基于自行式液壓模塊化運輸車的稱重技術研究

楊風艷，徐學軍，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輸車（SPMT）有多個軸線，每個軸線可以獨立轉向和升降，通過電子控制系統實現同步操作。作為特種運輸設備，SPMT具有載重量大、運動靈活的優勢，主要應用于重型和超大型結構物的運輸，在港口碼頭大件滾裝、裝備制造業、海洋石油、化工、橋梁建造等工程領域應用廣泛[1-2]。

為進一步發掘SPMT 的應用范圍，根據SPMT的自身特點，本文對SPMT 高精度稱重技術進行研究，利用SPMT 自身升降功能，通過在SPMT 車板上布置重量傳感器，實現大型結構物稱重及運輸裝船過程的整合。SPMT 稱重系統支持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。本文主要對重量傳感器稱重模式進行論述。通過對該系統的研究，最終掌握了SPMT 稱重方案設計及現場自主實施的相關技術，有效縮減了稱重工期，節省施工成本。

1 SPMT稱重系統基本原理

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據至上位機。

3）上位機軟件根據所有重量傳感器的數值，計算得到被稱重結構物的整體重量和重心位置。

1.2 數據采集和傳輸系統

SPMT 稱重系統需要采集的數據包括重量傳感器數據和位移傳感器數據。2 類傳感器數據均采用4～20 mA 模擬量信號，通過模擬量采集器實時采集，并通過可編程邏輯控制器（PLC）單元進行數據處理。然后通過以太網上傳至上位機系統的數據庫。

以太網相比RS-485總線具有更高的通訊速率，尤其是遠距離傳輸時，不會因為距離增加而導致傳輸速度明顯衰減。對于存在干擾的使用環境，采用帶有屏蔽層的超五類網線，可以實現雙向穩定連續通訊，延遲時間短。以太網數據傳輸支持總線模式和串聯2種連接形式。同時，以太網滿足即插即用的要求，可以熱插拔，在開機狀態下可以增加或刪除節點，使用方便。

1.3 系統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品標定時固有的誤差，在使用中無法控制。選型時要求重量傳感器精度誤差小于全量程的0.5%。長期使用后可能發生零點漂移現象，造成校準誤差。校準誤差可以通過2種方法解決：①定期對傳感器進行校準；②利用軟件校準功能，在測量前先將所有傳感器空載讀取零點數值，并基于該零點完成后續稱重工作。

2）SPMT 車體變形引起的誤差。SPMT 車體在受到不均勻壓力時會產生彈性變形，導致擱置在SPMT 上的墊墩位置和角度發生變化。對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°，則傳感器對應的壓力不等于其承擔的重量，將會影響計算精度。根據彈性變形確定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，通過夾角變化量計算重量傳感器壓力的垂向分量，將該垂向分量作為其承擔的重力分量，可減小車體變形對重量計算精度的影響。

3）測量環境的因素引起的誤差。測量環境因素主要包括風、溫度、雨雪等對測量精度的影響。

當被稱重物受風面積較大時，風力會對其產生不可忽略的作用力，從而影響測量精度。消除風力誤差有2種方法：①盡量在風速較低的天氣條件下進行稱重，保證稱重作業的風速不超過系統說明書規定的范圍；②在風速較大的環境中，現場安裝風速測量儀器，根據實時風速數據選擇風速相對穩定和較低的時刻進行稱重，并且多次讀數取平均值，以減小陣風帶來的誤差。

溫度變化會導致傳感器特性發生變化，從而影響輸出信號。為了減小溫度誤差，應該選擇具有良好溫度補償功能的傳感器，并且盡量避免在溫差較大或者日照直射等極端情況下進行稱重。

雨雪天氣會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械特性。為了減小濕度誤差，應該選擇具有防水防潮功能的傳感器，并且在可能出現降水情況下及時覆蓋設備。

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。系統最終的測量誤差需要通過實際測試確定，并根據測試結果對系統進行相應調整。

2 硬件設計方案

硬件設計主要包括現場巡檢儀、琴式控制柜和集裝箱控制室3部分。

2.1 現場巡檢儀設計方案

現場巡檢儀采用金屬箱體結構，便于攜帶和安裝。箱體內部安裝有PLC、模擬量采集模塊、交換機、直流電源、斷路器等設備。箱體正面設有液晶顯示屏，用于顯示各路傳感器數據。箱體外側設有16 個模擬量數據采集接口、2 個5 芯以太網線接口和2 個220 V 電源接口。巡檢儀內部接線原理示意圖如圖2所示。

圖2 巡檢儀內部接線原理示意圖

2.2 琴式控制柜設計方案

琴式控制柜內部安裝有工業電腦、打印機、變壓器、以太網交換機等設備，以及2 臺24 寸液晶顯示屏。此外，琴式控制柜內還分別設置了強電控制箱和弱電控制箱，用于放置強電和弱電相關設施。琴式控制柜面板上設置了總電源開關、24 V 電源開關、工業電腦開關和狀態指示燈等元件。

