СПОСОБ ОГРАНИЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА Российский патент 2005 года по МПК B66C13/18 G05B13/02 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в системах управления и защиты от перегрузок и повреждения различных машин и механизмов, имеющих перемещающиеся части, в частности стреловых грузоподъемных кранов. Изобретение касается учета особенностей ограничения параметров работы устройств в динамических режимах их работы и применимо в тех случаях, когда при превышении определенных пороговых значений необходимо вернуть в безопасное состояние перемещающуюся часть механизма, установки и т.п.

Известен способ управления гидроприводом механизма крана путем поворота оси задающего датчика на угол, пропорциональный заданной скорости механизма, и формирования экспоненциального сигнала управления гидроприводом с амплитудой, пропорциональной заданной скорости [1].

В известном способе осуществляется плавный пуск механизма крана, что позволяет ограничить его динамические перегрузки при пуске. Но при этом не обеспечивается плавный останов и, соответственно, ограничение динамических нагрузок при остановке. Отсутствует также защита от перегрузок по грузовому моменту и защита грузоподъемного оборудования от повреждений при столкновении с различными препятствиями.

Известен также способ предотвращения перегрузки грузоподъемной машины, преимущественно крана мостового типа, путем измерения нагрузки (массы поднимаемого груза), задания контрольных уровней нагрузки, выявления превышения текущего уровня нагрузки установленных контрольных уровней, дискретного отключения грузоподъемного механизма в течение фиксированного интервала времени в случае, если нагрузка достигает величины первого контрольного уровня и окончательного дискретного отключения привода грузоподъемного механизма, если нагрузка превышает второй контрольный уровень (величину предельной нагрузки машины) [2].

В развитие этого технического решения, предложен способ ограничения параметров работы устройства, заключающийся в том, что в процессе работы устройства контролируют значение по крайней мере одного из выбранных параметров его работы, заранее задают два пороговых значения для каждого из выбранных параметров работы устройства, при превышении первого порогового значения контролируемым значением запрещают работу устройства, а по истечении заданного периода времени разрешают работу устройства и осуществляют сравнение каждого из контролируемых значений параметров работы, устройства как с первым, так и со вторым пороговыми значениями, причем при превышении выбранным параметром второго порогового значения, либо при достижении заданного количества остановов устройства, полностью запрещают его работу [3].

В этих известных технических решениях [2], [3] обеспечивается защита устройства (например, грузоподъемной машины) от статических перегрузок. Кроме того, если текущий уровень нагрузки достигает величины первого контрольного уровня, осуществляется кратковременное отключение привода грузоподъемного механизма. Это обеспечивает некоторое предварительное снижение его скорости и соответствующее снижение динамических нагрузок при остановке грузоподъемной машины.

Однако заданные контрольные уровни нагрузки являются фиксированными и не зависят от скорости изменения (увеличения) нагрузки и инерционности устройства, которая может быть переменной. Это существенно снижает эффективность защиты устройства (грузоподъемной машины) от перегрузки. Например, при резком подъеме груза по каким-либо причинам и, соответственно, быстром нарастании нагрузки величина первого порогового уровня может оказаться слишком высокой, что приводит к запаздыванию отключения и, соответственно, не обеспечивает предотвращения перегрузки грузоподъемной машины.

Кроме того, при достижении контролируемым параметром первого (более низкого) порогового значения при кратковременных пиковых перегрузках происходит автоматический запрет работы машины. Однако пиковые перегрузки малой длительности не опасны для грузоподъемной машины. Поэтому автоматическое отключение устройства без контроля длительности перегрузки приводит к снижению помехоустойчивости и, соответственно, эффективности работы системы защиты.

Последнего недостатка не имеет способ управления грузоподъемными механизмами с фиксацией их характеристик, касающихся нагрузки, геометрии крана и режима его работы, путем измерения сигналов, пропорциональных этим характеристикам, сравнения этих сигналов с допустимыми значениями, и последующего формирования управляющих сигналов блокировки движения механизмов, предварительного задания фиксированного временного интервала, а также формирования указанных сигналов блокировки только в случае превышения сигналами, пропорциональными характеристикам подъемных механизмов, допустимых значений в течение заданного интервала времени [4].

В известном способе осуществляется защита устройства от статической перегрузки, а также предотвращаются ложные отключения при кратковременных перегрузках или при наличии помех в контролируемых сигналах.

Однако наличие временной задержки срабатывания управляющих сигналов блокировки движения механизмов не только не улучшает, а наоборот, существенно ухудшает эффективность ограничения параметров работы устройства (грузоподъемной машины) в динамических режимах его работы.

