塔吊黑匣子回转防碰撞监控必须选用值多圈编码器

根据十二五计划规定，大型起重机械必须安装安全保护记录装置（也称为安全黑匣子），并且对生产销售企业有严格要求，建筑机械塔吊黑匣子(又叫塔式起重机远程安全监控系统）主要应用于塔机的实时监控，避免因操作者的疏忽或判断失误而造成的安全事故，尤其在塔吊群多台塔吊之间的防碰撞功能，单台塔吊的禁行区防碰撞功能的监控，可极大地保证塔机的安全使用。

随着城市建设的飞速发展，塔式起重机被越来越多地使用在市政建设、桥梁、高层建筑等施工场所。但是由于塔式起重机在使用过程中具有较大危险性，重大伤害事故的发生率也在提高。为有效地预防和降低施工现场塔式起重机的安全事故，保证起重机的安全正常运行， 2008年8月，质量检验检疫局、标准化管理委员会，联合发布塔式起重机标准，规定从2009年2月1日起，塔式起重机必须装备具有采集、记录、显示、传输、预警、报警功能的安全记录装置-塔吊黑匣子。

塔吊安全监控系统，是基于传感器技术、嵌入式技术、多数据采集技术、数据融合处理、无线传感网络与远程数据通信技术，高效率地完整实现建筑塔吊单机运行和群塔干涉作业防碰撞的实时监控与声光预警报警功能，并在报警的同时自动中止塔吊危险动作。其中传感器技术是整个监控的核心及可靠性重要的环节。

在塔吊黑匣子的监控系统中，塔吊吊臂高度、小车位置、吊臂回转角度及速度监控等都需要用到角度传感器，其中，吊臂回转角度关系到塔吊群中两个塔吊吊臂之间防碰撞的关键性安全监控，由于防碰撞计算的吊臂长度对于测量角度的三角函数放大作用，测量回转角度传感器的精度及可靠性往往决定了安全监控的成败。为此，在比较了各种角度传感器的特点适用性及成本要求，高位数高可靠性的值多圈编码器是必须的选择。

按照塔吊黑匣子监控标准的要求，应允许塔吊吊臂做正反方向的回转三圈，角度监控的分辨率优于1度，同时还有测量精度要求。为此，按此计算的测量行程分辨率必须大于360度x3圈=1080，这样的分辨率精度要求，原先塔吊用电位器测量的方法是不能满足的（电位器分辨率0.5%FS），用增量值编码器也不符合抗干扰及停电位置不丢失的要求，只能用值编码器大于11位（大于1080分辨数）及以上，而且是三圈以上测量量程。实际上因为安装的方法，是依靠塔吊回转大齿轮带动小齿轮测量，实际测量圈数值为几十圈。

有一些塔吊黑匣子厂家选用了电位器作为回转角度的监控，还有一些厂家选用了10位单圈值并行信号的编码器，都不能符合塔吊安全监控的要求。电位器无论是分辨率还是精度都太低，其触点接触式的工作原理的不可靠性，更不能应用在安全性设备中。而单圈值十位并行编码器，依赖外部机械减速齿轮达到三圈的量程，10位1024分辨率已经略低于1080，而且还要经过机械减速的回程误差，其分辨率也是勉强凑数的，而精度更因为回转齿轮的误差而更差，如果严格一点要求，也不能达到安全黑匣子标准。为此，塔吊黑匣子的防碰撞回转角度的监控必须用较高位数的值多圈编码器才能真正符合塔吊黑匣子监控标准的要求。

 

二．GEMPLE值多圈编码器在塔吊黑匣子上的应用

1.真正意义的安全性——值真多圈编码器。上海精浦的值多圈编码器，（GAX60系列、GEX60系列、GEX38系列），都是内部由高精密机械齿轮带动的全行程真多圈值编码器（机械钟表齿轮式），这种编码器技术为德国海德汉编码器厂家为代表的值多圈编码器的国际规范，是真正意义上的“值”。其内部为非接触式值数字编码测量原理，无需计数、无需电池、无需靠停电记忆，所有位置，不怕干扰不怕停电，不仅仅可以在360度内测量，还可以依赖内部的钟表式齿轮在多圈的角度值测量，是真正意义的“安全性”角度传感器。

2.GEMPLE值多圈编码器的特性描述：

a.测量圈数及每圈分辨率：GAX60系列为测量4096圈，每圈4096分辨率；GEX60系列和GEX38

系列为测量64圈，测量分辨率为14位16384.

