基于自行式液壓模塊化運(yùn)輸車的稱重技術(shù)研究

楊風(fēng)艷，徐學(xué)軍，王 蒙，寧一凡

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東青島 266520）

自行式液壓模塊化運(yùn)輸車（SPMT）有多個(gè)軸線，每個(gè)軸線可以獨(dú)立轉(zhuǎn)向和升降，通過電子控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步操作。作為特種運(yùn)輸設(shè)備，SPMT具有載重量大、運(yùn)動(dòng)靈活的優(yōu)勢(shì)，主要應(yīng)用于重型和超大型結(jié)構(gòu)物的運(yùn)輸，在港口碼頭大件滾裝、裝備制造業(yè)、海洋石油、化工、橋梁建造等工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-2]。

為進(jìn)一步發(fā)掘SPMT 的應(yīng)用范圍，根據(jù)SPMT的自身特點(diǎn)，本文對(duì)SPMT 高精度稱重技術(shù)進(jìn)行研究，利用SPMT 自身升降功能，通過在SPMT 車板上布置重量傳感器，實(shí)現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)物稱重及運(yùn)輸裝船過程的整合。SPMT 稱重系統(tǒng)支持2 種稱重模式：①重量傳感器稱重模式；②液壓傳感器稱重模式。本文主要對(duì)重量傳感器稱重模式進(jìn)行論述。通過對(duì)該系統(tǒng)的研究，最終掌握了SPMT 稱重方案設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)自主實(shí)施的相關(guān)技術(shù)，有效縮減了稱重工期，節(jié)省施工成本。

1 SPMT稱重系統(tǒng)基本原理

1.1 稱重模式

重量傳感器稱重模式工作原理示意圖見圖1，稱重過程說明如下。

圖1 重量傳感器稱重模式工作原理示意圖

1）在SPMT 車板上布置支撐墊墩，并在墊墩上安裝重量傳感器。被稱重物放置在重量傳感器之上，其重量通過傳感器傳遞至支撐墊墩和SPMT車板。

2）各重量傳感器連接至巡檢儀，由巡檢儀采集并傳輸重量數(shù)據(jù)至上位機(jī)。

3）上位機(jī)軟件根據(jù)所有重量傳感器的數(shù)值，計(jì)算得到被稱重結(jié)構(gòu)物的整體重量和重心位置。

1.2 數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)

SPMT 稱重系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)包括重量傳感器數(shù)據(jù)和位移傳感器數(shù)據(jù)。2 類傳感器數(shù)據(jù)均采用4～20 mA 模擬量信號(hào)，通過模擬量采集器實(shí)時(shí)采集，并通過可編程邏輯控制器（PLC）單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。然后通過以太網(wǎng)上傳至上位機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。

以太網(wǎng)相比RS-485總線具有更高的通訊速率，尤其是遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，不會(huì)因?yàn)榫嚯x增加而導(dǎo)致傳輸速度明顯衰減。對(duì)于存在干擾的使用環(huán)境，采用帶有屏蔽層的超五類網(wǎng)線，可以實(shí)現(xiàn)雙向穩(wěn)定連續(xù)通訊，延遲時(shí)間短。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸支持總線模式和串聯(lián)2種連接形式。同時(shí)，以太網(wǎng)滿足即插即用的要求，可以熱插拔，在開機(jī)狀態(tài)下可以增加或刪除節(jié)點(diǎn)，使用方便。

1.3 系統(tǒng)誤差分析與誤差控制方法

1）傳感器引起的誤差。傳感器精度誤差是產(chǎn)品標(biāo)定時(shí)固有的誤差，在使用中無法控制。選型時(shí)要求重量傳感器精度誤差小于全量程的0.5%。長期使用后可能發(fā)生零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，造成校準(zhǔn)誤差。校準(zhǔn)誤差可以通過2種方法解決：①定期對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)；②利用軟件校準(zhǔn)功能，在測(cè)量前先將所有傳感器空載讀取零點(diǎn)數(shù)值，并基于該零點(diǎn)完成后續(xù)稱重工作。

