上海精浦：GEMPLE值多圈編碼器在塔吊黑匣子上的應(yīng)用

一．塔吊黑匣子回轉(zhuǎn)防碰撞監(jiān)控必須選用值多圈編碼器

根據(jù)國(guó)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)械塔吊黑匣子（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，尤其在塔吊群多臺(tái)塔吊之間的防碰撞功能，單臺(tái)塔吊的禁行區(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(lái)越多地使用在市政建設(shè)、橋梁、高層建筑等施工場(chǎng)所。但是由于塔式起重機(jī)在使用過(guò)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(chǎng)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，*、中國(guó)*，聯(lián)合發(fā)布塔式起重機(jī)國(guó)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-塔吊黑匣子。

塔吊安全監(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(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信技術(shù)，率地完整實(shí)現(xiàn)建筑塔吊單機(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)中止塔吊危險(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zui重要的環(huán)節(jié)。

在塔吊黑匣子的監(jiān)控系統(tǒng)中，塔吊吊臂高度、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)系到塔吊群中兩個(gè)塔吊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(zhǎng)度對(duì)于測(cè)量角度的三角函數(shù)放大作用，測(cè)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)高可靠性的值多圈編碼器是必須的選擇。

按照塔吊黑匣子監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)的要求，應(yīng)允許塔吊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(cè)量精度要求。為此，按此計(jì)算的總測(cè)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，原先塔吊用電位器測(cè)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(cè)量量程。實(shí)際上因?yàn)榘惭b的方法，是依靠塔吊回轉(zhuǎn)大齒輪帶動(dòng)小齒輪測(cè)量，實(shí)際測(cè)量圈數(shù)值為幾十圈。

有一些塔吊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位單圈值并行信號(hào)的編碼器，都不符合塔吊安全監(jiān)控的要求。電位器無(wú)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(guò)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，塔吊黑匣子的防碰撞回轉(zhuǎn)角度的監(jiān)控必須用較高位數(shù)的值多圈編碼器才能真正符合塔吊黑匣子監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)的要求。

二．GEMPLE值多圈編碼器在塔吊黑匣子上的應(yīng)用

1.真正意義的安全性——值真多圈編碼器。上海精浦的值多圈編碼器，（GAX60系列、GEX60系列、GEX38系列），都是內(nèi)部由高精密機(jī)械齒輪帶動(dòng)的全行程真多圈值編碼器（機(jī)械鐘表齒輪式），這種編碼器技術(shù)為德國(guó)海德漢編碼器廠家為代表的值多圈編碼器的規(guī)范，是真正意義上的*“值”。其內(nèi)部為非接觸式值數(shù)字編碼測(cè)量原理，無(wú)需計(jì)數(shù)、無(wú)需電池、無(wú)需靠停電記憶，所有位置*，不怕干擾不怕停電，不僅僅可以在360度內(nèi)測(cè)量，還可以依賴內(nèi)部的鐘表式齒輪在多圈的角度值測(cè)量，是真正意義的“安全性”角度傳感器。

2.GEMPLE值多圈編碼器的特性描述：

a.測(cè)量圈數(shù)及每圈分辨率：GAX60系列為測(cè)量4096圈，每圈4096分辨率；GEX60系列和GEX38

系列為測(cè)量64圈，總測(cè)量分辨率為14位16384.

b.信號(hào)輸出：GAX60系列為RS485數(shù)字信號(hào)+4—20mA雙備份信號(hào)輸出（安全冗余），GEX60

系列和GEX38系列為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)：GAX60系列與GEX60系列為標(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，GEX38為輕載型經(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)是塔吊黑匣子必須考慮的重要因素，塔吊在于露天工作，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(wú)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(wú)螺絲金屬全密封。

d.編碼器的信號(hào)引線及可靠性：無(wú)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(zhǎng)，電纜成本接頭成本上去了，而且塔吊工作環(huán)境振動(dòng)、水汽等，線頭太多也帶來(lái)了接頭可靠性不穩(wěn)定的問(wèn)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(méi)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(guó)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(lái)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，上海精浦的GEX60或GEX38編碼器是設(shè)計(jì)的全行程真多圈值編碼器，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(guò)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。

f.綜合成本，GEX60系列和GEX38系列是根據(jù)塔吊回轉(zhuǎn)用編碼器的測(cè)量行程和測(cè)量分辨率要求，在GAX60的基礎(chǔ)上，減少了測(cè)量圈數(shù)和分辨率，大大降低了編碼器器件成本，使之與市場(chǎng)上的單圈10位編碼器價(jià)格相當(dāng)，而GEX38的價(jià)格更低。另外，編碼器的可靠性與現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試方便性，決定了廠家的人工成本，一個(gè)不可靠的編碼器，售后維修的成本可能比編碼器本身的價(jià)格還要高。而GEMPLE的選用值真多圈的編碼器及輸出信號(hào)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，使得用戶的故障可能減少到zui少，這種綜合成本的優(yōu)勢(shì)是很明顯的。

