◎ 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?，F(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，一般不作為貿易計量依據。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慣及操作快慢情況。復雜的動態(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)頻繁數據漂移或故障在生產繁忙時往往會忽視而不能及時校準或修理，這樣的結果就會導致單臺和整體計量不準確，系統(tǒng)不穩(wěn)定，經常出現(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，國產在3～5年，且由于安裝方式、機械應力、沖擊等，傳感器易損壞（如圖1），相應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點直接關系到系統(tǒng)的可用性，數據出現(xiàn)較大偏差對生產管理、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合理協(xié)調地工作。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。

按照國家標準《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。當起重機械起吊重物，重量傳輸到稱重傳感器使其產生微量電壓變化，通過放大器放大后，經A/D轉換器變成數字信號，數字信號經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，對彈性體應力集中區(qū)域設計合理性要求非常高，安裝復雜，短期內需經常進行校準，且由于安裝方式、機械應力、沖擊等，傳感器易損壞，已不滿足于當前智慧綠色港口建設，對設備自動化、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，準確計量貨物從船艙轉移到料斗或者堆場過程中的貨物重量，設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電量數據，通過獨立運算，有效地計量每一次起重機在抓貨時的準確重量，具有低使用成本、高精度、易分類統(tǒng)計等優(yōu)點。

2 項目研究內容和技術方案

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據采集前端設備、數據通訊設備、安裝在后臺的數據保存設備及數據處理軟件等組成。其中前端設備包括顯示器、主機箱、角度傳感器、水平回轉傳感器、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學模型獲得重量，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)稱重數據獲取原理

隨著傳感器和信號處理硬件的發(fā)展，基于重物轉矩理論計算，依據起升電機動態(tài)運行時參數與重量之間的關系建立數學模型獲取稱重數據。電機的電參數很多，如電流、電壓、線路電阻、線路電感和電磁感應等，在此涉及的電參數是實時在線監(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矩數據，計算出起重機負載實時重量與精準重量。門機稱重時根據電量傳感器電信號的采樣，把采樣信號送到微處理器，然后結合外界位置檢測器和機械結構參數可計算出最終最準確的重量（如圖3）。在實際測試過程中，其稱重精度可達到1%以內。

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（如圖4）。同時，根據起重機的整體結構建立起重機動態(tài)稱重系統(tǒng)數學模型，起重機負載重量m為與電機電壓U、電流I、功率P呈非線性函數關系，為m=f（U，I，P）。將電量監(jiān)測模塊的數據代入函數公式進行計算，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，會產生很多作業(yè)統(tǒng)計數據、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、抗機械振動的設備進行處理，同時還需要在司機室內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)網或專用網絡發(fā)送給后臺服務器，因此對芯片選型、電路板設計與制造有嚴格要求。隨著嵌入式技術的發(fā)展，采用NXP的LPC1788作為主控芯片，適配對應的PCB電路板，可實現(xiàn)實時檢測傳感器信號、電機動態(tài)稱重數字信號、每次作業(yè)產生的開關量信號、門機大臂幅度角度信號和門機實時作業(yè)回轉角度信號。稱重系統(tǒng)服務器綜合處理這些信號后，再匯總轉換成數字信息，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 設備網絡集成化

單臺稱重系統(tǒng)設備只能統(tǒng)計單臺起重機的相關信息，無法適配整個港口或碼頭的需求，因此需要多臺稱重設備聯(lián)網同步使用。在4G/5G環(huán)境下，采用物聯(lián)網專用通道，數據傳輸速率、信號穩(wěn)定性、數據安全性都能夠滿足大多數智能硬件設備聯(lián)網的需求，且資費低，是智能設備通信的首選方案（如圖8）。多臺稱重設備聯(lián)網后，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的作業(yè)量，也可以準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)數據的存儲和分析，通過對數據進行分析對比，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

當負載95%時聲光報警，當負載100%時急速聲光報警，當負載超過105%時，發(fā)出控制信號，停止向上起升，支持下放重物。能夠將超載次數及最大超載值記錄在后臺，可供查詢分析。若因生產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。如若用戶設置48萬t和50萬t分別作為鋼絲繩檢修和更換預警點，當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，此數據需要根據鋼絲繩生產商、鋼絲繩種進行調整，可提高備件使用率10%（如圖11）。

圖11 設備保養(yǎng)部署管理圖

2.8 能耗測算精準化

門機智能數據采集設備和稱重管理系統(tǒng)通過RS-485方式與智能電表建立連接，讀取電表能耗數據，并將數據與稱重系統(tǒng)相結合，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據進行匯總，并按照門機設備編號、司機工號、班組和時間進行分類統(tǒng)計、對比，可為企業(yè)根據這些能耗指標進行精細化管理提供決策依據，助力節(jié)能減排。

3 成果應用推廣情況

3.1 成果應用

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性進行校準，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）。精準的數據采集，可靠的安全防護，高效的數據統(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)數據，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支持。

圖12 稱重校準示意圖

3.2 推廣情況

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

3.3 預期應用前景

門座式起重機是港口散貨裝卸的主力生產設備，基數龐大，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，更多地應用于門機稱重當中，數據采集的精準性、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 結語

新型智能稱重系統(tǒng)采用新技術實現(xiàn)了對傳統(tǒng)稱重測量技術的升級再造，運用智能化電量采集數據算法等新技術，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，對生產大數據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支持；增強了計量的精準性，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。