1996年我院承擔(dān)了“九五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)課題“大型塔式起重機(jī)及關(guān)鍵配套技術(shù)”，其中的“大型塔機(jī)安全監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)的研究”專題的攻關(guān)任務(wù)和目標(biāo)主要是研制一套達(dá)到國(guó)外90年代技術(shù)水平的3150KNm塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)塔機(jī)起吊力矩、起重量、小車幅度、吊鉤高度、風(fēng)速等多路參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并逐步在我國(guó)其它類型的塔機(jī)上應(yīng)用。本專題研制開發(fā)工作已按計(jì)劃完成，在我院TC6020塔機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)及工業(yè)考核，此后安裝在我院和江麓廠共同開發(fā)的3150KNm塔機(jī)上，于2000年12月順利通過建設(shè)部驗(yàn)收。

力矩信號(hào)是塔機(jī)安全監(jiān)控中最重要的參數(shù)，它直接影響塔機(jī)的安全，監(jiān)控力矩是否超載是防止塔機(jī)司機(jī)誤操作及疏忽操作而引起塔機(jī)惡性事故的保障。以往的力矩保護(hù)主要有電子式重量x幅度力矩限制、弓板式行程開關(guān)力矩限制器等方式，存在可靠性差、精度低、重復(fù)性差、不能連續(xù)直觀顯示等缺點(diǎn)。本系統(tǒng)采用位移傳感器直接檢測(cè)弓形板位移，采用西門子可編程序控制器、彩色觸摸屏作為核心處理及終端顯示部件，在系統(tǒng)可靠性、精度及顯示直觀性上有了較大的提高。

在力矩傳感器的選擇上，我們選用了差動(dòng)變壓器式位移傳感器檢測(cè)弓形板位移。該傳感器具有穩(wěn)定性好、可靠性高、重復(fù)性好、精度高等特點(diǎn)針對(duì)塔機(jī)露天工況，我們?cè)趥鞲衅魍鈿ど霞友b了絕緣護(hù)套，栗用環(huán)氧樹脂灌封，提高了防護(hù)等級(jí)，保證其長(zhǎng)期可靠的 運(yùn)行。

由于3150塔機(jī)三大機(jī)構(gòu)均采用變頻調(diào)速，且在吊重下放時(shí)位能負(fù)載能量回饋電網(wǎng)，因此電網(wǎng)供電存在較嚴(yán)重的高次諧波干擾，對(duì)塔機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的正常工作有較大的影響。我們?cè)O(shè)計(jì)了隔離型帶屏蔽電源變壓器，隔離電網(wǎng)引入的干擾，同時(shí)充分考慮因電機(jī)大電流啟動(dòng)造成的電壓突降，為監(jiān)控系統(tǒng)提供干凈穩(wěn)定的電源。

我們根據(jù)以往在工控儀表上的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)自行開發(fā)了一套電路模塊．采用了多種新型Ic芯片及各種抗干擾措施。在電路設(shè)計(jì)上采用新型電源Ic芯片為傳感器及放大電路供電，頻率特性良好的鉭電容濾除尖峰干擾；放大電路部分，設(shè)計(jì)了多塊高精度、低漂移進(jìn)口Ic芯片完成有源濾波、放大調(diào)節(jié)等功能；另外在印制電路板設(shè)計(jì)及系統(tǒng)元部件布局上，充分考慮電源線、信號(hào)線及各模塊的排列布置，采用屏蔽電纜連接各信號(hào)線，防止信號(hào)的相互干擾。

塔機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的核心控制部分采用西門子s7系列可編程序控制器及擴(kuò)展模塊。該部分完成了各路信號(hào)的模一數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、繼電輸出控制、與觸摸屏的數(shù)據(jù)通訊等功能系統(tǒng)在檢測(cè)弓形板位移時(shí)．由于塔機(jī)的彈性變形，其變形量在起吊后數(shù)十秒內(nèi)會(huì)產(chǎn)生尖峰值及震蕩，類似于階躍響應(yīng)。在PLC軟件設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)數(shù)字濾波程序，消除震蕩及瞬時(shí)干擾產(chǎn)生的讀數(shù)誤差及誤動(dòng)作報(bào)警。

塔機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)輸入輸出的非線性對(duì)系統(tǒng)精度的影響是本次專題研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，在我院孫在魯研究員的指導(dǎo)下，考慮到從起吊力矩輸入到弓形板位移輸出(電路調(diào)理部分線性精度很高，可不考慮)過程中產(chǎn)生的非線性誤差，孫總指導(dǎo)我們采用泰勒級(jí)數(shù)展開多項(xiàng)式對(duì)曲線進(jìn)行擬合，以保證系統(tǒng)的精度。其公式如下：M=Ao+AIX+A2X+A]X其中：M——各次實(shí)測(cè)力矩值x——各次PLC讀取數(shù)值(調(diào)節(jié)電路，使M=0／X=0)An、A。、A、A廠一求各階常數(shù)由M=0，X=0可得A0=0另參考有關(guān)書籍文獻(xiàn)中曲線擬合的方法，在實(shí)驗(yàn)中采取最小二乘法擬合曲線，即分別起吊額定力矩的110％、100％、95％、85％等多點(diǎn)力矩值，得到多組M—x數(shù)據(jù)并列出相應(yīng)的法方程，通過克萊姆法則求船行列式，可得到常數(shù)A、A、。

