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一、引言
廣東湛江發(fā)電廠(chǎng)卸船碼頭共有3臺(tái)卸船機(jī)，其中1號(hào)、2號(hào)為橋式抓斗卸船機(jī)，放置在碼頭兩邊；3號(hào)為連續(xù)鏈?zhǔn)叫洞瑱C(jī)，放置在1號(hào)機(jī)和2號(hào)機(jī)中間。（如圖1）
圖1：卸船機(jī)的布置圖及遠(yuǎn)景圖
平時(shí)作業(yè)時(shí)，3臺(tái)卸船機(jī)存在相互碰撞的情況，造成了機(jī)器鋼結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形、損壞，給公司的日常生產(chǎn)帶來(lái)的很大的麻煩，也造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。公司希望能夠找到一種可靠、準(zhǔn)確、安全的方法來(lái)避免碰撞事故的發(fā)生，以提高生產(chǎn)效率，減少責(zé)任事故。
二、方案的設(shè)計(jì)
為了使3臺(tái)卸船機(jī)更好地協(xié)作工作，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況分析，需要解決三個(gè)防撞點(diǎn)：
①#3連續(xù)式鏈斗卸船機(jī)變幅機(jī)構(gòu)配重塊；
②#1、#2、#3卸船機(jī)大車(chē)行走機(jī)構(gòu)兩側(cè)支架；
③#3連續(xù)式鏈斗卸船機(jī)的提升機(jī)和取料頭。
A、針對(duì)第一個(gè)碰撞點(diǎn)，擬定在#3連續(xù)式鏈斗卸船機(jī)變幅機(jī)構(gòu)配重塊的兩端各裝兩個(gè)檢測(cè)傳感器，用于檢測(cè)#1、#2、#3卸船機(jī)相互之間距離，當(dāng)兩機(jī)距離小于5米時(shí)，有報(bào)警，如兩機(jī)距離小于3米時(shí)，將由#3連續(xù)式鏈斗卸船機(jī)發(fā)出停止大車(chē)行走信號(hào)，分別停止#3連續(xù)式鏈斗卸船機(jī)和與之靠近#1或#2橋式抓斗卸船機(jī)及#3連續(xù)式鏈斗卸船機(jī)相對(duì)應(yīng)的回轉(zhuǎn)操作，杜絕#3連續(xù)式鏈斗卸船機(jī)尾部與#1或#2橋式抓斗卸船機(jī)相碰（如圖1）。
B、針對(duì)第二個(gè)碰撞點(diǎn)，建議在#1、#2、#3卸船機(jī)大車(chē)行走機(jī)構(gòu)兩側(cè)加裝各一套檢測(cè)裝置，防止兩側(cè)支架相撞的同時(shí)，測(cè)量#1、#2、#3卸船機(jī)的距離S1，輸出值S1跟#3卸船機(jī)在回轉(zhuǎn)過(guò)程尾部變動(dòng)值相比較S2=SINɑ*D，當(dāng)比較后的相對(duì)值小于5米時(shí)報(bào)警，小于3米時(shí)，閉鎖相對(duì)應(yīng)的操作，此種方式作為第一點(diǎn)措施的補(bǔ)充，消除監(jiān)控上的“盲點(diǎn)”。
C、對(duì)于第三個(gè)碰撞點(diǎn)，出于如下兩點(diǎn)考慮，不再加裝傳感器。
①#1、#2卸船機(jī)大車(chē)行走和#3連續(xù)式鏈斗卸船機(jī)的提升機(jī)（或取料頭）都可以在司機(jī)操作視線(xiàn)范圍內(nèi)進(jìn)行監(jiān)控；
②#3連續(xù)式鏈斗卸船機(jī)作業(yè)時(shí)，船艙及桅桿會(huì)引起傳感器頻繁的誤動(dòng)，導(dǎo)致無(wú)法工作。
此設(shè)計(jì)方案中，防碰撞系統(tǒng)全部采用繼電器開(kāi)關(guān)信號(hào)，相對(duì)于其他模擬量(4~20mA)或數(shù)字通訊而言，開(kāi)關(guān)信號(hào)可以更加準(zhǔn)確快速地傳送信號(hào)，具有簡(jiǎn)單、可靠、抗強(qiáng)磁場(chǎng)干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
三、解決方案
經(jīng)過(guò)反復(fù)比較和調(diào)查了解，從安全可靠性、穩(wěn)定性、可行性等各方面考慮，最終湛江發(fā)電廠(chǎng)決定采用SIEMENS公司的CraneRanger系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)卸船機(jī)防碰撞系統(tǒng)。據(jù)介紹CraneRanger防撞系統(tǒng)在港機(jī)行業(yè)應(yīng)用非常廣泛，像國(guó)內(nèi)的振華港機(jī)、Noell起重機(jī)等單位都大量使用了該系統(tǒng)。
