夏 寧 葛一飛

南京港(集團(tuán))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(yùn)行中，統(tǒng)計(jì)計(jì)量往往是通過裝車過磅、測(cè)量船身水尺實(shí)現(xiàn)，這種計(jì)量方式存在成本高、精度較低、難以分類統(tǒng)計(jì)等問題。為了提升散雜貨碼頭門座起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱門機(jī))運(yùn)行效率，準(zhǔn)確計(jì)量貨物從船艙轉(zhuǎn)移到料斗或者堆場(chǎng)過程中的貨物重量，設(shè)計(jì)門機(jī)智能稱重管理系統(tǒng)，使用起重機(jī)起升電機(jī)運(yùn)行時(shí)的相關(guān)電量數(shù)據(jù)，通過獨(dú)立運(yùn)算，有效地計(jì)量每一次起重機(jī)在抓貨時(shí)的準(zhǔn)確重量，具有低使用成本、高精度、易分類統(tǒng)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。

2 門機(jī)智能稱重管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

門機(jī)智能稱重管理系統(tǒng)主要由稱重傳感器、變送器、信號(hào)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(jì)除了能承受被測(cè)力的強(qiáng)度以外，需具有應(yīng)力集中區(qū)域，彈性體在被測(cè)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(cè)力電信號(hào)。

對(duì)于起重機(jī)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(duì)測(cè)力性能的影響極大，是測(cè)力的基礎(chǔ)。如果測(cè)力傳感器的彈性體應(yīng)力集中區(qū)域設(shè)計(jì)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(cè)力傳感器都難以達(dá)到較高的測(cè)力性能。因此，在起重機(jī)的測(cè)力傳感器的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)彈性體應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)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(diǎn)是安全可靠穩(wěn)定，方便維護(hù)，同時(shí)維護(hù)率也比較低；缺點(diǎn)是這種結(jié)構(gòu)型式有一定的局限性，對(duì)于一些起升高度比較高，鋼絲繩倍率比較大的機(jī)構(gòu)，會(huì)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(cè)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(shí)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(diǎn)是安裝成本高，空間要求高，需要設(shè)計(jì)一個(gè)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(jī)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(jì)3個(gè)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(hào)的變化，精確測(cè)量鋼絲繩張力變化。該安裝方式量程范圍大，防護(hù)等級(jí)高，適用于戶外惡劣環(huán)境；缺點(diǎn)是將鋼絲繩的拉力分解成了徑向的小作用力，精度會(huì)有所降低，對(duì)散貨裝卸類機(jī)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(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)獲取

2.2.1 智能動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)獲取原理

隨著傳感器和信號(hào)處理硬件的發(fā)展，基于重物轉(zhuǎn)矩理論計(jì)算，依據(jù)起升電機(jī)動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)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(jī)和支持電機(jī)的電量信號(hào)實(shí)時(shí)計(jì)算出轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)，計(jì)算出起重機(jī)負(fù)載實(shí)時(shí)重量與精準(zhǔn)重量。將該方式與傳統(tǒng)模式結(jié)合，門機(jī)稱重時(shí)根據(jù)電量傳感器電信號(hào)的采樣，把采樣信號(hào)送到微處理器，然后結(jié)合重量傳感器、外界位置檢測(cè)器和機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)可計(jì)算出最終最準(zhǔn)確的重量。在實(shí)際測(cè)試過程中，其稱重精度可達(dá)到2%以內(nèi)。

圖4為基于電機(jī)電量信號(hào)監(jiān)測(cè)的起重機(jī)動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)原理，系統(tǒng)通過電壓傳感器、電流傳感器對(duì)起重機(jī)電機(jī)的電量參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，電量監(jiān)測(cè)模塊計(jì)算得到電機(jī)的電壓U、電流I、功率P等參數(shù)。同時(shí)，根據(jù)起重機(jī)的整體結(jié)構(gòu)建立起重機(jī)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，起重機(jī)負(fù)載重量m為與電機(jī)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(cè)模塊的數(shù)據(jù)代入式(1)進(jìn)行計(jì)算，則得到起重機(jī)負(fù)載重量m，通過對(duì)負(fù)載重量的綜合分析，即可以得到精確的負(fù)載統(tǒng)計(jì)重量。

