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- 超聲波卸船機(jī)防碰撞系統(tǒng)在湛江發(fā)電廠的成功應(yīng)用
- 來源:賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2011/2/21
一、引言
廣東湛江發(fā)電廠卸船碼頭共有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)電廠決定采用SIEMENS公司的CraneRanger系統(tǒng)來實(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)。
圖2:安裝在卸船機(jī)上的CraneRange變送器
CraneRanger是西門子公司專門為大型港機(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。
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(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,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”在噪聲中,而無法正常識(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)技術(shù)(一般在防撞應(yīng)用采用“自動(dòng)斜坡”—Slopes TVT曲線)抑制了噪聲的強(qiáng)度,使有效信號(hào)被識(shí)別出來。
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),左邊的換能器開始工作,如果感測(cè)到保護(hù)距離內(nèi)有障礙物,則通過繼電器信號(hào)實(shí)現(xiàn)減速或停車控制;進(jìn)入停車狀態(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的活塞式超聲波換能器,它采用了市場(chǎng)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(diǎn):
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(jiān)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(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,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)。
圖4:超聲波換能器在卸船機(jī)大車安裝位置示意圖
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。
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(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(hào)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(dāng)通過金屬導(dǎo)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(huì)導(dǎo)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(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
安裝完成以后通過專用的工具軟件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)試過程中,回波信號(hào)始終非常強(qiáng)烈而這可靠。
圖6:可靠的回波信號(hào)
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(dòng)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(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)。
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