приводом 14, при его умышленном блокировании путем подачи внешнего напряжения, остается постоянным (не исчезает при кратковременном отключении микроконтроллером 3 сигнала управления выходным устройством 8).

Это внешнее напряжение может дополнительно подключаться к источнику вторичного электропитания системы 15. В этом случае выявление отключения защиты, а также запись информации об этом отключении в регистратор параметров (в запоминающее устройство 6), осуществляется независимо от того, включено или отключено в это время основное (штатное) напряжение питания системы +Uc.

Выявление несанкционированного отключения системы защиты в других вариантах реализации системы может осуществляться также путем контроля наличия силового напряжения на электромеханическом приводе или наличия рабочего давления в гидравлическом приводе в те интервалы времени, когда измеренное значение какого-либо параметра работы грузоподъемной машины превышает его предельно допустимого значение, т.е. путем выявления работы привода 14 в те моменты времени, когда он не должен работать из условия обеспечения защиты машины от перегрузок или от столкновений с препятствиями. При этом, в случае подключения указанного силового напряжения к источнику вторичного электропитания системы 15, в системе аналогичным образом сохраняются все выполняемые функции контроля и записи в регистратор параметров при умышленно или непреднамеренно отключенном основном (штатном) напряжении питания +Uc.

Одним из возможных вариантов выявления работы грузоподъемной машины с отключенным напряжением питания системы защиты является также сопоставление данных регистратора параметров при их обработке в самом цифровом вычислительном устройстве либо в стационарном или мобильном устройстве, в которое введены данные регистратора параметров после их считывания из энергонезависимого запоминающего устройства 6. При такой обработке программно реализуется сравнение величин параметров работы машины, записанных в энергонезависимое запоминающее устройство до отключения напряжения питания и после его последующего включения. Их различие свидетельствует о работе грузоподъемной машины с отключенной или неработающей системой защиты. При этом контроль отсутствия напряжения питания системы защиты выявляется по отсутствию данных с часов реального времени, которые при наличии напряжения питания системы защиты периодически записывают в энергонезависимое запоминающее устройство 6.

С целью снижения вероятности работы грузоподъемной машины с отключенной защитой какого-либо привода, микроконтроллер 3, после выявления отключенного состояния защиты этого привода, через устройство ввода/вывода информации 7 и выходное устройство 8 может осуществлять отключение всех приводов 14. При этом напряжение, поданное на устройство управления любого привода, разрешающее его работу, а также напряжение в силовой цепи любого электромеханического привода, дополнительно может быть подключено к источнику вторичного электропитания системы 15 и использовано для питания всей системы защиты с регистратором параметров или, по меньшей мере, регистратора параметров. Такая реализация системы позволяет зафиксировать в памяти регистратора параметров информацию о работе машины даже в тех случаях, когда штатное напряжение питания +Uc источника 15 умышленно отключено с целью сокрытия факта работы грузоподъемной машины с отключенной системой защиты.

При эксплуатации грузоподъемных машин встречаются также ситуации, когда машинист, с целью подъема груза, превышающего номинальную грузоподъемность машины, умышленно отключает защиту от перегрузки механическим путем. Например, путем установки какого-либо предмета, механического устанавливающего управляющий элемент электрогидравлического или электромеханического устройства блокирования работы привода грузоподъемной машины в состояние, соответствующее разрешенному состоянию работы этого привода независимо от электрических сигналов выходного устройства 8. В этом случае в системе устанавливается и подключается к микроконтроллеру 3 через устройство ввода/вывода информации 7 дополнительный датчик положения этого управляющего элемента. Например, концевой выключатель, фиксирующий положение золотника электрогидравлического распределителя или якоря электромагнитного реле или пускателя.

Еще одним вариантом реализации системы защиты, обеспечивающей возможность выявления работы грузоподъемной машины с отключенным основным напряжением питания +Uc, в том числе с механически заблокированным управляющим элементом привода 14, является оснащение системы автономным источником питания 16, выход которого подключается к тем функциональным блокам системы, которые обеспечивают функционирование регистратора параметров. В этом случае, с целью обеспечения необходимой длительности автономной работы регистратора, осуществляют периодическое (импульсное) питание датчиков 2 и других функциональных узлов системы на интервалы времени, необходимые для контроля состояния приводов 14 и их управляющих элементов, измерения текущих значений параметров работы грузоподъемной машины, их обработки и записи в запоминающее устройство 6.

С целью повышения безопасности работы машины, выявление отключенного состояния ее системы защиты может осуществляться заблаговременно, до достижения каким-либо параметром работы машины его предельно допустимого значения. В этом случае при помощи микроконтроллера 3 во время работы привода 14 машины осуществляют снижение максимально допустимого значения какого-либо параметра работы машины до величины, меньшей его текущего значения. Далее, путем выявления остановки или продолжения работы этого привода, выявляют наличие или отсутствие его защитного отключения. При этом, в случае необходимости, после выявления отсутствия защитного отключения одного привода, с помощью микроконтроллера 3 аналогичным образом формируются сигналы блокирования (снятия разрешения работы) всех приводов грузоподъемной машины.

Сформированный сигнал о работе грузоподъемной машины с отключенной или неработающей системой защиты с помощью микроконтроллера 3 может быть выведен на индикаторы 5 в виде светового дискретного, светового текстового, светового символьного, звукового или речевого информационного сообщения.

В аналогичной форме этот сигнал может быть выведен на соответствующее устройство отображения информации мобильного или стационарного устройства после записи в него данных регистратора параметров. При оснащении этого устройства принтером, это сообщение может быть выведено в виде печатного текстового сообщения. В частности, если в качестве стационарного устройства используется ЭВМ, на которой осуществляется обработка данных регистратора параметров, то указанное текстовое сообщение выводится на бумажный носитель информации при распечатке протокола обработки данных регистратора параметров работы грузоподъемной машины.

В данном описании схематично приведена лишь часть возможных вариантов реализации предложенного способа защиты и регистрации параметров работы грузоподъемной машины. Изобретение охватывает другие возможные варианты систем защиты и регистрации параметров работы грузоподъемных машин и их эквиваленты без отступления от сущности изобретения, изложенной в его формуле.

Источники информации

1. RU 2280608 C2, B66C 13/18, B66C 23/88, B66C 23/90, 27.07.2006.

2. RU 2276096 C2, B66C 23/88, B66C 13/18, 10.05.2006.

3. RU 2277065 C2, B66C 13/18, B66C 23/88, 27.05.2006.