圖4 起重機(jī)電機(jī)動(dòng)態(tài)稱重原理圖

m=f(U,I,P)

(1)

2.2.2 智能動(dòng)態(tài)稱重特點(diǎn)

智能動(dòng)態(tài)稱重方法與傳感器稱重方法相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)。

(1)精度高。該稱重方法采用高精度的電壓、電流傳感器對(duì)電機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)合動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)學(xué)模型和算法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)重量的實(shí)時(shí)精確測(cè)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(cè)量電路受時(shí)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(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不需要維護(hù)。

2.3 信息處理與控制

在門機(jī)的實(shí)際作業(yè)過程中，會(huì)產(chǎn)生很多作業(yè)統(tǒng)計(jì)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(zhǎng)期正常工作的具有抗干擾、耐高低溫、抗機(jī)械振動(dòng)的設(shè)備進(jìn)行處理，同時(shí)還需要在司機(jī)室內(nèi)與門機(jī)操作員進(jìn)行人機(jī)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(tái)服務(wù)器，因此對(duì)芯片選型、電路板設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)的PCB電路板，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)傳感器信號(hào)、電機(jī)動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)字信號(hào)、每次作業(yè)產(chǎn)生的開關(guān)量信號(hào)、門機(jī)大臂幅度角度信號(hào)、門機(jī)實(shí)時(shí)作業(yè)回轉(zhuǎn)角度信號(hào)。稱重系統(tǒng)服務(wù)器綜合處理這些信號(hào)后，再匯總轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，顯示在HMI人機(jī)交互顯示屏上。

2.4 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)集成化

單臺(tái)稱重系統(tǒng)設(shè)備只能統(tǒng)計(jì)單臺(tái)起重機(jī)的相關(guān)信息，無法適配整個(gè)港口或碼頭的需求，因此需要多臺(tái)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(hào)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(fèi)低，是智能設(shè)備通信的首選方案。多臺(tái)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(shí)時(shí)查看每臺(tái)門機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，包括作業(yè)記錄、系統(tǒng)狀態(tài)、實(shí)時(shí)作業(yè)量、耗電量等關(guān)鍵信息。

2.5 實(shí)時(shí)作業(yè)量統(tǒng)計(jì)

港口中控室可以通過后臺(tái)系統(tǒng)實(shí)時(shí)查看到門機(jī)以及船只和貨物對(duì)應(yīng)的作業(yè)量，也可以準(zhǔn)確了解每一次門機(jī)抓貨的單次計(jì)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(jìn)度情況時(shí)，可登錄后臺(tái)網(wǎng)站，實(shí)時(shí)查詢整個(gè)港口上的泊位、船只、船艙、門機(jī)現(xiàn)有的計(jì)量噸位等信息，能清晰的掌握整個(gè)港口的裝載量情況。

門機(jī)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(tái)稱重系統(tǒng)查詢與統(tǒng)計(jì)到最真實(shí)的作業(yè)能耗。也將門機(jī)工作能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，并按照門機(jī)設(shè)備編號(hào)、司機(jī)工號(hào)、班組、時(shí)間進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)、對(duì)比，可為企業(yè)根據(jù)這些能耗指標(biāo)進(jìn)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(jī)新型智能稱重管理系統(tǒng)利用基于電機(jī)電量檢測(cè)的智能稱重方法，通過電量檢測(cè)模塊對(duì)電機(jī)電壓、電流監(jiān)測(cè)即可對(duì)起重機(jī)負(fù)載重量進(jìn)行精確測(cè)量與統(tǒng)計(jì)；與傳統(tǒng)的力傳感器稱重相比，將該智能動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)港口門機(jī)作業(yè)的精確、高效輔助管理。