2）SPMT 車體變形引起的誤差。SPMT 車體在受到不均勻壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生彈性變形，導(dǎo)致擱置在SPMT 上的墊墩位置和角度發(fā)生變化。對(duì)于重量傳感器稱重模式來說，如果墊墩與水平面夾角不等于90°，則傳感器對(duì)應(yīng)的壓力不等于其承擔(dān)的重量，將會(huì)影響計(jì)算精度。根據(jù)彈性變形確定SPMT 的整體變形曲線，確定各支撐墊墩與水平面夾角的變化量，通過夾角變化量計(jì)算重量傳感器壓力的垂向分量，將該垂向分量作為其承擔(dān)的重力分量，可減小車體變形對(duì)重量計(jì)算精度的影響。

3）測(cè)量環(huán)境的因素引起的誤差。測(cè)量環(huán)境因素主要包括風(fēng)、溫度、雨雪等對(duì)測(cè)量精度的影響。

當(dāng)被稱重物受風(fēng)面積較大時(shí)，風(fēng)力會(huì)對(duì)其產(chǎn)生不可忽略的作用力，從而影響測(cè)量精度。消除風(fēng)力誤差有2種方法：①盡量在風(fēng)速較低的天氣條件下進(jìn)行稱重，保證稱重作業(yè)的風(fēng)速不超過系統(tǒng)說明書規(guī)定的范圍；②在風(fēng)速較大的環(huán)境中，現(xiàn)場(chǎng)安裝風(fēng)速測(cè)量儀器，根據(jù)實(shí)時(shí)風(fēng)速數(shù)據(jù)選擇風(fēng)速相對(duì)穩(wěn)定和較低的時(shí)刻進(jìn)行稱重，并且多次讀數(shù)取平均值，以減小陣風(fēng)帶來的誤差。

溫度變化會(huì)導(dǎo)致傳感器特性發(fā)生變化，從而影響輸出信號(hào)。為了減小溫度誤差，應(yīng)該選擇具有良好溫度補(bǔ)償功能的傳感器，并且盡量避免在溫差較大或者日照直射等極端情況下進(jìn)行稱重。

雨雪天氣會(huì)增加被稱重物和傳感器表面的濕度，從而影響電氣特性和機(jī)械特性。為了減小濕度誤差，應(yīng)該選擇具有防水防潮功能的傳感器，并且在可能出現(xiàn)降水情況下及時(shí)覆蓋設(shè)備。

由于影響因素眾多且難以量化，上述分析只能作為定性參考。系統(tǒng)最終的測(cè)量誤差需要通過實(shí)際測(cè)試確定，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

2 硬件設(shè)計(jì)方案

硬件設(shè)計(jì)主要包括現(xiàn)場(chǎng)巡檢儀、琴式控制柜和集裝箱控制室3部分。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)巡檢儀設(shè)計(jì)方案

現(xiàn)場(chǎng)巡檢儀采用金屬箱體結(jié)構(gòu)，便于攜帶和安裝。箱體內(nèi)部安裝有PLC、模擬量采集模塊、交換機(jī)、直流電源、斷路器等設(shè)備。箱體正面設(shè)有液晶顯示屏，用于顯示各路傳感器數(shù)據(jù)。箱體外側(cè)設(shè)有16 個(gè)模擬量數(shù)據(jù)采集接口、2 個(gè)5 芯以太網(wǎng)線接口和2 個(gè)220 V 電源接口。巡檢儀內(nèi)部接線原理示意圖如圖2所示。

