塔式起重機運行狀態監控系統的應用

近年來，塔式起重機以其高效的垂直運輸能力使其的應用越來越廣泛，但同時由于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%，所有塔機事故中，安全保護裝置缺失或失效占了發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 塔機結構及安全保護裝置

目前使用的塔機大多數都是變幅小車式，塔機的作業空間大，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配合完成的。起升機構用來將重物提升起來，變幅機構是改變吊鉤中心位置與塔機回轉中心軸線位置之間的距離，回轉機構是實現物料在任意方向內的移動。

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，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。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信息的監控系統應運而生。

2 塔機運行狀態監測系統

2.1 安全監測系統監測原理

在分析塔機結構，安全性能要求的基礎上開發研制塔機監控系統。綜合考慮塔機運行機構原理，最終確定實時檢測的參數有: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、回轉角度。

塔機安全運行監測系統由帶動態顯示的主機、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，能夠實時采集并顯示塔機的運行狀態。

設計的原理為: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，再將放大的信號經過數模轉換(A/D轉換)變成數字信號，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控平臺。同時，主機將處理過的數據與系統預設的數值進行比較，當達到預設值時發出報警，并輸出相應的控制信號，斷開相應的控制電路，從而達到安全保護的目的。

2.2 監測系統傳感器的選用

塔機在工作中會受到吊重及風力的影響發生傾斜，如果沒有塔機傾斜角的實時數據，有可能在傾斜角過大的情況下發生倒塌事故。本次設計選用了一種高精度的二位傾角傳感器，采用高性能半導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動，磁敏元件與永磁體相對角度變化轉變為阻值變化，再通過信號變換電路將傾斜角轉換為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向滑輪、旋轉齒輪等回轉體來測量，而測量回轉體一般選用旋轉編碼器。小車工作幅度可以通過測量導向滑輪所轉過的圈數及導向滑輪的半徑間接測出。當塔機停機時，變幅機構在制動狀態，只要斷電前將小車工作幅度量儲存起來，開機后再讀出這數據即可，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變為電信號的裝置，本文選用的是銷軸式傳感器，實質上是一個空心軸，在其中心孔內凹槽中心位置貼有雙剪型電阻應變計，彈性元件的應變區為凹槽中心的空心截面，中點處剪應力最大。剪應力可以通過測量安裝在上面的應變片變形來得到。輸出為0～20mA的電壓信號。

2.3 系統整體設計

該監控系統各傳感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，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可靠的數據支持。GPRS網絡根據相應的協議在智能終端和接入Internet的監控中心之間建立一條支持TCP/IP的數據通道，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，便可實現對起重機信息的運行管理。

3 系統的主要功能

(1)實時顯示:10.4英寸大液晶動態實時顯示，分辨率800*600，顯示當前實際工作參數和塔吊額定工作能力參數，使司機直觀了解塔吊工作狀態，正確操作;(2)系統報警:實現聲音、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據，查看歷史數據，為事故調查提供判定依據;(4)遠程可視化監控平臺:塔機運行數據和報警信息通過無線網絡實時傳送回監控平臺，實現塔機安全運行可視化遠程監控。(5)依據塔機運行狀態提供塔吊運行狀態報表，實現塔機區域監督和管理。(6)運行狀態查詢:具有監測數據查詢，報警塔機查詢，系統信息設置，系統管理等功能。

4 監控系統實用性試驗

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。

5 結語

本文介紹了塔機的機構及常用安全防護裝置的缺點，然后介紹了一種安全監控系統的主要功能及性能，完成了系統無線數據通訊的實驗，通過試驗結果顯示該系統的精度較高，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).