塔机自动化控制与智能化安全管理研究

摘要：建筑工程中使用塔机，可加快施工进度，使建设周期大幅缩短。将塔机智慧工作平台应用于工程项目中，可以达到自动化管理目标，能有效避免人为因素的安全事故，并提高管理人员工作效率。对建筑工程中塔机的自动化控制和智能安全监测管理进行探讨研究，希望能对相关行业的人员提供一些帮助。

关键词：塔机；自动化控制；智能安全系统；应用

塔机作为一种大型机械设备，既能满足工程建设需要，又能有效地提高施工效率，是现代化建筑工程施工不可或缺的机械工具。在建筑工程中，塔机可根据建筑物高度和结构形式不同，设计出各种各样的类型。在工程施工过程中，由于塔机超载折断、安拆倾覆、吊物坍塌及坠落等安全事故时有发生，给人民生命和财产造成了严重损害。在新建工地中推广应用塔机安全控制和智能安全监测系统，是实现机械设备智能化、信息化的一个重要举措，能达到控制重大事故、降低一般性事故、强化施工安全管理的目的。作为建筑企业管理者，应积极探索科技赋能安全生产管理，对塔机运行参数、安全指标进行实时监测，确保施工人员安全，促进我国建筑业的健康安全发展。

1塔机自动化控制与智能化安全管理必要性

塔机作为施工现场最常用的吊装设备，广泛用于房屋建筑、公路、桥梁、铁路高墩式结构的施工。在实际施工生产作业中，由于塔机设备本身的结构特性复杂，危险程度本身就比其它机械设备高，所以采用智能化管理平台提升作业安全性，成为大型设备安全管理的重要手段。塔机是现阶段建筑工程中不可或缺的工程施工机械设备，具有塔高、臂长、360°旋转、垂直提升、指挥方便等特点，可以将建筑材料垂直吊装至工作面，大幅提升材料输送效率。由于其重心较高、转运速度快，且码放货物和挂钩靠人力完成，加上受作业环境、恶劣天气、信号传递及盲区等因素影响，导致起重吊装存在非常大的安全隐患。据有关报道统计，2021年全国发生21起大型塔机安全事故，每起事故均有人员伤亡。如果不能有效防范塔机使用中的事故隐患，塔机操作人员和使用工人将处于非常危险环境中。一旦发生事故，将会造成巨大的负面影响。塔机智能化管理是一种具有监控和警示功能的系统，它既可以对设备操作人员及时发送指令，实时监测设备的工作状态，又可对使用过程中出现的各种安全隐患动态分析，对不安全的状态和行为进行报警、督促消除，从而达到安全生产、提高工作效率的目标。随着互联网技术相关技术的不断进步，5G通信技术和物联网技术逐渐被应用于各行各业。基于数字智能科技，对塔机进行自动化控制与智能安全系统研究并应用，实现实时、全过程、不间断的使用管理监测，能够有效预防因操作人员疏忽或判断错误引发的安全事故，实现塔机安全高效使用。

2塔机自动化控制和智能监控系统概述

塔机自动化控制和智能监控系统，包括塔机末端控制平台和远程监测平台，智能监控系统分为两大类：一是塔机终端控制平台，二是远程监测与管理APP。在实际操作中，利用终端对吊钩进行定位，并利用定位技术确定吊钩与货物的实时位置。在起吊前，安全系统会根据测量结果向控制系统发送安全指令，控制系统启动传送装置，将货物运送到指定地点，并对小车、吊钩进行实时监测。自动化控制和智能监控系统，基于传感器技术、嵌入式技术、数据采集、数据处理、无线传感网络、远距离通信技术等技术的综合应用，能够使小车、吊钩和货物在塔机上实时监测。采用远程、高速无线数据，将塔机的运行状况和报警信息通过无线网络传送至远程GIS的可视化监控平台。当出现危险预警时，利用手机短信向操作人员、指挥人员和管理人员进行紧急报警，对相关人员进行动态远程监控，使塔机管理成为一个开放、动态的实时监控系统。综上所述，采用智能化塔机安全监测系统，可以有效地防止邻近塔机在交叉作业区时发生碰撞事故，高效监督塔机操作人员和使用人员严格执行塔机操作规程，减少塔机使用安全事故，保证建筑工人的生命安全。

3塔机自动化控制和智能监控系统设计

3.1塔机系统覆盖范围的要求

塔机覆盖范围是以塔体为中心，以大臂长度为半径的作业面覆盖区域。在工程施工组织设计和机械管理策划阶段，确定塔机选型及平面布置定位，不仅要综合考虑主体结构工程的施工面范围，而且要确定场地配套物料堆放区、加工区域以及运输车辆卸货区，以便塔机在自动化控制和智能监控系统的辐射范围内。对于盲区部分，可临时建筑物设置监控摄像和固定网桥，保证信号、画面接收和传输通畅，确保智能安全系统无死角覆盖工作区域。

