塔機安全監控系統，基于傳感器技術、嵌入式技術、數據采集技術、數據融合處理、無線傳感網絡與遠程數據通信技術，高效率地完整實現建筑塔機單機運行和群塔干涉作業防碰撞的實時監控與聲光預警報警功能，并在報警的同時自動中止塔機危險動作。與過去塔機機械式限位器以及塔機“黑匣子”或塔機記錄儀的封閉式監控、記錄不同，塔機安全監控系統前端監控裝置和后端遠程監控平臺無縫融合，實現了開放式的實時監控，在對塔機實現現場安全監控、運行記錄和聲光報警的同時，通過遠程高速無線數據傳輸，將塔機運行工況安全數據和預警報警信息實時發送到GIS可視化監控平臺，并能在報警時自動觸發手機短信向相關人員報警，從而實現實時動態的遠程監控、遠程報警和遠程告知，使得塔機安全監控成為開放的實時動態監控。

一、塔機黑匣子回轉防碰撞監控必須選用絕對值多圈編碼器

根據國家十二五計劃規定，大型起重機械必須安裝安全保護記錄裝置（也稱為安全黑匣子），并且對生產銷售企業有嚴格要求，建筑機械塔機黑匣子(又叫塔式起重機遠程安全監控系統）,主要應用于塔機的實時監控，避免因操作者的疏忽或判斷失誤而造成的安全事故，尤其在塔機群多臺塔機之間的防碰撞功能，單臺塔機的禁行區防碰撞功能的監控，可極大地保證塔機的安全使用。隨著城市建設的飛速發展，塔式起重機被越來越多地使用在市政建設、橋梁、高層建筑等施工場所。但是由于塔式起重機在使用過程中具有較大危險性，重大傷害事故的發生率也在提高。為有效地預防和降低施工現場塔式起重機的安全事故，保證起重機的安全正常運行，2008年8月，國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理**，聯合發布塔式起重機國家標準，規定從2009年2月1日起，塔式起重機必須裝備具有采集、記錄、顯示、傳輸、預警、報警功能的安全記錄裝置-塔機黑匣子。塔機安全監控系統，是基于傳感器技術、嵌入式技術、多數據采集技術、數據融合處理、無線傳感網絡與遠程數據通信技術，高效率地完整實現建筑塔機單機運行和群塔干涉作業防碰撞的實時監控與聲光預警報警功能，并在報警的同時自動中止塔機危險動作。其中傳感器技術是整個監控的核心及可靠性較重要的環節。在塔機黑匣子的監控系統中，塔機吊臂高度、小車位置、吊臂回轉角度及速度監控等都需要用到角度傳感器，其中，吊臂回轉角度關系到塔機群中兩個塔機吊臂之間防碰撞的關鍵性安全監控，由于防碰撞計算的吊臂長度對于測量角度的三角函數放大作用，測量回轉角度傳感器的精度及可靠性往往決定了安全監控的成敗。

為此，在比較了各種角度傳感器的特點適用性及成本要求，高位數高可靠性的絕對值多圈編碼器是必須的選擇。按照塔機黑匣子監控標準的要求，應允許塔機吊臂做正反方向的回轉三圈，角度監控的分辨率優于1度，同時還有測量精度要求。為此，按此計算的總測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，原先塔機用電位器測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，只能用絕對值編碼器大于11位（大于1080分辨總數）及以上，而且是三圈以上測量量程。實際上因為安裝的方法，是依靠塔機回轉大齒輪帶動小齒輪測量，實際測量圈數值為幾十圈。有一些塔機黑匣子廠家選用了電位器作為回轉角度的監控，還有一些廠家選用了10位單圈絕對值并行信號的編碼器，都不符合塔機安全監控的要求。電位器無論是分辨率還是精度都太低，其觸點接觸式的工作原理的不可靠性，更不能應用在安全性設備中。而單圈絕對值十位并行編碼器，依賴外部機械減速齒輪達到三圈的量程，10位1024分辨率已經略低于1080，而且還要經過機械減速的回程誤差，其分辨率也是勉強湊數的，而精度更因為回轉齒輪的誤差而更差，如果嚴格一點要求，也不能達到安全黑匣子標準。為此，塔機黑匣子的防碰撞回轉角度的監控必須用較高位數的絕對值多圈編碼器才能真正符合塔機黑匣子監控標準的要求。

二、絕對值多圈編碼器在塔機黑匣子上的應用

1、真正意義的安全性——絕對值真多圈編碼器。絕對值多圈編碼器，都是內部由高精密機械齒輪帶動的全行程真多圈絕對值編碼器（機械鐘表齒輪式），這種編碼器技術是真正意義上的唯一“絕對值”。其內部為非接觸式絕對值數字編碼測量原理，無需計數、無需電池、無需靠停電記憶，所有位置絕對唯一，不怕干擾不怕停電，不僅僅可以在360度內測量，還可以依賴內部的鐘表式齒輪在多圈的角度絕對值測量，是真正意義的“安全性”角度傳感器。

絕對值多圈編碼器的特性描述：

a.測量圈數及每圈分辨率：分為2種，一種測量4096圈，每圈4096分辨率；另一種測量64圈，總測量分辨率為14位16384.

b.信號輸出：一種為RS485數字信號+4—20mA雙備份信號輸出（安全冗余），另一種為RS485數字信號或者4—20mA（或1—5V）信號（選一）。

c.工作環境等級：標準工業等級（歐標），溫度-25度——80度，防護等級為外殼IP67，另外或輕載型經濟級。其中，防護等級是指外殼的防塵防水，編碼器的防護等級是塔機黑匣子必須考慮的重要因素，塔機在于露天工作，即使是編碼器外部有盒子，但是對于日夜溫差產生的水汽，編碼器外殼必須是無螺絲全密封的，不然水汽容易浸入影響編碼器光學系統，編碼器不穩定甚至報廢（就好比戴眼鏡怕水汽一樣）。所以防護等級外殼要達到IP65以上，從外觀上看，就是外殼無螺絲金屬全密封。

d.編碼器的信號引線及可靠性：無論是選用RS485信號還是4—20mA信號，編碼器的信號引線都是2根。編碼器的信號引線的可靠性因素，并行信號接線多，電纜長，電纜成本接頭成本上去了，而且塔機工作環境振動、水汽等，線頭太多也帶來了接頭可靠性不穩定的問題。

另外，并行信號芯線多，大多不會做TVS防浪涌保護，對于雨天潮濕、雷擊等很容易損壞。RS485信號只用2根信號線，信號接頭的不可靠概率大大下降，一般RS485口都有TVS浪涌保護。另外，有些并行10位編碼器沒有用格雷碼，而是用了BCD碼或純二進制碼（BIN碼），這種編碼不如格雷碼，會產生跳碼，國外真正的編碼器廠家從不生產這種并行編碼的，

這種跳碼概率帶來的是黑匣子不穩定性，有時在使用中因跳碼而誤動作。RS485信號為數字式通訊信號，抗干擾可靠性高。

e.回轉精度，全行程真多圈絕對值編碼器有分辨率12位甚至14位的，回轉精度高；而如果用單圈10位編碼器通過外部減速的方法，精度損失較大，對于回轉5度的精度要求有時都難以滿足。