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一、引言
廣東湛江發(fā)電廠卸船碼頭共有3臺卸船機，其中1號、2號為橋式抓斗卸船機，放置在碼頭兩邊；3號為連續(xù)鏈式卸船機，放置在1號機和2號機中間。（如圖1）
圖1：卸船機的布置圖及遠景圖
平時作業(yè)時，3臺卸船機存在相互碰撞的情況，造成了機器鋼結(jié)構(gòu)嚴重變形、損壞，給公司的日常生產(chǎn)帶來的很大的麻煩，也造成了較大的經(jīng)濟損失。公司希望能夠找到一種可靠、準確、安全的方法來避免碰撞事故的發(fā)生，以提高生產(chǎn)效率，減少責任事故。
二、方案的設(shè)計
為了使3臺卸船機更好地協(xié)作工作，根據(jù)現(xiàn)場情況分析，需要解決三個防撞點：
①#3連續(xù)式鏈斗卸船機變幅機構(gòu)配重塊；
②#1、#2、#3卸船機大車行走機構(gòu)兩側(cè)支架；
③#3連續(xù)式鏈斗卸船機的提升機和取料頭。
A、針對第一個碰撞點，擬定在#3連續(xù)式鏈斗卸船機變幅機構(gòu)配重塊的兩端各裝兩個檢測傳感器，用于檢測#1、#2、#3卸船機相互之間距離，當兩機距離小于5米時，有報警，如兩機距離小于3米時，將由#3連續(xù)式鏈斗卸船機發(fā)出停止大車行走信號，分別停止#3連續(xù)式鏈斗卸船機和與之靠近#1或#2橋式抓斗卸船機及#3連續(xù)式鏈斗卸船機相對應(yīng)的回轉(zhuǎn)操作，杜絕#3連續(xù)式鏈斗卸船機尾部與#1或#2橋式抓斗卸船機相碰（如圖1）。
B、針對第二個碰撞點，建議在#1、#2、#3卸船機大車行走機構(gòu)兩側(cè)加裝各一套檢測裝置，防止兩側(cè)支架相撞的同時，測量#1、#2、#3卸船機的距離S1，輸出值S1跟#3卸船機在回轉(zhuǎn)過程尾部變動值相比較S2=SINɑ*D，當比較后的相對值小于5米時報警，小于3米時，閉鎖相對應(yīng)的操作，此種方式作為第一點措施的補充，消除監(jiān)控上的“盲點”。
C、對于第三個碰撞點，出于如下兩點考慮，不再加裝傳感器。
①#1、#2卸船機大車行走和#3連續(xù)式鏈斗卸船機的提升機（或取料頭）都可以在司機操作視線范圍內(nèi)進行監(jiān)控；
②#3連續(xù)式鏈斗卸船機作業(yè)時，船艙及桅桿會引起傳感器頻繁的誤動，導致無法工作。
此設(shè)計方案中，防碰撞系統(tǒng)全部采用繼電器開關(guān)信號，相對于其他模擬量(4~20mA)或數(shù)字通訊而言，開關(guān)信號可以更加準確快速地傳送信號，具有簡單、可靠、抗強磁場干擾能力強的優(yōu)點。
三、解決方案
經(jīng)過反復比較和調(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)電廠決定采用SIEMENS公司的CraneRanger系統(tǒng)來實現(xiàn)卸船機防碰撞系統(tǒng)。據(jù)介紹CraneRanger防撞系統(tǒng)在港機行業(yè)應(yīng)用非常廣泛，像國內(nèi)的振華港機、Noell起重機等單位都大量使用了該系統(tǒng)。
CraneRanger是西門子公司專門為大型港機設(shè)備防撞而設(shè)計的采用超聲波物位物位測量技術(shù)的解決方案。據(jù)介紹在很多港口機械設(shè)備被大量使用，比如：RTG、RMG、OHBC等。CraneRanger可以同時帶兩個超聲波換能器進行工作，使卸船機的左右兩個方向都能得到防碰撞保護。
CraneRanger是基于超聲波回波測距的原理。它采用氣介導聲的方式，即利用在空氣中傳播的超聲脈沖在被測物體（其他港機設(shè)備表面）上被反射，并接收其回波，超聲脈沖來回傳播的時間與聲脈沖傳播距離成正比，測出聲脈沖行程時間，就可據(jù)之算出超聲波換能器和其他港機設(shè)備的距離。
圖2：安裝在卸船機上的CraneRange變送器
L= C×Δt
式中：C － 超聲波在空氣中傳播速度
Δt － 超聲脈沖來回傳播時間
L － 被測卸船機之前的距離
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，用于檢測空氣溫度，然后在計算時修正聲速值，使CraneRanger的測量精度更高，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，Siemens公司針對港機行業(yè)的防撞應(yīng)用為CranRange設(shè)計了很多特殊的功能。
1、 采用了先進的聲智能®回波處理軟件
這一技術(shù)可以使CraneRanger能夠識別各種虛假回波。比如：
隨機發(fā)生的干擾回波。如果有人在超聲波換能器邊上走過，CraneRanger因為采用一些先進地回波處理算法（比如：窗口鎖定處理技術(shù)、回波統(tǒng)計算法、窄波過濾器、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)備會產(chǎn)生很強的電磁場，有時候通過的工作電流高達幾百個安培。所產(chǎn)生的強磁場會大大增加超聲波變送器的電磁噪聲，往往會使正常的回波信號“淹沒”在噪聲中，而無法正常識別障礙物的回波信號而產(chǎn)生誤動作或不動作，達不到防撞的目的。CraneRanger的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計大大降低了由于電磁場產(chǎn)生的噪聲，同時應(yīng)用多種TVT（回波抑制曲線）技術(shù)（一般在防撞應(yīng)用采用“自動斜坡”—Slopes TVT曲線）抑制了噪聲的強度，使有效信號被識別出來。