Близкое по технической сущности к техническому решению [4] предложено в ограничителе грузоподъемности стрелового крана, в котором осуществляется цифровая фильтрация сигналов превышения контролируемыми параметрами грузоподъемной машины допустимых значений в течение заданного интервала времени [5].

Цифровая фильтрация в данном способе ограничения параметров работы устройства (стрелового крана) не допускает его отключения, если в течение заданного интервала времени сигналы превышения не являются непрерывными. Но это обеспечивает лишь некоторое повышение помехоустойчивости системы ограничения, обеспечивая ее нечувствительность к воздействию кратковременных перегрузок и помех, но никак не улучшает эффективность ограничения параметров работы устройства (крана) в динамических режимах его работы.

Более совершенным и наиболее близким к предложенному является способ ограничения параметров работы устройства (предотвращения перегрузки подъемного механизма) путем измерения усилия в подъемном механизме и формирования аналогового сигнала, пропорционального этому усилию, дифференцирования (определения скорости изменения) этого сигнала, задания первого и второго фиксированных опорных сигналов (уровней), интегрирования заданной дробной части аналогового сигнала до момента превышения аналоговым сигналом первого, более низкого, опорного сигнала (уровня), сравнения дифференцированного аналогового сигнала с интегрированной заданной дробной частью дифференцированного аналогового сигнала в момент превышения аналоговым сигналом второго, более высокого, опорного сигнала (уровня), выявления превышения дифференцированным аналоговым сигналом интегрированной заданной дробной части дифференцированного аналогового сигнала и формирования в результате этого сигнала перегрузки грузоподъемного механизма [6].

В данном техническом решении, также как и во всех других известных, пороговые (опорные) уровни контролируемых сигналов не зависят от скоростного режима устройства. Это не позволяет осуществить эффективное ограничение параметров работы устройства в динамических режимах работы, поскольку, как уже отмечалось, при увеличении скорости изменения контролируемого параметра по каким-либо причинам, установленная величина первого порогового уровня может не обеспечить предотвращение перегрузки устройства (грузоподъемной машины).

Пороговые уровни не зависят также от переменных параметров устройства, например от момента инерции или массы подвижных частей устройства, что не позволяет своевременно сформировать сигналы отключения устройства при перегрузках.

Кроме того, в известном способе не используется регулирование скорости устройства, включение в противоположенном направлении, а также управление устройством с учетом колебаний контролируемого параметра, что также приводит к низкой эффективности ограничения параметров его работы.

Целью изобретения является повышение эффективности ограничения параметров работы устройства в динамических режимах его работы, а также повышение эксплуатационных характеристик устройства, например увеличение номинальной грузоподъемности машины за счет уменьшения динамических нагрузок.

В способе ограничения параметров работы устройства путем установки первого (более низкого) и второго (более высокого) пороговых уровней для каждого из по меньшей мере одного из выбранных параметров работы устройства, характеризующих нагрузку, геометрию или режим его работы, контроля в процессе работы устройства значения по крайней мере одного из выбранных параметров его работы, сопоставления этого значения с первым пороговым уровнем и формирования сигнала управления устройством при превышении контролируемым параметром первого порогового уровня, сопоставления значения контролируемого параметра со вторым пороговым уровнем и полное запрещение работы устройства или его отдельной составной части в случае превышения контролируемым параметром второго порогового уровня, а также выявление до начала и (или) в процессе работы устройства скорости изменения выбранного контролируемого параметра, поставленная цель достигается тем, что для каждого, по крайней мере одного из выбранных контролируемых параметров, указанные первый и (или) второй пороговые уровни устанавливают в зависимости от скорости изменения этого контролируемого параметра в процессе работы устройства.

Поставленная цель может достигаться также тем, что при превышении контролируемым параметром первого порогового уровня указанное формирование сигнала управления устройством осуществляется в виде снижения скорости перемещения того механизма устройства, который приводит к изменению данного контролируемого параметра. Причем указанное снижение скорости может осуществляться по линейному закону, обеспечивая ее пропорциональное снижение от величины, существующей в момент достижения контролируемым параметром первого порогового значения, до нулевого значения, при увеличении контролируемого параметра до величины, равной второму пороговому уровню.