3.GEMPLE值多圈編碼器在塔吊黑匣子上應(yīng)用的驕人業(yè)績(jī)

上海精浦的值多圈編碼器GAX60系列，作為2008年上海市成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目，早在塔吊黑匣子標(biāo)準(zhǔn)出來(lái)前就已經(jīng)有上海九院、大連理工大學(xué)、上海交大等研發(fā)黑匣子選用及制定標(biāo)準(zhǔn)，2009年已經(jīng)由大連、上海等大學(xué)以及成都、大連、上海等幾家塔吊黑匣子相關(guān)研發(fā)生產(chǎn)單位選用并正式進(jìn)入黑匣子應(yīng)用中，其中成都某家廠家隨設(shè)備出口馬來(lái)西亞、泰國(guó)，經(jīng)4年多的連續(xù)出口選用，可靠性高，安全效果明顯，是出口用戶配套產(chǎn)品。

2011年，上海精浦又根據(jù)塔吊黑匣子市場(chǎng)實(shí)際需求及成本的要求，在GAX60的基礎(chǔ)上減少了測(cè)量圈數(shù)到64圈，測(cè)量總分辨率減少到14位（16384）,大大降低了器件成本，并在生產(chǎn)規(guī)?；案叱善仿噬先〉眠M(jìn)步，使之價(jià)格與市場(chǎng)上的單圈10位值編碼器相當(dāng)，而大受用戶歡迎，并已有十多家塔吊黑匣子用戶選用，經(jīng)兩年多的選用，以返修率極低，且方便可調(diào)，現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)成本也很低，是所用用戶一致認(rèn)可的性價(jià)比*的產(chǎn)品，目前在用用戶都已選用。

遠(yuǎn)期的發(fā)展，隨著全國(guó)各地的更高要求標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，對(duì)于塔吊黑匣子傳感器的要求越來(lái)越高，甚至加入了實(shí)時(shí)短信發(fā)送、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控等等的遠(yuǎn)期發(fā)展內(nèi)容，GEX60或GEX38的全行程值編碼器，選擇RS485數(shù)字通訊信號(hào)，高可靠性，高性價(jià)比，而且GEX60和GEX38的RS485數(shù)字信號(hào)可以選擇廣播式發(fā)送，可以作為多個(gè)接收設(shè)備同時(shí)接收而分別作為角度測(cè)量、速度計(jì)算、信號(hào)遠(yuǎn)傳等應(yīng)用，*符合塔吊黑匣子遠(yuǎn)期發(fā)展目標(biāo)，對(duì)于各種新標(biāo)準(zhǔn)要求的出臺(tái)，無(wú)需再重起爐灶開(kāi)發(fā)，對(duì)于塔吊黑匣子廠家的發(fā)展，帶來(lái)了更多的市場(chǎng)前景。

結(jié)語(yǔ)

塔吊黑匣子作為安全性監(jiān)控設(shè)備，其中的傳感器的選用，是其可靠性安全性的核心，同時(shí)，作為塔吊黑匣子的研發(fā)及生產(chǎn)廠家，一樣要考慮到產(chǎn)品的品質(zhì)因素、價(jià)格因素、服務(wù)成本因素、性價(jià)比，以及遠(yuǎn)期的發(fā)展戰(zhàn)略。在此，值多圈編碼器作為吊臂回轉(zhuǎn)角度的監(jiān)控，或者是吊臂高度、小車位置的監(jiān)控，是真正到位的選擇，是塔吊黑匣子廠家都需要重點(diǎn)考慮的產(chǎn)品，而上海精浦機(jī)電作為值多圈編碼器國(guó)家發(fā)明擁有者、上海市成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目基地，無(wú)論是產(chǎn)品技術(shù)還是產(chǎn)品品質(zhì)、以及產(chǎn)品性價(jià)比，都是用戶產(chǎn)品安全可靠、具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要保障。