Унифицированный ряд приборов безопасности

Системы защиты, приборы и устройства безопасности, с 1992 г. выпускаемые Арзамасским приборостроительным заводом (ОАО «АПЗ»), нашли широкое применение на отечественных, а также на ряде находящихся в эксплуатации в России зарубежных грузоподъемных машинах (строительных кранах, подъемниках, кранах-трубоукладчиках, кранах-манипуляторах) благодаря своей универсальности, высоким техническим и эксплуатационным характеристикам и качеству изготовления. Они полностью удовлетворяют требованиям «Правил устройства и безопасной эксплуатации…» грузоподъемных кранов, кранов-манипуляторов, кранов-трубоукладчиков, подъемников (вышек) ПБ 10-382-00, ПБ 10-157-97, ПБ 10-257-98, ПБ 10-518-02, ПБ 10-611-03 и разработанных на их основе нормативно-технических (руководящих) документов (РД) Ростехнадзора.

В настоящее время заводом выпускаются три серии указанных приборов: ОНК-140, ОНК-160 и ОПГ-1. Как показала практика, использованные в них методы контроля фактической и допустимой нагрузок, способы задания и согласования характеристик отключения с грузовыми характеристиками грузоподъемных машин, формы представления информации позволяют решать задачи защиты от перегрузок широкой номенклатуры подъемных сооружений [1].

Ограничители грузоподъемности (нагрузки) типов ОНК-140 и ОНК-160 представляют собой серии многофункциональных микропроцессорных комбинированных приборов с расширенными функциональными, информационными, диагностическими и регистрационными возможностями. Они предназначены как для защиты строительных кранов от перегрузки и опрокидывания, так и для их защиты от опасного приближения к ЛЭП, от столкновений с препятствиями, а также для обеспечения машиниста информацией о загруженности крана, положениях его рабочего оборудования и допустимых движениях этого оборудования. Сервисный персонал обеспечивается текущими и статистическими данными о параметрах и характере работы крана в течение всего срока службы.

Ограничители ОНК-140 и ОНК-160 могут быть применены на любых видах кранов (башенных, стреловых, мостового типа) и кранах-трубоукладчиках. В зависимости от состава оборудования этих грузоподъемных машин они выпускаются в виде модификаций приборов. Кроме того, ограничители соответствующих модификаций могут быть дополнены датчиками и функциональными блоками ветровой защиты, наклона платформы, высоты подъема груза, различными концевыми выключателями, либо содержать каналы, обеспечивающие функциональную связь ограничителей со штатными средствами кранов.

Ограничители предельного груза ОПГ-1, также в виде модификаций, ориентированных на определенное оборудование машины, предназначены для установки на различные виды подъемников (вышек) или кранов-манипуляторов и служат для их защиты от перегрузок. Ограничители выполнены по упрощенной функциональной схеме, в которой отключающее реле дополнено только световой сигнализацией [2].

Руководствуясь опытом создания, производства и эксплуатации ограничителей грузоподъемности, ОАО «АПЗ» и ООО НПП «ЭГО» проводят работы по дальнейшему развитию и совершенствованию систем защиты, ставя задачей как разработку новых образцов узлов и модулей, так и расширение информационных и диагностических возможностей приборов, а также обеспечение системного подхода к осуществлению в перспективе комплексной автоматизации крана.

Наибольшее внимание в настоящее время уделяется решению вопросов настройки приборов (адаптации к конкретным экземплярам кранов) за минимальное время и с минимальными погрешностями, что существенно отличает приборы безопасности серии ОНК-160 (с данными, программируемыми непосредственно на кранах) от ограничителей ОНК-140, в которых требовалась подстройка прибора с ранее запрограммированными данными. Аналогично программируются непосредственно на подъемниках ограничители ОПГ-1, начиная с модификации ОПГ-1-4 и последующих.

Многообразие технических средств, используемых в ограничителях, заставляет уделять существенное внимание вопросам унификация аппаратуры и таких технических решений, как блоки программ, виды сигналов, показатели индикации и регистрации параметров. Часть этих вопросов, в основном связанных с аппаратурой, относится к производственной унификации, другие вопросы — к унификации в сфере эксплуатации.

В рамках унификации в сфере проектирования и производства ОАО «АПЗ» и ООО НПП «ЭГО» проводится известный комплекс мероприятий, апробированный многолетней практикой. Сюда относится создание типажа приборов — определение номенклатуры, рациональной как с точки зрения производства (предприятия), так и с точки зрения потребителей, с учетом тенденций развития приборов, совершенствования конструкторских и технологических решений, новых физических принципов.

