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超声波卸船机防碰撞系统在湛江发电厂的成功应用

作者:李汉强                  广东省粤电集团有限公司湛江发电厂原料部专工 
          李锦聪,宋德杰    西门子(中国)有限公司

摘要:本文介绍了湛江发电厂采用先进的超声波测量技术实现码头卸船机的防碰撞系统,以及该系统的设计、测量原理、安装及注意事项。

关键词:CraneRanger 超声波  防碰撞  卸船机  换能器

一、引言

广东湛江发电厂卸船码头共有3台卸船机,其中1号、2号为桥式抓斗卸船机,放置在码头两边;3号为连续链式卸船机,放置在1号机和2号机中间。(如图1)



                 图1:卸船机的布置图及远景图

      平时作业时,3台卸船机存在相互碰撞的情况,造成了机器钢结构严重变形、损坏,给公司的日常生产带来的很大的麻烦,也造成了较大的经济损失。公司希望能够找到一种可靠、准确、安全的方法来避免碰撞事故的发生,以提高生产效率,减少责任事故。

二、方案的设计

      为了使3台卸船机更好地协作工作,根据现场情况分析,需要解决三个防撞点:

       ①#3连续式链斗卸船机变幅机构配重块;

       ②#1、#2、#3卸船机大车行走机构两侧支架;

       ③#3连续式链斗卸船机的提升机和取料头。

    A、针对第一个碰撞点,拟定在#3连续式链斗卸船机变幅机构配重块的两端各装两个检测传感器,用于检测#1、#2、#3卸船机相互之间距离,当两机距离小于5米时,有报警,如两机距离小于3米时,将由#3连续式链斗卸船机发出停止大车行走信号,分别停止#3连续式链斗卸船机和与之靠近#1或#2桥式抓斗卸船机及#3连续式链斗卸船机相对应的回转操作,杜绝#3连续式链斗卸船机尾部与#1或#2桥式抓斗卸船机相碰(如图1)。

    B、针对第二个碰撞点,建议在#1、#2、#3卸船机大车行走机构两侧加装各一套检测装置,防止两侧支架相撞的同时,测量#1、#2、#3卸船机的距离S1,输出值S1跟#3卸船机在回转过程尾部变动值相比较S2=SINɑ*D,当比较后的相对值小于5米时报警,小于3米时,闭锁相对应的操作,此种方式作为第一点措施的补充,消除监控上的“盲点”。

    C、对于第三个碰撞点,出于如下两点考虑,不再加装传感器。

    ①#1、#2卸船机大车行走和#3连续式链斗卸船机的提升机(或取料头)都可以在司机操作视线范围内进行监控;

    ②#3连续式链斗卸船机作业时,船舱及桅杆会引起传感器频繁的误动,导致无法工作。

    此设计方案中,防碰撞系统全部采用继电器开关信号,相对于其他模拟量(4~20mA)或数字通讯而言,开关信号可以更加准确快速地传送信号,具有简单、可靠、抗强磁场干扰能力强的优点。

三、解决方案

       经过反复比较和调查了解,从安全可靠性、稳定性、可行性等各方面考虑,最终湛江发电厂决定采用SIEMENS公司的CraneRanger系统来实现卸船机防碰撞系统。据介绍CraneRanger防撞系统在港机行业应用非常广泛,像国内的振华港机、Noell起重机等单位都大量使用了该系统。

       CraneRanger是西门子公司专门为大型港机设备防撞而设计的采用超声波物位物位测量技术的解决方案。据介绍在很多港口机械设备被大量使用,比如:RTG、RMG、OHBC等。CraneRanger可以同时带两个超声波换能器进行工作,使卸船机的左右两个方向都能得到防碰撞保护。

       CraneRanger是基于超声波回波测距的原理。它采用气介导声的方式,即利用在空气中传播的超声脉冲在被测物体(其他港机设备表面)上被反射,并接收其回波,超声脉冲来回传播的时间与声脉冲传播距离成正比,测出声脉冲行程时间,就可据之算出超声波换能器和其他港机设备的距离。


       图2:安装在卸船机上的CraneRange变送器

  L= C×Δt

式中:C  - 超声波在空气中传播速度

          Δt - 超声脉冲来回传播时间

          L  - 被测卸船机之前的距离超声波在空气中传播速度C与超声频率及大气压力无关,但随空气温度而变,可以近似表示如下:

 C=C0+0.6T=(331.6+0.6T)m/sec

式中:T  - 空气温度℃

          C0 - 0℃时空气中声速,为331.6 m/sec

       因此,在超声波换能器中内置了热敏电阻,用于检测空气温度,然后在计算时修正声速值,使CraneRanger的测量精度更高,而且可以很好地适应不同的环境。

1、 采用了先进的声智能®回波处理软件

这一技术可以使CraneRanger能够识别各种虚假回波。比如:

随机发生的干扰回波。如果有人在超声波换能器边上走过,CraneRanger因为采用一些先进地回波处理算法(比如:窗口锁定处理技术、回波统计算法、窄波过滤器、回波整形技术等),智能化消除这种干扰回波的影响,使CraneRanger具备更高的可靠性。

