絕對(duì)式多圈重載編碼器在塔式起重機(jī)黑匣子中的應(yīng)用

大型起重機(jī)必須配備以絕對(duì)式多圈重載編碼器反饋信息并進(jìn)行安全記錄設(shè)備（也稱(chēng)為安全黑匣子），這對(duì)生產(chǎn)和銷(xiāo)售公司提出了嚴(yán)格要求。施工機(jī)械塔式起重機(jī)黑匣子（也稱(chēng)為塔式起重機(jī)遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)）主要用于對(duì)塔式起重機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以避免操作員疏忽或計(jì)算失誤導(dǎo)致的安全事故。



隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，塔吊越來(lái)越多地應(yīng)用于市政建設(shè)、橋梁、高層建筑等施工現(xiàn)場(chǎng)。然而，由于塔式起重機(jī)在使用中的危險(xiǎn)性，重傷事故的頻率也在增加。為有效預(yù)防和減少施工現(xiàn)場(chǎng)塔式起重機(jī)的安全事故，確保起重機(jī)安全正常運(yùn)行，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理局聯(lián)合發(fā)布了塔式起重機(jī)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定從2月1日起，9臺(tái)塔式起重機(jī)必須配備安全記錄裝置，該裝置具有收集、記錄、顯示、傳輸、預(yù)警和報(bào)警功能。

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)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信技術(shù)，塔式起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)能夠高效、完整地實(shí)現(xiàn)單臺(tái)操作塔式起重機(jī)碰撞和故障運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控和聲光預(yù)警報(bào)警功能，并在報(bào)警時(shí)自動(dòng)停止塔式起重機(jī)的危險(xiǎn)動(dòng)作。其中，傳感器技術(shù)是所有監(jiān)控的核心，也是可靠性的最重要環(huán)節(jié)。

在塔式起重機(jī)黑匣子監(jiān)控系統(tǒng)中，需要角度傳感器來(lái)監(jiān)控塔式起重機(jī)吊臂的高度、小車(chē)的位置、吊臂角度和速度。其中，起重臂的旋轉(zhuǎn)角度是與塔式起重機(jī)組中兩臺(tái)塔式起重機(jī)的防撞相關(guān)的最重要的安全監(jiān)測(cè)。由于防撞計(jì)算臂長(zhǎng)對(duì)測(cè)量角度的三角函數(shù)增強(qiáng)作用，角度傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性往往決定安全監(jiān)測(cè)的成敗。因此，在比較了不同角度傳感器的特性、適用性和成本要求后，具有高比特?cái)?shù)和高可靠性的絕對(duì)增值旋轉(zhuǎn)編碼器是必要的選擇。

根據(jù)塔式起重機(jī)黑匣子監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)的要求，必須允許塔式起重機(jī)臂架前后旋轉(zhuǎn)三次。角度監(jiān)測(cè)的分辨率優(yōu)于1度，并且還要求測(cè)量精度。因此，該方法計(jì)算的總行程分辨率必須大于360°x3乘以1080。使用電位計(jì)測(cè)量塔式起重機(jī)的原始方法（電位計(jì)的分辨率為0.5%FS）不能滿足分辨率精度的要求，并且增量編碼器不滿足干擾保護(hù)和關(guān)斷位置損失的要求。只能使用超過(guò)11位（超過(guò)1080分辨率）且測(cè)量范圍超過(guò)三倍的絕對(duì)編碼器。事實(shí)上，安裝是通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)塔式起重機(jī)的大齒輪來(lái)驅(qū)動(dòng)小齒輪來(lái)測(cè)量的。

一些塔式起重機(jī)黑匣子制造商選擇電位計(jì)作為轉(zhuǎn)角監(jiān)測(cè)，一些選擇具有單回路絕對(duì)式并行信號(hào)的10位編碼器，這些信號(hào)不符合塔式起重機(jī)安全監(jiān)測(cè)的要求。電位計(jì)的分辨率和精度太低，接觸式工作原理不可靠，因此不能用于安全設(shè)備。單圈絕對(duì)十位并行編碼器基于外部機(jī)械減速齒輪實(shí)現(xiàn)三圈范圍，10位1024的分辨率略低于1080。此外，機(jī)械延遲的重置誤差很難通過(guò)分辨率補(bǔ)償，但由于旋轉(zhuǎn)輪的誤差，精度更差。如果絕對(duì)必要，它不能達(dá)到安全黑匣子的標(biāo)準(zhǔn)。為了真正滿足黑箱塔式起重機(jī)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，黑箱塔式吊車(chē)碰撞角監(jiān)測(cè)必須使用絕對(duì)高階增值旋轉(zhuǎn)編碼器。

