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摘要：本文闡述了CraneRanger的工作原理、特點(diǎn)、安裝和應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：超聲波 CraneRagner 防碰撞 RTG 換能器
一、概述
CraneRanger是西門子公司所設(shè)計(jì)的專用于大型港口機(jī)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(tǒng)有一臺(tái)CraneRanger變送器和兩個(gè)超聲波換能器組成，可以實(shí)現(xiàn)大車左右兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的防碰撞保護(hù)。
目前國內(nèi)的港口機(jī)械制造業(yè)發(fā)展迅猛，也誕生很多國際領(lǐng)先的明星企業(yè)，比如：上海振華港機(jī)。為了更好地滿足很多港口碼頭對(duì)港口機(jī)械的防碰撞要求，很多港口機(jī)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(hù)量低的防碰撞系統(tǒng)來滿足這一需求；而CraneRanger則是滿足這一要求的最理想的專業(yè)選擇。
圖1：采用了CraneRanger防碰撞體統(tǒng)的RTG | 目前，CraneRanger在上海振華港機(jī)、美國Noell等公司被廣泛采用，同時(shí)這一產(chǎn)品也是港口機(jī)械防碰撞應(yīng)用領(lǐng)域中，市場占有率最高的產(chǎn)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(fā)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(chǎn)生發(fā)射回波，發(fā)射波的能量被換能器接收到，并轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)。超聲脈沖來回傳播的時(shí)間與聲脈沖傳播距離成正比，測出聲脈沖行程時(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，并轉(zhuǎn)換為供顯示的距離信號(hào)、mA電流輸出、繼電器動(dòng)作信號(hào)。
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 － 與被測大車的距離
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圖2：CraneRanger外觀 | 反射回波信號(hào)由CraneRanger的聲智能回波處理軟件進(jìn)行處理。過濾從真正的防撞物體的反射波、環(huán)境噪聲、電磁干擾波、隨機(jī)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(nèi)置了熱敏電阻，用于檢測空氣溫度，然后在計(jì)算時(shí)修正聲速值，使CraneRanger的測量精度更高，而且可以很好地適應(yīng)不同的環(huán)境。
三、組成和特點(diǎn)
一套CraneRanger大車防撞系統(tǒng)一般是由一臺(tái)CraneRanger變送器和兩個(gè)XLT-60超聲波換能器組成。
它的主要特點(diǎn)是：
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，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。
回波圖形可以使用Dolphin Plus或SuperSonex軟件來讀�。ㄈ鐖D3）。
圖3：經(jīng)過聲智能技術(shù)處理的回波圖形 |
2、 識(shí)別港機(jī)設(shè)備左右兩個(gè)不同方向
CraneRanger可以同時(shí)連接兩路通道（換能器）進(jìn)行工作。兩個(gè)換能器的工作狀態(tài)有一組三觸點(diǎn)繼電器控制，該繼電器可以通過客戶系統(tǒng)的設(shè)定和系統(tǒng)輸入，來控制繼電器的開關(guān)，已決定選擇哪一路換能器進(jìn)行工作（左、右兩路），因此，CraneRanger在同一時(shí)間只會(huì)有一個(gè)通道進(jìn)行工作，在大車向某一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)對(duì)該方向進(jìn)行保護(hù)（減速、鎖死），而不會(huì)影響另一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。而且，在非軌道式大車（比如：RTG輪胎吊）停止、橫向移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向時(shí)，CraneRanger也不會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作而鎖死大車的運(yùn)動(dòng)。
3、極快速的距離檢測模式
大車的移動(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；而大車（RTG）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，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CraneRangerr配套的是專用的Echomax系列中的XLT-60換能器（如圖5）。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(yōu)點(diǎn)：
§ 波束角小。小至5º，可以最大程度地避開周圍的干擾物；