3.2自动化控制设计

塔机自动化控制是将GPS实时精密定位的方法，应用于塔机自动化运行和安全监控中。当确定好货物运输位置后，利用GPS定位技术实时定位塔机吊钩和货物，控制终端发送命令给嵌入式系统，驱动步进电机传动装置自动将货物运输到指定位置，并在运输过程中将吊钩和货物GPS模块所获取的数据，实时反馈给控制终端。然后对其进行数据分析，获知塔机运行是否安全，实现塔机安全状态的监控，进而实现对塔机设备的自动化控制。塔机自动化控制模拟设计如图1所示，从图1可以看出，系统为4个部分：塔机信息采集单元、主控制中心、驱动电路和传动装置。塔机信息采集单元用于获取控制系统所需的塔机各部分位置信息，主控制中心则是应用相应的算法，对所获取的信息数据进行处理，并将其直观地呈现给驾驶室仪表控制台。为了实现塔机的自动智能控制，必须实时获取塔机各部件的三维位置信息。在获取至少3个点（塔身基点O、位置A和吊钩位置C）的三维信息后，即可完成塔机几何模型的建立。分别在上述位置布置一个GPS数据采集单元，信息传输和处理GPS数据采集装置，将实时采集到的卫星资料通过串行通讯，传送给微机控制中心。然后由计算机进行数据计算处理，并将其转化为起重机各个部分的相对位置信息，以此确定小车、吊钩及货物的准确位置。需要说明的是，在实际应用中，也可以采用GPRS无线传输技术进行卫星数据的发送。

3.3主要功能

3.3.1实时监测利用传感器等技术，对塔机的起重量、高度、风速等进行实时监测，实现塔机使用过程全面监控，并能及时发出危险预警。3.3.2数据预警基于物联网技术的传感器和终端设备的集成，可以对数据进行存储、计算和分析，实时处理数据，及时发现各类安全风险。针对发现的安全风险发出警告并报警，包括迫使紧急停车、信息报告及事故分析等。3.3.3自动化控制基于位置技术的控制系统实现施工过程的自动化，使货物和吊装器皿在使用中被准确地运送到指定位置，避免人为因素造成的安全事故。

4塔机智能安全管理系统类别

4.1“黑匣子”系统

图2所示塔机智能管理系统的设计采用“黑匣子”技术，它应用微电子技术、信息传感技术和通讯技术，并根据塔机的特性设置安全监控装置。安全监控装置包括起重限制器、回转限位器和高度限位器等。在运行过程中，每一台设备都会根据塔机的工作状态进行数据分析和处理，在规范安全数据前提下，对作业人员进行指挥管理，以保证起重机的运行安全。

4.2数据传输系统

在塔机智能安全管理系统中，一般采用GPRS作为传输方式，通过“黑匣子”将实时监测到的信息传送给微型计算机，以保证起重机数据可以及时传输。同时还要对各个设备进行监测，以保证各个设备的灵敏度，以便在实际作业中达到自动控制的目的。通过对使用情况的数据分析，能够实现对塔机的实时监控，提高了系统的实用性。

4.3塔机终端监控系统

塔机的终端监测系统由传感器、嵌入式处理器、无线传输等组成。它主要是利用多个传感器获取塔机的各种参数，经过数据分析和处理，然后将数据存储到控制器中，再通过GPRS无线传输模块和网络进行融合，实现对信息交换机的数据处理，从而对塔机数据的高效集成与管理，保证塔机数据的实时采集与处理。一般来讲，可利用ZigBee传感器进行塔机信息采集、接收和处理，以改善塔机终端监测系统的运行效率。

4.4群塔干涉预警系统

群塔干涉预警系统对塔机进行实时查询，根据实际情况判断塔机的工作状况，在塔机进入干扰范围的情况下，对塔机进行故障检测。如果在干扰范围内，就会发出警告和预警，并向塔机发出相应的信号。塔机在收到控制指令后，会发出控制警告。本区域作业的塔机在进入干扰范围后，若发生干扰，超过设定警戒线，安装有监测装置的塔机将会发出断续的声音和灯光警告。在该装置的警报区域内时，系统会发出连续强烈的声响和灯光警告，并通过控制输出信号来控制吊钩升降、小车前后移动。

4.5带状雷达防撞保护仪

带状雷达防撞防护系统以雷达、微机、网络技术为核心，主要包括雷达测量板、控制器、报警设备。该系统利用超雷达测距技术，通过控制器的控制，将超声波信号发送出去，当超声波信号遇到障碍时，便会产生回声。在检测到回声信号后，通过控制器对检测结果进行分析，找出障碍所在，并给出相应的距离和警告，实现安全防护需要。雷达测距仪持续地发射雷达讯号，测量与带形雷达测距板最近目标之间的距离，并将其转换成电子讯号，传送至控制主机。

4.6智能安全管理系统

在实际施工现场，大型设施设备工况视频监测体系也经常用到。大型设施设备工况视频监测体系，实时拍摄运行影像并存储上传云数据库。出现安全事故时，通过调取影像材料记录，为事故调查提供可靠依据。同时它可以间接督促指挥人员规范作业，杜绝因违章指挥、违规作业引起重大安全事故。此外，还可将人脸识别控制器并接入建设工程安全监督综合管理平台。将人脸识别控制器并接入系统后，连接设备启用智能装置，对操作人员实行远程认证，认证成功后才可以操作设备运行。这样不仅能确保建筑起重机械实际操作人员持证上岗、证件真实有效、合法合规，也保障了操作司机规范作业、遵守操作规程，避免违章作业造成安全事故。

5结论

塔机在建筑工程施工中已成为必不可少的机械设备，但在应用中的安全问题造成许多安全事故。在原有的安全环境约束下，增设塔机的自动控制与智能安全监控管理系统，实时信息采集、智能报警、后台数据分析及安全监控，可以达到自动化、智能化管理目标，能有效避免人为因素的安全事故。在新建工地中推广应用塔机安全控制和智能安全监测系统，是实现机械设备智能化、信息化的一个重要举措，能达到控制重大事故、降低一般性事故、强化施工安全管理的目的。

参考文献

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[3]郁志明.张晓燕.塔机安全监控系统的设计与研究[D].沈阳:东北大学,2019.

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作者：李留军 单位：中铁建设集团有限公司