塔式起重機運行狀態監控系統的應用

謝恩來

（清遠市建筑施工安全檢測服務中心，廣東 清遠 511515）

1 概述

近年來，塔式起重機以其高效的垂直運輸能力使其應用越來越廣泛，但同時也造各類運行安全事故頻發，已占各類工地重特大安全事故的30%。在所有塔機事故中，安全保護裝置缺失或失效占了很大部分，調查表明，在被調查的塔機中有40%是小車變幅限位失效。在這些安全裝置中，起重力矩限制器失靈造成的超載事故比較多［1］，因此，提高塔機使用安全性和可靠性是非常必要的。

2 塔機結構及安全保護裝置

2.1 塔機結構和現有安全保護裝置及其缺點

塔機的作業空間大，是在三維空間內運行，塔機的運轉是靠不同機構來實現的，常見的是由起升機構、變幅機構、回轉機構和行走機構相互配合來完成的。目前塔機上裝設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、回轉角度限位器和速度限制器。超載限制器包括起重量限制器和起重力矩限制器。

現有這些限制器都屬機械機構式保護裝置，存在以下缺點。

（1）保護裝置僅在到達極限狀態時才突然發生作用而無法在接近極限狀態時發生提示，容易發生危險。

（2）保護裝置無法完成工作過程中有關參數的顯示，司機不能做到心中有數。

（3）保護裝置無自檢功能，一旦損壞不能被及時發現，存在安全隱患問題。

（4）現代建筑施工現場，為了加快施工進度，降低成本，經常要求塔機處于飽和工作狀態，以充分使用塔機的作業能力，而一旦達到極限狀態，安全保護裝置起作用，塔機就斷電停機，這樣不但大大降低了工作效率，而且突然停機的沖擊動載荷更加大了塔機運行的危險性。

2.2 安全監控系統監測原理

針對上述問題，在分析塔機結構及其安全性能要求的基礎上，開發研制了實用有效的塔機監控系統。綜合考慮塔機運行機構的原理，最終確定了實時檢測的參數有：起重力矩、起重量、變幅位置、變幅速度、起升高度、起升速度、回轉角度等。

變幅幅度和速度檢測示意圖如圖1所示。當變幅電機帶動小車牽引卷筒轉動時，小車向收繩端移動。由于牽引卷筒直徑已知，通過測量卷筒的轉數和轉動方向即可計算出小車的變幅位移和方向，幅度檢測可用測量角位移的傳感器實現，這里選用增量式光電編碼器。將傳感器安裝在導向定滑輪處比較合適，通過測量與定滑輪同步旋轉的傳感器輸出的脈沖個數即可求出小車的變幅位置。

圖1 變幅機構示意圖

起升高度監測和起升機構鋼絲繩穿繞示意圖如圖2所示。起升鋼絲繩一端固定于塔尖，另一端纏繞在起升卷筒上，當起升電動機帶動起升卷筒向不同方向旋轉，通過傳動機構和換向輪就變為吊鉤的垂直上下運動。若定滑輪直徑已知，則當滑輪組倍率為2時，定滑輪周長與轉數的乘積即為起升位移的兩倍。因此，可以通過測量導向滑輪的角位移間接測出起升高度。選用增量式光電編碼器作為傳感器。

圖2 起升鋼絲繩穿繞及起升高度傳感器安裝示意圖

回轉角度測量示意圖如圖3所示。當臂架回轉時，上轉臺帶動限制器轉動，小齒輪1一方面圍繞回轉大齒圈轉動，一方面繞自己軸線自轉。小齒輪的自轉帶動絲杠3旋轉，從而驅動螺母2帶動電位器式位移傳感器6。螺桿轉動帶動觸點沿電位器滑動。已知螺桿螺距以及電阻變化量即可計算出回轉角度。圖中保留了原有的左右回轉限位器，用于回轉極限的限位保護，而位移傳感器測量出的角度可用于軟件設定塔機回轉的工作范圍。

圖3 回轉角度測量傳感器安裝示意圖

起重力矩監測示意圖如圖4所示。在原有弓形彈性鋼板原有結構的基礎上，用位移傳感器檢測弓形鋼板中點的繞曲位移，通過定量分析鋼板繞曲位移與力矩之間的關系，可實時測量并顯示塔機所承受的起重力矩。

圖4 起重力矩監測裝置示意圖

拉力傳感器安裝示意圖如圖5所示。當吊起重物時，吊重的作用使鋼絲繩受拉，鋼絲繩所受合力使擺桿逆時針轉動，力臂擺桿傳遞給彈簧拉桿，拉力傳感器位于拉桿與彈簧之間，由于擺桿長度已知，通過力矩平衡關系以及鋼絲繩的倍率關系即可求出起重量的大小。

圖5 拉力傳感器安裝示意圖

3 系統整體設計

系統整體結構框圖如圖6所示。塔吊前端監控裝置和后端遠程監控平臺在對塔吊實現現場安全監控、運行記錄和聲光報警的同時，通過遠程高速無線數據傳輸，將塔吊運行工況的安全數據和報警信息實時地發送到遠程GIS可視化監控平臺，并能在報警時自動觸發手機短信向相關人員告知，從而實現實時動態的遠程監控、遠程報警和遠程告知。

