CN113460898B - 一种起重机功能安全力矩限制器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种起重机功能安全力矩限制器系统，硬件上具有两个互相校验的主、从MCU，软件上采用安全与非安全的底层软件隔离技术，采用安全状态切换运行模式，借助硬件冗余机制协助软件进行安全防护，与传统的基于软件的安全防护技术，采用软硬件相结合进行功能安全防护的方式，提高系统的性能和安全性。
Description
技术领域
本专利属于工程机械技术领域，涉及一种起重机安全监控系统，具体涉及一种起重机功能安全力矩限制器系统。
背景技术
力矩限制器是防止起重机的起重力矩或载重量超过机械当前状态下所允许的最大载荷的装置。当起重机处于危险状态时，力矩限制器系统为操作人员提供声光报警，并使卸荷保护装置强制停止向危险方向的操作，使起重机在工作中始终处于力矩限制器的安全监控中，从而达到安全保护的目的。现有的力矩限制系统一般采用工程机械控制器或工业PLC作为主机，硬件可靠性上存在很大的不足，软件上按作业要求多采用分层式、模块化设计，在功能安全方面很少考虑。现有的力矩安全监控系统一般采用工业PLC或及轻量级的ARM芯片作为处理核心，没有冗余和诊断功能，不满足功能安全的相关要求。软件上按作业要求多采用模块化设计，一般的软件结构采用前后台模式，前台主程序循环调用各个任务，后台中断服务程序及时响应各种外界事件。
现有技术的缺点：
现有的力矩安全监控系统中的软件部分很少考虑功能安全要求，一般是按作业要求进行模块化设计，当程序错误发生或对某一部分进行修改时，需从整体上进行分析，修改完成后，要进行软件整体编译、调试，浪费时间和精力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种起重机功能安全力矩监控系统，力矩限制器主机在硬件上采用冗余结构，软件上采用安全与非安全相关的功能底层软件隔离技术，利用安全状态切换模式，从软硬件架构上进行功能安全防护的设计，提高系统的安全性。
本发明提供的完整技术方案：
一种起重机功能安全力矩限制器系统，包括设置在起重机吊臂上的多个传感器、采用主MCU和从MCU架构的控制器；
传感器实时采集起重机吊臂角度和受力数据；控制器根据起重机的结构参数和采集的起重机吊臂数据，计算获得起重机的实时载荷、工作姿态和力矩百分比数据，对数据进行存储和监控；同时，控制器通过PWM方式输出控制相应的电磁阀将起重机的动作限制在工作区域；
主、从MCU同时接收传感器采集的数据并处理，从MCU将数据信息通过通信接口发送给主MCU，主MCU将接收的数据信息与自身处理得到的数据信息进行计算比较，如果数值匹配，则主MCU对后续信号进行计算处理；如果数值不匹配，则主 MCU关断输出并且发送故障信号给从MCU，从MCU用作附加信道去关断输出。
进一步地，控制器内并行运行两个独立且隔离的以二进制文件形式实现的程序；其中，文件master.bin运行在主MCU中，包括起安全功能的安全相关部分和可正常运行应用程序的非安全相关部分；文件slave.bin运行在从MCU中，为可自由编辑的非安全的诊断程序。
进一步地，主MCU内运行的程序文件包括可相互交换数据的两部分文件，第一部分用于运行预先安全认证的实时系统和安全功能相关的程序部分；第二部分为诊断固件部分，包含了所有外设的驱动程序以及诊断和自检功能程序。
进一步地，控制器内的程序运行时执行以下模式：
Fork模式：启动引导程序或者是普通应用程序；主MCU的CAN总线接口被初始化，用于接受CAN指令；若需更新软件，切换到引导程序模式，否则切换到启动-测试模式；
启动-测试模式：执行主MCU、从MCU的必要测试；若测试出现错误，则切换到安全模式，否则切换到初始化模式；
初始化模式：初始化，主MCU、从MCU均被设置为准备完毕状态，所有外设均被初始化，加载保留数据并检测有效性，检测主MCU、从MCU的软件版本是否兼容；若初始化出现错误，则切换到安全模式，否则切换到同步模式；
同步模式：使主MCU、从MCU达到时序同步，若同步时发生了超时，则切换到安全模式，否则进入操作模式；
操作模式：主MCU、从MCU执行各自的调度程序；采用XCOM通信同步主MCU、从MCU，执行输出诊断；主MCU在执行每个任务前，均启动一次通信同步，从MCU测量运行周期并检测同步是否超时；如果出现错误，则切换到安全模式。
进一步地，安全模式：输入置于安全状态；所有中断均停用，并发出错误信号。
