轨道式起重机,就像是工业生产线上巨大的“手臂”,在固定的轨道上前后移动(大车运行),同时它的横向小车也能左右移动(小车运行),并上下吊运重物(起升机构)。在钢铁厂、铸造车间等高温作业环境中,起重机经常需要处理炽热的钢水包、钢坯或高温炉材。
在这种环境下,起重机防撞系统面临着严峻的技术要求:
大范围精确感知: 起重机运行速度可能较快,需要提前较远的距离(通常数十米甚至数百米)就能准确探测到前方是否有障碍物或另一台起重机,以便及时减速或停车。这就要求传感器具备远距离测量能力。
高精度与高可靠性: 微小的距离误差在高速度下可能导致严重的碰撞。防撞系统需要“毫米级”的精确度来判断安全距离,确保在安全阈值内采取行动。
高温环境适应性: 周围环境温度可能高达60℃以上,被测物体表面温度更是可能达到上千摄氏度。传感器本身需要耐高温,或者能通过辅助设备(如冷却外壳)在这种环境下稳定工作。同时,传感器需要能准确测量高温物体表面的距离,且不受高温辐射干扰。
抗干扰能力: 高温作业环境往往伴随着蒸汽、烟尘、强烈光照(如熔融金属的火光、阳光直射)等复杂因素,这些都可能对传感器的性能造成干扰,导致误报或漏报。
快速响应: 起重机移动时,需要传感器能实时、快速地更新距离数据,以便控制系统及时作出反应。
为了确保轨道式起重机的安全运行,特别是防撞功能,通常需要监测以下几个核心参数:
运行距离: 这是最基本的参数,指起重机或其载荷与预设障碍物、其他起重机或轨道末端之间的直线距离。它的定义是两物体之间的最短空间距离。
安全距离阈值: 通常会设定多个等级的安全距离。例如,当距离进入“预警区”时,系统发出警告并开始减速;当进入“危险区”时,则立即强制停车。这些阈值是基于起重机的运行速度、制动性能以及响应时间等因素综合评估确定的。评价方法通常是在实际运行中模拟不同距离下的制动效果,并结合理论计算。
移动速度: 实时监测起重机或其目标(如另一台起重机)的移动速度,这对于预测碰撞风险和制定减速策略至关重要。
位置与方向: 在多台起重机或复杂区域作业时,不仅要知道距离,还需要知道它们各自的精确位置和移动方向,以便实现区域管理和更智能的防撞。
环境参数: 如环境温度、湿度、粉尘浓度等,这些参数虽然不是直接用于防撞,但对传感器的性能和可靠性有重要影响,需要作为系统设计时的考量因素。
精准的防撞离不开可靠的距离测量技术。目前市面上,有多种主流的传感器技术方案可以用于轨道式起重机的防撞,每种都有其独特的优势和适用场景。
3.1 市面上各种相关技术方案
3.1.1 脉冲激光飞行时间 (Time-of-Flight, TOF) 测距技术
这种技术的工作原理,就好比我们向远处大喊一声,然后通过听到回声的时间来判断距离。脉冲激光TOF测距传感器会发射一个极短的激光脉冲,这个激光脉冲以光速(约每秒30万公里)传播,遇到目标物体后会反射回来,被传感器接收。传感器内部的精密计时器会精确测量从激光发射到接收所经过的“飞行时间”。
其物理基础是光的传播速度是恒定的。因此,我们可以通过以下公式来计算距离:
距离 D = (光速 c * 飞行时间 t) / 2
这里的 c
大约是 3 x 10^8 米/秒
,t
是激光往返的时间。除以2是因为激光走了去和回两趟路程。
核心性能参数典型范围: * 测量范围:通常从几厘米到数百米,甚至上千米。 * 测量精度:可达毫米级或厘米级。高端系统的激光测量精度一般为±1mm。 * 重复精度:通常优于测量精度。 * 测量速度(更新频率):从几十赫兹到数百赫兹,甚至更高。
