塔式起重机安全监控技术的研究与应用

塔式起重机

塔机安全是建筑安全界一直关注的热点问题，对塔式起重机进行安全监控是保证其安全运行的一个有效手段。本文分析了影响塔机安全的各类因素，并对塔机安全监控关键技术进行了研究，在此基础上，搭建塔机安全监控平台，并得到成功应用。
一、塔机简介
塔机是现代建筑业起重、运输、吊装作业的主要机械，起源于西欧，第一项有关建筑用塔机专利颁发于1900年。我国的塔机行业起步于20世纪50年代，目前我国取得生产许可证的塔机生产厂达800余家，年生产塔机数目超过35000台，并以每年10000台的数量增加，保守估计全国在用塔机超过13万台。塔机有金属结构、零部件、运行机构、安全装置、电器部分、液压顶升机构、附墙装置等部分构成。金属结构部分是塔机承受载荷的支撑系统；运行机构是实现行走、回转、起升、变幅功能的部件；液压顶升机构是实现塔机升高功能的部件；电器部分是实现运行机构以及顶升机构动作达到预期目的电器元件组合的总称；附着装置是塔机超过标准高度后用来承担塔身纵横向载荷，增加整机稳定性的辅助装置。
二、监控目标
1．安全因素分析
在使用塔机的建筑工程施工现场，影响塔机安全运行的因素非常多，例如安全监督管理不到位问题、塔机自身的维护保养不及时问题、司机的违规操作问题、地面人员违章指挥问题，货物不正确吊装问题、恶劣天气问题等等。这些因素的不确定，往往会导致塔机在危险的状况下运行，稍有不慎就会导致载荷高空坠落，塔机相互碰撞甚至于倾覆倒塌等安全生产事故的发生，轻则造成财产损失，重则造成重大人员伤亡，并产生恶劣的社会影响。近几年来，我国正处于大发展、大建设时期，由于塔机导致的重特大安全生产事故时有发生，因此塔式起重机安全监督管理是我国建筑工程安全生产管理的重中之重。
2．监控要点
针对以上不安全因素，对塔机的安全监控应该能够做到在塔机受到不安全因素影响并有危险趋势时及时发现，并采取有效的安全措施进行排除和回避。综合分析我国塔机事故统计数据和事故起因分析，将塔机安全监控的主要目标集中到以下几方面：检测限位装置的可靠性、预防塔机超载、防止塔机碰撞、回避恶劣工况、纠正违规操作行为、突出重点环节监管等几个方面。以上几点涵盖了大部分人为因素造成的生产安全事故隐患，能够采取有效措施，将以上违规信息通过一定的设备处理后，及时提醒各级相关人员，就会大大降低塔机的生产安全事故。
三、塔机安全监控技术研究
1．超载限制技术
部分建筑施工企业为赶工期、抢进度，违规超重、超力矩起吊作业现象较为突出 ，塔机的各类违规操作、超载作业是导致生产安全事故的主要原因。目前，塔机作业多使用机械式限位装置保护，性能一般，且故障率比较高，作业过程中故障难以检测和发现，使用中往往存在一定侥幸心理，而对其的安全检查和管理往往由于缺乏专业人员而流于形式，导致塔机存在较多的不安全因素。
塔机载荷特性曲线如图2所示，该曲线标明了塔机在相应的工作幅度内可以安全起吊的范围。系统采用精密传感器分别对幅度和起重量进行检测，并将采集的数据通过处理器单元按照载荷特性曲线进行决策控制，当起重量或者起重力矩超出限制时，立即发出警示信号，提醒操作人员回避危险区域的工作，并加入记录。
2．区域保护技术
塔机使用中，往往会遇到比较复杂的周边环境，如建筑物、交通要道、高压线、人口密集的广场、学校、医院等场所，对这一类区域必须进行严格保护，防止载荷从其上方通过，否则，一旦发生塔机碰撞、高空坠物以及倾翻等情况发生，后果将不堪设想。
塔机安全监控系统采用数学模型，将需要保护的各个区域统一建模，并将信息录入系统。系统实时计算并判断塔机与各个区域之间的空间位置关系，一旦塔机接近保护区域立即发出警示信号，提示相关人员谨慎操作。
3．碰撞防护技术
群塔作业时，相邻塔机的塔臂、钢丝绳、塔身之间按照国家规定，必须保证足够的安全距离，但在实际工作中往往可能存在相互干涉，在作业过程塔机的塔臂、钢丝绳之间也存在一定碰撞危险。
塔机安全监控系统采用传感技术、数字信号处理技术、无线通信技术相结合的方式，通过传感器采集塔机状态，并以无线通信的方式相互同步数据，再结合各自情况实时计算相对关系，分析碰撞危险。当存在危险时，系统会自动向相关人员发出警示信号，提醒他们及时作出正确的判断，向安全区域方向正确操作。
4．气象监控技术
风速作为一种气象条件在某些情况下会严重威胁塔机安全，风速过大时塔机在工作状态下，要承受较大的风载荷，极易发生金属结构扭曲变形等生产安全事故，安装、拆卸、顶升加节更是非常危险。国家对塔机安装、拆卸以及塔机使用的风速都有严格规定，通常风速大于20m/s不得使用塔机，大于13m/s不得安装和拆卸塔机，特殊环境和塔机型号也有一些特别的规定。
系统采用风速传感器采集风速信息，将信息通过数字通道传输至主机，并在显示器显示。风速报警门限由管理人员设置，当风速大于报警门限时，系统发出报警信号，警示相关人员。
四、系统实现
1 塔机安全监控装置
塔机安全监控装置属塔机远程安全监控系统的前端，融合了多传感器、嵌入式微处理器、无线传输模块、组态监控软件等相关技术。其工作原理主要是通过多个传感器单元获取塔机各种实时运行状态的信息，将其交由微处理器进行相应的处理，计算并给出结果，发出相应的控制或者警示信号，并根据需求通过基于Internet网络传输模块完成与远程监控管理平台的信息交互。硬件部分基本包括四个部分：主控器、传感器、显示器、通讯模块。
基于嵌入式实时操作系统开发塔机终端工况监控软件，实现包含塔机风速、力矩、重量、回转、幅度、高度等技术参数的即时监控。其中塔机即时信息监控是应用的核心，利用先进传感器等设备采集、接收；显示数据信息是应用的基础与依据，实现自身干涉报警、力矩报警、风速报警、超重报警。塔机工况监控软件有四大主要功能：采集塔机终端实时数据、形成报警信息、发送报警信息、终端报警提示。
2 塔机远程监控管理平台
基于动态WEB、SQL server 数据库开发了塔机远程监控管理平台，远程监控管理平台是塔机远程安全监控系统的数据管理中心，包含全部塔机信息的即时监控、报警塔机信息即时监控和统计、塔机历史信息查询三大业务内容，其中塔机历史信息查询是应用的核心，全部塔机信息即时监控和报警信息即时监控与统计是应用的基础与依据。通过该监控平台，企业管理部门或监管部门可以依据报警信息的统计对安全状况差的设备和管理不到位的人员进行有针对性的监管。

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