多台门式起重机激光防撞系统
乐春阳
（中国船舶电站设备有限公司，上海 200129）
摘 要：随着船厂生产任务增多，门式起重机的数量也在逐渐增加，然而船厂场地有限，由此产生了部分起重机的布置必须同轨、起重机间距过近等一系列问题。为解决多台门式起重机行走机构之间的安全隐患，需要研制起重机防撞系统来起到必要的报警和保护作用。文章主要介绍了门式起重机激光防撞系统，该系统能有效杜绝此类安全隐患。
关键词：门式起重机；防撞系统；行走机构
中图分类号：TH21 文献标志码：A DOI：10.143/j.cnki.31-1420.2019.04.008
Multi Gantry Crane Laser Anti-collision System System
LE Chunyang
(China Ship Power Station Co., Ltd., Shanghai 200129, China)
Abstract: With the increase of production in shipyard, the number of gantry cranes is also
increasing gradually. However, the shipyard site is limited, resulting in a series of problems, such as the layout of some cranes must be in the same rail and the distance between cranes is too close. In order to solve the hidden danger of the gantry crane walking mechanism, it is necessary to develop the crane anti-collision system to play the necessary role of alarm and protection. The laser anti-collision system of gantry crane is introduced. This system can effectively eliminate such security risks.
Key words: gantry crane; anti-collision system; walking mechanism
0 引言
由于船厂的土地资源有限，因此在作业场地布置门式起重机和门座式起重机时会利用相同的轨道，或进行交叉邻近作业，随之产生的就是起重机行走机构的碰撞隐患。下面以某船厂的3台同轨与近轨起重机为例，对门式起重机激光防撞系统进行介绍。
300 t门式起重机用于造船坞后平台，起重机行程总长度约为600 m。300 t门式起重机刚腿侧轨道与原有1#600 t门式起重机柔腿侧轨道同轨，与2#600 t门式起重机柔腿侧轨道相距5 m；300 t门式起重机柔腿侧轨道与S3270K10门座式起重机轨道同轨。因此，需
要考虑起重机之间的防撞方案。起重机具体位置及间距参见图1。
根据使用要求，周边起重机与300 t门式起重机需设置如下防撞：1）2#600 t门式起重机与300 t门式起重机防撞；2）300 t门式起重机与S3270K10门座起重机防撞，300 t门式起重机与S3270K10防撞仅考虑行走机构的防撞，暂不考虑转盘以上回转部分的防撞。
1 起重机防撞系统设计方案
防撞系统采用激光测距防撞和机械限位防撞2种形式，以确保安全和可靠。
作者简介：乐春阳（19—），男，高级工程师。研究方向：电气自动化设计。
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技术交流
187 m 长江
柔性腿侧 大车运行
1#600 t×187 m 门式起重机
1#600 t×187 m门式起重机
2#600 t×187 m门式起重机
300 t×123 m 门式起重机
S3270K10型门座起重机
图1 起重机位置图
1.1 硬件设计方案
激光测距装置主要由激光测量仪组成，防撞限位主要由机械限位开关组成。
选用长量程激光测距传感器作为距离测量设备进行起重机之间相对距离的远程测量。传感器采用飞行时间测量原理，最远测量距离可达到155 m。设备运行时会发射出极短的激光脉冲信号，并同时记录这些特定脉冲往返被测物体表面的时间，通过计算这一激光飞行时间与激光传播速度的乘积，得到被测物体的实际距离。测量的结果可以通过串口RS-232或者RS-422输出给外部系统，同时也可输出4 mA~20 mA模拟结果[1]。除此之外，传感器提供了2路开关量输出，操作人员可以根据需要监控的特殊位置设定输出节点，一旦测量距离超过设定值，开关量即给出对应的信号。
机械限位开关选用压铸轻合金材料，进行表面处理及涂漆后，可预防锈蚀。所有外露的金属部件均为不锈钢材质或含有表面保护层。机械转动和滚动部件的材质为耐磨的塑料或进行过硬化处理的材料。
300 t门式起重机柔腿侧配置1套防撞装置，为1台激光测距仪和1组防撞限位；刚腿侧配置1套防撞装置，为1台激光测距仪和1组防撞限位。激光测距仪采用DP总线接口，两机距离信号输入主机PLC。防撞限位采用3套机械限位，分别提供减速、极限和超
限信号。限位信号输入主机PLC。另有3套复位信号与相应的限位信号对应。
2#600 t门式起重机柔腿侧配置1套防撞装置，为1台激光测距仪和1组防撞限位。激光测距采用DP总线接口，两机距离信号输入主机PLC。防撞限位采用与300 t门式起重机相同的配置。
S3270K10门座起重机配置1套防撞装置，为1台激光测距仪和1组防撞限位。激光测距采用RS422接口，信号输入主机PLC。防撞限位采用与300 t门式起重机相同的配置。 1.2 软件设计方案
起重机的集中控制均采用PLC。