При превышении контролируемым параметром первого порогового уровня указанное формирование сигнала управления устройством может осуществляться путем полного запрещения работы всего устройства или механизма (составной части) этого устройства, приводящего к изменению данного контролируемого параметра, причем второй пороговый уровень при этом выбирают равным предельно допустимому значению контролируемого параметра, а первый пороговый уровень устанавливают меньше второго порогового уровня на величину, равную возможному увеличению контролируемого параметра после полного запрещения работы устройства или механизма, которую определяют исходя из выявленных до начала и (или) в процессе работы устройства скорости изменения выбранного контролируемого параметра и времени полной остановки устройства.

Повторное разрешение работы устройства может осуществляться только после снижения контролируемого параметра до величины, равной первому пороговому уровню.

При превышении контролируемым параметром первого и (или) второго порогового уровня формирование сигнала управления или полное запрещение работы устройства может также осуществляться в ручном режиме, для чего дополнительно формируются световые и (или) звуковые информационные сигналы для оператора устройства.

Поставленная цель может достигаться также путем установки первого порогового уровня меньше второго порогового уровня на величину, пропорциональную приведенному моменту инерции или приведенной массе перемещающегося механизма устройства с грузом.

После запрещения работы и остановки устройства может выявляться приращение контролируемого параметра, а первый пороговый уровень может устанавливаться меньше второго порогового уровня на величину указанного приращения, с одновременным запоминанием полученного значения первого порогового уровня и использованием его при дальнейшем управлении устройством.

Выявленная величина приращения может запоминаться в виде функции скорости изменения контролируемого параметра и (или) приведенного момента инерции или приведенной массы перемещающегося механизма устройства с грузом, и далее использоваться при задании первого порогового уровня.

Для достижения поставленной цели дополнительно может задаваться интервал времени, а после превышения контролируемым параметром первого и (или) второго порогового уровня, осуществляться включение устройства в противоположном направлении в течение указанного заданного интервала времени. При этом величина этого заданного интервала времени может устанавливаться пропорциональной скорости изменения контролируемого параметра и (или) приведенного момента инерции или приведенной массы перемещающегося механизма устройства с грузом, или пропорциональной части периода, (например, половины периода) колебаний контролируемого параметра при остановке устройства.

После превышения контролируемым параметром первого и (или) второго порогового уровня может дополнительно осуществляться запрет управления другими механизмами устройства, которые могут привести к увеличению выбранного контролируемого параметра.

Для достижения поставленной цели дополнительно может также определяться время полной остановки устройства, отключение устройства в течение указанного времени при достижении контролируемым параметром первого порогового уровня, последующее разрешение работы устройства, а после повторного включения устройства - контроль приращения контролируемого параметра и разрешение работы устройства, если это значение уменьшается или полный запрет работы, если значение контролируемого параметра увеличивается.

Техническая сущность предложенного способа ограничения параметров работы устройства заключается в заблаговременном выявлении опасных как статических, так и динамических режимов работы устройства, и в определении наиболее рациональных границ (порогов, уровней) своевременного дискретного или пропорционального отключения устройства. Приведенные отличительные признаки заявленного технического решения непосредственно влияют на достигаемый технический результат и обеспечивают эффективное достижение поставленной цели, поскольку:

- установка первого и второго пороговых уровней в зависимости от скорости изменения контролируемых параметров позволяет произвести остановку устройства в заданной области без опасного перерегулирования (без перегрузки) и без недоиспользования возможностей устройства;

- плавное снижение скорости устройства при превышении контролируемым параметром первого порогового уровня позволяет уменьшить динамические нагрузки на устройство, вызванные его резким отключением. Применительно к грузоподъемному крану это дополнительно дает увеличение его номинальной грузоподъемности за счет уменьшения динамических нагрузок;

- повторное разрешение работы устройства только после снижения контролируемого параметра до величины, равной первому пороговому уровню, позволяет исключить многократные “звонковые” переключения устройства вблизи пороговых уровней, исключив при этом дополнительные многократные динамические нагрузки;

- возможность работы в ручном режиме позволяет продублировать работу автоматики и, тем самым, дополнительно повысить эффективность ограничения параметров работы устройства;

- установка первого порогового уровня в зависимости от приведенного момента инерции или приведенной массы перемещающегося механизма с грузом позволяет существенно повысить эффективность ограничения параметров работы устройств с переменным моментом инерции или с переменной массой. В частности, у стреловых грузоподъемных кранов момент инерции в большой степени зависит от величины вылета и массы поднимаемого груза. Поэтому время его остановки является непостоянным и правильный учет этого времени значительно увеличивает эффективность ограничения параметров устройства. Например, учет времени остановки поворотной платформы крана позволяет существенно повысить эффективность координатной защиты крана;

