超聲波卸船機防碰撞系統在湛江發電廠的成功應用

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）

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。

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。

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是西門子公司專門為大型港機設備防撞而設計的采用超聲波物位物位測量技術的解決方案。據介紹在很多港口機械設備被大量使用，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

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，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。

這一技術可以使CraneRanger能夠識別各種虛假回波。比如：

隨機發生的干擾回波。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、回波統計算法、窄波過濾器、回波整形技術等），智能化消除這種干擾回波的影響，使CraneRanger具備更高的可靠性。

電磁噪聲產生的干擾回波。港機設備的應用不同于普通的工業應用，這些設備會產生很強的電磁場，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生誤動作或不動作，達不到防撞的目的。CraneRanger的電路結構設計大大降低了由于電磁場產生的噪聲，同時應用多種TVT（回波抑制曲線）技術（一般在防撞應用采用“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。

這一功能能夠使CraneRanger更好地實現某方向上的制動（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有障礙物，則通過繼電器信號實現減速或停車控制；進入停車狀態后，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）。

港機設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等很多設備的移動速度可以達到100~120m/分鐘，因此對防撞系統提出更高的要求。采用特殊的設計技術的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。

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。

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；

§ 全鋁制的結構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射頻率(13KHz)，可以較好地克服環境噪聲的干擾，并且得到較高的測量精度（0.25%）；

§ 內置溫度傳感器，可用于最高至150ºC的溫度環境中，完全可以適應任何自然環境；

§ 具有表面自清潔功能，基本面維護。即使在粉塵較大的現場或下雨天也不會影響它的正常工作；

§ 設計有效測量距離為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為碼頭3臺卸船機的防碰撞系統地解決方案。

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、 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。

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。

自2004年7月安裝使用該系統以后，卸船之間碰撞事故沒有再發生。該系統的工作狀態良好，基本上沒有出現任何誤動作，完全滿足可靠安全的要求。而且，在經歷一年四季的氣溫的變化以及刮風下雨等自然環境的考驗，這套系統的性能始終如一，真正實現了免維護。

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用，有色冶金設計與研究，2000.6,第21卷第2期,P15~17

3、 苗德霖，王成凱，付青喜，超聲波測液位技術和液位聲速的修正，鐵道技術監督，2000年第3期，P37~P39

4、 李競武，物位儀表在我國工業中的應用