技术方案的优缺点: * 优点: 测量精度高,量程远,响应速度快,非接触式测量。由于激光束窄,可以实现精确的点对点测量,适用于精确定位和单点防撞。对于目标表面温度高的情况,只要传感器本身有足够的耐温和抗干扰能力,激光能穿过空气测量高温物体表面。 * 缺点: 容易受到环境光照(特别是太阳光)、烟尘、水雾等介质的影响,导致信号衰减或误读。目标物体的反射特性(颜色、材质、角度)也会影响测量效果,例如深色或粗糙表面反射弱,可能导致测量距离缩短或不稳定。成本相对超声波传感器较高。 * 适用场景: 对精度和量程要求高,环境相对洁净或有较好防护措施的室内外起重机防撞;需要测量高温物体距离的场景。
3.1.2 调频连续波 (FMCW) 雷达测距技术
FMCW雷达的工作原理,与脉冲激光有些不同。它不是发射一个短脉冲,而是持续发射一种频率会线性变化的微波信号(就像一个警笛声,频率逐渐升高)。当这个信号遇到目标物体并反射回来时,由于距离的存在,接收到的信号会比发射信号有一个时间延迟。因为发射信号的频率一直在变化,这个时间延迟就会导致接收信号的频率与当前发射信号的频率之间产生一个“频率差”。
通过测量这个频率差,并结合发射信号的频率变化斜率,就可以计算出距离:
距离 D = (c * Delta_f) / (2 * df/dt)
这里的 c
是电磁波速度(接近光速),Delta_f
是发射信号和接收信号的频率差,df/dt
是发射信号的频率变化斜率。
核心性能参数典型范围: * 测量范围:通常从几米到数百米。 * 测量精度:通常为厘米级,具体数值依赖于带宽和信号处理能力。 * 频率:常用24 GHz或77 GHz等ISM频段。 * 防护等级:通常IP67,适应恶劣环境。
技术方案的优缺点: * 优点: 穿透能力强,对雨、雾、粉尘、烟尘等恶劣环境条件具有非常好的适应性,抗光照干扰能力也极强。测量范围大,可靠性高。 * 缺点: 成本相对较高,空间分辨率通常低于激光,可能无法区分非常靠近的细小目标。微波信号的波束宽度可能比激光大,在某些需要极窄光束的场景下可能不适用。 * 适用场景: 港口、矿山等极端恶劣天气(大雾、暴雨、扬尘)和复杂环境下的起重机防撞,对环境适应性要求极高的重工业应用。
3.1.3 超声波测距技术
超声波测距就像蝙蝠利用声波来感知周围环境。传感器发射高频的超声波脉冲,这个脉冲在空气中传播,遇到目标物体后会反射回来,被传感器接收。和TOF激光类似,传感器通过测量超声波从发射到接收的往返时间,结合空气中的声速来计算距离。
计算公式为:
距离 D = (声速 vs * 飞行时间 t) / 2
这里的 vs
是超声波在介质(空气)中的传播速度,大约是 343 米/秒
(在20℃空气中)。
核心性能参数典型范围: * 测量范围:通常从几厘米到几米(例如10厘米到8米),极少有超过10-15米的。 * 分辨率:可达毫米级。 * 响应时间:通常较慢,几十毫秒到几百毫秒。
技术方案的优缺点: * 优点: 成本低廉,结构简单,对各种颜色、形状和材质的目标物体都能较好地工作,不易受强光照影响。 * 缺点: 测量范围非常有限,不适合远距离防撞。受空气温度、湿度变化影响较大(声速会变化),风、噪音和环境中的障碍物(如细杆)可能导致误测。响应速度相对较慢,不适合高速移动的起重机。不适用于真空或高温高压环境。 * 适用场景: 短距离、低速、对成本敏感的防撞或定位应用,如起重机吊钩的精确落点控制,或与地面障碍物的近距离防撞。
3.1.4 2D 激光扫描测距技术