- реализация автоматического выявления приращения контролируемого параметра после остановки устройства и его последующее запоминание, в том числе в виде функции скорости изменения контролируемого параметра и (или) приведенного момента инерции или приведенной массы перемещающегося механизма устройства с грузом, позволяет исключить погрешности установки пороговых уровней и, в конечном счете, реализовать эффективную адаптивную систему ограничения параметров устройства;

- кратковременное включение устройства в противоположном направлении в течение заданного интервала времени, в том числе с учетом переменной инерционности устройства, позволяет реализовать как быструю остановку устройства, так и уменьшение колебаний устройства при остановке (при кратковременном включении противофазно существующим колебаниям);

- в случае, когда значение контролируемого параметра близко к предельно допустимому значению, запрет управления другими механизмами, которые могут привести к увеличению этого параметра, также существенно повышает эффективность ограничения параметров устройства. Например, если у стрелового грузоподъемного крана путем опускания стрелы достигнута близкая к максимально возможной загрузка по грузовому моменту, то запрет подъема груза лебедкой в условиях, когда опускание стрелы еще не закончилось, приведет, очевидно, к существенному повышению эффективности ограничения грузового' момента устройства (крана);

- определение времени полной остановки устройства, отключение устройства в течение указанного времени и последующее разрешение его работы с одновременной оценкой приращения контролируемого параметра позволяет вывести устройство из опасной зоны без применения дополнительных внешних сигналов, что также повышает эффективность ограничения параметров устройства.

С учетом изложенного, указанные отличительные признаки заявленного технического решения, не известные из уровня техники, придают ему новые свойства, обеспечивая достижение поставленной цели.

Рассмотрим суть предложенного способа ограничения параметров устройства на примере работы системы безопасности грузоподъемного крана.

На фиг.1 приведена функциональная схема системы безопасности грузоподъемного крана, на фиг.2 - временная диаграмма его работы.

Система безопасности грузоподъемного крана содержит электронный блок 1, исполнительный блок 2 и датчики рабочих параметров 3 грузоподъемного крана. Электронный блок 1 выполнен в виде цифровой вычислительной машины 4 и подключенных к ней органов управления 5, индикаторов 6, блока памяти 7 и устройства ввода-вывода информации 8, которое подключено к входам исполнительного блока 2 и к датчикам рабочих параметров 3.

Датчики рабочих параметров 3 включают в себя датчик угла наклона стрелы 9, датчик длины стрелы 10, датчик массы груза (датчик силы или датчики давления) 11, датчик угла поворота площадки крана (датчик азимута) 12 и другие датчики, необходимость установки которых определяется конструкцией, конкретного грузоподъемного крана.

Цифровая вычислительная машина 4 может быть выполнена на микроконтроллере, органы управления 5 - в виде набора кнопок-клавиш, индикаторы 6 - в виде светодиодов, жидкокристаллических индикаторов и звукового сигнализатора, а блок памяти 7 - в виде микросхем.

Устройство ввода-вывода 8 обеспечивает согласование логических уровней входных и выходных сигналов цифровой вычислительной машины 4 с датчиками 3 и исполнительным блоком 2.

Датчик угла наклона стрелы 9 может быть выполнен на основе акселерометра, датчики длины стрелы 10 и азимута 11 - на основе потенциометров.

Датчик массы груза 12 может быть выполнен в виде тензометрического датчика силы или тензометрических датчиков давления.

Связи устройства ввода-вывода 8 с датчиками рабочих параметров 3 и с исполнительным блоком 2 могут быть выполнены при помощи отдельных проводов или в виде мультиплексной линии связи (в этом случае во всех подключаемых устройствах 2, 3 и в блоке ввода-вывода информации 8 устанавливаются интерфейсные контроллеры, например типа МСР2510).

При работе грузоподъемного крана датчики рабочих параметров 3 осуществляют измерение параметров загрузки крана и положения его грузоподъемного (стрелового оборудования). Эти параметры или вычисленные цифровой вычислительной машиной 4 на их основе комплексные параметры работы крана (например, степень загрузки по грузовому моменту, высота подъема оголовка стрелы и т.д.), являются контролируемыми параметрами работы устройства (крана), характеризующими его нагрузку, геометрию или режим работы.

Для этих контролируемых параметров, в соответствии с предложенным способом ограничения, задаются первый и второй пороговые уровни.

