塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)，基于傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)融合處理、無線傳感網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信技術(shù)，高效率地完整實(shí)現(xiàn)建筑塔機(jī)單機(jī)運(yùn)行和群塔干涉作業(yè)防碰撞的實(shí)時(shí)監(jiān)控與聲光預(yù)警報(bào)警功能，并在報(bào)警的同時(shí)自動(dòng)中止塔機(jī)危險(xiǎn)動(dòng)作。與過去塔機(jī)機(jī)械式限位器以及塔機(jī)“黑匣子”或塔機(jī)記錄儀的封閉式監(jiān)控、記錄不同，塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)前端監(jiān)控裝置和后端遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)無縫融合，實(shí)現(xiàn)了開放式的實(shí)時(shí)監(jiān)控，在對(duì)塔機(jī)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場安全監(jiān)控、運(yùn)行記錄和聲光報(bào)警的同時(shí)，通過遠(yuǎn)程高速無線數(shù)據(jù)傳輸，將塔機(jī)運(yùn)行工況安全數(shù)據(jù)和預(yù)警報(bào)警信息實(shí)時(shí)發(fā)送到GIS可視化監(jiān)控平臺(tái)，并能在報(bào)警時(shí)自動(dòng)觸發(fā)手機(jī)短信向相關(guān)人員報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程報(bào)警和遠(yuǎn)程告知，使得塔機(jī)安全監(jiān)控成為開放的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

一、塔機(jī)黑匣子回轉(zhuǎn)防碰撞監(jiān)控必須選用絕對(duì)值多圈編碼器

根據(jù)國家十二五計(jì)劃規(guī)定，大型起重機(jī)械必須安裝安全保護(hù)記錄裝置（也稱為安全黑匣子），并且對(duì)生產(chǎn)銷售企業(yè)有嚴(yán)格要求，建筑機(jī)械塔機(jī)黑匣子(又叫塔式起重機(jī)遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)）,主要應(yīng)用于塔機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，避免因操作者的疏忽或判斷失誤而造成的安全事故，尤其在塔機(jī)群多臺(tái)塔機(jī)之間的防碰撞功能，單臺(tái)塔機(jī)的禁行區(qū)防碰撞功能的監(jiān)控，可極大地保證塔機(jī)的安全使用。隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展，塔式起重機(jī)被越來越多地使用在市政建設(shè)、橋梁、高層建筑等施工場所。但是由于塔式起重機(jī)在使用過程中具有較大危險(xiǎn)性，重大傷害事故的發(fā)生率也在提高。為有效地預(yù)防和降低施工現(xiàn)場塔式起重機(jī)的安全事故，保證起重機(jī)的安全正常運(yùn)行，2008年8月，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理**，聯(lián)合發(fā)布塔式起重機(jī)國家標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定從2009年2月1日起，塔式起重機(jī)必須裝備具有采集、記錄、顯示、傳輸、預(yù)警、報(bào)警功能的安全記錄裝置-塔機(jī)黑匣子。塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)，是基于傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、多數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)融合處理、無線傳感網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信技術(shù)，高效率地完整實(shí)現(xiàn)建筑塔機(jī)單機(jī)運(yùn)行和群塔干涉作業(yè)防碰撞的實(shí)時(shí)監(jiān)控與聲光預(yù)警報(bào)警功能，并在報(bào)警的同時(shí)自動(dòng)中止塔機(jī)危險(xiǎn)動(dòng)作。其中傳感器技術(shù)是整個(gè)監(jiān)控的核心及可靠性較重要的環(huán)節(jié)。在塔機(jī)黑匣子的監(jiān)控系統(tǒng)中，塔機(jī)吊臂高度、小車位置、吊臂回轉(zhuǎn)角度及速度監(jiān)控等都需要用到角度傳感器，其中，吊臂回轉(zhuǎn)角度關(guān)系到塔機(jī)群中兩個(gè)塔機(jī)吊臂之間防碰撞的關(guān)鍵性安全監(jiān)控，由于防碰撞計(jì)算的吊臂長度對(duì)于測量角度的三角函數(shù)放大作用，測量回轉(zhuǎn)角度傳感器的精度及可靠性往往決定了安全監(jiān)控的成敗。