При проведении технической политики разработчиками и изготовителями производятся планирование и разработка унифицированных образцов, анализируются и выявляются возможности сокращения номенклатуры образцов и типоразмеров, применяемых сортаментов и марок материалов, осуществляются конструкторский, технологический, метрологический и унификационный контроль в процессе освоения производства приборов, патентный поиск, разработка нормативных и методических материалов, а также рекомендаций по дальнейшему проведению унификации.

Проведение унификации ограничителей грузоподъемности в сфере эксплуатации вызывает трудности большие, чем при определении оптимального уровня унификации для стадий разработки и производства. Это объясняется прежде всего различиями приборов по назначению, то есть условиями применения их на кранах и подъемниках, а также различиями в условиях эксплуатации, уровне подготовки обслуживающего персонала, степени технической оснащенности сервисных организаций, характере работ, направленных на постоянное поддержание ограничителей в работоспособном состоянии (техническое обслуживание, регламентные работы), всех видов ремонтов, транспортировки и хранения. Информацию, которая используется для проведения данной унификации, ОАО «АПЗ» получает в виде экспертных оценок.

Таким образом, методами унификации в сфере производства для ОАО «АПЗ» являются:
-  ограничение применения каких-либо изделий и номенклатуры составных частей и элементов;
-  использование некоторых изделий как типовых или базовых.

Что же касается унификации в сфере эксплуатации, здесь, несмотря на то, что ограничители грузоподъемности являются узкоспециализированными приборами, также достигнуты неплохие результаты при использовании методов агрегатирования и универсализации.

В рамках указанных задач проводят агрегатирование приборов для создания многих модификаций ограничителей различного функционального назначения (блочно-модульное проектирование на основе совместимости составных частей — блоков и датчиков). При этом взаимозаменяемость и иные свойства ограничителей позволяют использовать их в различных условиях, в том числе путем расширения сферы применения ранее разработанных модификаций (универсализация). Например, ограничители ОНК-140 выпускаются в настоящее время в более чем 120 модификациях, обеспечивающих его применение на всех видах грузоподъемных кранов и кранов-трубоукладчиков.

Рассмотрим признаки ограничителей, которые реализованы ОАО «АПЗ» и ООО НПП «ЭГО» в работе по унификации.

Функциональные признаки, обусловленные применением приборов на определенных видах кранов, связаны с общими алгоритмами работы, которые, в свою очередь, зависят от технологии работы крана. В этом случае критериями для унификации являются только блоки программ вычисления параметров.

Классификационные конструктивные признаки, определяющие тип или серию ограничителя, связаны с их составом и структурой. Структура ограничителей такова, что позволила применить блочно-модульный принцип их построения и произвести унификацию на уровне как ряда датчиков или их узлов, так и узлов вторичной аппаратуры, например располагая каждый функциональный узел или группу стандартных узлов на отдельной плате блока обработки данных.

Наибольшую индивидуальность составу ограничителей грузоподъемности придают применяемые датчики. Тем не менее даже на их уровне могут быть унифицированы определенные технические решения. В табл. 1 приведены принципы построения датчиков ограничителей грузоподъемности и, исходя из контролируемого параметра, их основные особенности.

Табл. 1. Принципы построения датчиков ограничителей грузоподъемности

Различие мест установки датчиков (прежде всего датчиков нагрузки) приводит к их разному конструктивному оформлению. Вместе с тем удалось ограничить число типов таких датчиков пятью разновидностями. Тип первичного преобразователя [3] этих разновидностей обеспечивает передачу растягивающих, сжимающих и изгибающих усилий и гидравлического давления, а их установка в различные узлы кранов и подъемников обеспечивается деталями самих машин. При этом все они имеют один и тот же тип электрического преобразователя (тензометрический мост) и однотипную схему его подключения к блоку обработки данных.

Датчики, контролирующие положение оборудования кранов, построены на принципе преобразования в электрический сигнал углового перемещения. Они производятся двух типов: с потенциометрическим преобразователем (датчики длины стрелы, азимута, пути и высоты подъема груза) и с преобразователем маятникового типа (датчики угла наклона стрелы, платформы), который обеспечивает повышенную точность контроля. В обоих случаях в качестве электрического преобразователя используются серийные элементы: потенциометр или акселерометр.

Рассмотренная структура датчиков обеспечивает ограничителям высокие метрологические показатели и надежность, устойчивость к механическим, климатическим и электромагнитным воздействиям, защиту от перегрузки и отключения любого из соединительных проводов. При этом, обладая одинаковыми техническими характеристиками, датчики дают возможность упростить подготовку испытательного и сервисного оборудования, правила и методики приемки и обслуживания.

