一、概述

CraneRanger是西門子公司所設計的專用于大型港口機械（簡稱：大車，比如：RTG、RMG、OHBC等）比如：防碰撞用途的物位測量儀器，它采用超聲波回聲測距的原理。一般一套CraneRanger防碰撞系統有一臺CraneRanger變送器和兩個超聲波換能器組成，可以實現大車左右兩個運動方向的防碰撞保護。

目前國內的港口機械制造業發展迅猛，也誕生很多國際領先的明星企業，比如：上海振華港機。為了更好地滿足很多港口碼頭對港口機械的防碰撞要求，很多港口機械制造商和碼頭的用戶(比如：集裝箱碼頭等)需要一種能夠安全可靠、維護量低的防碰撞系統來滿足這一需求；而CraneRanger則是滿足這一要求的最理想的專業選擇。

圖1：采用了CraneRanger防碰撞體統的RTG

目前，CraneRanger在上海振華港機、美國Noell等公司被廣泛采用，同時這一產品也是港口機械防碰撞應用領域中，市場占有率最高的產品之一。

 

 

 

 

 

二、工作原理

CraneRanger是基于超聲波回波測距的原理。CraneRanger通過換能器發射一種超聲波脈沖，通過空氣的傳播，在被測物體（其他大車）的表面上產生發射回波，發射波的能量被換能器接收到，并轉換為電脈沖信號。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，并轉換為供顯示的距離信號、mA電流輸出、繼電器動作信號。

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  － 與被測大車的距離

圖2：CraneRanger外觀

反射回波信號由CraneRanger的聲智能回波處理軟件進行處理。過濾從真正的防撞物體的反射波、環境噪聲、電磁干擾波、隨機的干擾回波的混合回波中，采樣真正的反射回波。

 

 

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。   

 

三、組成和特點

一套CraneRanger大車防撞系統一般是由一臺CraneRanger變送器和兩個XLT-60超聲波換能器組成。

它的主要特點是：

1、 采用了先進的聲智能?回波處理軟件

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。

回波圖形可以使用Dolphin Plus或SuperSonex軟件來讀取（如圖3）。

圖3：經過聲智能技術處理的回波圖形

 

 

 

 

2、 識別港機設備左右兩個不同方向

CraneRanger可以同時連接兩路通道（換能器）進行工作。兩個換能器的工作狀態有一組三觸點繼電器控制，該繼電器可以通過客戶系統的設定和系統輸入，來控制繼電器的開關，已決定選擇哪一路換能器進行工作（左、右兩路），因此，CraneRanger在同一時間只會有一個通道進行工作，在大車向某一個方向運動對該方向進行保護（減速、鎖死），而不會影響另一個方向的運動。而且，在非軌道式大車（比如：RTG輪胎吊）停止、橫向移動、旋轉、轉向時，CraneRanger也不會產生誤動作而鎖死大車的運動。

 

3、極快速的距離檢測模式

大車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；而大車（RTG）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。

 

4、高技術含量的Echomax系列超聲波換能器

    與CraneRangerr配套的是專用的Echomax系列中的XLT-60換能器（如圖5）。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（如圖4）的全鋁金屬制換能器。如圖。

它具有以下優點：

§  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；

§ 

圖5：XLT-60超聲波換能器

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；

   

5、靈活的供電選擇和信號輸出

供電電源采用靈活的交流電設計，標準型號的CraneRanger提供了100/115/200/230VAc的供電選擇，通過變送器內的一個旋鈕來進行選擇，可以同時滿足各個不同國家的要求，而不需要進行不同的選型。

信號輸出一般采用兩組繼電器信號來組為報警信號的輸出，一組作為大車減速報警(Slow Alarm)輸出，一組作為剎車報警(Stop Alarm)輸出，而這兩組輸出繼電器所對應的工作通道是由客戶輸入繼電器對工作換能器(左右通道)的選擇所決定。

當然，客戶也可以選擇mA電流輸出到系統中來作為大車距離的指示。在一些諸如卸船機的應用中，因為除了要防止大車之間的防撞之外，還需要對大車轉動臂進行防撞，則可以通過大車之間的直線距離結合大車轉動臂的角度計算出轉動臂與其大機械的安全距離，進行防撞保護。

CraneRanger還兼容Smartlink技術。Smartlink提供了一種靈活的數字通訊解決方案：不需要更換儀表，簡單地即插即用Smartlink通訊卡既可以實現對Profibus DP、Device Net、Modbus、甚至無線遠程傳輸等通訊要求。   

 

四、安裝調試與注意事項

安裝位置的選擇

CraneRanger的兩個超聲波換能器的安裝位置一般都選擇在大車(RTG)的大橫梁上，既可以避免物料堆（集裝箱）的干擾，又可以因為反射物的面積較大而獲取較好的反射信號。

探頭在橫梁位置一般盡可能保持一段距離，以防止對面大車的發方向換能器發射的超聲波脈沖影響它的工作，產生誤報警動作。

當然，也有客戶要求超聲波換能器安裝在機械“腿”上（如圖6），以滿足（集裝箱）堆場內不同高度的大車(RTG)之間的防碰撞要求。 因為大車機械“腿”的反射面積相對較小，因此要求將換能器左右兩邊的安裝位置有一定的高度差，以防止兩臺同一直線上的換能器相互之間干擾。另外，為了防止由于較傾斜的面積較小的反射面造成反射回波信號的衰減，因此在換能器相對的位置安裝一個平板作為反射面。 

圖6：安裝在RTG“腿”上換能器及發射板

   

 

 參數的設置

CraneRanger支持紅外線手操器的操作方式進行參數設定。因為很多主要參數都是根據大車防撞的要求默認設定的，因此CraneRanger的啟動非常簡單。

常用的參數設置如下：

工作模式選擇“CraneRanger專用”服務模式(P001=3 in service)；

反射表面特性選擇“平面”（P002=1 flat surface 默認）；

測量反應速度選擇的最快的模式 (P003=5  17m/s，默認）;

探頭通常都選擇XLT-60與CraneRanger配套使用(P004=108）；

最大測量距離可以根據要求來設定，預設定值一般為(P006=35m);

滿量程(4-20mA輸出)的預設定值一般與P006相同；

 

標準的報警繼電器設置中，在常用的RTG的設置中，減速報警距離一般設定為30m（P101 =30m），剎車報警距離為15m( P103=15m)，當然報警距離的值可以根據實際需求修改。

 

 

   安裝時的注意事項：

1、  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（如圖7）。

 

 

 

2、  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（用金屬接線盒連接為佳）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（應避開大車的強電電纜的通道，一般在機械支架外另外穿金屬管）連接到CraneRanger。

3、  為了減少超聲波換能器的余音(RingDown),確保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。