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）

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
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。它具有以下優點：

? 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）。

? 消除電磁噪聲產生的干擾回波。

? 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。

? 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。

? 高技術含量的Echomax系列超聲波換能器。與CraneRanger配套的專用的XLT-60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。

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、 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，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。

目前在中國的大多數鋼鐵廠、電廠的原料碼頭等還是在采用人工的方法來控制卸船機，基本上都是依靠人工作業來防止碰撞，可靠性極差，我廠所設計采用了卸船機防碰撞系統將因為人工造成的碰撞事故減少到零，即達到了安全生產的目的，又節省了大量的維修費用，值得各工礦廠商借鑒。