进一步地，安全模式下，在一个连续的循环中保持安全模式，通过上电重新启动，离开安全模式。
进一步地，引导程序模式：为非安全程序，不允许设置安全型输出，通过CRC校验更新软件的正确性。
进一步地，引导程序模式下，通过上电重新启动，离开引导程序模式。
进一步地，操作模式时，主MCU执行已认证的安全应用程序，任务包括：
a.读取最高优先级的输入任务；
b.运行安全应用程序和诊断程序；
c.在未执行任务时，始终执行空闲任务，在后台运行。
进一步地，操作模式时，从MCU负责监控主MCU，任务包括：
a.运行主MCU通讯任务，监控通讯与同步；
b.运行主MCU监控任务，检查主MCU电压；
c.执行所有自检任务的检测；
d.负责安全输出诊断的测试。
本发明的起重机功能安全力矩限制器系统，其中控制模块由主、从MCU组成，互相校验的MCU通过交叉通信(XCOM)和附加的离散信号进行通信。软件部分将安全相关部分和非安全相关部分隔离，采用安全状态切换模式运行。当故障发生或增加非安全相关的功能时，由于安全部分程序已经通过安全测试，只需要对非安全部分进行修改调试编译，所述的功能安全系统能够降低安全风险，提高软件的可靠性和设计效率，节省时间和精力。
本发明所达到的有益效果：
本发明公开了一种起重机功能安全力矩限制器系统，从功能安全角度出发，对力矩限制器系统的软件架构进行设计，运用安全与非安全相关功能底层软件隔离技术。与现有的力矩限制器系统相比，安全与非安全两种程序在无干扰的情况下独立运行，可保证非安全相关部分的程序不会影响安全相关部分，用户在应用层的操作也不会影响到安全相关的底层，保证了敏感程序及数据运行在安全状态下，免受恶意攻击的侵扰，提高软件的可靠性。
采用安全状态切换的处理模式运行，可以对出现故障的模式进行显示并切换到安全模式，因为软件的安全与非安全部分隔离设计，当故障发生或增加非安全相关的功能时，由于安全部分程序已经通过安全测试，只需要对非安全部分进行修改调试编译，所述的功能安全系统能够降低安全风险，提高软件的可靠性和设计效率，节省时间和精力。
附图说明
图1为本发明起重机功能安全力矩限制器系统原理框图；
图2为本发明安全控制器软件架构框图；
图3为本发明程序文件架构框图；
图4为本发明软件系统运行模式框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
图1所示的为本发明起重机功能安全力矩限制器系统框图，包括控制器、上位机、CAN设备、各类传感器、电比例液压阀以及报警装置等。角度传感器和压力传感器等与控制器的模拟量输入接口相连，实时采集起重机吊臂工作信息；控制器中的主MCU依据起重机的结构参数和工作状态参数，对采集的传感器信息进行计算，获得整车的实时载荷、工作姿态和力矩百分比等参数，控制器中的从MCU起到诊断功能。当实际载荷达到额定值限制起重机只能向安全区域工作，同时将数据通过通信系统进行存储和监控；控制器通过PWM方式输出控制相应的电磁阀，保证起重机安全作业。
图2所示的为本发明安全控制器软件架构框图，控制器底层采用主、从MCU架构。通过主MCU底层程序的开发实现安全相关功能和主要控制功能。主MCU软件由两部分组成，第一部分用于运行预先安全认证的实时系统和安全功能的程序部分；第二部分为固件部分，包含了所有外设的驱动程序以及诊断和自检功能，这两部分能够相互交换数据。
系统架构基于两个MCU，主、从同时进行外部传感器数据采集，并按照规定的方式进行处理，从MCU将采集的信息通过通信接口发送给主MCU，主MCU将接收的信息与自身处理得到的信息进行计算比较，如果数值匹配，则主MCU进行后续信号的计算处理；如果数值不匹配，则存在异常，主MCU会关断输出并且发送故障信号给从MCU，从MCU用作附加信道去关断输出。
其中，主MCU包含所有安全I/O接口，实现安全输入、安全输出，环境检测等功能，以及对安全输出进行诊断和自检，同时监测从MCU电压；从MCU实现安全输入、环境检测，监测诊断主MCU电压，以及诊断第二关断信道。主、从MCU之间采用双路SPI板级通讯接口 (XCOM)和附加的离散信号进行数据传递、时序同步、系统日志管理和故障信息确认等信息交互。此外，主MCU支持 CAN安全协议栈移植，与外部传感器进行安全通信以及软件更新，使用预先认证的安全堆栈，具备逻辑冗余通信功能。从MCU支持可扩展CAN接口，用于非安全数据交换。