Второй (более высокий) пороговый уровень задается, как правило, равным предельно допустимому значению соответствующего параметра, либо на несколько пониженном уровне (при повышенных требованиях к безопасности, определяемых конкретными условиями эксплуатации).

В частности, величины второго порогового уровня, определяющие зону допустимых значений положения грузоподъемного (стрелового) оборудования крана, вводятся оператором при задании параметров координатной защиты при помощи органов управления 5, расположенных на электронном блоке 1 и сохраняются в памяти микроконтроллера цифровой вычислительной машины 4 или в блоке памяти 7. А величины второго порогового уровня, определяющие уровень загрузки крана по грузовому моменту, определяются априорно исходя из грузовой характеристики крана и также сохраняются в памяти микроконтроллера цифровой вычислительной машины 4 или в блоке памяти 7 в виде конкретных значений или функции (например, в виде зависимости предельной массы поднимаемого груза от вылета и длины стрелы).

Величины первого порогового уровня для контролируемых параметров устанавливаются ниже величин второго порогового уровня на значения, зависящие от скорости изменения соответствующего параметра, от приведенного момента инерции или приведенной массы перемещающегося устройства или его составной части, например стрелы грузоподъемного крана с грузом.

Цифровая вычислительная машина 4, работая по программе, через устройство ввода-вывода 8 поочередно формирует запрос на получение информации от датчиков 9-12. После получения этой информации цифровая вычислительная машина 4 по программе, заложенной в памяти микроконтроллера или в блоке памяти 7, по известным функциональным зависимостям определяет текущую нагрузку крана и положение его грузоподъемного (стрелового) оборудования. Допустимые режимы нагружения и допустимые положения рабочего оборудования крана хранятся в виде первых пороговых уровней в памяти микроконтроллера или в блоке памяти 7. Там же, в виде вторых пороговых уровней, хранятся предельно допустимые значения этих параметров.

Цифровая вычислительная машина 4 осуществляет сравнение фактического нагружения крана и фактического положения грузоподъемного оборудования с первыми и вторыми пороговыми уровнями и, в зависимости от результатов указанных сравнений, через устройство ввода-вывода 8 передает на исполнительный блок 2 сигналы управления исполнительными механизмами крана, осуществляя автоматическое ограничение его параметров (защиту от перегрузки по грузовому моменту и защиту от столкновений стрелового оборудования с различными препятствиями). Одновременно на индикаторы 6 передаются сигналы световой и звуковой сигнализации о режимах и параметрах работы крана.

В процессе работы системы, цифровая вычислительная машина 4, производя дифференцирование выходных сигналов датчиков 3 (9-12) и, при необходимости, дополнительные вычисления, определяет скорости изменения контролируемых параметров.

Алгоритмы вычислений цифровой вычислительной машиной 4 как текущих значений параметров, подлежащих последующему сравнению с пороговыми уровнями, так и величин этих пороговых уровней, учитывают статические и динамические характеристики устройства (грузоподъемного крана), включая грузовую характеристику крана, а также и априорно известные или определяемые в процессе работы крана приведенные моменты инерции или приведенные массы подвижных частей грузоподъемного крана. Искомые величины контролируемых параметров Y или пороговых уровней U представляются, соответственно, в виде функций F и ψ:

где X₁, X₂ ... X_N - первичные значения выходных сигналов датчиков 9-12 и (или) их дифференцированные значения (скорости изменения).

Ввиду ограниченных возможностей цифровой вычислительной машины 4, расположенной на грузоподъемном кране (или ином устройстве), зависимости (1) определяются предварительно при проектировании устройства (системы безопасности грузоподъемного крана) и записываются в память цифровой вычислительной машины 4 или в блок памяти 7.

Методы определения зависимостей (1) общеизвестны (см., например, Бычков Ю.А., Щербаков С.В. Аналитически-численный метод расчета динамических систем. - М: Энергоатомиздат, 2002, 368 с.) и могут быть реализованы с использованием популярного программного комплекса MathCad 2001 известной компании MathSoft.

Для определения этих зависимостей (1) в общем случае используются:

- математическая модель крана, зависящая от его конструкции и представленная в виде системы дифференциальных уравнений его движений;

- система ограничений, т.е. предельные значения рабочих параметров грузоподъемного крана, которые всегда априорно известны;

- целевая функция - математическое выражение показателей качества работы устройства.

В предложенном техническом решении качество работы устройства (системы безопасности крана) определяется через:

- снижение динамических нагрузок на кран и поднимаемый груз;

- уменьшение перерегулирования (минимизация превышения второго порогового уровня);

- уменьшение раскачивания груза после установки крана.