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圖4：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 | 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)場或下雨天也不會(huì)影響它的正常工作；
§ 設(shè)計(jì)有效測量距離為60m；
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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(hào)輸出
供電電源采用靈活的交流電設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)的CraneRanger提供了100/115/200/230VAc的供電選擇，通過變送器內(nèi)的一個(gè)旋鈕來進(jìn)行選擇，可以同時(shí)滿足各個(gè)不同國家的要求，而不需要進(jìn)行不同的選型。
信號(hào)輸出一般采用兩組繼電器信號(hào)來組為報(bào)警信號(hào)的輸出，一組作為大車減速報(bào)警(Slow Alarm)輸出，一組作為剎車報(bào)警(Stop Alarm)輸出，而這兩組輸出繼電器所對(duì)應(yīng)的工作通道是由客戶輸入繼電器對(duì)工作換能器(左右通道)的選擇所決定。
當(dāng)然，客戶也可以選擇mA電流輸出到系統(tǒng)中來作為大車距離的指示。在一些諸如卸船機(jī)的應(yīng)用中，因?yàn)槌艘乐勾筌囍g的防撞之外，還需要對(duì)大車轉(zhuǎn)動(dòng)臂進(jìn)行防撞，則可以通過大車之間的直線距離結(jié)合大車轉(zhuǎn)動(dòng)臂的角度計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)臂與其大機(jī)械的安全距離，進(jìn)行防撞保護(hù)。
CraneRanger還兼容Smartlink技術(shù)。Smartlink提供了一種靈活的數(shù)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(shí)現(xiàn)對(duì)Profibus DP、Device Net、Modbus、甚至無線遠(yuǎn)程傳輸?shù)韧ㄓ嵰蟆?nbsp;
四、安裝調(diào)試與注意事項(xiàng)
安裝位置的選擇
CraneRanger的兩個(gè)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?yàn)榉瓷湮锏拿娣e較大而獲取較好的反射信號(hào)。
探頭在橫梁位置一般盡可能保持一段距離，以防止對(duì)面大車的發(fā)方向換能器發(fā)射的超聲波脈沖影響它的工作，產(chǎn)生誤報(bào)警動(dòng)作。
當(dāng)然，也有客戶要求超聲波換能器安裝在機(jī)械“腿”上（如圖6），以滿足（集裝箱）堆場內(nèi)不同高度的大車(RTG)之間的防碰撞要求。 因?yàn)榇筌嚈C(jī)械“腿”的反射面積相對(duì)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(tái)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(hào)的衰減，因此在換能器相對(duì)的位置安裝一個(gè)平板作為反射面。
參數(shù)的設(shè)置
CraneRanger支持紅外線手操器的操作方式進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。因?yàn)楹芏嘀饕獏?shù)都是根據(jù)大車防撞的要求默認(rèn)設(shè)定的，因此CraneRanger的啟動(dòng)非常簡單。
常用的參數(shù)設(shè)置如下：
工作模式選擇“CraneRanger專用”服務(wù)模式(P001=3 in service)；
反射表面特性選擇“平面”（P002=1 flat surface 默認(rèn)）；
測量反應(yīng)速度選擇的最快的模式 (P003=5 17m/s，默認(rèn)）;
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(jù)要求來設(shè)定，預(yù)設(shè)定值一般為(P006=35m);
滿量程(4-20mA輸出)的預(yù)設(shè)定值一般與P006相同；
標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)警繼電器設(shè)置中，在常用的RTG的設(shè)置中，減速報(bào)警距離一般設(shè)定為30m（P101 =30m），剎車報(bào)警距離為15m( P103=15m)，當(dāng)然報(bào)警距離的值可以根據(jù)實(shí)際需求修改。
安裝時(shí)的注意事項(xiàng)：
1、 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（如圖7）。
圖7：標(biāo)準(zhǔn)的換能器安裝位置（左圖為俯視圖，右圖為側(cè)視圖） |
2、 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（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(yīng)當(dāng)通過金屬導(dǎo)管（應(yīng)避開大車的強(qiáng)電電纜的通道，一般在機(jī)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(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)。
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