CraneRanger是西門(mén)子公司專(zhuān)門(mén)為大型港機(jī)設(shè)備防撞而設(shè)計(jì)的采用超聲波物位物位測(cè)量技術(shù)的解決方案。據(jù)介紹在很多港口機(jī)械設(shè)備被大量使用，比如：RTG、RMG、OHBC等。CraneRanger可以同時(shí)帶兩個(gè)超聲波換能器進(jìn)行工作，使卸船機(jī)的左右兩個(gè)方向都能得到防碰撞保護(hù)。
CraneRanger是基于超聲波回波測(cè)距的原理。它采用氣介導(dǎo)聲的方式，即利用在空氣中傳播的超聲脈沖在被測(cè)物體（其他港機(jī)設(shè)備表面）上被反射，并接收其回波，超聲脈沖來(lái)回傳播的時(shí)間與聲脈沖傳播距離成正比，測(cè)出聲脈沖行程時(shí)間，就可據(jù)之算出超聲波換能器和其他港機(jī)設(shè)備的距離。
圖2：安裝在卸船機(jī)上的CraneRange變送器
L= C×Δt
式中：C － 超聲波在空氣中傳播速度
Δt － 超聲脈沖來(lái)回傳播時(shí)間
L － 被測(cè)卸船機(jī)之前的距離
超聲波在空氣中傳播速度C與超聲頻率及大氣壓力無(wú)關(guān)，但隨空氣溫度而變，可以近似表示如下：
C=C0+0.6T=(331.6+0.6T)m/sec
式中：T － 空氣溫度℃
C0 － 0℃時(shí)空氣中聲速，為331.6 m/sec
因此，在超聲波換能器中內(nèi)置了熱敏電阻，用于檢測(cè)空氣溫度，然后在計(jì)算時(shí)修正聲速值，使CraneRanger的測(cè)量精度更高，而且可以很好地適應(yīng)不同的環(huán)境。
不同于普通的超聲波物位計(jì)，Siemens公司針對(duì)港機(jī)行業(yè)的防撞應(yīng)用為CranRange設(shè)計(jì)了很多特殊的功能。
1、 采用了先進(jìn)的聲智能®回波處理軟件
這一技術(shù)可以使CraneRanger能夠識(shí)別各種虛假回波。比如：
隨機(jī)發(fā)生的干擾回波。如果有人在超聲波換能器邊上走過(guò)，CraneRanger因?yàn)椴捎靡恍┫冗M(jìn)地回波處理算法（比如：窗口鎖定處理技術(shù)、回波統(tǒng)計(jì)算法、窄波過(guò)濾器、回波整形技術(shù)等），智能化消除這種干擾回波的影響，使CraneRanger具備更高的可靠性。
電磁噪聲產(chǎn)生的干擾回波。港機(jī)設(shè)備的應(yīng)用不同于普通的工業(yè)應(yīng)用，這些設(shè)備會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁場(chǎng)，有時(shí)候通過(guò)的工作電流高達(dá)幾百個(gè)安培。所產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)大大增加超聲波變送器的電磁噪聲，往往會(huì)使正常的回波信號(hào)“淹沒(méi)”在噪聲中，而無(wú)法正常識(shí)別障礙物的回波信號(hào)而產(chǎn)生誤動(dòng)作或不動(dòng)作，達(dá)不到防撞的目的。CraneRanger的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大大降低了由于電磁場(chǎng)產(chǎn)生的噪聲，同時(shí)應(yīng)用多種TVT（回波抑制曲線(xiàn)）技術(shù)（一般在防撞應(yīng)用采用“自動(dòng)斜坡”—Slopes TVT曲線(xiàn)）抑制了噪聲的強(qiáng)度，使有效信號(hào)被識(shí)別出來(lái)。
2、 識(shí)別港機(jī)設(shè)備左右兩個(gè)不同方向
這一功能能夠使CraneRanger更好地實(shí)現(xiàn)某方向上的制動(dòng)（減速和停止）；而不會(huì)因?yàn)橐粋�(gè)方向上的目標(biāo)物進(jìn)入防撞保護(hù)距離，而全部鎖死。比如：如果卸船機(jī)往左行駛時(shí)，左邊的換能器開(kāi)始工作，如果感測(cè)到保護(hù)距離內(nèi)有障礙物，則通過(guò)繼電器信號(hào)實(shí)現(xiàn)減速或停車(chē)控制；進(jìn)入停車(chē)狀態(tài)后，卸船機(jī)在左方向鎖死，除非障礙物移出保護(hù)距離，但是卸船機(jī)可以做反方向運(yùn)動(dòng)（即右方向）。
3、極快速的距離檢測(cè)模式
港機(jī)設(shè)備的移動(dòng)速度不同于普通的物位的變化速度。一般的過(guò)程工業(yè)的物位變化速度不會(huì)很快，一般在1m~10m/分鐘之間；而卸船機(jī)、RTG等很多設(shè)備的移動(dòng)速度可以達(dá)到100~120m/分鐘，因此對(duì)防撞系統(tǒng)提出更高的要求。采用特殊的設(shè)計(jì)技術(shù)的CraneRanger可以完成最高速度達(dá)17m/s的移動(dòng)速度的距離檢測(cè)，而且準(zhǔn)確度和可靠性也能得到很好地保證。
4、高技術(shù)含量的Echomax系列超聲波換能器
