塔式起重機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

近年來，塔式起重機以其高效的垂直運輸能力使其的應(yīng)用越來越廣泛，但同時由于各類運行安全事故頻發(fā)，已占各類工地重特大安全事故的30%，所有塔機事故中，安全保護裝置缺失或失效占了發(fā)生事故中很大一部分，因此提高塔機使用安全性和可靠性是非常必要的。

1 塔機結(jié)構(gòu)及安全保護裝置

目前使用的塔機大多數(shù)都是變幅小車式，塔機的作業(yè)空間大，塔機的運轉(zhuǎn)是靠不同機構(gòu)來實現(xiàn)的，常見的是由起升機構(gòu)、變幅機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)和行走機構(gòu)配合完成的。起升機構(gòu)用來將重物提升起來，變幅機構(gòu)是改變吊鉤中心位置與塔機回轉(zhuǎn)中心軸線位置之間的距離，回轉(zhuǎn)機構(gòu)是實現(xiàn)物料在任意方向內(nèi)的移動。

目前塔機上裝設(shè)的安全裝置主要有兩大類:行程限位器和超載限制器。行程限位器包括起升高度限位器、變幅幅度限位器、回轉(zhuǎn)角度限位器，速度限制器。超載限制器包括起重量限制器和起重力矩限制器。

現(xiàn)有這些限制器都是機械限位式保護裝置，性能一般，而且施工單位屏蔽限位裝置幾近常態(tài)。安裝的塔吊記錄儀、塔吊黑匣子進行檢測，采用的是封閉的記錄方式，主要用于事故滯后分析，意義不大，所以可以獲取塔吊運行狀態(tài)信息的監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運而生。

2 塔機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 安全監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測原理

在分析塔機結(jié)構(gòu)，安全性能要求的基礎(chǔ)上開發(fā)研制塔機監(jiān)控系統(tǒng)。綜合考慮塔機運行機構(gòu)原理，最終確定實時檢測的參數(shù)有:起重力矩、起重量、變幅位置和變幅速度、起升高度和起升速度、回轉(zhuǎn)角度。

塔機安全運行監(jiān)測系統(tǒng)由帶動態(tài)顯示的主機、角度傳感器、幅度傳感器、傾角傳感器、風速傳感器、力矩傳感器、起重量傳感器、無線通信模塊等組成，能夠?qū)崟r采集并顯示塔機的運行狀態(tài)。

設(shè)計的原理為:將傳感器(角度傳感器、幅度傳感器、傾角傳感器等)采集的塔機實時信息先進行信號放大，再將放大的信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換(A/D轉(zhuǎn)換)變成數(shù)字信號，送入主機進行分析，計算，處理和存儲。然后可以顯示出來，或者通過無線傳輸送到后端遠程監(jiān)控平臺。同時，主機將處理過的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的數(shù)值進行比較，當達到預(yù)設(shè)值時發(fā)出報警，并輸出相應(yīng)的控制信號，斷開相應(yīng)的控制電路，從而達到安全保護的目的。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)傳感器的選用

塔機在工作中會受到吊重及風力的影響發(fā)生傾斜，如果沒有塔機傾斜角的實時數(shù)據(jù)，有可能在傾斜角過大的情況下發(fā)生倒塌事故。本次設(shè)計選用了一種高精度的二位傾角傳感器，采用高性能半導(dǎo)體磁敏電阻作為敏感元件，它采用自動擺來帶動永磁體來轉(zhuǎn)動，磁敏元件與永磁體相對角度變化轉(zhuǎn)變?yōu)樽柚底兓偻ㄟ^信號變換電路將傾斜角轉(zhuǎn)換為4～20mA電信號輸出。

為了防止起重臂變幅失控，小車工作幅度需要保持在一個安全范圍，小車工作幅度通過測量導(dǎo)向滑輪、旋轉(zhuǎn)齒輪等回轉(zhuǎn)體來測量，而測量回轉(zhuǎn)體一般選用旋轉(zhuǎn)編碼器。小車工作幅度可以通過測量導(dǎo)向滑輪所轉(zhuǎn)過的圈數(shù)及導(dǎo)向滑輪的半徑間接測出。當塔機停機時，變幅機構(gòu)在制動狀態(tài)，只要斷電前將小車工作幅度量儲存起來，開機后再讀出這數(shù)據(jù)即可，因此可選無記憶功能的增量式光電編碼器進行信息采集。