為此，在比較了各種角度傳感器的特點(diǎn)適用性及成本要求，高位數(shù)高可靠性的絕對(duì)值多圈編碼器是必須的選擇。按照塔機(jī)黑匣子監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)的要求，應(yīng)允許塔機(jī)吊臂做正反方向的回轉(zhuǎn)三圈，角度監(jiān)控的分辨率優(yōu)于1度，同時(shí)還有測量精度要求。為此，按此計(jì)算的總測量行程分辨率必須大于360度x3圈=1080，這樣的分辨率精度要求，原先塔機(jī)用電位器測量的方法是不能滿足的（電位器分辨率0.5%FS），用增量值編碼器也不符合抗干擾及停電位置不丟失的要求，只能用絕對(duì)值編碼器大于11位（大于1080分辨總數(shù)）及以上，而且是三圈以上測量量程。實(shí)際上因?yàn)榘惭b的方法，是依靠塔機(jī)回轉(zhuǎn)大齒輪帶動(dòng)小齒輪測量，實(shí)際測量圈數(shù)值為幾十圈。有一些塔機(jī)黑匣子廠家選用了電位器作為回轉(zhuǎn)角度的監(jiān)控，還有一些廠家選用了10位單圈絕對(duì)值并行信號(hào)的編碼器，都不符合塔機(jī)安全監(jiān)控的要求。電位器無論是分辨率還是精度都太低，其觸點(diǎn)接觸式的工作原理的不可靠性，更不能應(yīng)用在安全性設(shè)備中。而單圈絕對(duì)值十位并行編碼器，依賴外部機(jī)械減速齒輪達(dá)到三圈的量程，10位1024分辨率已經(jīng)略低于1080，而且還要經(jīng)過機(jī)械減速的回程誤差，其分辨率也是勉強(qiáng)湊數(shù)的，而精度更因?yàn)榛剞D(zhuǎn)齒輪的誤差而更差，如果嚴(yán)格一點(diǎn)要求，也不能達(dá)到安全黑匣子標(biāo)準(zhǔn)。為此，塔機(jī)黑匣子的防碰撞回轉(zhuǎn)角度的監(jiān)控必須用較高位數(shù)的絕對(duì)值多圈編碼器才能真正符合塔機(jī)黑匣子監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)的要求。

二、絕對(duì)值多圈編碼器在塔機(jī)黑匣子上的應(yīng)用

1、真正意義的安全性——絕對(duì)值真多圈編碼器。絕對(duì)值多圈編碼器，都是內(nèi)部由高精密機(jī)械齒輪帶動(dòng)的全行程真多圈絕對(duì)值編碼器（機(jī)械鐘表齒輪式），這種編碼器技術(shù)是真正意義上的唯一“絕對(duì)值”。其內(nèi)部為非接觸式絕對(duì)值數(shù)字編碼測量原理，無需計(jì)數(shù)、無需電池、無需靠停電記憶，所有位置絕對(duì)唯一，不怕干擾不怕停電，不僅僅可以在360度內(nèi)測量，還可以依賴內(nèi)部的鐘表式齒輪在多圈的角度絕對(duì)值測量，是真正意義的“安全性”角度傳感器。

絕對(duì)值多圈編碼器的特性描述：

a.測量圈數(shù)及每圈分辨率：分為2種，一種測量4096圈，每圈4096分辨率；另一種測量64圈，總測量分辨率為14位16384.

b.信號(hào)輸出：一種為RS485數(shù)字信號(hào)+4—20mA雙備份信號(hào)輸出（安全冗余），另一種為RS485數(shù)字信號(hào)或者4—20mA（或1—5V）信號(hào)（選一）。

c.工作環(huán)境等級(jí)：標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)等級(jí)（歐標(biāo)），溫度-25度——80度，防護(hù)等級(jí)為外殼IP67，另外或輕載型經(jīng)濟(jì)級(jí)。其中，防護(hù)等級(jí)是指外殼的防塵防水，編碼器的防護(hù)等級(jí)是塔機(jī)黑匣子必須考慮的重要因素，塔機(jī)在于露天工作，即使是編碼器外部有盒子，但是對(duì)于日夜溫差產(chǎn)生的水汽，編碼器外殼必須是無螺絲全密封的，不然水汽容易浸入影響編碼器光學(xué)系統(tǒng)，編碼器不穩(wěn)定甚至報(bào)廢（就好比戴眼鏡怕水汽一樣）。所以防護(hù)等級(jí)外殼要達(dá)到IP65以上，從外觀上看，就是外殼無螺絲金屬全密封。

d.編碼器的信號(hào)引線及可靠性：無論是選用RS485信號(hào)還是4—20mA信號(hào)，編碼器的信號(hào)引線都是2根。編碼器的信號(hào)引線的可靠性因素，并行信號(hào)接線多，電纜長，電纜成本接頭成本上去了，而且塔機(jī)工作環(huán)境振動(dòng)、水汽等，線頭太多也帶來了接頭可靠性不穩(wěn)定的問題。

另外，并行信號(hào)芯線多，大多不會(huì)做TVS防浪涌保護(hù)，對(duì)于雨天潮濕、雷擊等很容易損壞。RS485信號(hào)只用2根信號(hào)線，信號(hào)接頭的不可靠概率大大下降，一般RS485口都有TVS浪涌保護(hù)。另外，有些并行10位編碼器沒有用格雷碼，而是用了BCD碼或純二進(jìn)制碼（BIN碼），這種編碼不如格雷碼，會(huì)產(chǎn)生跳碼，國外真正的編碼器廠家從不生產(chǎn)這種并行編碼的，

這種跳碼概率帶來的是黑匣子不穩(wěn)定性，有時(shí)在使用中因跳碼而誤動(dòng)作。RS485信號(hào)為數(shù)字式通訊信號(hào)，抗干擾可靠性高。

e.回轉(zhuǎn)精度，全行程真多圈絕對(duì)值編碼器有分辨率12位甚至14位的，回轉(zhuǎn)精度高；而如果用單圈10位編碼器通過外部減速的方法，精度損失較大，對(duì)于回轉(zhuǎn)5度的精度要求有時(shí)都難以滿足。