2.3 控制室設計方案

集裝箱控制室采用長度為5.898 m 的標準集裝箱，中間隔斷分為前后2個房間。前面房間為控制室，內部安裝琴式控制柜、空調等設備，用于完成SPMT 稱重操作。后面房間為儲存間，內部存放巡檢儀、數據線、各類傳感器等稱重系統所需設施。

3 軟件設計方案

3.1 軟件開發的基本原則

1）采用參數化模板和人機圖形交互相結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化模型。建模時，選擇模板，設置通用類型的模型參數，然后通過交互式建模系統，在圖形界面或電子表格中完成具體方案設計。

2）建模與稱重管理功能分離。方案設計人員在辦公室臺式機上制定方案，包括坐標系、工程信息、稱重物幾何尺寸和屬性、SPMT軸線、SPMT布置、SPMT 懸掛、各類傳感器設置和連接等。稱重過程監控利用琴式控制柜內的主機完成。主機通過網絡或移動存儲設備將工程模型復制到工業電腦（上位機），打開上位機軟件并加載模型即可開始稱重工作，無需建模操作。

3）稱重監控時，傳感器數據由巡檢儀內的PLC 采集，并通過以太網發送至上位機數據采集模塊。上位機數據采集模塊將數據存儲到數據庫中。監控管理模塊讀取數據庫中的數據，計算當前狀態參數，并繪制重量曲線圖、傳感器歷史數據曲線圖、傳感器圖形顯示等，輔助完成稱重監控。數據采集模塊與過程監控模塊只通過數據庫交換數據。

4）軟件具有良好的容錯性。當用戶輸入非法數據時，系統提示錯誤輸入，并避免系統異常。軟件具有自動保存功能，在系統意外關閉時保存當前狀態，并在系統重啟后自動恢復。

系統基本模塊原理見圖3。

圖3 系統基本模塊原理圖

3.2 上位機軟件的功能模塊

1）建模模塊。建模模塊包括模板管理和交互建模2個子模塊。通過參數化模板，將常見的稱重配置定義為與軟件無關的資源，包括稱重類型、模式、坐標系、平板車、傳感器、巡檢儀連接和輸出文檔等。在模板中，部分參數設置為可調整的變量，通過改變變量值，可以得到不同的方案。實際應用時，根據工程特點，從模板庫中選取合適的模板，然后通過調整變量和微調細節，快速建立稱重工程模型。

2）數據庫管理模塊。數據庫管理模塊負責數據庫的建立和管理，實時存儲網絡通信模塊采集的傳感器數據，并根據稱重管理模塊的查詢指令，查詢歷史數據，并繪制曲線圖、生成表格或自動生成稱重報告。數據庫管理模塊還實現對數據的有效性檢驗、異常數據處理和數據備份。

3）網絡通信模塊。網絡通信模塊包括網絡傳輸和巡檢儀配置2 個子模塊。網絡傳輸子模塊用于實現上位機與巡檢儀之間的數據通信，包括接收傳感器數據和發送控制指令。控制指令包括巡檢儀地址設置、采集頻率設置等。巡檢儀配置子模塊用于配置巡檢儀的網絡信息，包括傳感器連接關系、參數范圍、名稱和IP地址等。

4）稱重管理與監控模塊。稱重管理與監控模塊包括稱重過程的圖形顯示、聲音圖像報警、重量重心控制曲線和傳感器數據曲線的計算與繪制，以及稱重報告的生成等。

傳感器數據通過俯視圖、表格和曲線圖3 種形式顯示。俯視圖顯示被稱重結構軸線、傳感器圖標、編號和數值。表格顯示各軸的傳感器數據。曲線圖顯示各路傳感器數據隨時間變化的趨勢。

5）文檔自動化模塊。文檔自動化模塊可自動生成PDF格式的稱重報告。報告由封面、目錄和正文組成。正文中包括稱重原理、傳感器參數與配置、稱重參數設置、承載物概述、傳感器數值列表和圖形顯示、重量重心計算數據和分析結果等。

4 系統測試

該系統在某LNG 項目模塊上進行了測試。在重復性條件及復現性條件下，對模塊的重量及重心坐標進行了6 次獨立重復觀測，SPMT 稱重系統現場稱重數據見表1，其中LX為重心X坐標，LY為重心Y坐標。正態分布情況下，采用極差法評定獲得重量及重心坐標測得值的試驗標準偏差s(xk)為：

表1 SPMT稱重系統現場稱重數據

式中，xk為多次測量中重量及重心坐標測得值；R為極差，等于模塊重量及重心坐標測得值的最大值與最小值之差；C為極差系數，當測量次數為6時，C為2.53。

模塊重量及重心坐標的標準不確定度uA()為：

得到系統擴展不確定度UA為：

得到系統相對擴展不確定度Urel為：

式中，n為測量次數；xˉ為n次測量所得重量及重心坐標測得值的算術平均值；k為置信因子，k=2。

采用上述公式分別對重量及重心坐標的不確定度進行了計算，SPMT 稱重系統不確定度計算結果見表2。

表2 SPMT稱重系統不確定度計算結果

根據測試結果得出，稱重重量相對擴展不確定度 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%精度級別。