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CraneRanger防碰撞系统的原理和应用

一、概述

CraneRanger是西门子公司所设计的专用于大型港口机械（简称：大车，比如：RTG、RMG、OHBC等）比如：防碰撞用途的物位测量仪器，它采用超声波回声测距的原理。一般一套CraneRanger防碰撞系统有一台CraneRanger变送器和两个超声波换能器组成，可以实现大车左右两个运动方向的防碰撞保护。

目前国内的港口机械制造业发展迅猛，也诞生很多国际**的明星企业，比如：上海振华港机。为了更好地满足很多港口码头对港口机械的防碰撞要求，很多港口机械制造商和码头的用户(比如：集装箱码头等)需要一种能够**可靠、维护量低的防碰撞系统来满足这一需求；而CraneRanger则是满足这一要求的*理想的专业选择。

图1：采用了CraneRanger防碰撞体统的RTG

目前，CraneRanger在上海振华港机、美国Noell等公司被广泛采用，同时这一产品也是港口机械防碰撞应用领域中，市场占有率*高的产品之一。

二、工作原理

CraneRanger是基于超声波回波测距的原理。CraneRanger通过换能器发射一种超声波脉冲，通过空气的传播，在被测物体（其他大车）的表面上产**射回波，发射波的能量被换能器接收到，并转换为电脉冲信号。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，并转换为供显示的距离信号、mA电流输出、继电器动作信号。

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 －与被测大车的距离

图2：CraneRanger外观

反射回波信号由CraneRanger的声智能回波处理软件进行处理。过滤从真正的防撞物体的反射波、环境噪声、电磁干扰波、随机的干扰回波的混合回波中，采样真正的反射回波。

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。

三、组成和特点

一套CraneRanger大车防撞系统一般是由一台CraneRanger变送器和两个XLT-60超声波换能器组成。

它的主要特点是：

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”—SlopesTVT曲线）抑制了噪声的强度，使有效信号被识别出来。

回波图形可以使用DolphinPlus或SuperSonex软件来读取（如图3）。

图3：经过声智能技术处理的回波图形

2、识别港机设备左右两个不同方向

CraneRanger可以同时连接两路通道（换能器）进行工作。两个换能器的工作状态有一组三触点继电器控制，该继电器可以通过客户系统的设定和系统输入，来控制继电器的开关，已决定选择哪一路换能器进行工作（左、右两路），因此，CraneRanger在同一时间只会有一个通道进行工作，在大车向某一个方向运动对该方向进行保护（减速、锁死），而不会影响另一个方向的运动。而且，在非轨道式大车（比如：RTG轮胎吊）停止、横向移动、旋转、转向时，CraneRanger也不会产生误动作而锁死大车的运动。

3、极快速的距离检测模式

大车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；而大车（RTG）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*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CraneRangerr配套的是专用的Echomax系列中的XLT-60换能器（如图5）。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（如图4）的全铝金属制换能器。如图。

它具有以下优点：

§ 波束角小。小至5º，可以*大程度地避开周围的干扰物；

图4：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

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*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；

图5：XLT-60超声波换能器

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*长365m的连线距离；

§ 较小的安装尺寸使安装更加方便；

5、灵活的供电选择和信号输出

供电电源采用灵活的交流电设计，标准型号的CraneRanger提供了100/115/200/230VAc的供电选择，通过变送器内的一个旋钮来进行选择，可以同时满足各个不同国家的要求，而不需要进行不同的选型。

信号输出一般采用两组继电器信号来组为报警信号的输出，一组作为大车减速报警(SlowAlarm)输出，一组作为刹车报警(StopAlarm)输出，而这两组输出继电器所对应的工作通道是由客户输入继电器对工作换能器(左右通道)的选择所决定。

当然，客户也可以选择mA电流输出到系统中来作为大车距离的指示。在一些诸如卸船机的应用中，因为除了要防止大车之间的防撞之外，还需要对��车转动臂进行防撞，则可以通过大车之间的直线距离结合大车转动臂的角度计算出转动臂与其大机械的**距离，进行防撞保护。

CraneRanger还兼容Smartlink技术。Smartlink提供了一种灵活的数字通讯解决方案：不需要更换仪表，简单地即插即用Smartlink通讯卡既可以实现对ProfibusDP、Device Net、Modbus、甚至无线远程传输等通讯要求。

四、安装调试与注意事项

安装位置的选择

CraneRanger的两个超声波换能器的安装位置一般都选择在大车(RTG)的大横梁上，既可以避免物料堆（集装箱）的干扰，又可以因为反射物的面积较大而获取较好的反射信号。

探头在横梁位置一般尽可能保持一段距离，以防止对面大车的发方向换能器发射的超声波脉冲影响它的工作，产生误报警动作。

当然，也有客户要求超声波换能器安装在机械“腿”上（如图6），以满足（集装箱）堆场内不同高度的大车(RTG)之间的防碰撞要求。因为大车机械“腿”的反射面积相对较小，因此要求将换能器左右两边的安装位置有一定的高度差，以防止两台同一直线上的换能器相互之间干扰。另外，为了防止由于较倾斜的面积较小的反射面造成反射回波信号的衰减，因此在换能器相对的位置安装一个平板作为反射面。

图6：安装在RTG“腿”上换能器及发射板