針對(duì)起吊后產(chǎn)生的最大超調(diào)值可能引起繼電保護(hù)輸出動(dòng)作，而實(shí)際力矩(穩(wěn)定后數(shù)值)并未過載，必須在軟件設(shè)計(jì)上進(jìn)行處理，防止可能產(chǎn)生的誤動(dòng)作。塔機(jī)的起吊重量也是非常重要的參數(shù)之一，我們借鑒德國(guó)利勃海爾塔機(jī)監(jiān)控方案，采用軸銷式電阻應(yīng)變片式傳感器測(cè)量鋼絲繩的張力變化，結(jié)合當(dāng)前的倍率參數(shù)計(jì)算出起吊重量，可在對(duì)應(yīng)倍率狀態(tài)下限制對(duì)應(yīng)的起吊重量。

小車幅度、吊鉤高度信號(hào)采用高精度電位器測(cè)量鋼絲繩滾筒的角度位移量，風(fēng)速信號(hào)采用標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速傳感器產(chǎn)生脈沖，以上信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后，輸入至可編程序控制器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量在進(jìn)行運(yùn)算處理。

塔機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)故障自診斷功能，系統(tǒng)上電后將對(duì)各傳感器、觸摸屏電路及連線進(jìn)行自檢，若力矩等各路信號(hào)電壓不在正常范圍內(nèi)，PLC將輸出聲光報(bào)警(此時(shí)繼電保護(hù)輸出不動(dòng)作)，觸摸屏中文信息條將提示司機(jī)對(duì)應(yīng)信號(hào)回路有故障需要檢修．防止因回路故障造成系統(tǒng)過載而不能繼電報(bào)警保護(hù)。此時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)將故障信息永久保存在觸摸屏內(nèi)，以備日后查詢?cè)谙到y(tǒng)的終端顯示上，采用了與PLC配套的西門子彩色觸摸屏。該設(shè)備集顯示和按鍵于一體．體積小、 ，畫面清晰美觀，全中文界面，司機(jī)操作直觀簡(jiǎn)單我們利用西門子提供的觸摸屏設(shè)計(jì)軟件，在PC個(gè)人電腦上組態(tài)所需功能，然后下載至觸摸屏我們?cè)谟|摸屏上設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)光柱顯示畫面、數(shù)字顯示畫面、故障信息提示畫面、系統(tǒng)調(diào)試畫面、實(shí)時(shí)力矩變化曲線等功能畫面旃摸屏實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采樣PLC的各參數(shù)數(shù)據(jù)并顯示對(duì)應(yīng)數(shù)值，同時(shí)轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)光柱的顏色填充。當(dāng)參數(shù)超過設(shè)定值時(shí)將變化顏色并閃爍報(bào)警，并將數(shù)據(jù)自動(dòng)保存在觸摸屏存儲(chǔ)器內(nèi)(永久保存)可永久存儲(chǔ)當(dāng)前過載值、其他各路參數(shù)當(dāng)前值、當(dāng)前時(shí)間和日期，過載消除后再存儲(chǔ)恢復(fù)時(shí)刻的數(shù)據(jù)(可保存一千次以上的數(shù)據(jù))。此黑匣功能可在事故發(fā)生后對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，查找事故原因及責(zé)任。

塔機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)在完成實(shí)驗(yàn)室調(diào)試后，安裝在中聯(lián)重科TC6020型塔機(jī)上進(jìn)行了調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)硬、軟件的進(jìn)一步完善，實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全達(dá)到專題合同要求。實(shí)驗(yàn)完成后交付給塔機(jī)司機(jī)使用，進(jìn)行了近兩個(gè)月的工業(yè)考核，系統(tǒng)運(yùn)行一直穩(wěn)定可靠，能夠?yàn)樗緳C(jī)正確指示各路參數(shù)。此后系統(tǒng)安裝至湘潭江麓廠試制的3150KNm塔機(jī)上，經(jīng)調(diào)試后系統(tǒng)正常工作，并于2000年I2月順利通過建設(shè)部驗(yàn)收，經(jīng)專家評(píng)審認(rèn)為該專題成果為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。

從本專題系統(tǒng)完成后的情況來看，本專題的設(shè)置基本上是合理的、科學(xué)性較強(qiáng)。它涉及了我國(guó)起重機(jī)械中的安全問題，提出的目標(biāo)達(dá)到了國(guó)際上90年代的先進(jìn)水平。本系統(tǒng)存在的主要問題是成本較高，這給推廣應(yīng)用帶來一定的困難。但根據(jù)我們研制總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)來看，如果抓住主要矛盾，突出要害參數(shù)(如力矩和重量)，將成本降低到我國(guó)塔機(jī)行業(yè)可以接受的水平是完全可能的。