b.信号输出：GAX60系列为RS485数字信号+4—20mA双备份信号输出（安全冗余），GEX60

系列和GEX38系列为RS485数字信号或者4—20mA（或1—5V）信号（选一）。

c.工作环境等级：GAX60系列与GEX60系列为标准工业等级（欧标），温度-25度——80度，防护等级为外壳IP67，GEX38为轻载型经济级。

其中，防护等级是指外壳的防尘防水，编码器的防护等级是塔吊黑匣子必须考虑的重要因素，塔吊在于露天工作，即使是编码器外部有盒子，但是对于日夜温差产生的水汽，编码器外壳必须是无螺丝全密封的，不然水汽容易浸入影响编码器光学系统，编码器不稳定甚至报废（就好比戴眼镜怕水汽一样）。所以防护等级外壳要达到IP65以上，从外观上看，就是外壳无螺丝金属全密封。

d.编码器的信号引线及可靠性：无论是选用RS485信号还是4—20mA信号，编码器的信号引线都是2根。编码器的信号引线的可靠性因素，并行信号接线多，电缆长，电缆成本接头成本上去了，而且塔吊工作环境振动、水汽等，线头太多也带来了接头可靠性不稳定的问题。另外，并行信号芯线多，大多不会做TVS防浪涌保护，对于雨天潮湿、雷击等很容易损坏。RS485信号只用2根信号线，信号接头的不可靠概率大大下降，一般RS485口都有TVS浪涌保护。另外，有些并行10位编码器没有用格雷码，而是用了BCD码或纯二进制码（BIN码），这种编码不如格雷码，会产生跳码，国外真正的编码器厂家从不生产这种并行编码的，这种跳码概率带来的是黑匣子不稳定性，有时在使用中因跳码而误动作。RS485信号为数字式通讯信号，抗干扰可靠性高。

e.回转精度，上海精浦的GEX60或GEX38编码器是设计的全行程真多圈值编码器，分辨率12位甚至14位的，回转精度高；而如果用单圈10位编码器通过外部减速的方法，精度损失较大，对于回转5度的精度要求有时都难以满足。

f.综合成本，GEX60系列和GEX38系列是根据塔吊回转用编码器的测量行程和测量分辨率要求，在GAX60的基础上，减少了测量圈数和分辨率，大大降低了编码器器件成本，使之与市场上的单圈10位编码器价格相当，而GEX38的价格更低。另外，编码器的可靠性与现场安装调试方便性，决定了厂家的人工成本，一个不可靠的编码器，售后维修的成本可能比编码器本身的价格还要高。而GEMPLE的选用值真多圈的编码器及输出信号的设计与优化，使得用户的故障可能减少到少，这种综合成本的优势是很明显的。

3.GEMPLE值多圈编码器在塔吊黑匣子上应用的骄人业绩

上海精浦的值多圈编码器GAX60系列，作为2008年上海市高新技术成果转化项目，早在塔吊黑匣子标准出来前就已经有上海九、大连理工大学、上海交大等研发黑匣子选用及制定标准，2009年已经由大连、上海等大学以及成都、大连、上海等几家塔吊黑匣子相关研发生产单位选用并正式进入黑匣子应用中，其中成都某家厂家随设备出口马来西亚、泰国，经4年多的连续出口选用，可靠性高，安全效果明显，是出口用户配套产品。

2011年，上海精浦又根据塔吊黑匣子市场实际需求及成本的要求，在GAX60的基础上减少了测量圈数到64圈，测量分辨率减少到14位（16384）大大降低了器件成本，并在生产规模化及高成品率上取得进步，使之价格与市场上的单圈10位值编码器相当，而大受用户欢迎，并已有十多家塔吊黑匣子用户选用，经两年多的选用，以返修率极低，且方便可调，可大大降低现场服务及维护成本，是所用用户一致认可的极高的产品，目前在用用户都已选用。

远期的发展，随着各地的更高要求标准的出台，对于塔吊黑匣子传感器的要求越来越高，甚至加入了实时短信发送、物联网监控等等的远期发展内容，GEX60或GEX38的全行程值编码器，选择RS485数字通讯信号，高可靠性，高，而且GEX60和GEX38的RS485数字信号可以选择广播式发送，可以作为多个接收设备同时接收而分别作为角度测量、速度计算、信号远传等应用，完全符合塔吊黑匣子远期发展目标，对于各种新标准要求的出台，无需再重起炉灶开发，对于塔吊黑匣子厂家的发展，带来了更多的市场前景。

结语

塔吊黑匣子作为安全性监控设备，其中的传感器的选用，是其可靠性安全性的核心，同时，作为塔吊黑匣子的研发及生产厂家，一样要考虑到产品的品质因素、价格因素、服务成本因素、，以及远期的发展战略。在此，值多圈编码器作为吊臂回转角度的监控，或者是吊臂高度、小车位置的监控，是真正到位的选择，是塔吊黑匣子厂家都需要重点考虑的产品，而上海精浦机电作为值多圈编码器发明拥有者、上海市高新技术成果转化项目基地，无论是产品技术还是产品品质、以及产品，都是用户产品安全可靠、具有市场竞争力的重要保障。不仅仅是极大地降低了现场维护成本，而且也带来了塔吊工作环境真实的安全性。