重量傳感器是將重量信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕难b置，本文選用的是銷軸式傳感器，實質(zhì)上是一個空心軸，在其中心孔內(nèi)凹槽中心位置貼有雙剪型電阻應(yīng)變計，彈性元件的應(yīng)變區(qū)為凹槽中心的空心截面，中點處剪應(yīng)力最大。剪應(yīng)力可以通過測量安裝在上面的應(yīng)變片變形來得到。輸出為0～20mA的電壓信號。

2.3 系統(tǒng)整體設(shè)計

該監(jiān)控系統(tǒng)各傳感不僅可以檢測起重機的相應(yīng)工作參數(shù)和狀態(tài)信息，還可對該信息進行處理，再發(fā)送到總線上;繼電器控制節(jié)點與起重機自身的電氣系統(tǒng)相連接，提供完備的參數(shù)超限保護功能，有效阻止危險操作，防止事故發(fā)生;人機接口節(jié)點可實時顯示起重機工作參數(shù)，方便操作人員直觀了解起重機狀態(tài)，并實時存儲起重機的工作記錄，包括系統(tǒng)內(nèi)部存儲或者外部U盤存儲，為日后起重機維護和事故處理提供可靠的數(shù)據(jù)支持。GPRS網(wǎng)絡(luò)根據(jù)相應(yīng)的協(xié)議在智能終端和接入Internet的監(jiān)控中心之間建立一條支持TCP/IP的數(shù)據(jù)通道，后臺服務(wù)軟件讀取并顯示這些數(shù)據(jù)，實時監(jiān)管起重機的工作情況。此外，后臺服務(wù)軟件還提供支持用戶權(quán)根的訪問界面，用戶通過用戶名和密碼并借助瀏覽器訪問這個平臺，便可實現(xiàn)對起重機信息的運行管理。

3 系統(tǒng)的主要功能

(1)實時顯示:10.4英寸大液晶動態(tài)實時顯示，分辨率800*600，顯示當前實際工作參數(shù)和塔吊額定工作能力參數(shù)，使司機直觀了解塔吊工作狀態(tài)，正確操作;(2)系統(tǒng)報警:實現(xiàn)聲音、燈光、圖像等綜合報警方式;(3)歷史記錄回放:自動記錄塔機運行數(shù)據(jù)，查看歷史數(shù)據(jù)，為事故調(diào)查提供判定依據(jù);(4)遠程可視化監(jiān)控平臺:塔機運行數(shù)據(jù)和報警信息通過無線網(wǎng)絡(luò)實時傳送回監(jiān)控平臺，實現(xiàn)塔機安全運行可視化遠程監(jiān)控。(5)依據(jù)塔機運行狀態(tài)提供塔吊運行狀態(tài)報表，實現(xiàn)塔機區(qū)域監(jiān)督和管理。(6)運行狀態(tài)查詢:具有監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢，報警塔機查詢，系統(tǒng)信息設(shè)置，系統(tǒng)管理等功能。

4 監(jiān)控系統(tǒng)實用性試驗

選用某建筑工地在用QTZ63型塔機作為實驗對象，該塔機的最大幅度為 50m，最大載重為 6t。對起重量精度的評估，我們在 0.5t、1t、2t、4t、5t、6t這6組不同吊重下展開現(xiàn)場實驗，將實測值與真實值進行比較。為了對幅度精度進行評估，把起重臂的標準節(jié)視為測量位置，將小車分別停在各測量點上，將實測值與真實值進行比較;對于高度精度的評估，以塔機的標準節(jié)為測量標準，將吊鉤停在各測量位置處，比對實測值和真實值;對于角度精度的評估，以30°為一個測量位置，將塔身停在相應(yīng)的角度，比對實測值和真實值。

5 結(jié)語

本文介紹了塔機的機構(gòu)及常用安全防護裝置的缺點，然后介紹了一種安全監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能及性能，完成了系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)通訊的實驗，通過試驗結(jié)果顯示該系統(tǒng)的精度較高，具有較好的實用性和可推廣性，同時也可為日常維護和事故判定提供有力的數(shù)據(jù)支持。

[1]范俊祥.塔式起重機[M].北京:中國建材工業(yè)出版社，2004.

[2]付強松.基于無線移動網(wǎng)絡(luò)的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].信息與電子工程，2007(10).