圖2 巡檢儀內(nèi)部接線原理示意圖

2.2 琴式控制柜設(shè)計(jì)方案

琴式控制柜內(nèi)部安裝有工業(yè)電腦、打印機(jī)、變壓器、以太網(wǎng)交換機(jī)等設(shè)備，以及2 臺(tái)24 寸液晶顯示屏。此外，琴式控制柜內(nèi)還分別設(shè)置了強(qiáng)電控制箱和弱電控制箱，用于放置強(qiáng)電和弱電相關(guān)設(shè)施。琴式控制柜面板上設(shè)置了總電源開關(guān)、24 V 電源開關(guān)、工業(yè)電腦開關(guān)和狀態(tài)指示燈等元件。

2.3 控制室設(shè)計(jì)方案

集裝箱控制室采用長度為5.898 m 的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，中間隔斷分為前后2個(gè)房間。前面房間為控制室，內(nèi)部安裝琴式控制柜、空調(diào)等設(shè)備，用于完成SPMT 稱重操作。后面房間為儲(chǔ)存間，內(nèi)部存放巡檢儀、數(shù)據(jù)線、各類傳感器等稱重系統(tǒng)所需設(shè)施。

3 軟件設(shè)計(jì)方案

3.1 軟件開發(fā)的基本原則

1）采用參數(shù)化模板和人機(jī)圖形交互相結(jié)合的方式建立工程管理模型。利用稱重管理模板，將常見的稱重問題定義為參數(shù)化模型。建模時(shí)，選擇模板，設(shè)置通用類型的模型參數(shù)，然后通過交互式建模系統(tǒng)，在圖形界面或電子表格中完成具體方案設(shè)計(jì)。

2）建模與稱重管理功能分離。方案設(shè)計(jì)人員在辦公室臺(tái)式機(jī)上制定方案，包括坐標(biāo)系、工程信息、稱重物幾何尺寸和屬性、SPMT軸線、SPMT布置、SPMT 懸掛、各類傳感器設(shè)置和連接等。稱重過程監(jiān)控利用琴式控制柜內(nèi)的主機(jī)完成。主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)或移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備將工程模型復(fù)制到工業(yè)電腦（上位機(jī)），打開上位機(jī)軟件并加載模型即可開始稱重工作，無需建模操作。

3）稱重監(jiān)控時(shí)，傳感器數(shù)據(jù)由巡檢儀內(nèi)的PLC 采集，并通過以太網(wǎng)發(fā)送至上位機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊。上位機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。監(jiān)控管理模塊讀取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)參數(shù)，并繪制重量曲線圖、傳感器歷史數(shù)據(jù)曲線圖、傳感器圖形顯示等，輔助完成稱重監(jiān)控。數(shù)據(jù)采集模塊與過程監(jiān)控模塊只通過數(shù)據(jù)庫交換數(shù)據(jù)。

4）軟件具有良好的容錯(cuò)性。當(dāng)用戶輸入非法數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)提示錯(cuò)誤輸入，并避免系統(tǒng)異常。軟件具有自動(dòng)保存功能，在系統(tǒng)意外關(guān)閉時(shí)保存當(dāng)前狀態(tài)，并在系統(tǒng)重啟后自動(dòng)恢復(fù)。

系統(tǒng)基本模塊原理見圖3。

圖3 系統(tǒng)基本模塊原理圖

3.2 上位機(jī)軟件的功能模塊

1）建模模塊。建模模塊包括模板管理和交互建模2個(gè)子模塊。通過參數(shù)化模板，將常見的稱重配置定義為與軟件無關(guān)的資源，包括稱重類型、模式、坐標(biāo)系、平板車、傳感器、巡檢儀連接和輸出文檔等。在模板中，部分參數(shù)設(shè)置為可調(diào)整的變量，通過改變變量值，可以得到不同的方案。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，根據(jù)工程特點(diǎn)，從模板庫中選取合適的模板，然后通過調(diào)整變量和微調(diào)細(xì)節(jié)，快速建立稱重工程模型。