Таким образом, зависимости (1) определяются указанными методами и устанавливают порядок определения цифровой вычислительной машиной 4 первого порогового уровня из условия достижения наилучшего значения одного из показателей качества.

При этом варианты реализации устройства, описанные в различных пунктах формулы, отличаются как видом установленного критерия качества, так и особенностями сигнала управления краном (дискретные сигналы управления или аналоговые).

Зависимости (1) могут храниться в памяти цифровой вычислительной машины 4 или в блоке памяти 7 как в виде формул, так и в виде таблиц с аппроксимацией (например, линейной) промежуточных значений в случае необходимости. Далее эти формулы или таблицы непосредственно используются цифровой вычислительной машиной 4 для определения текущих значений необходимых контролируемых параметров Y и, далее, величин первого порогового уровня U.

Поясним на частных примерах порядок установки первого порогового уровня.

Предположим, что некоторый контролируемый параметр Y, например нагрузка на грузозахватном органе грузоподъемного крана, возрастает с некоторой скоростью (фиг.2). В момент времени t₁ этот параметр достигает значения первого порогового уровня U₁, что приводит к отключению выходного сигнала Z устройства ввода-вывода информации 8, т.е. к отключению устройства (например, грузовой лебедки, осуществляющей подъем груза). Далее устройство, продолжает движение в силу своей инерционности и в момент времени t₂ достигает второго порогового уровня U₁, соответствующего предельно допустимому значению параметра Y. При правильно выбранном значении первого порогового уровня U₁, происходит своевременная остановка устройства без перегрузки (без превышения второго порогового уровня U₂) и без недоиспользования возможностей устройства (без потери грузоподъемности крана).

Если изменение параметра Y происходит с более высокой скоростью, то при сохранении прежнего значения первого порогового уровня U₁ отключение устройства происходит в момент времени U. Соответственно, остановка устройства происходит слишком поздно - в запрещенной зоне, т.е. наблюдается перегрузка устройства (см. фиг.2, график Y¹). Для предотвращения этого, в предложенном способе ограничения параметров устройства цифровая вычислительная машина 4, измеряет скорость изменения параметра Y, например, путем дифференцирования выходного сигнала датчика силы. 11. Далее с использованием полученного значения скорости, например X₁, по формуле (1) определяется новое значение первого порогового уровня (см. фиг.2, U₁ ¹). Благодарю новому, более низкому значению первого порогового уровня, происходит более раннее отключение устройства (в момент времени t₃) и контролируемый параметр после остановки устройства остается на границе запрещенной зоны (см. фиг.2, график Y²).

Если не допускается даже кратковременное нахождение контролируемого параметра в запрещенной зоне, вызванное, например, колебаниями контролируемого параметра при остановке устройства, то может применяться понижение второго порогового уровня U₂. Величина этого понижения может зависеть от скорости изменения параметра Y в процессе работы устройства если, например, от скорости зависит амплитуда колебаний этого параметра при остановке устройства.

В интервале между первым и вторым пороговыми уровнями возможно не дискретное отключение, а плавное снижение скорости перемещения того механизма устройства, который приводит к изменению данного контролируемого параметра. В этом случае исполнительный блок 2 формирует не дискретный, а пропорциональный (плавный) сигнал отключения устройства, изменяющийся, например, по линейному закону и обеспечивающий пропорциональное снижение параметра Y от величины, существующей в момент его достижения первого порогового значения, до нулевого значения, при увеличении контролируемого параметра до величины, равной второму пороговому уровню. В этом случае реализуется, в частности, система регулирования с обратной связью и достигается снижение динамических нагрузок при остановке устройства.

Возможны ситуации, когда после отключения устройства автоматически происходит некоторое снижение величины контролируемого параметра. В этом случае, чтобы избежать повторного включения устройства и далее его циклическое включение/отключение, в характеристику управления вводится гистерезис. Это достигается тем, что повторное разрешение работы устройства осуществляет только после снижения контролируемого параметра до величины, равной первому пороговому уровню.

Очевидно, что на время остановки любого механизма, кроме скорости его движения, влияет приведенный момент инерции или приведенная масса перемещающегося механизма с грузом. С точки реализации предложенного способа ограничения параметров, учет момента инерции или массы не имеет принципиальных отличий от учета скорости изменения параметров и осуществляется путем ввода этих моментов инерции или масс в качестве параметров Х в формулах (1).