В части вторичной аппаратуры (блок обработки данных, блок реле, контроллеры) признаки унификации ограничителей в основном определяются эргономическими факторами. В частности, информационные панели с органами управления ограничителей ОНК-140 и ОНК-160 выполнены с размерами, обеспечивающими наглядность и удобство управления. Эти панели определяют такие размеры оформляющего их блока, которые позволяют разместить в нем все необходимые узлы обработки данных.

Таким образом, осуществлена общая конструктивная компоновка и содержание вычислительно-информационной части аппаратуры — сконструированы блоки обработки данных ограничителей ОНК-140 и ОНК-160 с типовым количеством выходных реле. В случаях, когда требуется большее число реле, сконструирован специальный блок реле, а для случаев, где требуется раздельная обработка сигналов датчиков в разных частях кранов и обмен информацией между ними, разработан специальный контроллер.

Эргономические признаки ограничителей положены также в основу разработанных информационно-управляющих панелей ограничителей ОНК-140 и ОНК-160 в части как состава, так и мнемоники информационных и управляющих органов.

При создании ограничителей на современной элементной базе (микропроцессорах) всегда следует решать задачу «интеллектуализации» датчиков (корректировки статической характеристики, компенсации погрешностей). Стремясь упростить конструкцию и схему датчиков, работающих в относительно неблагоприятных внешних условиях, разработчики ограничителей предпочитают реализовывать функции корректировки и компенсации в программах блока обработки данных. Только в случаях, когда требуется передача информации датчиков в последовательном коде (требующем включения микропроцессора в схему датчика), часть этих функций может быть передана самим датчикам.

К числу унифицируемых показателей ограничителей следует отнести также способы и средства передачи данных. В приборах ОАО «АПЗ» при передаче аналоговых сигналов используется стандартный токовый сигнал 4–20 мА, обеспечивающий защиту датчиков от коротких замыканий, а при передаче цифровых данных — сигналы последовательного интерфейса по высоконадежной двухпроводной CAN-шине данных [4]. Указанный стандарт нашел широкое применение на грузоподъемных кранах [5] и может быть взят за основу при унификации.

Особое внимание должно быть уделено унификации регистрируемых показателей работы кранов [6], методов и средств считывания и защиты информации регистратора параметров (РП), а также обработки и представления этих показателей в ПЭВМ или на бумажных носителях. По нашему мнению, представляется достаточно перспективным применение инфракрасного (ИК) порта для считывания и переноса информации в персональный компьютер, как это реализовано в приборах серии ОНК-160 [7]. Протокол IrDA (Infrared Data Assotiation) позволяет соединяться с периферийным оборудованием без кабеля (и, что особенно важно, — без вскрытия пломб микропроцессорного блока ограничителей) на небольших расстояниях (до 1 м), в угловом диапазоне в виде конуса± 150, при помощи ИК излучения с длиной волны 880 нм. Инфракрасная связь безопасна для здоровья, не создает помех в радиочастотном диапазоне, имеет малую мощность потребления (что позволяет создавать недорогую и несложную аппаратуру), не задействует антенных модулей (не требует сертификации Федеральной комиссии по связи), обладает достаточно высокой скоростью обмена данными (в частности, до 4 Мбит/с с интерфейсом стандарта IrDA FIR — Fast Infrared), обеспечивает конфиденциальность передачи, а ИК лучи не проходят через стены, поэтому зона приема ограничивается небольшим, легко контролируемым пространством. Спецификация IrDA определяет многоуровневую систему протоколов, отличающихся различными режимами передачи и кодирования информации, обеспечивающих доступ к локальным сетям, позволяющих эмулировать обычное проводное подключение по RS-232C, инкапсулировать данные в кадры и предотвращать конфликты нескольких одновременно работающих устройств и пр. В качестве дополнения к IrDA-протоколу в последних модификациях приборов ОНК-160 применен USB-интерфейс, упрощающий подключение периферийных устройств (например, дисковых миниатюрных накопителей типа JetFlash) c унифицированными разъемами USB. Некоторые изготовители приборов безопасности в качестве устройств считывания информации регистраторов параметров эксплуатации кранов предлагают использовать карты памяти типа PC Card либо встроенные модемы (для подключения к телефонным линиям и локальным компьютерным либо коммутируемым сетям), а также беспроводные высокоскоростные радиотехнологии Bluetooth и EGPRS (для расширенной пакетной передачи данных по сети Интернет с использованиемIP-протокола). Вопросы унификации формата данных, считываемых с РП, отражены в РД СМА-001-03 [8].

Другие признаки ограничителей грузоподъемности: габаритные, установочные, присоединительные размеры, масса, материал, технологичность (в частности, применение бескорпусного поверхностного монтажа радиоэлементов, много-уровневой разводки печатных плат и пр.) —являются предметом производственной унификации, а показатели технической эффективности, надежности, устойчивости, электропитания унифицируются в соответствии с техническими требованиями потребителей (грузоподъемных машин).

