1996年我院承擔了“九五”國家重點科技攻關(guān)課題“大型塔式起重機及關(guān)鍵配套技術(shù)”，其中的“大型塔機安全監(jiān)控保護系統(tǒng)的研究”專題的攻關(guān)任務和目標主要是研制一套達到國外90年代技術(shù)水平的3150KNm塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)，對塔機起吊力矩、起重量、小車幅度、吊鉤高度、風速等多路參數(shù)進行實時監(jiān)控，并逐步在我國其它類型的塔機上應用。本專題研制開發(fā)工作已按計劃完成，在我院TC6020塔機上進行了試驗及工業(yè)考核，此后安裝在我院和江麓廠共同開發(fā)的3150KNm塔機上，于2000年12月順利通過建設部驗收。

力矩信號是塔機安全監(jiān)控中最重要的參數(shù)，它直接影響塔機的安全，監(jiān)控力矩是否超載是防止塔機司機誤操作及疏忽操作而引起塔機惡性事故的保障。以往的力矩保護主要有電子式重量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、重復性差、不能連續(xù)直觀顯示等缺點。本系統(tǒng)采用位移傳感器直接檢測弓形板位移，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，我們選用了差動變壓器式位移傳感器檢測弓形板位移。該傳感器具有穩(wěn)定性好、可靠性高、重復性好、精度高等特點針對塔機露天工況，我們在傳感器外殼上加裝了絕緣護套，栗用環(huán)氧樹脂灌封，提高了防護等級，保證其長期可靠的 運行。

由于3150塔機三大機構(gòu)均采用變頻調(diào)速，且在吊重下放時位能負載能量回饋電網(wǎng)，因此電網(wǎng)供電存在較嚴重的高次諧波干擾，對塔機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的正常工作有較大的影響。我們設計了隔離型帶屏蔽電源變壓器，隔離電網(wǎng)引入的干擾，同時充分考慮因電機大電流啟動造成的電壓突降，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計經(jīng)驗自行開發(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。在電路設計上采用新型電源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，設計了多塊高精度、低漂移進口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計及系統(tǒng)元部件布局上，充分考慮電源線、信號線及各模塊的排列布置，采用屏蔽電纜連接各信號線，防止信號的相互干擾。

塔機安全監(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展模塊。該部分完成了各路信號的模一數(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)在檢測弓形板位移時．由于塔機的彈性變形，其變形量在起吊后數(shù)十秒內(nèi)會產(chǎn)生尖峰值及震蕩，類似于階躍響應。在PLC軟件設計上，設計數(shù)字濾波程序，消除震蕩及瞬時干擾產(chǎn)生的讀數(shù)誤差及誤動作報警。

塔機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)輸入輸出的非線性對系統(tǒng)精度的影響是本次專題研究的重點和難點，在我院孫在魯研究員的指導下，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，孫總指導我們采用泰勒級數(shù)展開多項式對曲線進行擬合，以保證系統(tǒng)的精度。其公式如下：M=Ao+AIX+A2X+A]X其中：M——各次實測力矩值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)書籍文獻中曲線擬合的方法，在實驗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％等多點力矩值，得到多組M—x數(shù)據(jù)并列出相應的法方程，通過克萊姆法則求船行列式，可得到常數(shù)A、A、。

針對起吊后產(chǎn)生的最大超調(diào)值可能引起繼電保護輸出動作，而實際力矩(穩(wěn)定后數(shù)值)并未過載，必須在軟件設計上進行處理，防止可能產(chǎn)生的誤動作。塔機的起吊重量也是非常重要的參數(shù)之一，我們借鑒德國利勃海爾塔機監(jiān)控方案，采用軸銷式電阻應變片式傳感器測量鋼絲繩的張力變化，結(jié)合當前的倍率參數(shù)計算出起吊重量，可在對應倍率狀態(tài)下限制對應的起吊重量。

小車幅度、吊鉤高度信號采用高精度電位器測量鋼絲繩滾筒的角度位移量，風速信號采用標準風速傳感器產(chǎn)生脈沖，以上信號經(jīng)信號調(diào)理電路處理后，輸入至可編程序控制器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量在進行運算處理。

塔機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)實現(xiàn)了系統(tǒng)故障自診斷功能，系統(tǒng)上電后將對各傳感器、觸摸屏電路及連線進行自檢，若力矩等各路信號電壓不在正常范圍內(nèi)，PLC將輸出聲光報警(此時繼電保護輸出不動作)，觸摸屏中文信息條將提示司機對應信號回路有故障需要檢修．防止因回路故障造成系統(tǒng)過載而不能繼電報警保護。此時系統(tǒng)自動將故障信息永久保存在觸摸屏內(nèi)，以備日后查詢在系統(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，司機操作直觀簡單我們利用西門子提供的觸摸屏設計軟件，在PC個人電腦上組態(tài)所需功能，然后下載至觸摸屏我們在觸摸屏上設計了動態(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、實時力矩變化曲線等功能畫面旃摸屏實時動態(tài)采樣PLC的各參數(shù)數(shù)據(jù)并顯示對應數(shù)值，同時轉(zhuǎn)換為動態(tài)光柱的顏色填充。當參數(shù)超過設定值時將變化顏色并閃爍報警，并將數(shù)據(jù)自動保存在觸摸屏存儲器內(nèi)(永久保存)可永久存儲當前過載值、其他各路參數(shù)當前值、當前時間和日期，過載消除后再存儲恢復時刻的數(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)生后對存儲數(shù)據(jù)進行分析，查找事故原因及責任。

塔機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)在完成實驗室調(diào)試后，安裝在中聯(lián)重科TC6020型塔機上進行了調(diào)試和實驗，通過對硬、軟件的進一步完善，實驗結(jié)果完全達到專題合同要求。實驗完成后交付給塔機司機使用，進行了近兩個月的工業(yè)考核，系統(tǒng)運行一直穩(wěn)定可靠，能夠為司機正確指示各路參數(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月順利通過建設部驗收，經(jīng)專家評審認為該專題成果為國內(nèi)首創(chuàng)。

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