Цифровая вычислительная машина 4, контролируя изменения сигналов датчиков 9-12, определяет величины приращений всех контролируемых параметров после отключения устройства и далее, используя полученные данные, устанавливает первые пороговые уровни меньше вторых пороговых уровней на величины указанных приращений, запоминает полученные значения первых пороговых уровней и использует их при дальнейшем управлении устройством. Причем эти величины могут запоминаться в виде функции скорости изменений контролируемых параметров и приведенных моментов инерции или приведенных масс перемещающихся механизмов устройства с грузом. В результате получается адаптивная система ограничения параметров устройства, автоматически устраняющая неточности установки пороговых уровней непосредственно в процессе работы устройства.

В аварийных непредвиденных случаях, когда цифровая вычислительная машина 4 выявляет неизбежность попадания контролируемых параметров в запрещенную зону, а попадание в запрещенную зону является менее желательным, чем динамические перегрузки устройства (грузоподъемного крана), цифровая вычислительная машина 4 автоматически или по команде оператора, задаваемой с помощью органов управления 5, осуществляет включение определенного механизма устройства в противоположном направлении в течение заданного интервала времени, причем величина этого времени выбирается пропорциональной скорости изменения контролируемого параметра и (или) приведенного момента инерции или приведенной массы перемещающегося механизма устройства с грузом.

При наличии существенных колебаний контролируемого параметра при отключении устройства, выявляемых цифровой вычислительной машиной по изменению знака скорости изменения этого параметра, может быть реализовано принудительное успокоение данного параметра. Для этого устройство может принудительно включаться в противоположном направлении на время, пропорциональное части периода (например, четверти или половине периода колебаний) (см. фиг.2, интервал времени t₆-t₇). Необходимая продолжительность включения определяется экспериментально или расчетным путем исходя из условия максимально быстрого гашения колебаний контролируемого параметра.

Достаточно часто перегрузка по какому-либо контролируемому параметру возникает за счет включения дополнительных механизмов. Например, если происходило увеличение загрузки грузоподъемного крана по грузовому моменту путем опускания стрелы и данный контролируемый параметр (грузовой момент) был близок к предельно допустимому значению, т.е. находился в интервале между первым и вторым пороговыми значениями, то дополнительное включение в этот момент, например, механизма подъема груза лебедкой является опасным, т.к. приведет к быстрому выходу грузового момента в запрещенную зону. В предложенном способе ограничения подобные аварийные ситуации исключаются благодаря тому, что цифровая вычислительная машина 4 после превышения контролируемым параметром пороговых уровней дополнительно запрещает управление другими механизмами устройства, которые могут привести к увеличению выбранного контролируемого параметра.

Цифровая вычислительная машина 4, используя свой внутренний таймер и контролируя изменения сигналов датчиков 9-12, имеет возможность определить время остановки каждого механизма устройства в различных режимах его работы. Это дает возможность отключить устройство в течение указанного времени при достижении контролируемым параметром первого порогового уровня, обеспечивая гарантированное непревышение второго порогового уровня. После чего работа устройства может быть разрешена с одновременным контролем приращения этого контролируемого параметра. В случае, если это значение уменьшается, цифровая вычислительная машина 4 разрешает работу устройства, или полностью ее запрещает, если значение контролируемого параметра увеличивается. Благодаря этому обеспечивается выход устройства из опасной зоны без применения дополнительных технических средств.

При любом варианте алгоритма управления устройством цифровая вычислительная машина 4 формирует сигналы управления индикаторами 6, обеспечивая световую и звуковую индикацию режимов работы устройства. Это дает возможность осуществить ручное управление устройством с помощью органов управления 5.

Таким образом, предложенный способ обеспечивает повышение эффективности ограничения параметров работы устройства в динамических режимах его работы при одновременном улучшении эксплуатационных характеристик этого устройства.

Источники информации

1. А.с. СССР № 1197983 A, М. Кл. 4 В 66 С 13/20, 15.12.1985.

2. А.с. СССР № 1597339 A1, М. Кл. 5 В 66 С 15/00, 17.10.1990.

3. Патент России № 2129727 С1, М. Кл. 6 G 05 B 13/02, G 06 F 17/00, 27.04.1999.

4. Патент России № 2116240 С1, М. Кл. 6 В 66 С 23/90, 27.07.1998.

5. Патент России № 2011632 С1, М. Кл. 5 В 66 С 23/90, 30.04.1994.

6. Патент СССР № 952098, М. Кл. 3 В 66 С 15/00, 15.08.1992.