1、絕對(duì)式真實(shí)多圈編碼器的真實(shí)安全性。

多圈絕對(duì)編碼器是由高精度機(jī)械齒輪（機(jī)械鐘形齒輪）驅(qū)動(dòng)的全行程真多圈絕對(duì)式編碼器。這種編碼器技術(shù)是真正意義上唯一的“絕對(duì)式”。其內(nèi)部采用非接觸式絕對(duì)式測(cè)量原理，無(wú)需計(jì)數(shù)、電池和關(guān)閉存儲(chǔ)器。所有位置都是絕對(duì)獨(dú)特的，不怕干擾和停電。它不僅可以在360°范圍內(nèi)測(cè)量，還可以根據(jù)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)測(cè)量多個(gè)圓中角度的絕對(duì)式。這是一個(gè)真正“安全”的角度傳感器。

2、絕對(duì)式多圈編碼器的特點(diǎn)描述：

A、 測(cè)量轉(zhuǎn)數(shù)和每轉(zhuǎn)分辨率：有兩種方法，一種是4096轉(zhuǎn)測(cè)量，每轉(zhuǎn)分辨率為4096；另一個(gè)測(cè)量64次，總測(cè)量分辨率為14位16384。

B、信號(hào)輸出：一個(gè)是RS485數(shù)字信號(hào)+4-20ma雙備份信號(hào)輸出（安全冗余），另一個(gè)是485數(shù)字信號(hào)或4-20ma（或1-5v）信號(hào)（選擇一個(gè)）。

C、工作環(huán)境等級(jí)：工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（歐洲標(biāo)準(zhǔn)），溫度25-80℃，防護(hù)等級(jí)IP67或輕載經(jīng)濟(jì)等級(jí)。

防護(hù)等級(jí)是指防塵防水外殼，編碼器的防護(hù)等級(jí)是黑箱塔式起重機(jī)需要考慮的重要因素。塔式起重機(jī)在室外工作。即使編碼器外部有一個(gè)盒子，編碼器外殼也必須完全密封，以防晝夜溫差產(chǎn)生的水汽，無(wú)需螺絲，否則水汽很容易進(jìn)入編碼器的光學(xué)系統(tǒng)，編碼器不穩(wěn)定甚至報(bào)廢（就像戴眼鏡避免水汽）。因此，外殼的防護(hù)等級(jí)必須在IP65以上。在外觀方面，這意味著外殼完全用金屬密封，無(wú)需螺釘。

D、信號(hào)線和編碼器的可靠性：無(wú)論選擇RS485信號(hào)還是4-20mA信號(hào)，編碼器都有兩條信號(hào)線。編碼器信號(hào)線的可靠性因素，例如更多的并行信號(hào)連接、長(zhǎng)電纜、高電纜成本和高連接器成本。塔式起重機(jī)的工作環(huán)境是振動(dòng)、水汽等，但電線過(guò)多會(huì)導(dǎo)致連接安全性不穩(wěn)定。此外，還有許多并行的信號(hào)芯，其中大部分不能受到TVS浪涌的保護(hù)，在雨天和雷擊中很容易損壞。RS485信號(hào)僅使用兩條信號(hào)線，這大大降低了信號(hào)連接不可靠的可能性。通常，RS485端口提供TVS浪涌保護(hù)。此外，一些并行10位編碼器不使用格雷碼，而是BCD碼或純二進(jìn)制碼（BIN碼）。此代碼不如格雷碼，這會(huì)導(dǎo)致代碼跳過(guò)。國(guó)外真正的編碼器制造商從未生產(chǎn)過(guò)這樣的并行編碼，這會(huì)導(dǎo)致黑盒的不穩(wěn)定，有時(shí)還會(huì)由于代碼跳變而出現(xiàn)故障。RS485信號(hào)是具有高干擾安全性的數(shù)字通信信號(hào)。

E、旋轉(zhuǎn)精度：全行程絕對(duì)編碼器的分辨率為12位甚至14位，因此旋轉(zhuǎn)精度高；然而，當(dāng)單圈10位編碼器用于外部延遲時(shí)，精度損失很大，有時(shí)難以滿足5度旋轉(zhuǎn)的精度要求。

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