2D激光扫描测距,也称为激光雷达(LIDAR)的一种形式,它的基本原理与脉冲激光TOF测距相同,都是测量激光的飞行时间。但不同之处在于,它内部有一个旋转机构,使得激光束可以在一个平面内进行高速扫描,形成一个扇形的检测区域。每次激光发射和接收,都能获得一个方向上的距离数据。通过连续扫描,传感器能够绘制出该区域内的障碍物轮廓,形成一个“2D点云图”。
物理基础和公式与脉冲激光TOF测距相同:
距离 D = (光速 c * 飞行时间 t) / 2
核心性能参数典型范围: * 检测范围:通常几十米(例如0.1米到30米)。 * 角度范围:通常可达 270°。 * 角度分辨率:通常0.25°或更高。 * 扫描时间:通常几十毫秒每扫描。 * 距离精度:通常厘米级。
技术方案的优缺点: * 优点: 能够提供广阔区域内的障碍物信息,不仅仅是一个点。可以实时构建环境地图,实现区域防撞和避障,对移动目标检测效果好。适用于复杂的防撞场景。 * 缺点: 测量范围通常不如单点TOF激光测距仪远。成本相对较高。仍然会受到烟尘、水雾和强光照的干扰。 * 适用场景: AGV、机器人以及需要对起重机运行路径前方进行区域性障碍物检测和防撞的场景,例如同时有多台起重机在同一轨道上运行,需要识别彼此的位置和运动趋势。
3.2 市场主流品牌/产品对比
德国西克 德国西克是工业传感器领域的佼佼者,其DL系列激光测距传感器在业界享有盛誉。产品基于脉冲激光飞行时间原理,提供高精度和可靠性。 * 核心性能参数: 测量范围通常在0.15米至30米(漫反射目标),对于反射器可达200米;测量精度±3毫米;重复精度±1毫米;开关频率最高200赫兹;防护等级IP67。 * 应用特点: 适用于恶劣工业环境,抗光照干扰能力强。 * 独特优势: 技术成熟,产品线丰富,在全球范围内服务网络完善,品质可靠。
英国真尚有 英国真尚有LCJ系列激光测距传感器专注于提供高性价比和在特殊环境下的优异表现。它同样基于脉冲激光飞行时间原理,但在量程和高温测量方面表现突出。 * 核心性能参数: 测量范围0.05米至500米;最高精度±1毫米;测量速度高达250赫兹;可测量最高1550℃的高温物体表面距离;环境工作温度范围-40℃至+60℃,防护等级IP65,并可配备冷却外壳进一步提升耐温能力。同时提供多种串行接口(RS232,RS485,RS422,SSI和USB),高精度模拟输出(0.1%),以及两个可编程数字输出(DO1和DO2)。 * 应用特点: 尤其适合重工业和户外应用,可在深色表面和有太阳辐射的环境下进行精确测量,是高温起重机防撞的理想选择。 * 独特优势: 卓越的远距离测量能力,独特的超高温物体表面距离测量能力,在保证高精度的同时,具备优秀的温度适应性和抗环境干扰能力。
瑞典迈特斯 瑞典迈特斯专注于工业雷达系统,其CraneGuard-S系列是专为起重机防撞设计的雷达系统。它采用调频连续波 (FMCW) 雷达技术。 * 核心性能参数: 测量范围可达250米;工作频率24 GHz (ISM频段);波束角度窄;防护等级IP67;工作温度-40℃至+60℃。 * 应用特点: 在雨、雾、粉尘等恶劣天气和环境条件下表现出色,穿透性强。 * 独特优势: 在环境条件极差的工业场景下,其出色的环境适应性和远距离测量能力,使其成为激光传感器在特定恶劣环境下的有力补充。