图3所示的为本发明的程序文件架构框图。基于C语言完成底层程序源代码中安全相关功能和非安全相关功能，底层软件架构支持并行处理两个独立且分离的程序，以二进制文件的形式（master.bin和slave.bin）实现。文件“master.bin” 运行在主MCU中，分为“安全相关部分”和“非安全相关部分”，其中，“安全相关部分”应起安全功能，而“非安全相关部分”为在无干扰条件下可以正常运行的应用程序；文件“slave.bin” 运行在从MCU中，为非安全相关的底层和诊断程序，可进行自由编程。两种程序在无干扰的情况下独立运行，运用安全与非安全软件隔离技术可保证非安全相关部分不会影响安全相关部分，用户在应用层的操作也不会影响到安全相关的底层程序。
图4所示的为本发明的系统运行模式框图。上电后，主MCU系统及从MCU系统首先完成底层驱动程序加载与初始化，并进行自检、同步、操作以及调试，判断控制系统自身是否存在问题，如发现故障存在，则切换进入安全模式。两个MCU可运行所有的系统模式，但根据执行任务的不同，实现方式有所不同。根据以下步骤执行：
（1）Fork模式是系统启动后进入的第一个模式，此模式决定系统启动引导程序或者是普通应用程序。主MCU的CAN总线接口被初始化，以便接受必要的CAN指令。根据是否更新软件决定，系统切换到引导程序模式或切换到启动-测试模式。
（2）在启动-测试模式期间，执行主、从MCU的必要测试。通过自检和诊断来检测系统的健康状况。如果没有出现错误，系统将切换到初始化模式，否则切换到安全模式。
（3）在初始化模式中，系统将被初始化，两个MCU都将被设置为准备完毕状态。所有外设都被初始化，加载保留数据并检测其有效性，检测两个MCU的软件版本，保证其兼容。如果没有出现错误，系统切换到同步模式，否则将切换到安全模式。
（4）同步模式是一个临时模式，此模式是为了使两个MCU达到时序同步，确保采集的信号为统一时间点的传感器信号。MCU会保持在此模式直至进入操作模式。如果此模式中发生了超时，两个MCU将切换到安全模式，否则进入操作模式。
（5）在操作模式中，主、从MCU执行不同的调度程序。
主MCU执行已认证的安全应用程序，任务包括：
a.读取最高优先级的输入任务；
b. 运行安全应用程序和诊断程序；
c.在未执行其他任务时，始终执行空闲任务，在后台运行。
从MCU负责监控主MCU，任务包括：
a.运行主MCU通讯任务，监控通讯与同步；
b.运行主MCU监控任务，检查主MCU电压；
c.执行所有自检任务的检测；
d.负责安全输出诊断的测试任务。
如果出现错误，系统将切换到安全模式。
在操作模式下，将主、从MCU进行同步，来正确及时地执行输出诊断任务。为了同步两个MCU，采用XCOM通信。主MCU在执行每个任务前，都要启动一次通信同步，从MCU将测量运行周期并检测是否超时。
如果出现错误，系统切换到安全模式。
安全模式在程序出现错误或某些内容无法正常工作时激活，例如，在同步模式中发生超时故障。两个MCU可以独立切换到安全模式，若如此，另一个MCU也必须切换至安全模式。在安全模式激活的情况下，首先必须将输入置于安全状态。然后，所有中断都必须停用，并发出错误信号。然后，软件在一个连续的循环中保持安全模式。只有通过上电重新启动，才能离开安全模式。
引导程序模式设计为非安全程序，其不允许设置安全型输出，通过CRC校验确保更新软件的正确性。只有通过重新启动，才能离开引导程序模式。
程序采用安全状态切换的处理模式运行，两个MCU可以运行上述所有的系统模式，但根据执行任务的要求，实现方式有所不同。对系统模式进行监控诊断，当故障发生，主、从系统可切换到安全模式。并且，其中一个MCU切换至安全模式，另一个MCU也必须切换至安全模式，提高系统的稳定性和安全性。
软件架构运用安全与非安全相关功能底层软件隔离技术，通过主MCU底层程序的开发实现主要安全相关功能，开发外设驱动程序，实现诊断功能和自检功能，从MCU底层程序的开发实现非安全相关功能。与现有的力矩限制器系统相比，安全与非安全两种程序在无干扰的情况下独立运行，可保证非安全相关部分的程序不会影响安全相关部分，用户在应用层的操作也不会影响到安全相关的底层，保证了敏感程序及数据运行在安全状态下，免受恶意攻击的侵扰。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种起重机功能安全力矩限制器系统，其特征是，包括设置在起重机吊臂上的多个传感器、采用主MCU和从MCU架构的控制器；
传感器实时采集起重机吊臂角度和受力数据；控制器根据起重机的结构参数和采集的起重机吊臂数据，计算获得起重机的实时载荷、工作姿态和力矩百分比数据，对数据进行存储和监控；同时，控制器通过PWM方式输出控制相应的电磁阀将起重机的动作限制在工作区域；
