基于電量采集智能算法的新型稱重系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

◎ 申鵬程，申 鵬，滕 健

（日照港裕廊股份有限公司，山東 日照 276826）

1 項目研究背景

1.1 現(xiàn)狀問題

在散雜貨碼頭日常運行中，統(tǒng)計計量往往是通過裝車過磅、測量船身水尺實現(xiàn)，這種計量方式存在成本高、精度較低、難以分類統(tǒng)計等問題。現(xiàn)有的門座式起重機均配備了稱重系統(tǒng)，用于日常的貨物稱重計量，一般不作為貿(mào)易計量依據(jù)。而且隨著門機使用年限的增加，稱重系統(tǒng)均存在不同程度的老化，出現(xiàn)了各種各樣的問題，主要問題如下。

（1）精度不足。面對起重設(shè)備多種工況，有時從開始到完成起升高度發(fā)生明顯變化，以及面對司機操作習(xí)慣及操作快慢情況。復(fù)雜的動態(tài)過程，難以精確追蹤重量，稱重誤差大于5%，失去參考價值和意義。

（2）穩(wěn)定性欠佳。對于計量系統(tǒng)頻繁數(shù)據(jù)漂移或故障在生產(chǎn)繁忙時往往會忽視而不能及時校準(zhǔn)或修理，這樣的結(jié)果就會導(dǎo)致單臺和整體計量不準(zhǔn)確，系統(tǒng)不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)誤報警或不報警情況。

（3）過載保護失效。對超載反應(yīng)的時間由原來的3～5 s逐漸變長，甚至超載后自動斷電保護等功能失效，存在極大的安全隱患。

（4）維護費用高。進口傳感器壽命10年左右，國產(chǎn)在3～5年，且由于安裝方式、機械應(yīng)力、沖擊等，傳感器易損壞（如圖1），相應(yīng)的維護成本逐年增加。

圖1 現(xiàn)場原有稱重傳感器實景圖

以上4點直接關(guān)系到系統(tǒng)的可用性，數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大偏差對生產(chǎn)管理、組織管理、維修管理意義不大，增大了安全隱患，降低了工作效率。部分使用15年以上的門機稱重系統(tǒng)，已無法起到任何原有功能，單班次作業(yè)量統(tǒng)計甚至需要司機根據(jù)刮板機流量刻度進行估算，極不便利，且誤差性極大，安全性能無法保障，因此急需對稱重系統(tǒng)進行更換升級。

1.2 項目實施的必要性

事實證明，一個免維護系統(tǒng)不僅能提高工作效率，而且能讓所有參與人員科學(xué)合理協(xié)調(diào)地工作。因此可靠、穩(wěn)定的系統(tǒng)是增加管理深度，提高工作效率的必要基礎(chǔ)。

按照國家標(biāo)準(zhǔn)《起重機械超載保護裝置》（GB/T 12602—2020），起重機械超載保護裝置分為起重量限制器和起重力矩限制器[1]。傳統(tǒng)的起重量限制器通常由稱重傳感器、控制器和儀表組成，采集起重量直接參與控制。當(dāng)起重機械起吊重物，重量傳輸?shù)椒Q重傳感器使其產(chǎn)生微量電壓變化，通過放大器放大后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)處理后換算成重量值[2]。傳統(tǒng)的稱重傳感器，如卷筒軸承座壓式傳感器、卷筒座杠桿受壓式傳感器、旁壓式柱式承壓傳感器，對彈性體應(yīng)力集中區(qū)域設(shè)計合理性要求非常高，安裝復(fù)雜，短期內(nèi)需經(jīng)常進行校準(zhǔn)，且由于安裝方式、機械應(yīng)力、沖擊等，傳感器易損壞，已不滿足于當(dāng)前智慧綠色港口建設(shè)，對設(shè)備自動化、智能化提出的新要求。因此，為解決老舊門機稱重傳感器老化失效的難題，恢復(fù)并提升門機稱重系統(tǒng)整體性能，改變原有的稱重模式，采用最新的、無接觸式的新型稱重傳感測量技術(shù)成為必然的趨勢。

1.3 項目解決問題

為提升散雜貨碼頭門座起重機（以下簡稱“門機”）運行效率，準(zhǔn)確計量貨物從船艙轉(zhuǎn)移到料斗或者堆場過程中的貨物重量，設(shè)計門機智能稱重管理系統(tǒng)，使用起重機起升電機運行時的相關(guān)電量數(shù)據(jù)，通過獨立運算，有效地計量每一次起重機在抓貨時的準(zhǔn)確重量，具有低使用成本、高精度、易分類統(tǒng)計等優(yōu)點。

2 項目研究內(nèi)容和技術(shù)方案

2.1 新型智能稱重系統(tǒng)簡介

基于電量采集智能算法的新型智能稱重系統(tǒng)主要由安裝在門機上的數(shù)據(jù)采集前端設(shè)備、數(shù)據(jù)通訊設(shè)備、安裝在后臺的數(shù)據(jù)保存設(shè)備及數(shù)據(jù)處理軟件等組成。其中前端設(shè)備包括顯示器、主機箱、角度傳感器、水平回轉(zhuǎn)傳感器、總電能表、電量信號采集單元、電流傳感器、電壓傳感器、4G/5G工業(yè)路由器和天線等（如圖2）。新型智能稱重系統(tǒng)通過電機的電流電壓分析建立數(shù)學(xué)模型獲得重量，以保證核心要求得到滿足。