Изобретение относится к технике управления и защиты от перегрузок и повреждения стреловых грузоподъемных кранов. В способе предполагается установка первого и второго пороговых уровней для каждого, по меньшей мере одного параметра, характеризующего нагрузку, геометрию или режим работы устройства. Предусмотрены также контроль в процессе работы устройства значения этого параметра, сопоставление этого значения с первым пороговым уровнем, формирование сигнала управления устройством при превышении параметром первого порогового уровня, сопоставление значения параметра со вторым пороговым уровнем и запрещение работы устройства или его составной части в случае превышения параметром второго порогового уровня. Кроме того, выявляют скорость изменения этого параметра, а указанный первый пороговый уровень устанавливают в зависимости от скорости изменения этого параметра или от приведенного момента инерции, или от приведенной массы перемещающегося устройства или его составной части. Изобретение повышает эффективность ограничения параметров работы устройства, реализующего способ, в динамических режимах его работы, а также эксплуатационные характеристики. 12 з.п. ф-лы. 2 ил.

1. Способ ограничения параметров работы устройства путем установки первого и второго пороговых уровней для каждого, по меньшей мере одного, параметра, характеризующего нагрузку, геометрию или режим работы устройства, контроля в процессе работы устройства значения этого параметра, сопоставления этого значения с первым пороговым уровнем и формирования сигнала управления устройством при превышении параметром первого порогового уровня, сопоставления значения параметра со вторым пороговым уровнем и запрещение работы устройства или его составной части в случае превышения параметром второго порогового уровня, а также выявления скорости изменения этого параметра, отличающийся тем, что для по меньшей мере одного параметра указанный первый пороговый уровень устанавливают в зависимости от скорости изменения этого параметра, или от приведенного момента инерции, или от приведенной массы перемещающегося устройства или его составной части.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный сигнал управления, формируемый при превышении параметром первого порогового уровня, используют для уменьшения скорости перемещения устройства или той его составной части, которая приводит к изменению этого параметра.3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что указанное уменьшение скорости осуществляют по линейному закону от величины, существующей в момент достижения параметром первого порогового значения, до нулевого значения при увеличении параметра до величины, равной второму пороговому уровню.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что первый пороговый уровень устанавливают меньше второго порогового уровня на величину, равную возможному увеличению параметра после полного запрещения работы устройства или его составной части, причем эту величину определяют исходя из скорости изменения параметра и времени остановки устройства или его составной части.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что повторное разрешение работы устройства или его составной части осуществляют только после снижения параметра до величины, равной первому пороговому уровню.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что при превышении параметром первого или второго порогового уровня формирование сигнала управления или запрещение работы устройства осуществляют в ручном режиме, для чего после указанного превышения дополнительно формируют световой или звуковой информационно-предупреждающий сигнал.7. Способ по п.1, отличающийся тем, что после запрещения работы и остановки устройства или его составной части выявляют приращение параметра и устанавливают первый пороговый уровень меньше второго порогового уровня на величину указанного приращения, запоминают полученное значение первого порогового уровня и используют его при дальнейшей работе устройства.8. Способ по п.7, отличающийся тем, что выявленную величину приращения запоминают в виде функции скорости изменения параметра, и/или приведенного момента инерции, или приведенной массы устройства, или его составной части и далее используют при задании первого порогового уровня.9. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно выявляют направление изменения параметра, задают интервал времени, путем указанного сопоставления значения параметра с первым или вторым пороговым уровнем выявляют их совпадение, после чего в течение заданного интервала времени формируют сигнал управления, который используют для включения движения устройства или его составной части в противоположном направлении.10. Способ по п.9, отличающийся тем, что величину заданного интервала времени устанавливают пропорциональной скорости изменения параметра, и/или приведенного момента инерции, или приведенной массы перемещающегося устройства, или его составной части.11. Способ по п. 9, отличающийся тем, что величину заданного интервала времени устанавливают пропорциональной части периода, например половине периода колебаний параметра, при остановке устройства или его составной части.12. Способ по п.1, отличающийся тем, что после превышения параметром первого или второго порогового уровня дополнительно запрещают управление другой составной частью устройства, влияющей на величину этого параметра.13. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно определяют время полной остановки устройства, при достижении параметром первого порогового уровня отключают устройство или его составную часть в течение указанного времени, после чего разрешают работу устройства или его составной части, контролируют приращение параметра и разрешают работу устройства или его составной части, если это значение уменьшается, или запрещают работу, если значение параметра увеличивается.