主、从MCU同时接收传感器采集的数据并处理，从MCU将数据信息通过通信接口发送给主MCU，主MCU将接收的数据信息与自身处理得到的数据信息进行计算比较，如果数值匹配，则主MCU对后续信号进行计算处理；如果数值不匹配，则主 MCU关断输出并且发送故障信号给从MCU，从MCU用作附加信道去关断输出；
控制器内并行运行两个独立且隔离的以二进制文件形式实现的程序；其中，文件master.bin运行在主MCU中，包括起安全功能的安全相关部分和可正常运行应用程序的非安全相关部分；文件slave.bin运行在从MCU中，为可自由编辑的非安全的诊断程序。
2.根据权利要求1所述的起重机功能安全力矩限制器系统，其特征是，主MCU内运行的程序文件包括可相互交换数据的两部分文件，第一部分用于运行预先安全认证的实时系统和安全功能相关的程序部分；第二部分为诊断固件部分，包含了所有外设的驱动程序以及诊断和自检功能程序。
3.根据权利要求1所述的起重机功能安全力矩限制器系统，其特征是，控制器内的程序运行时执行以下模式：
Fork模式：启动引导程序或者是普通应用程序；主MCU的CAN总线接口被初始化，用于接受CAN指令；若需更新软件，切换到引导程序模式，否则切换到启动-测试模式；
启动-测试模式：执行主MCU、从MCU的必要测试；若测试出现错误，则切换到安全模式，否则切换到初始化模式；
初始化模式：初始化，主MCU、从MCU均被设置为准备完毕状态，所有外设均被初始化，加载保留数据并检测有效性，检测主MCU、从MCU的软件版本是否兼容；若初始化出现错误，则切换到安全模式，否则切换到同步模式；
同步模式：使主MCU、从MCU达到时序同步，若同步时发生了超时，则切换到安全模式，否则进入操作模式；
操作模式：主MCU、从MCU执行各自的调度程序；采用XCOM通信同步主MCU、从MCU，执行输出诊断；主MCU在执行每个任务前，均启动一次通信同步，从MCU测量运行周期并检测同步是否超时；如果出现错误，则切换到安全模式。
4.根据权利要求3所述的起重机功能安全力矩限制器系统，其特征是，安全模式：输入置于安全状态；所有中断均停用，并发出错误信号。
5.根据权利要求4所述的起重机功能安全力矩限制器系统，其特征是，安全模式下，在一个连续的循环中保持安全模式，通过上电重新启动，离开安全模式。
6.根据权利要求3所述的起重机功能安全力矩限制器系统，其特征是，引导程序模式：为非安全程序，不允许设置安全型输出，通过CRC校验更新软件的正确性。
7.根据权利要求6所述的起重机功能安全力矩限制器系统，其特征是，引导程序模式下，通过上电重新启动，离开引导程序模式。
8.根据权利要求3所述的起重机功能安全力矩限制器系统，其特征是，操作模式时，主MCU执行已认证的安全应用程序，任务包括：
a.读取最高优先级的输入任务；
b.运行安全应用程序和诊断程序；
c.在未执行任务时，始终执行空闲任务，在后台运行。
9.根据权利要求4所述的起重机功能安全力矩限制器系统，其特征是，操作模式时，从MCU负责监控主MCU，任务包括：
a.运行主MCU通讯任务，监控通讯与同步；
b.运行主MCU监控任务，检查主MCU电压；
c.执行所有自检任务的检测；
d.负责安全输出诊断的测试。
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| CN113460898A (zh) | 2021-10-01 |
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Application publication date: 20211001 Assignee: Xuzhou Heavy Machinery Co.,Ltd. Assignor: JIANGSU XUGONG ENGINEERING MACHINERY RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. Contract record no.: X2023320000223 Denomination of invention: A Functional Safety Moment Limiter System for Cranes Granted publication date: 20230704 License type: Common License Record date: 20231030 |