圖2 系統(tǒng)示意圖

2.2 智能動態(tài)稱重數(shù)據(jù)獲取原理

隨著傳感器和信號處理硬件的發(fā)展，基于重物轉(zhuǎn)矩理論計算，依據(jù)起升電機動態(tài)運行時參數(shù)與重量之間的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型獲取稱重數(shù)據(jù)。電機的電參數(shù)很多，如電流、電壓、線路電阻、線路電感和電磁感應(yīng)等，在此涉及的電參數(shù)是實時在線監(jiān)測到的電壓和電流[3]。

通過采集開閉電機和支持電機的電量信號實時計算出轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)，計算出起重機負載實時重量與精準(zhǔn)重量。門機稱重時根據(jù)電量傳感器電信號的采樣，把采樣信號送到微處理器，然后結(jié)合外界位置檢測器和機械結(jié)構(gòu)參數(shù)可計算出最終最準(zhǔn)確的重量（如圖3）。在實際測試過程中，其稱重精度可達到1%以內(nèi)。

圖3 作業(yè)采集流程圖解

該系統(tǒng)通過電壓傳感器、電流傳感器對起重機電機的電量參數(shù)進行實時監(jiān)測，電量監(jiān)測模塊計算得到電機的電壓U、電流I、功率P等參數(shù)（如圖4）。同時，根據(jù)起重機的整體結(jié)構(gòu)建立起重機動態(tài)稱重系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，起重機負載重量m為與電機電壓U、電流I、功率P呈非線性函數(shù)關(guān)系，為m=f（U，I，P）。將電量監(jiān)測模塊的數(shù)據(jù)代入函數(shù)公式進行計算，則得到起重機負載重量m，通過對負載重量的綜合分析，即可以得到精確的負載統(tǒng)計重量[4]。

圖4 電量采集稱重系統(tǒng)主要部件圖

2.3 信息處理與控制

在門機的實際作業(yè)過程中，會產(chǎn)生很多作業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)、故障信息、工作狀態(tài)、環(huán)境等信息。這些信息需要一款能長期正常工作的具有抗干擾、耐高低溫、抗機械振動的設(shè)備進行處理，同時還需要在司機室內(nèi)與門機操作員進行人機交互，從而將這些信息與狀態(tài)處理后，通過互聯(lián)網(wǎng)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)發(fā)送給后臺服務(wù)器，因此對芯片選型、電路板設(shè)計與制造有嚴格要求。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，采用NXP的LPC1788作為主控芯片，適配對應(yīng)的PCB電路板，可實現(xiàn)實時檢測傳感器信號、電機動態(tài)稱重數(shù)字信號、每次作業(yè)產(chǎn)生的開關(guān)量信號、門機大臂幅度角度信號和門機實時作業(yè)回轉(zhuǎn)角度信號。稱重系統(tǒng)服務(wù)器綜合處理這些信號后，再匯總轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，顯示在HMI人機交互顯示屏上（如圖5、6、7）。

圖5 角度傳感器實景圖

圖6 電量采集單元圖

圖7 顯示屏實時顯示圖

2.4 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)集成化

單臺稱重系統(tǒng)設(shè)備只能統(tǒng)計單臺起重機的相關(guān)信息，無法適配整個港口或碼頭的需求，因此需要多臺稱重設(shè)備聯(lián)網(wǎng)同步使用。在4G/5G環(huán)境下，采用物聯(lián)網(wǎng)專用通道，數(shù)據(jù)傳輸速率、信號穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)安全性都能夠滿足大多數(shù)智能硬件設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的需求，且資費低，是智能設(shè)備通信的首選方案（如圖8）。多臺稱重設(shè)備聯(lián)網(wǎng)后，可明顯提高碼頭作業(yè)效率，充分利用碼頭資源，智能分配人員操作與施工，可以實時查看每臺門機的實時狀態(tài)信息，包括作業(yè)記錄、系統(tǒng)狀態(tài)、實時作業(yè)量和耗電量等關(guān)鍵信息。

圖8 系統(tǒng)信號傳輸布局圖

2.5 實時作業(yè)量統(tǒng)計

港口中控室可以通過后臺系統(tǒng)實時查看到門機以及船只和貨物對應(yīng)的作業(yè)量，也可以準(zhǔn)確了解每一次門機抓貨的單次計量重量（如圖9、10）。在日常生產(chǎn)管理中，港口方在需要了解港口過泊作業(yè)進度情況時，可登錄后臺網(wǎng)站，實時查詢整個港口上的泊位、船只、船艙、門機現(xiàn)有的計量噸位等信息，能清晰地掌握整個港口的裝載量情況。借助上述功能，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和分析，通過對數(shù)據(jù)進行分析對比，可逐步形成企業(yè)特有的知識庫用于未來的管理決策[5]。