2）數(shù)據(jù)庫管理模塊。數(shù)據(jù)庫管理模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫的建立和管理，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信模塊采集的傳感器數(shù)據(jù)，并根據(jù)稱重管理模塊的查詢指令，查詢歷史數(shù)據(jù)，并繪制曲線圖、生成表格或自動(dòng)生成稱重報(bào)告。數(shù)據(jù)庫管理模塊還實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的有效性檢驗(yàn)、異常數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)備份。

3）網(wǎng)絡(luò)通信模塊。網(wǎng)絡(luò)通信模塊包括網(wǎng)絡(luò)傳輸和巡檢儀配置2 個(gè)子模塊。網(wǎng)絡(luò)傳輸子模塊用于實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與巡檢儀之間的數(shù)據(jù)通信，包括接收傳感器數(shù)據(jù)和發(fā)送控制指令。控制指令包括巡檢儀地址設(shè)置、采集頻率設(shè)置等。巡檢儀配置子模塊用于配置巡檢儀的網(wǎng)絡(luò)信息，包括傳感器連接關(guān)系、參數(shù)范圍、名稱和IP地址等。

4）稱重管理與監(jiān)控模塊。稱重管理與監(jiān)控模塊包括稱重過程的圖形顯示、聲音圖像報(bào)警、重量重心控制曲線和傳感器數(shù)據(jù)曲線的計(jì)算與繪制，以及稱重報(bào)告的生成等。

傳感器數(shù)據(jù)通過俯視圖、表格和曲線圖3 種形式顯示。俯視圖顯示被稱重結(jié)構(gòu)軸線、傳感器圖標(biāo)、編號(hào)和數(shù)值。表格顯示各軸的傳感器數(shù)據(jù)。曲線圖顯示各路傳感器數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。

5）文檔自動(dòng)化模塊。文檔自動(dòng)化模塊可自動(dòng)生成PDF格式的稱重報(bào)告。報(bào)告由封面、目錄和正文組成。正文中包括稱重原理、傳感器參數(shù)與配置、稱重參數(shù)設(shè)置、承載物概述、傳感器數(shù)值列表和圖形顯示、重量重心計(jì)算數(shù)據(jù)和分析結(jié)果等。

4 系統(tǒng)測(cè)試

該系統(tǒng)在某LNG 項(xiàng)目模塊上進(jìn)行了測(cè)試。在重復(fù)性條件及復(fù)現(xiàn)性條件下，對(duì)模塊的重量及重心坐標(biāo)進(jìn)行了6 次獨(dú)立重復(fù)觀測(cè)，SPMT 稱重系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)稱重?cái)?shù)據(jù)見表1，其中LX為重心X坐標(biāo)，LY為重心Y坐標(biāo)。正態(tài)分布情況下，采用極差法評(píng)定獲得重量及重心坐標(biāo)測(cè)得值的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差s(xk)為：

表1 SPMT稱重系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)稱重?cái)?shù)據(jù)

式中，xk為多次測(cè)量中重量及重心坐標(biāo)測(cè)得值；R為極差，等于模塊重量及重心坐標(biāo)測(cè)得值的最大值與最小值之差；C為極差系數(shù)，當(dāng)測(cè)量次數(shù)為6時(shí)，C為2.53。

模塊重量及重心坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA()為：

得到系統(tǒng)擴(kuò)展不確定度UA為：

得到系統(tǒng)相對(duì)擴(kuò)展不確定度Urel為：

式中，n為測(cè)量次數(shù)；xˉ為n次測(cè)量所得重量及重心坐標(biāo)測(cè)得值的算術(shù)平均值；k為置信因子，k=2。

采用上述公式分別對(duì)重量及重心坐標(biāo)的不確定度進(jìn)行了計(jì)算，SPMT 稱重系統(tǒng)不確定度計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 SPMT稱重系統(tǒng)不確定度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)測(cè)試結(jié)果得出，稱重重量相對(duì)擴(kuò)展不確定度 為0.17%。 滿 足ISO19901-5 《Petroleum and natural gas industries - Specific requirements for offshore structures - Part 5: Weight control during engineering and construction》要求的1%精度級(jí)別。