超聲波卸船機防碰撞系統在湛江發電廠的成功應用
一、引言
廣東湛江發電廠卸船碼頭共有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
這三臺卸船機基本上都是靠人工在地面進行操作控制行動，操作工人經常會因為一些操作失誤和受天氣的影響，而導致在平時作業時，3臺卸船機存在相互碰撞的情況，造成了機器鋼結構嚴重變形、損壞，給公司的日常生產帶來的很大的麻煩，也造成了較大的經濟損失。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生，以提高生產效率，減少責任事故。
二、方案的設計
為了使3臺卸船機更好地協作工作，根據現場情況分析，需要解決三個防撞點：
①#3連續式鏈斗卸船機變幅機構配重塊；
②#1、#2、#3卸船機大車行走機構兩側支架；
③#3連續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連續式鏈斗卸船機變幅機構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連續式鏈斗卸船機發出停止大車行走信號，分別停止#3連續式鏈斗卸船機和與之靠近#1或#2橋式抓斗卸船機及#3連續式鏈斗卸船機相對應的回轉操作，杜絕#3連續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兩側加裝各一套檢測裝置，防止兩側支架相撞的同時，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，閉鎖相對應的操作，此種方式作為第一點措施的補充，消除監控上的“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進行監控；
②#3連續式鏈斗卸船機作業時，船艙及桅桿會引起傳感器頻繁的誤動，導致無法工作。
此設計方案中，防碰撞系統全部采用繼電器開關信號，相對于其他模擬量(4~20mA)或數字通訊而言，開關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點。
三、解決方案
經過反復比較和調查了解，從安全可靠性、穩定性、可行性等各方面考慮，最終湛江發電廠決定采用SIEMENS公司的CraneRanger系統來實現卸船機防碰撞系統。據介紹CraneRanger防撞系統在港機行業應用非常廣泛，像國內的振華港機、Noell起重機等單位都大量使用了該系統。
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，就可據之算出超聲波換能器和其他港機設備的距離。
L= C×Δt
式中：C － 超聲波在空氣中傳播速度
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，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不同的環境。
不同于普通的超聲波物位計，Siemens公司針對港機行業的防撞應用為CranRange設計了很多特殊的功能。它具有以下優點：
Ø 消除隨機發生的干擾回波（比如：旁人在超聲波換能器邊上的走動引起的干擾）。
Ø 消除電磁噪聲產生的干擾回波。
Ø 識別港機設備左右兩個不同方向。避免因為不同的方向的移動而造成誤報警動作。
Ø 極快速的距離檢測模式。最快可以滿足線速度達17m/s的移動速度的測量。
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 |
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防碰撞功能。
安裝時的注意事項：
1、 安裝位置應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域內，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當通過金屬導管連接到CraneRanger。
5、
圖5：安裝在現場的XLT-60 |
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。否則會導致換能器表面張力過大而改變換能器的工作特性，產生的現象是：“盲區”擴大，在近距離產生誤報警信號。
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。
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