上海精浦：GEMPLE值多圈編碼器在塔吊黑匣子上的應用

一．塔吊黑匣子回轉防碰撞監控必須選用值多圈編碼器

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，建筑機械塔吊黑匣子（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，尤其在塔吊群多臺塔吊之間的防碰撞功能，單臺塔吊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，*、中國*，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-塔吊黑匣子。

塔吊安全監控系統，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，率地完整實現建筑塔吊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吊危險動作。其中傳感器技術是整個監控的核心及可靠性zui重要的環節。

在塔吊黑匣子的監控系統中，塔吊吊臂高度、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吊群中兩個塔吊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，高位數高可靠性的值多圈編碼器是必須的選擇。

按照塔吊黑匣子監控標準的要求，應允許塔吊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，原先塔吊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，是依靠塔吊回轉大齒輪帶動小齒輪測量，實際測量圈數值為幾十圈。

有一些塔吊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位單圈值并行信號的編碼器，都不符合塔吊安全監控的要求。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，塔吊黑匣子的防碰撞回轉角度的監控必須用較高位數的值多圈編碼器才能真正符合塔吊黑匣子監控標準的要求。

二．GEMPLE值多圈編碼器在塔吊黑匣子上的應用

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），都是內部由高精密機械齒輪帶動的全行程真多圈值編碼器（機械鐘表齒輪式），這種編碼器技術為德國海德漢編碼器廠家為代表的值多圈編碼器的規范，是真正意義上的*“值”。其內部為非接觸式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*，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值測量，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.測量圈數及每圈分辨率：GAX60系列為測量4096圈，每圈4096分辨率；GEX60系列和GEX38

系列為測量64圈，總測量分辨率為14位16384.

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

系列和GEX38系列為RS485數字信號或者4—20mA（或1—5V）信號（選一）。

c.工作環境等級：GAX60系列與GEX60系列為標準工業等級（歐標），溫度-25度——80度，防護等級為外殼IP67，GEX38為輕載型經濟級。

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，而且塔吊工作環境振動、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，上海精浦的GEX60或GEX38編碼器是設計的全行程真多圈值編碼器，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。

f.綜合成本，GEX60系列和GEX38系列是根據塔吊回轉用編碼器的測量行程和測量分辨率要求，在GAX60的基礎上，減少了測量圈數和分辨率，大大降低了編碼器器件成本，使之與市場上的單圈10位編碼器價格相當，而GEX38的價格更低。另外，編碼器的可靠性與現場安裝調試方便性，決定了廠家的人工成本，一個不可靠的編碼器，售后維修的成本可能比編碼器本身的價格還要高。而GEMPLE的選用值真多圈的編碼器及輸出信號的設計與優化，使得用戶的故障可能減少到zui少，這種綜合成本的優勢是很明顯的。

3.GEMPLE值多圈編碼器在塔吊黑匣子上應用的驕人業績

上海精浦的值多圈編碼器GAX60系列，作為2008年上海市成果轉化項目，早在塔吊黑匣子標準出來前就已經有上海九院、大連理工大學、上海交大等研發黑匣子選用及制定標準，2009年已經由大連、上海等大學以及成都、大連、上海等幾家塔吊黑匣子相關研發生產單位選用并正式進入黑匣子應用中，其中成都某家廠家隨設備出口馬來西亞、泰國，經4年多的連續出口選用，可靠性高，安全效果明顯，是出口用戶配套產品。

2011年，上海精浦又根據塔吊黑匣子市場實際需求及成本的要求，在GAX60的基礎上減少了測量圈數到64圈，測量總分辨率減少到14位（16384）,大大降低了器件成本，并在生產規模化及高成品率上取得進步，使之價格與市場上的單圈10位值編碼器相當，而大受用戶歡迎，并已有十多家塔吊黑匣子用戶選用，經兩年多的選用，以返修率極低，且方便可調，現場服務成本也很低，是所用用戶一致認可的性價比*的產品，目前在用用戶都已選用。

遠期的發展，隨著全國各地的更高要求標準的出臺，對于塔吊黑匣子傳感器的要求越來越高，甚至加入了實時短信發送、物聯網監控等等的遠期發展內容，GEX60或GEX38的全行程值編碼器，選擇RS485數字通訊信號，高可靠性，高性價比，而且GEX60和GEX38的RS485數字信號可以選擇廣播式發送，可以作為多個接收設備同時接收而分別作為角度測量、速度計算、信號遠傳等應用，*符合塔吊黑匣子遠期發展目標，對于各種新標準要求的出臺，無需再重起爐灶開發，對于塔吊黑匣子廠家的發展，帶來了更多的市場前景。

結語

塔吊黑匣子作為安全性監控設備，其中的傳感器的選用，是其可靠性安全性的核心，同時，作為塔吊黑匣子的研發及生產廠家，一樣要考慮到產品的品質因素、價格因素、服務成本因素、性價比，以及遠期的發展戰略。在此，值多圈編碼器作為吊臂回轉角度的監控，或者是吊臂高度、小車位置的監控，是真正到位的選擇，是塔吊黑匣子廠家都需要重點考慮的產品，而上海精浦機電作為值多圈編碼器國家發明擁有者、上海市成果轉化項目基地，無論是產品技術還是產品品質、以及產品性價比，都是用戶產品安全可靠、具有市場競爭力的重要保障。