Дальнейшее развитие приборов безопасности на ОАО «АПЗ» предполагается прежде всего на основе разработки, освоения и применения новых конструкций датчиков контролируемых параметров (включая видеокамеры, противоугонные комплексы, системы распознавания и идентификации владельца, навигационное оборудование для определения местоположения крана на местности, аппаратуру наличия паров алкоголя в кабине машины и т. д.), а во-вторых, путем объединением на основе CAN-протокола контроллеров управления силовой установкой, трансмиссией, гидрооборудованием крана и пр. в единый вычислительный комплекс с контроллерами ограничителя грузоподъемности. Конструктивные изменения вторичной аппаратуры в основном касаются повышения эргономических свойств систем. Данные работы ведутся совместно с ОАО «Автокран» (Иваново) и будут реализованы на 100-тонном кране КС-8973. Весьма заманчивой является перспектива предоставления краностроительным заводам самостоятельно выбирать состав необходимого (для определенного типа крана) набора датчиков и блоков для построения (и программирования) конкретной системы безопасности из унифицированного ряда модулей, выпускаемых ОАО «АПЗ». В связи с этим достаточно актуальными становятся вопросы унификации, а рассмотренные выше (на примере ограничителей грузоподъемности производства ОАО «АПЗ») принципы могут быть положены в основу отраслевого частного технического регламента, разрабатываемого для конкретизации широко обсуждаемого в настоящее время (перед представлением в Правительство РФ) проекта специального технического регламента «О безопасности подъемно-транспортного оборудования и процессов его эксплуатации».

Литература:
1. Федоров И. Г. Перспективы развития цифровых приборов безопасности грузоподъемных кранов. — Инновации, 2002, № 8 (55), стр. 77–82. 2. Каминский Л. С., Любавин В. Д., Федоров И. Г., Гудков Ю. И., Синицын Е. В., Затравкин М. И. Ограничитель предельного груза для подъемников (вышек) ОПГ-1 // Тез. докл. Международной научно-технической конференции, посвященной 220-летию со дня основания Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК), Москва, 24–29 мая 1999 года. — М., МИИГАиК, 1999 г. — с. 149–150.
3. Патент РФ № 2175117 на изобретение, МПК G01L 1/22. Датчик для измерения продольных усилий / Федоров И. Г., Каминский Л. С., Старцев Ю. П., Мухин Л. Н., Червяков А. П., Белан А. И., Сбитнева Н. А.,Синицин Е. В., Любавин В. Д., Пятницкий И. А., Лучин А. Ф., Спицын М. И., Затравкин М. И., Солодаев И. В. — № 2001-104601/28; Заявл. 21. 02. 2001; Опубл. 20. 10. 2001; Бюл. № 29.
4. Патент РФ № 38747 на полезную модель, МПК В 66 С 23/90. Система безопасности грузоподъемного крана/ Алексанкин В. А., Белан А. И., Ерзутов А. В., Затравкин М. И., Каминский Л. С., Любавин В. Д., Мухин Л. Н.,Пятницкий И. А., Спицын М. И., Старцев Ю. П., Федоров И. Г., Червяков А. П. — № 2004-109638/22; Заявл. 05. 04. 2004 г.; Опубл. 10.07.2004; Бюл. № 19.
5. R. Becker. The great book of mobile and crawler cranes. Vol. 1 — Handbook of mobile and crawler crane technology. — Griesheim, Germany, KM Verlags GmbH, ISBN 3-934518-00-2, 2001. — 404 p.
6. Зарецкий А. А., Котельников В. С., Галанов С. И.,Лукъянов Ю. П., Самойлов С. С., Каминский Л. С., Федоров И. Г., Свиридов В. В., Короткий А. А. Назначение и применение регистраторов параметров эксплуатации кранов. // Безопасность труда в промышленности, 2001 г., № 1, стр. 28–31.
7. Федоров И. Г., Каминский Л. С., Пятницкий И. А.,Алексанкин В. А., Инденбаум А. И., Зарецкий А. А. Совершенствование приборов и устройств безопасности с регистраторами параметров для башенных кранов. // Подъемно-транспортное дело, 2005 г., № 1,стр. 16–18.
8. РД СМА-001-03 «Рекомендации по применению РД 10-399-01. Требования к регистраторам параметров грузоподъемных кранов». — Сб. «Промышленная безопасность при эксплуатации стреловых кранов», сер. 10, вып. 31. — М., НТЦ «Промышленная безопасность», 2003 г., с. 229–250.