圖9 作業(yè)量實時統(tǒng)計圖

2.6 超負荷保護及記錄

當(dāng)負載95%時聲光報警，當(dāng)負載100%時急速聲光報警，當(dāng)負載超過105%時，發(fā)出控制信號，停止向上起升，支持下放重物。能夠?qū)⒊d次數(shù)及最大超載值記錄在后臺，可供查詢分析。若因生產(chǎn)特殊原因需臨時性超負荷運行，可切換旁路進行作業(yè)。

圖10 船艙作業(yè)情況統(tǒng)計圖

2.7 保養(yǎng)周期可視化

設(shè)置鋼絲繩、滑輪、減速機、抓斗等部件潤滑維修更換節(jié)點，系統(tǒng)根據(jù)易耗部件作業(yè)量及作業(yè)時間提供維修更換建議。如若用戶設(shè)置48萬t和50萬t分別作為鋼絲繩檢修和更換預(yù)警點，當(dāng)鋼絲繩總裝卸量達到48萬t或50萬t時，系統(tǒng)將提醒維修人員檢查或更換，此數(shù)據(jù)需要根據(jù)鋼絲繩生產(chǎn)商、鋼絲繩種進行調(diào)整，可提高備件使用率10%（如圖11）。

圖11 設(shè)備保養(yǎng)部署管理圖

2.8 能耗測算精準(zhǔn)化

門機智能數(shù)據(jù)采集設(shè)備和稱重管理系統(tǒng)通過RS-485方式與智能電表建立連接，讀取電表能耗數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)與稱重系統(tǒng)相結(jié)合，因此可從后臺稱重系統(tǒng)查詢與統(tǒng)計到最真實的作業(yè)能耗。同時，也將門機工作能耗數(shù)據(jù)進行匯總，并按照門機設(shè)備編號、司機工號、班組和時間進行分類統(tǒng)計、對比，可為企業(yè)根據(jù)這些能耗指標(biāo)進行精細化管理提供決策依據(jù)，助力節(jié)能減排。

3 成果應(yīng)用推廣情況

3.1 成果應(yīng)用

目前，日照港裕廊股份有限公司（簡稱“裕廊公司”）西五泊位6號、7號門機已安裝應(yīng)用此基于電量采集智能算法的新型稱重系統(tǒng)，使用效果良好，現(xiàn)場稱重系統(tǒng)穩(wěn)定，前期借用專用砝碼對其稱重精準(zhǔn)性進行校準(zhǔn)，15 t砝碼，6號門機稱重顯示14.99 t，7號門機稱重顯示14.91 t，誤差率均小于1%（如圖12）。精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集，可靠的安全防護，高效的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，解決了之前稱重系統(tǒng)老化帶來的粗放式統(tǒng)計作業(yè)量的問題，消除了稱重過載安全隱患，降低了工作人員的勞動強度，后臺實時監(jiān)控門機工作狀態(tài)和作業(yè)數(shù)據(jù)，提高了工作效率，對單機成本核算的開展提供了強有力的技術(shù)支持。

圖12 稱重校準(zhǔn)示意圖

3.2 推廣情況

該系統(tǒng)在裕廊公司的順利應(yīng)用，為后續(xù)其他門機稱重系統(tǒng)改造提供了技術(shù)方案和樣本，裕廊公司后續(xù)門機稱重系統(tǒng)改造后統(tǒng)一并入相同的服務(wù)器后臺，為后續(xù)作業(yè)數(shù)據(jù)集成可視化、作業(yè)數(shù)據(jù)整合共享、歸口統(tǒng)一管理分析提供了實施方向。

3.3 預(yù)期應(yīng)用前景

門座式起重機是港口散貨裝卸的主力生產(chǎn)設(shè)備，基數(shù)龐大，稱重系統(tǒng)作為門機必不可少的兼具計量和保護功能的系統(tǒng)，有很大的改造升級需求。隨著港口智能化水平要求越來越高，新型的電量采集稱重智能傳感系統(tǒng)將逐步取代傳統(tǒng)壓力式傳感器，更多地應(yīng)用于門機稱重當(dāng)中，數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)性、管理分析的便捷性以及成本核算的嚴要求下，新型門座式起重機智能稱重系統(tǒng)將越來越普及。

4 結(jié)語

新型智能稱重系統(tǒng)采用新技術(shù)實現(xiàn)了對傳統(tǒng)稱重測量技術(shù)的升級再造，運用智能化電量采集數(shù)據(jù)算法等新技術(shù)，依托信息化手段集成整合系統(tǒng)，實現(xiàn)了多方聯(lián)動協(xié)同管理，對生產(chǎn)大數(shù)據(jù)進行了綜合有效利用；解決了之前稱重系統(tǒng)老化帶來的粗放式統(tǒng)計作業(yè)量的問題，消除了稱重過載安全隱患，降低了工作人員的勞動強度，提高了工作效率，對單機成本核算的開展提供了強有力的技術(shù)支持；增強了計量的精準(zhǔn)性，維護了客戶的利益，提升了公司的對外形象，是公司科技強安、踐行智慧港口的具體舉措。