絕對式多圈重載編碼器在塔式起重機黑匣子中的應用

大型起重機必須配備以絕對式多圈重載編碼器反饋信息并進行安全記錄設備（也稱為安全黑匣子），這對生產和銷售公司提出了嚴格要求。施工機械塔式起重機黑匣子（也稱為塔式起重機遠程安全監控系統）主要用于對塔式起重機進行實時監控，以避免操作員疏忽或計算失誤導致的安全事故。



隨著城市建設的快速發展，塔吊越來越多地應用于市政建設、橋梁、高層建筑等施工現場。然而，由于塔式起重機在使用中的危險性，重傷事故的頻率也在增加。為有效預防和減少施工現場塔式起重機的安全事故，確保起重機安全正常運行，國家質量監督檢驗檢疫總局和國家標準化管理局聯合發布了塔式起重機國家標準，規定從2月1日起，9臺塔式起重機必須配備安全記錄裝置，該裝置具有收集、記錄、顯示、傳輸、預警和報警功能。

基于傳感器技術、嵌入式技術、多數據采集技術、數據融合處理、無線傳感器網絡和遠程數據通信技術，塔式起重機安全監控系統能夠高效、完整地實現單臺操作塔式起重機碰撞和故障運行的實時監控和聲光預警報警功能，并在報警時自動停止塔式起重機的危險動作。其中，傳感器技術是所有監控的核心，也是可靠性的最重要環節。

在塔式起重機黑匣子監控系統中，需要角度傳感器來監控塔式起重機吊臂的高度、小車的位置、吊臂角度和速度。其中，起重臂的旋轉角度是與塔式起重機組中兩臺塔式起重機的防撞相關的最重要的安全監測。由于防撞計算臂長對測量角度的三角函數增強作用，角度傳感器測量的準確性和可靠性往往決定安全監測的成敗。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，具有高比特數和高可靠性的絕對增值旋轉編碼器是必要的選擇。

根據塔式起重機黑匣子監控標準的要求，必須允許塔式起重機臂架前后旋轉三次。角度監測的分辨率優于1度，并且還要求測量精度。因此，該方法計算的總行程分辨率必須大于360°x3乘以1080。使用電位計測量塔式起重機的原始方法（電位計的分辨率為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和關斷位置損失的要求。只能使用超過11位（超過1080分辨率）且測量范圍超過三倍的絕對編碼器。事實上，安裝是通過轉動塔式起重機的大齒輪來驅動小齒輪來測量的。

一些塔式起重機黑匣子制造商選擇電位計作為轉角監測，一些選擇具有單回路絕對式并行信號的10位編碼器，這些信號不符合塔式起重機安全監測的要求。電位計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備。單圈絕對十位并行編碼器基于外部機械減速齒輪實現三圈范圍，10位1024的分辨率略低于1080。此外，機械延遲的重置誤差很難通過分辨率補償，但由于旋轉輪的誤差，精度更差。如果絕對必要，它不能達到安全黑匣子的標準。為了真正滿足黑箱塔式起重機監測標準的要求，黑箱塔式吊車碰撞角監測必須使用絕對高階增值旋轉編碼器。

1、絕對式真實多圈編碼器的真實安全性。

多圈絕對編碼器是由高精度機械齒輪（機械鐘形齒輪）驅動的全行程真多圈絕對式編碼器。這種編碼器技術是真正意義上唯一的“絕對式”。其內部采用非接觸式絕對式測量原理，無需計數、電池和關閉存儲器。所有位置都是絕對獨特的，不怕干擾和停電。它不僅可以在360°范圍內測量，還可以根據內部運動測量多個圓中角度的絕對式。這是一個真正“安全”的角度傳感器。

2、絕對式多圈編碼器的特點描述：

A、 測量轉數和每轉分辨率：有兩種方法，一種是4096轉測量，每轉分辨率為4096；另一個測量64次，總測量分辨率為14位16384。

B、信號輸出：一個是RS485數字信號+4-20ma雙備份信號輸出（安全冗余），另一個是485數字信號或4-20ma（或1-5v）信號（選擇一個）。

C、工作環境等級：工業標準（歐洲標準），溫度25-80℃，防護等級IP67或輕載經濟等級。

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

D、信號線和編碼器的可靠性：無論選擇RS485信號還是4-20mA信號，編碼器都有兩條信號線。編碼器信號線的可靠性因素，例如更多的并行信號連接、長電纜、高電纜成本和高連接器成本。塔式起重機的工作環境是振動、水汽等，但電線過多會導致連接安全性不穩定。此外，還有許多并行的信號芯，其中大部分不能受到TVS浪涌的保護，在雨天和雷擊中很容易損壞。RS485信號僅使用兩條信號線，這大大降低了信號連接不可靠的可能性。通常，RS485端口提供TVS浪涌保護。此外，一些并行10位編碼器不使用格雷碼，而是BCD碼或純二進制碼（BIN碼）。此代碼不如格雷碼，這會導致代碼跳過。國外真正的編碼器制造商從未生產過這樣的并行編碼，這會導致黑盒的不穩定，有時還會由于代碼跳變而出現故障。RS485信號是具有高干擾安全性的數字通信信號。

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

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