摘量：超声波系统测距具有故障率低，运行可靠、维修方便、成本低廉等优点。简单介绍了轨道桥式集装箱龙门起重机的超声波防撞系统技术。叙述了该系统技术如何在轨道桥上实现，并报告了其应用效果，得出结论：该系统为设备防撞提供了解决方法。
关键词：超声波 轨道吊 防撞 应用
天津五洲国际集装箱码头有限公司采用31台电动轨道式场桥完成对场内集装箱装卸作业。由于场地限制，轨道吊经常需要多车近距离作业。因此如何让相邻设备自动识别距离，尤其是在半自动操作状态下(轨道吊根据生产系统指令自动进行大车、小车运行，完成对箱操作)，避免设备发生碰撞事故，成为设备管理的重点工作。
轨道桥式集装箱龙门起重机(简称轨道吊)由高压电缆供电，多车串连在一组轨道上，只能直线运行，运行范围为900m。实际作业时，作业范围经常重合。如不对两车间距进行有效检测控制，极易发生碰撞事故，导致严重后果。此检测系统对测量精度要求不高，测量范围在0.1m至15m之间即可，但需要有很高的可靠性。通过分析比较红外线测距、卫星微波定位、磁性开关定位、超声波测距等多种技术手段，发现超声波测距控制系统具备故障率低，运行可靠，维修方便，成本低廉的优点，并且可以结合PLC控制系统实现多种距离控制模式的调整，灵活简便。
通过在场桥适当位置安装超声波测距仪，并将信号送人PLC控制系统，可以实现对相邻两车距离的精确限制，有效地避免撞车事故发生。
1．超声波防撞系统技术简介
1.1超声波测距原理
超声波是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播。在空气中的传播速度为
340m／s，波动方程描述方法为
A=A(x)cos(wt+kx) (1)
A(x)=A0e-ax (2)
式中，A(x)为振幅，A0为常数，w为圆频率，t为时间，x为传播距离，k=2p/l为波数，l为波长，a为衰减系数。超声波测距的方法有多种，考虑实际情况，选择异地脉冲反射式来测距，即需测距离是声波传输距离的一半，如图1所示。
当S h时，因为S=vt，所以
L=1/2vt (3)
式中，L为待测距离，v为超声波的声速，t为渡越时间。
由下式(4)计算测量误差
6L=v6△t+△t6v(4)
式中，6L为测距误差，v为声速，6△t为时间测量误差，6v为声速误差。若要求测距误差小于0.01m，已知声速v=344m／s(20℃时)，忽略声速误差，那么测量时间的误差
6△t 6L/v=0.00003s
显然，直接用秒表测时间是不现实的。因此，实现声波测距必须避开直接测量时间的方法，才能获得实用的测长精度。这里利用单片机脉冲计数的方法，间接测量时间，可以把声波传播的时间精度提高到所需的准确度。也就是把对渡越时间的测量转化为对计数脉冲个数N的测量，所以式(3)可写为：
L=NS／2 (5)
式中，S为等效标尺，S=v／f，f为计数脉冲的频率，v为声速。所以
L=Nv／(2f) （6）
1．2系统组成
图2是超声波测距仪的基本组成。整个系统由单片机来控制，启动测量时，由单片机发出一个控制信号去触发发射电路，使发射电路起振，驱动超声波发射器发射出一串超声波脉冲，同时启动单片机的计时器，开始计时，也就是开始测量渡越时间。当这些脉冲到达被测目标时，发生反射，经空气传播被超声波接收器接收，再由放大电路进行放大。接收到的第一个脉冲去触发单片机的计数器，使计数停止。此时，计数器中的值，即是所要检测的渡越时间所对应的脉冲个数N，利用这个N就可以根据式(6)计算出所测距离。再通过串口将所测距离数据送人设备PLC，由PLC进行运算，判断工况，实现控制。
2．系统功能的实现
2．1硬件部分
2．1．1AT89C51芯片
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容，将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中。
2．1．2超声波发射电路及接收电路
发射电路主要由一个脉冲变压器和NPN的三极管组成。工作时等待单片机28脚的信号，当28脚输出为单片机传出的一个频率约为40kHz的方波信号，通过脉冲变压器进行功率放大后，将信号传至超声波传感器的发射探头发出频率为40kHz的超声波。接收传感器的感应信号通常是mv级，必须考虑放大和整形，为了防止杂波的干扰，采用了选频放大电路。
2．1．3超声波传感器
运用压电原理制成的双压电晶片。超声波射在压电晶片上，使压电晶片振动就会产生电压信号。反之，在压电晶片加上电压也会产生超声波。
2．2程序部分
2．2．1系统各程序的设计和设计思路
主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及串口通讯子程序组成。主程序首先对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时计数模式，置位总中断允许位EA并给显示断口P1，P2清零。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲。为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时约0．1ms后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数(即超声波来回所用的时间)按下式(7)计算，即可得到被测物体与测距仪之间的距离。设计时取20℃时的声速为344m／s则有：
D=(C T)／2=172T0／10000cm (7)
其中T0为计数器T0的计数值。测出距离后送往PLC，然后再发超声波脉冲重复测量过程。轨道吊PLC控制系统通过串口通讯获得距离数据，并与预设值进行运算比对(设备布置如图3)，大于15m时，超声波防撞 GLACSLLS (或GRACSLLS)PLC点无动作，与其他信号共同组成大车全速行驶允许条件；距离小于15m时，该点动作，大车减速停止，如图4。
3．应用效果
该系统的应用，有效地防范了碰撞事故，其保护功能响应率达到100％，使大车防撞缓冲器、碰撞极限限位的动作率降为零，也节约了维修更换极限保护装置的成本，实现了预期的控制目标。
大车自动防撞功能，实现了大车运行从全速、减速到停止的自动控制，轨道吊司机不必根据两车间距，人为判断并切换控制手柄位置，减轻了司机的劳动强度，并与其他条件共同作用，使轨道吊平均操作效率提高了7％，成为轨道吊不可或缺的功能。
该系统的使用应根据设备具体情况，合理选择超声波传感器的安装位置，避免恶劣天气、运行振动以及周围建筑等因素造成的干扰和破坏。同时，应在地面操作站设置旁路功能，以实现特殊工况下的最小间距控制。
该系统以其制作简便、运行可靠、成本低廉的特点，为设备防撞提供了科学的解决手段。随着技术的不断完善，必将出现集超声波测距、数字显示、PLC控制功能于一体的设备总成机，届时将使此项技术的应用更加灵活方便。