绝对式多圈重载编码器在塔式起重机黑匣子中的应用

绝对式多圈重载编码器在塔式起重机黑匣子中的应用

大型起重机必须配备以绝对式多圈重载编码器反馈信息并进行安全记录设备（也称为安全黑匣子），这对生产和销售公司提出了严格要求。施工机械塔式起重机黑匣子（也称为塔式起重机远程安全监控系统）主要用于对塔式起重机进行实时监控，以避免操作员疏忽或计算失误导致的安全事故。



随着城市建设的快速发展，塔吊越来越多地应用于市政建设、桥梁、高层建筑等施工现场。然而，由于塔式起重机在使用中的危险性，重伤事故的频率也在增加。为有效预防和减少施工现场塔式起重机的安全事故，确保起重机安全正常运行，国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理局联合发布了塔式起重机国家标准，规定从2月1日起，9台塔式起重机必须配备安全记录装置，该装置具有收集、记录、显示、传输、预警和报警功能。

基于传感器技术、嵌入式技术、多数据采集技术、数据融合处理、无线传感器网络和远程数据通信技术，塔式起重机安全监控系统能够高效、完整地实现单台操作塔式起重机碰撞和故障运行的实时监控和声光预警报警功能，并在报警时自动停止塔式起重机的危险动作。其中，传感器技术是所有监控的核心，也是可靠性的最重要环节。

在塔式起重机黑匣子监控系统中，需要角度传感器来监控塔式起重机吊臂的高度、小车的位置、吊臂角度和速度。其中，起重臂的旋转角度是与塔式起重机组中两台塔式起重机的防撞相关的最重要的安全监测。由于防撞计算臂长对测量角度的三角函数增强作用，角度传感器测量的准确性和可靠性往往决定安全监测的成败。因此，在比较了不同角度传感器的特性、适用性和成本要求后，具有高比特数和高可靠性的绝对增值旋转编码器是必要的选择。

根据塔式起重机黑匣子监控标准的要求，必须允许塔式起重机臂架前后旋转三次。角度监测的分辨率优于1度，并且还要求测量精度。因此，该方法计算的总行程分辨率必须大于360°x3乘以1080。使用电位计测量塔式起重机的原始方法（电位计的分辨率为0.5%FS）不能满足分辨率精度的要求，并且增量编码器不满足干扰保护和关断位置损失的要求。只能使用超过11位（超过1080分辨率）且测量范围超过三倍的绝对编码器。事实上，安装是通过转动塔式起重机的大齿轮来驱动小齿轮来测量的。

一些塔式起重机黑匣子制造商选择电位计作为转角监测，一些选择具有单回路绝对式并行信号的10位编码器，这些信号不符合塔式起重机安全监测的要求。电位计的分辨率和精度太低，接触式工作原理不可靠，因此不能用于安全设备。单圈绝对十位并行编码器基于外部机械减速齿轮实现三圈范围，10位1024的分辨率略低于1080。此外，机械延迟的重置误差很难通过分辨率补偿，但由于旋转轮的误差，精度更差。如果绝对必要，它不能达到安全黑匣子的标准。为了真正满足黑箱塔式起重机监测标准的要求，黑箱塔式吊车碰撞角监测必须使用绝对高阶增值旋转编码器。

1、绝对式真实多圈编码器的真实安全性。

多圈绝对编码器是由高精度机械齿轮（机械钟形齿轮）驱动的全行程真多圈绝对式编码器。这种编码器技术是真正意义上唯一的“绝对式”。其内部采用非接触式绝对式测量原理，无需计数、电池和关闭存储器。所有位置都是绝对独特的，不怕干扰和停电。它不仅可以在360°范围内测量，还可以根据内部运动测量多个圆中角度的绝对式。这是一个真正“安全”的角度传感器。

2、绝对式多圈编码器的特点描述：

A、 测量转数和每转分辨率：有两种方法，一种是4096转测量，每转分辨率为4096；另一个测量64次，总测量分辨率为14位16384。

B、信号输出：一个是RS485数字信号+4-20ma双备份信号输出（安全冗余），另一个是485数字信号或4-20ma（或1-5v）信号（选择一个）。

C、工作环境等级：工业标准（欧洲标准），温度25-80℃，防护等级IP67或轻载经济等级。

防护等级是指防尘防水外壳，编码器的防护等级是黑箱塔式起重机需要考虑的重要因素。塔式起重机在室外工作。即使编码器外部有一个盒子，编码器外壳也必须完全密封，以防昼夜温差产生的水汽，无需螺丝，否则水汽很容易进入编码器的光学系统，编码器不稳定甚至报废（就像戴眼镜避免水汽）。因此，外壳的防护等级必须在IP65以上。在外观方面，这意味着外壳完全用金属密封，无需螺钉。

D、信号线和编码器的可靠性：无论选择RS485信号还是4-20mA信号，编码器都有两条信号线。编码器信号线的可靠性因素，例如更多的并行信号连接、长电缆、高电缆成本和高连接器成本。塔式起重机的工作环境是振动、水汽等，但电线过多会导致连接安全性不稳定。此外，还有许多并行的信号芯，其中大部分不能受到TVS浪涌的保护，在雨天和雷击中很容易损坏。RS485信号仅使用两条信号线，这大大降低了信号连接不可靠的可能性。通常，RS485端口提供TVS浪涌保护。此外，一些并行10位编码器不使用格雷码，而是BCD码或纯二进制码（BIN码）。此代码不如格雷码，这会导致代码跳过。国外真正的编码器制造商从未生产过这样的并行编码，这会导致黑盒的不稳定，有时还会由于代码跳变而出现故障。RS485信号是具有高干扰安全性的数字通信信号。

E、旋转精度：全行程绝对编码器的分辨率为12位甚至14位，因此旋转精度高；然而，当单圈10位编码器用于外部延迟时，精度损失很大，有时难以满足5度旋转的精度要求。

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