一種門座起重機新型智能稱重管理系統(tǒng)

夏 寧 葛一飛

南京港(集團)有限公司新生圩港務(wù)分公司

1 引言

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。為了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 門機智能稱重管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

門機智能稱重管理系統(tǒng)主要由稱重傳感器、變送器、信號濾波放大器、轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)處理模塊組成，其中稱重傳感器是確保稱重精度的關(guān)鍵設(shè)備[1-2]。

2.1 稱重傳感器分析

稱重傳感器由電阻應(yīng)變片和彈性體兩部分組成。彈性體的設(shè)計除了能承受被測力的強度以外，需具有應(yīng)力集中區(qū)域，彈性體在被測力的作用下產(chǎn)生的彈性形變有效地體現(xiàn)在應(yīng)力集中區(qū)域的彈性形變上。電阻應(yīng)變片緊密結(jié)合在彈性體的應(yīng)力集中區(qū)域上，將彈性形變轉(zhuǎn)換成測力電信號。

對于起重機銷軸式稱重傳感器而言，彈性體應(yīng)力集中區(qū)域的結(jié)構(gòu)形狀與相關(guān)尺寸對測力性能的影響極大，是測力的基礎(chǔ)。如果測力傳感器的彈性體應(yīng)力集中區(qū)域設(shè)計不合理，無論彈性體的加工精度多高、電阻應(yīng)變片的品質(zhì)多好，測力傳感器都難以達(dá)到較高的測力性能。因此，在起重機的測力傳感器的設(shè)計過程中，對彈性體應(yīng)力集中區(qū)域進行合理的設(shè)計至關(guān)重要。

根據(jù)目前稱重傳感器的安裝和受力型式，可分為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。

2.1.1 卷筒軸承座壓式傳感器

軸承座承壓式傳感器一般為大重量傳感器，該傳感器代替軸承座安裝在起升卷筒的一端(見圖1)。在起吊重物后，傳感器的受力隨著重物成比例變化。該方式的優(yōu)點是安全可靠穩(wěn)定，方便維護，同時維護率也比較低；缺點是這種結(jié)構(gòu)型式有一定的局限性，對于一些起升高度比較高，鋼絲繩倍率比較大的機構(gòu)，會在起升卷筒上產(chǎn)生較大的鋼絲繩重量，增大稱重的誤差，影響測量的精度。

圖1 卷筒軸承座受壓式傳感器安裝圖

2.1.2 卷筒座杠桿受壓式傳感器

將壓式傳感器安裝在起升絞車的底座上(見圖2)，稱重底座的一端采用2套鉸支座，另一端壓在2套稱重傳感器裝配體上，出繩口方向向上，當(dāng)鋼絲繩受力時利用杠桿原理將壓力傳遞給傳感器。此種安裝型式可靠，量程范圍大；缺點是安裝成本高，空間要求高，需要設(shè)計一個剛性較好的整體底座。

圖2 卷筒座受壓式傳感器

2.1.3 旁壓式柱式承壓傳感器

旁壓式柱式承壓傳感器一般在變幅式起重機上應(yīng)用比較廣泛，通常安裝在從起升卷筒通往定滑輪的一段起升繩的某一位置。該裝置設(shè)計3個定滑輪使鋼絲繩行程產(chǎn)生夾角(見圖3)，利用鋼絲繩受力的徑向分解作用于滑輪，從而形成杠桿壓迫壓力傳感器，產(chǎn)生電信號的變化，精確測量鋼絲繩張力變化。該安裝方式量程范圍大，防護等級高，適用于戶外惡劣環(huán)境；缺點是將鋼絲繩的拉力分解成了徑向的小作用力，精度會有所降低，對散貨裝卸類機型鋼絲繩多一次反向纏繞，在一定程度上影響鋼絲繩壽命。

圖3 旁壓式稱重傳感器

2.2 智能動態(tài)稱重數(shù)據(jù)獲取

2.2.1 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，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(fù)載實時重量與精準(zhǔn)重量。將該方式與傳統(tǒng)模式結(jié)合，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)合重量傳感器、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。在實際測試過程中，其稱重精度可達(dá)到2%以內(nèi)。

圖4為基于電機電量信號監(jiān)測的起重機動態(tài)稱重數(shù)據(jù)原理，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)。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(fù)載重量m為與電機電壓U、電流I、功率P相關(guān)的非線性函數(shù)，見式(1)。將電量監(jiān)測模塊的數(shù)據(jù)代入式(1)進行計算，則得到起重機負(fù)載重量m，通過對負(fù)載重量的綜合分析，即可以得到精確的負(fù)載統(tǒng)計重量。

圖4 起重機電機動態(tài)稱重原理圖

m=f(U,I,P)

(1)

2.2.2 智能動態(tài)稱重特點

智能動態(tài)稱重方法與傳感器稱重方法相比，具有如下優(yōu)點。

(1)精度高。該稱重方法采用高精度的電壓、電流傳感器對電機進行監(jiān)測，結(jié)合動態(tài)稱重數(shù)學(xué)模型和算法，能夠?qū)崿F(xiàn)對重量的實時精確測量。

(2)稱重系統(tǒng)穩(wěn)定性好，安裝調(diào)試完畢后不需要二次標(biāo)定。系統(tǒng)傳感器及精密測量電路受時間、溫度、外力、環(huán)境等影響小，參數(shù)不易發(fā)生漂移。

(3)可靠性高。該系統(tǒng)故障率低，設(shè)備在長時間內(nèi)不需要維護。

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(yán)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、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。

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。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、耗電量等關(guān)鍵信息。

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。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，能清晰的掌握整個港口的裝載量情況。

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。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、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(xì)化管理提供決策依據(jù)，助力節(jié)能減排。

3 結(jié)語

該門機新型智能稱重管理系統(tǒng)利用基于電機電量檢測的智能稱重方法，通過電量檢測模塊對電機電壓、電流監(jiān)測即可對起重機負(fù)載重量進行精確測量與統(tǒng)計；與傳統(tǒng)的力傳感器稱重相比，將該智能動態(tài)稱重方法與信息處理及控制技術(shù)、設(shè)備網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)相結(jié)合，可實現(xiàn)對港口門機作業(yè)的精確、高效輔助管理。