电磁噪声产生的干扰回波。港机设备的应用不同于普通的工业应用,这些设备会产生很强的电磁场,有时候通过的工作电流高达几百个安培。所产生的强磁场会大大增加超声波变送器的电磁噪声,往往会使正常的回波信号“淹没”在噪声中,而无法正常识别障碍物的回波信号而产生误动作或不动作,达不到防撞的目的。CraneRanger的电路结构设计大大降低了由于电磁场产生的噪声,同时应用多种TVT(回波抑制曲线)技术(一般在防撞应用采用“自动斜坡”—Slopes TVT曲线)抑制了噪声的强度,使有效信号被识别出来。

2、 识别港机设备左右两个不同方向

      这一功能能够使CraneRanger更好地实现某方向上的制动(减速和停止);而不会因为一个方向上的目标物进入防撞保护距离,而全部锁死。比如:如果卸船机往左行驶时,左边的换能器开始工作,如果感测到保护距离内有障碍物,则通过继电器信号实现减速或停车控制;进入停车状态后,卸船机在左方向锁死,除非障碍物移出保护距离,但是卸船机可以做反方向运动(即右方向)。

3、极快速的距离检测模式

      港机设备的移动速度不同于普通的物位的变化速度。一般的过程工业的物位变化速度不会很快,一般在1m~10m/分钟之间;而卸船机、RTG等很多设备的移动速度可以达到100~120m/分钟,因此对防撞系统提出更高的要求。采用特殊的设计技术的CraneRanger可以完成最高速度达17m/s的移动速度的距离检测,而且准确度和可靠性也能得到很好地保证。

4、高技术含量的Echomax系列超声波换能器

      与CraneRanger配套的是专用的Echomax系列中的XLT-60换能器。该型号的换能器不同于常见的活塞式超声波换能器,它采用了市场上很少见的采用曲线式振荡器的全铝金属制换能器。如图。


        图3:曲线振荡式换能器结构图
    1、石英晶体2、平板膜片3、膜片震荡
         4、隔栅5、隔栅前的声音压力

它具有以下有点:

  • 波束角小。小至5º,可以最大程度地避开周围的干扰物;

  • 全铝制的结构比普通塑料的换能器更坚固耐用;

  • 采用了较同类(同量称)超声波换能其中更高的发射频率(13KHz),可以较好地克服环境噪声的干扰,并且得到较高的测量精度(0.25%);

  • 内置温度传感器,可用于最高至150ºC的温度环境中,完全可以适应任何自然环境;

  • 具有表面自清洁功能,基本面维护。即使在粉尘较大的现场或下雨天也不会影响它的正常工作;

  • 设计有效测量距离为60m;

  • 两线制连接方式,可以采用抗干扰能力较强的同轴电缆(RG62-A/U)作为连接线,有效屏蔽电磁干扰的影响,而且可以实现最长365m的连线距离;

  • 较小的安装尺寸使安装更加方便;

       公司先期采购了2套CraneRanger,4个XLT-60超声波换能器来实现为码头3台卸船机的防碰撞系统地解决方案。

四、安装与注意事项

      CraneRanger的四个超声波换能器的安装位置示意图(如图4)。每台CraneRanger分别配2个XLT-60换能器,向左右两个方向的实现防碰撞功能。


                            图4:超声波换能器在卸船机大车安装位置示意图

安装时的注意事项:

1、安装位置应尽可能选择较高的位置,以避开周围的堆起的杂物的影响。

2、换能器表面一般与地面呈垂直,使发射的超声脉冲波能够尽可能垂直地射向需要防撞的目标物表面,而选择的目标物表面应尽可能平整。

3、两台CraneRanger安装在同一台大车上,并且所配套超声波换能器工作在同一个方向和区域内,开启同步功能,即将连接线端的同步端子连通,以防止换能器之间的信号相互干扰。

4、虽然XLT-60也可以采用双绞屏蔽线来连接,但应尽可采用同轴电缆已获得最好的抗干扰能力;换能器的连接电缆应当通过金属导管连接到CraneRanger。

5、安装换能器不能用力过大,一般用手的力量来安装即可,不需要用扳手安装地过紧。否则会导致换能器表面张力过大而改变换能器的工作特性,产生的现象是:“盲区”扩大,在近距离产生误报警信号。


              图5:安装在现场的XLT-60

五、使用效果

      安装完成以后通过专用的工具软件SuperSonex进行连续跟踪期回波图形(如图6),在卸船机的整个测试过程中,回波信号始终非常强烈而这可靠。

       自2004年7月安装使用该系统以后,卸船之间碰撞事故没有再发生。该系统的工作状态良好,基本上没有出现任何误动作,完全满足可靠安全的要求。而且,在经历一年四季的气温的变化以及刮风下雨等自然环境的考验,这套系统的性能始终如一,真正实现了免维护。


                     图6:可靠的回波信号

参考文献:

1、  Siemens Milltronics Process Instrument Inc,CraneRanger Instuction Manual,2004.9

2、  薛惠,超声波物位计在工程中的应用,有色冶金设计与研究,2000.6,第21卷第2期,P15~17 3、  苗德霖,王成凯,付青喜,超声波测液位技术和液位声速的修正,铁道技术监督,2000年第3期,P37~P39

4、  李竞武,物位仪表在我国工业中的应用