1.2.1 300 t门式起重机和2#600 t门式起重机之间的防撞设置
两机相距80 m时，激光测距装置触发并提供声光报警信号，提醒司机及起重指挥人员注意；两机相距65 m时，激光测距装置提供减速信号，速度最高为额定速度的30%；3）两机相距55 m时，机械限位触发，两机进一步减速，速度最高为额定速度的10%；两机相距50 m时，机械限位触发，两机停车。
两机PLC需计算彼此大车行走间距，并设置上述条款中的软限位。若激光测距装置或者机械限位等相关限位未触发，PLC软件将作为第二级保护给出减速或停车指令，司机室触摸屏需有相应报警信息。
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10 m 123 m 5 m
柔性腿侧
大车运行
刚性腿侧大车运行
300 t×123 m门式起重机2#600 t×187 m
门式起重机
1.2.2 300 t门式起重机与S3270K10门座式起重机之间的防撞设置
仅考虑行走部分的防撞。两机相距90 m时，激光测距装置触发并提供声光报警信号，提醒司机及起重指挥人员注意，速度最高为额定速度的30%；两机相距45 m时，激光测距装置提供减速信号，速度最高为额定速度的10%；两机相距33 m时，机械限位触发，两机进一步减速；两机相距31 m时，机械限位触发，两机停车。
1.2.3 二级软件保护功能
300 t门式起重机设置第2级软件保护功能。此机配置有大车行走光电编码器，可以获取本起重机在轨道上的位置数据。同时配置地面网络接口，和2#600 t门式起重机联机后，可以获取其他起重机的位置数据。
安装在起重机运行机构上的光电编码器（其编码数据运算后可以转化为起重机在轨道上的位置数据）将起重机位置数据传输至主机PLC。PLC将本机位置数据与相邻位置起重机的位置数据进行比较，做出逻辑判断[2]。
系统软件可设置为监测或保护模式。监测模式下，当其他起重机进入危险区域时，主机系统发出报警（如蜂鸣器或者指示灯）；保护模式下，系统报警时，起重机保护性自动停机。
系统软件可在本起重机司机室触摸屏上显示本机和其他起重机的位置图像和数据。300 t门式起重机和2#600 t门式起重机在实现地面光纤通信连通的基础上，两机司机室中均可显示另一台起重机的相对位置。当两机距离小于80 m时，发出报警信号。
由此，防撞系统构成了3级保护系统，第1级为编码器，第2级为激光测距仪，第3级为机械限位。
2 起重机防撞系统的方案实施
2.1 方案的具体实施
2#600 t门式起重机柔性腿处内侧设置激光安装维修平台及直梯，平台上安装激光测量仪及反射板，平台距轨面高度约8.4 m。
300 t门式起重机刚性腿处设置激光安装维修平台及爬梯，平台上安装激光测量仪及反射板，如图2所示。
S3270K10门座起重机上设置激光安装维修平台
及直梯，平台上安装激光测量仪及反射板。
3台起重机上均设有机械限位装置，该装置采用衍架结构形式，如图3所示。
图2 激光测量仪和反射板的安装
图3 机械限位装置和衍架的安装
2.2 关键问题的解决
1）将300 t门式起重机和2#600 t门式起重机通过光纤通信连接起来，增加光电转换器和网络通信耦合模块，将其PLC组网通信，达到交换数据的目的，使2台起重机能共享位置。
2）由于现场轨道不平整，导致激光反射信号接收不佳，距离信号时有时无。如果激光测距仪发射角度偏离1°，50 m距离内反射距离就偏移近0.9 m。因此，
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现场将激光反射板面积增加至1 m2，另外对报警轨道内的激光测距仪进行调整，确保激光测距仪工作正常。
3）机械限位装置中，信号触发限位在前，复位限位在后。在机械限位动作时，由于机械限位采用弹簧拉伸结构，机械撞杆动作后可能会出现反复摆动的现象，可能造成复位限位不动作的情况，使起重机无法启动。因此，在起重机PLC软件内进行了行车方向的判断，分别对减速和停车信号进行了延时处理，避免了该问题的发生。 2.3 验证试验
起重机激光防撞系统安装完成后，通过了上海市质量技术监督局的现场验收。起重机激光防撞系统能在预设的报警和停机范围内实现行走机构的减速和停
机，可达到防撞的目的。试验记录见表1和表2。试验现场图片见图4和图5[3]。
表1 激光防撞试验记录 动作距离 项目 300 t门式起重机与300 t门式起重机与2#600 t门式起重机 S3270K10门座起重机设计 距离/m实际 距离/m 设计 距离/m 实际 距离/m报警 80 78.6 90 92.97 减速 65 63.4 45 47.97 停止 50 48 31 33 位置停止距离 50 50.5 — — 表2 防撞限位的可行性测试 试验对象 减速限位 停止限位 超极限限位
图4 防撞系统试验
图5 防撞系统机械限位动作
300 t门式起重机与合格 合格 合格 300 t门式起重机与S3270K10门座起重机合格 合格 合格 2#600 t门式起重机与300 t门式起重机合格 合格 合格 S3270K10门座起重机与300 t门式起重机 合格 合格 合格 试验项目 2#600 t门式起重机 3 结论
本文提出的起重机防撞方案目前已经在船厂提交使用，其设计在国内属于首创，也是首次将激光测距装置应用于国内船厂实现起重机防撞。防撞系统的应用极大地提高了现场操作施工人员的工作效率、降低了用工成本、提升了生产安全，得到船厂的肯定。
参考文献：
[1] SICK. DMT长量程激光测距传感器选型手册[Z].
2015.
[2] ABB. 可编程控制器用户手册[Z]. 2012.
[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. 通
用门式起重机: GB/T 14406—2011[S]. 2011.
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