日本北洋 日本北洋在激光扫描仪领域有深厚积累,其UTM-30LN系列是典型的2D激光扫描仪。它也基于脉冲激光飞行时间原理,但通过扫描实现区域检测。 * 核心性能参数: 检测范围0.1米至30米;角度范围 270°;角度分辨率0.25°;扫描时间25毫秒/扫描;距离精度±30毫米(1米至10米)至±50毫米(10米至30米);防护等级IP64。 * 应用特点: 能够构建2D环境地图,实现对监测区域内障碍物的全面检测和定位。 * 独特优势: 提供广阔的区域检测能力,尤其适合AGV、机器人以及需要识别复杂区域内多个障碍物的起重机防撞场景。
3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议
选择轨道式起重机防撞传感器时,必须综合考虑其工作环境、起重机性能和安全要求。以下是一些关键技术指标及其选型建议:
测量范围: 这个指标决定了传感器能探测到的最远距离。对于高速运行的重型起重机,特别是大型钢厂、码头起重机,由于惯性大,需要预留足够的制动距离,因此要求传感器具备200米甚至500米以上的远距离测量能力,以便能更早发现潜在危险。
测量精度与重复精度: 测量精度指的是测量值与真实值之间的最大偏差,重复精度则是指在相同条件下重复测量的一致性。它们直接关系到防撞系统的可靠性。例如,±1毫米的精度意味着在距离判断上只有极小的误差,这对于设定精确的安全距离阈值至关重要。在高精度要求的场景下,毫米级精度是基础。
测量速度(更新频率): 传感器每秒能提供多少次距离数据。对于移动中的起重机,测量速度越快,控制系统就能越及时地获取距离变化信息,从而更快地做出反应。例如,200Hz的更新频率意味着每5毫秒就能获得一次新的距离数据,这对于快速移动的起重机(如堆取料机、大型桥式起重机)至关重要。
环境适应性(温度范围、防护等级、抗干扰能力):
温度范围: 高温作业区不仅环境温度高,还可能涉及高温物体。传感器的工作温度范围必须能覆盖实际环境温度,例如至少要到+60℃。如果环境温度更高或需要测量高温物体,则需要考虑传感器是否具备测量高温物体表面的能力,或可配备冷却外壳等辅助设备。
防护等级: 通常用IPXX表示,例如IP65或IP67。IP65表示能有效防尘和抵御低压喷水,IP67则表示可完全防尘并可在短时间浸泡。在多尘、多水汽的工业环境,高防护等级能确保传感器长期稳定运行。
抗干扰能力: 强光、烟雾、蒸汽、粉尘等是工业环境的常客。选择传感器时,需要评估其在这些复杂条件下的稳定性和抗干扰性能。例如,激光传感器需要有抗太阳光干扰功能,而雷达传感器则在穿透恶劣环境介质方面表现更优。
接口类型: 传感器提供的数据接口(如RS232、RS485、模拟量、开关量输出)需要与起重机的控制系统(PLC、DCS等)兼容,便于数据传输和集成。
选型建议:
对量程和精度要求极高,且需要测量高温物体: 优先选择高性能的脉冲激光TOF传感器,如英国真尚有的LCJ系列,其500米量程和±1毫米精度,以及1550℃的测温能力,非常适合钢铁厂、铸造厂等高温、远距离、高精度防撞场景。
环境极端恶劣(大雾、大雨、重度粉尘)但对精度要求略低于激光: 考虑FMCW雷达传感器,其在恶劣介质穿透性方面具有无可比拟的优势。
需要对起重机运行区域进行全面监测: 2D激光扫描仪能够提供区域性障碍物信息,适合复杂的避障和多点防撞。
短距离、低成本或辅助防撞: 超声波传感器可作为补充,用于起重机吊钩的近距离精确定位或与地面近距离障碍物的防撞。
3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议
在轨道式起重机高温防撞的实际应用中,可能会遇到一些挑战:
问题1:环境干扰导致测量不稳定或误报。
原因与影响: 高温环境往往伴随大量的蒸汽、烟尘、热浪波动以及来自炉火或太阳的强烈光照。这些介质会吸收、散射或干扰激光/雷达信号,导致信号衰减,测量值跳动,甚至完全失去信号,引起防撞系统误判,例如不该停车时停车(影响生产效率)或该停车时未停车(引发安全事故)。高温辐射也会对传感器本身造成热损伤。
解决建议:
选择抗干扰能力强的传感器: 优先选用抗光照能力强、在恶劣天气下表现良好的激光传感器,或直接考虑穿透性更好的FMCW雷达。
加装辅助防护设备: 对于激光传感器,可以安装防护罩、吹扫装置(如气帘或风刀),持续吹扫镜头,防止灰尘和水汽附着。在高温区域,必须为传感器配备冷却外壳或水冷/风冷系统,确保传感器本身在适宜的工作温度范围内运行。
优化安装位置: 尽量将传感器安装在避开主要烟尘、蒸汽流路径的位置,或减少直接面对强烈光源的角度。
问题2:目标反射特性不一导致测量效果差异大。
原因与影响: 起重机可能需要防撞的目标物体种类繁多,包括其他起重机、设备、墙体、甚至工人。这些目标可能表面颜色深浅不一(如深色钢坯、亮色管道),材质各异(金属、混凝土),形状不规则。激光测距特别依赖目标的反射率,深色、粗糙、倾斜的表面反射信号弱,可能导致测量距离缩短、不稳定或无法测量。
解决建议:
选择对深色表面有优化能力的传感器: 市场上有些激光传感器特别注明能对深色或低反射率表面进行测量,应优先选择。
安装辅助反射器: 在关键防撞区域或另一台起重机上,可以安装高反射率的反射板,作为激光传感器的目标,显著提高测量距离和稳定性。
采用多传感器冗余或融合: 结合不同原理的传感器(如激光与雷达),互相验证测量结果,提高整体系统的鲁棒性。
问题3:传感器数据与控制系统集成复杂。
原因与影响: 不同的传感器可能提供不同类型的输出接口(RS232、RS485、模拟量、开关量、以太网等),需要与起重机现有的PLC或控制系统进行匹配和数据解析。如果接口不兼容或缺乏相应驱动,会导致集成困难,增加开发和调试成本。
解决建议:
前期充分调研: 在选型时,明确起重机控制系统支持的接口类型,选择与现有系统兼容性最好的传感器。
利用工业网关: 如果接口不兼容,可以考虑使用工业网关或协议转换器,将传感器数据转换为控制系统可识别的格式。
咨询供应商技术支持: 传感器供应商通常会提供详细的接口协议和开发指导,可以寻求他们的专业支持。
钢铁厂板坯库防撞: 在高温的板坯库中,多台轨道式起重机并行作业,负责搬运炽热的钢板坯。激光测距传感器安装在起重机大车和小车上,实时监测与前后、左右起重机及库区端部的距离,防止碰撞发生。例如,英国真尚有的激光测距传感器,可以测量高温物体表面距离,保证了测量的准确度。
铸造车间行车防撞: 铸造车间的高温和烟尘环境对传感器是极大考验。通过使用具备高温测量能力和抗干扰特性的激光传感器,可精确测量行车与钢水包、模具之间的距离,确保高温熔融金属运输过程中的安全。
垃圾焚烧发电厂抓斗起重机定位: 在垃圾焚烧炉上方,抓斗起重机需要精确抓取垃圾并投料。激光传感器可用于精确定位抓斗在料坑中的位置,防止其撞击料坑壁或炉门,同时也能避免与另一台抓斗起重机发生冲突。
自动化立体仓库堆垛机防撞: 在大型自动化立体仓库中,高速运行的堆垛机需要极高精度的定位和防撞。激光测距传感器可确保堆垛机在货架间安全穿梭,避免与货物或货架结构发生碰撞,提高自动化效率。
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