2、 識別港機設(shè)備左右兩個不同方向
這一功能能夠使CraneRanger更好地實現(xiàn)某方向上的制動（減速和停止）；而不會因為一個方向上的目標物進入防撞保護距離，而全部鎖死。比如：如果卸船機往左行駛時，左邊的換能器開始工作，如果感測到保護距離內(nèi)有障礙物，則通過繼電器信號實現(xiàn)減速或停車控制；進入停車狀態(tài)后，卸船機在左方向鎖死，除非障礙物移出保護距離，但是卸船機可以做反方向運動（即右方向）。
3、極快速的距離檢測模式
港機設(shè)備的移動速度不同于普通的物位的變化速度。一般的過程工業(yè)的物位變化速度不會很快，一般在1m~10m/分鐘之間；而卸船機、RTG等很多設(shè)備的移動速度可以達到100~120m/分鐘，因此對防撞系統(tǒng)提出更高的要求。采用特殊的設(shè)計技術(shù)的CraneRanger可以完成最高速度達17m/s的移動速度的距離檢測，而且準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配套的是專用的Echomax系列中的XLT-60換能器。該型號的換能器不同于常見的活塞式超聲波換能器，它采用了市場上很少見的采用曲線式振蕩器的全鋁金屬制換能器。如圖。
圖3：曲線振蕩式換能器結(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：
§ 波束角小。小至5º，可以最大程度地避開周圍的干擾物；
§ 全鋁制的結(jié)構(gòu)比普通塑料的換能器更堅固耐用；
§ 采用了較同類（同量稱）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。即使在粉塵較大的現(xiàn)場或下雨天也不會影響它的正常工作；
§ 設(shè)計有效測量距離為60m；
§ 兩線制連接方式，可以采用抗干擾能力較強的同軸電纜（RG62-A/U）作為連接線，有效屏蔽電磁干擾的影響，而且可以實現(xiàn)最長365m的連線距離；
§ 較小的安裝尺寸使安裝更加方便；
公司先期采購了2套CraneRanger,4個XLT-60超聲波換能器來實現(xiàn)為碼頭3臺卸船機的防碰撞系統(tǒng)地解決方案。
四、安裝與注意事項
CraneRanger的四個超聲波換能器的安裝位置示意圖（如圖4）。
每臺CraneRanger分別配2個XLT-60換能器，向左右兩個方向的實現(xiàn)防碰撞功能。
圖4：超聲波換能器在卸船機大車安裝位置示意圖
安裝時的注意事項：
1、 安裝位置應(yīng)盡可能選擇較高的位置，以避開周圍的堆起的雜物的影響。
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物表面，而選擇的目標物表面應(yīng)盡可能平整。
3、 兩臺CraneRanger安裝在同一臺大車上，并且所配套超聲波換能器工作在同一個方向和區(qū)域內(nèi)，開啟同步功能，即將連接線端的同步端子連通，以防止換能器之間的信號相互干擾。
4、 雖然XLT-60也可以采用雙絞屏蔽線來連接，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)當通過金屬導管連接到CraneRanger。
5、 安裝換能器不能用力過大，一般用手的力量來安裝即可，不需要用扳手安裝地過緊。否則會導致?lián)Q能器表面張力過大而改變換能器的工作特性，產(chǎn)生的現(xiàn)象是：“盲區(qū)”擴大，在近距離產(chǎn)生誤報警信號。
圖5：安裝在現(xiàn)場的XLT-60
五、使用效果
安裝完成以后通過專用的工具軟件SuperSonex進行連續(xù)跟蹤期回波圖形（如圖6），在卸船機的整個測試過程中，回波信號始終非常強烈而這可靠。
自2004年7月安裝使用該系統(tǒng)以后，卸船之間碰撞事故沒有再發(fā)生。該系統(tǒng)的工作狀態(tài)良好，基本上沒有出現(xiàn)任何誤動作，完全滿足可靠安全的要求。而且，在經(jīng)歷一年四季的氣溫的變化以及刮風下雨等自然環(huán)境的考驗，這套系統(tǒng)的性能始終如一，真正實現(xiàn)了免維護。
圖6：可靠的回波信號
參考文獻：
1、 Siemens Milltronics Process Instrument Inc，CraneRanger Instuction Manual,2004.9
2、 薛惠，超聲波物位計在工程中的應(yīng)用，有色冶金設(shè)計與研究，2000.6,第21卷第2期,P15~17
3、 苗德霖，王成凱，付青喜，超聲波測液位技術(shù)和液位聲速的修正，鐵道技術(shù)監(jiān)督，2000年第3期，P37~P39
4、 李競武，物位儀表在我國工業(yè)中的應(yīng)用
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