圖6 系統整體結構框圖

該監控系統的工作原理為各傳感檢測節點集成了傳感功能和數據處理功能。系統不僅可以檢測起重機的相應工作參數和狀態信息，還可對該信息進行處理，再發送到總線上。繼電器控制節點與起重機自身的電氣系統相連接，提供完備的參數超限保護功能，能有效阻止危險操作，防止事故發生。人機接口節點可實時顯示起重機工作參數，方便操作人員直觀了解起重機狀態，并能實時存儲起重機的工作記錄，包括系統內部存儲或者外部U盤存儲，為日后起重機維護和事故處理提供了可靠的數據支持。GPRS網絡根據相應的協議在智能終端和Internet監控中心之間建立一條支持TCP/IP的數據通道，監控中心把通過這條通道傳送來的起重機位置數據和工作參數信息存儲到數據庫中，后臺服務軟件讀取并顯示這些數據，實時監管起重機的工作情況。此外，后臺服務軟件還提供支持用戶權限的訪問界面，即無論何時何地，用戶只要通過用戶名和密碼并借助瀏覽器訪問這個平臺，便可實現對起重機機群信息的運行管理。

4 系統數據遠程傳輸介紹

系統軟件實現數據傳送首先要對數據中心的監控主機進行初始化，將主機建立網絡連接，分配IP地址，設置好通信波特率和通信端口。監控中心是整個安全監控系統的操作、維護、處理、統計、分析和監控的中心。其次對數據采集終端的主機進行初始化設置，將通信波特率與遠程主機同步，然后進行撥號連接，將終端的類別設置為GPRS永遠在線上網模式，保持和維護鏈路的連接，并分配IP地址。GPRS無線模塊接收到監控中心的主機IP地址后將其存入數據終端的配置地址域中。

監控中心接收端的主界面如圖7所示。在監控中心的主界面電子地圖上可以顯示出用戶位置，移動鼠標圖標可動態顯示用戶當前運行的主要數據（載重、幅度、力矩、高度、角度），并實時更新。根據用戶編號或用戶名可查詢特定用戶的歷史運行數據，對特定用戶可進行實時數據采集，并保存其數據到數據庫。監控中心接收端的軟件還可以添加新用戶，包括用戶編號、名稱、塔機型號、生產廠家等信息。根據其中的一項或幾項信息可以查詢其所有信息，通過監控中心發送指令可控制任意塔機，塔機接收到指令后，會自動聯網發送當前的工作狀態信息，即可在查詢系統的地圖上實時顯示用戶塔機的實時工作信息，并可以選擇其中的信息存儲到服務器中。

5 系統數據精準度實驗及分析

為了能夠較客觀地對系統性能進行評定，選擇工作環境較復雜的某港口機械廠在用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。

為了對起重量精度進行評估，我們在 0.3t、1t、2t、4t、5t、6t這 6 組不同吊重下展開現場實驗。由于塔機在突然啟動或突然制動時會產生動載沖擊，可能會使系統檢測值產生較大波動，因此對每種吊重均按照快檔起升、慢檔起升、停鉤保持、慢檔下落、快檔下落的先后順序進行操作，每組反復5次以觀察動載對實驗數據的影響。

為了對幅度精度進行評估，把起重臂的標準節視為測量位置，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，將塔身停在相應的角度，比對實測值和真實值。

測試結果如表1所示。從表中可以看出：

（1）整個系統的起重量精度控制在±60kg以內，幅度精度控制±20cm以內，高度精度控制在±20cm以內，回轉角度控制在±5°以內，可完全滿足用戶要求。

圖7 監控中心的軟件主界面

表1 測試結果

（2）監控終端發向監控中心的數據正確率達93%左右。

（3）監控中心發向監控終端的數據正確率達97%左右。

（4）時延主要與通信速率有關，在通信速率小于10kb/s時，平均時延在1s左右，單程時延就在0.5s左右。監控終端和監控中心通信速率大都在10kb/s以下，監控終端的參數傳送到監控中心的時間大約在0.5s左右，其通信的實時性比較高。

6 結束語

本文介紹了塔機的結構及其常用安全防護裝置的缺點，提出了一種安全監控系統，討論了該系統的主要功能和特點，完成了系統無線數據通訊的實驗。通過實驗論證，系統具有較高的精度和可靠性，完全適合于塔機的安全監控管理。經過工程現場應用和無線通訊實驗論證，該系統具有較高的精度、實時性和可靠性，它不僅可以實時顯示塔機的工作狀態，還具有預警、超限制動保護等功能，同時還能遠程監控并記錄塔機工作的全過程，用戶可以隨時登陸并查詢歷史數據和實時數據，為塔機日常維護和事故判定提供有力的數據支持。

［1］范俊祥.塔式起重機［M］.北京：中國建材工業出版社，2004.

［2］付強松.基于無線移動網絡的遠程數據采集系統的設計［J］.信息與電子工程，2007，（10）：56－57.