與CraneRanger配套的是專(zhuān)用的Echomax系列中的XLT-60換能器。該型號(hào)的換能器不同于常見(jiàn)的活塞式超聲波換能器，它采用了市場(chǎng)上很少見(jiàn)的采用曲線(xiàn)式振蕩器的全鋁金屬制換能器。如圖。
圖3：曲線(xiàn)振蕩式換能器結(jié)構(gòu)圖
1、石英晶體2、平板膜片3、膜片震蕩
4、隔柵5、隔柵前的聲音壓力
它具有以下有點(diǎn)：
§ 波束角小。小至5º，可以最大程度地避開(kāi)周?chē)母蓴_物；
§ 全鋁制的結(jié)構(gòu)比普通塑料的換能器更堅(jiān)固耐用；
§ 采用了較同類(lèi)（同量稱(chēng)）超聲波換能其中更高的發(fā)射頻率(13KHz)，可以較好地克服環(huán)境噪聲的干擾，并且得到較高的測(cè)量精度（0.25%）；
§ 內(nèi)置溫度傳感器，可用于最高至150ºC的溫度環(huán)境中，完全可以適應(yīng)任何自然環(huán)境；
§ 具有表面自清潔功能，基本面維護(hù)。即使在粉塵較大的現(xiàn)場(chǎng)或下雨天也不會(huì)影響它的正常工作；
§ 設(shè)計(jì)有效測(cè)量距離為60m；
§ 兩線(xiàn)制連接方式，可以采用抗干擾能力較強(qiáng)的同軸電纜（RG62-A/U）作為連接線(xiàn)，有效屏蔽電磁干擾的影響，而且可以實(shí)現(xiàn)最長(zhǎng)365m的連線(xiàn)距離；
§ 較小的安裝尺寸使安裝更加方便；
公司先期采購(gòu)了2套CraneRanger,4個(gè)XLT-60超聲波換能器來(lái)實(shí)現(xiàn)為碼頭3臺(tái)卸船機(jī)的防碰撞系統(tǒng)地解決方案。
四、安裝與注意事項(xiàng)
CraneRanger的四個(gè)超聲波換能器的安裝位置示意圖（如圖4）。
每臺(tái)CraneRanger分別配2個(gè)XLT-60換能器，向左右兩個(gè)方向的實(shí)現(xiàn)防碰撞功能。
圖4：超聲波換能器在卸船機(jī)大車(chē)安裝位置示意圖
安裝時(shí)的注意事項(xiàng)：
1、 安裝位置應(yīng)盡可能選擇較高的位置，以避開(kāi)周?chē)亩哑鸬碾s物的影響。
2、 換能器表面一般與地面呈垂直，使發(fā)射的超聲脈沖波能夠盡可能垂直地射向需要防撞的目標(biāo)物表面，而選擇的目標(biāo)物表面應(yīng)盡可能平整。
3、 兩臺(tái)CraneRanger安裝在同一臺(tái)大車(chē)上，并且所配套超聲波換能器工作在同一個(gè)方向和區(qū)域內(nèi)，開(kāi)啟同步功能，即將連接線(xiàn)端的同步端子連通，以防止換能器之間的信號(hào)相互干擾。
4、 雖然XLT-60也可以采用雙絞屏蔽線(xiàn)來(lái)連接，但應(yīng)盡可采用同軸電纜已獲得最好的抗干擾能力；換能器的連接電纜應(yīng)當(dāng)通過(guò)金屬導(dǎo)管連接到CraneRanger。
5、 安裝換能器不能用力過(guò)大，一般用手的力量來(lái)安裝即可，不需要用扳手安裝地過(guò)緊。否則會(huì)導(dǎo)致?lián)Q能器表面張力過(guò)大而改變換能器的工作特性，產(chǎn)生的現(xiàn)象是：“盲區(qū)”擴(kuò)大，在近距離產(chǎn)生誤報(bào)警信號(hào)。
圖5：安裝在現(xiàn)場(chǎng)的XLT-60
五、使用效果
安裝完成以后通過(guò)專(zhuān)用的工具軟件SuperSonex進(jìn)行連續(xù)跟蹤期回波圖形（如圖6），在卸船機(jī)的整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，回波信號(hào)始終非常強(qiáng)烈而這可靠。
自2004年7月安裝使用該系統(tǒng)以后，卸船之間碰撞事故沒(méi)有再發(fā)生。該系統(tǒng)的工作狀態(tài)良好，基本上沒(méi)有出現(xiàn)任何誤動(dòng)作，完全滿(mǎn)足可靠安全的要求。而且，在經(jīng)歷一年四季的氣溫的變化以及刮風(fēng)下雨等自然環(huán)境的考驗(yàn)，這套系統(tǒng)的性能始終如一，真正實(shí)現(xiàn)了免維護(hù)。
圖6：可靠的回波信號(hào)
參考文獻(xiàn)：
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2、 薛惠，超聲波物位計(jì)在工程中的應(yīng)用，有色冶金設(shè)計(jì)與研究，2000.6,第21卷第2期,P15~17
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4、 李競(jìng)武，物位儀表在我國(guó)工業(yè)中的應(yīng)用
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