PCC 器件以其數(shù)據(jù)分析計(jì)算能力強(qiáng)、編程功能豐富、多任務(wù)執(zhí)行等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。以PCC 為核心部件來(lái)實(shí)現(xiàn)大型海洋作業(yè)吊重船稱重系統(tǒng)的任務(wù)。
　　在大型海洋作業(yè)吊重船的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，稱重系統(tǒng)具有極其重要的作用；而該系統(tǒng)牽涉大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算、曲線模擬及差錯(cuò)校正，電路實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，是吊船自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的一個(gè)難點(diǎn)。
　　吊船稱重系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的基本功能包括：載荷重量傳感信號(hào)及吊桿跨距傳感信號(hào)的產(chǎn)生、采集和處理，傳感信號(hào)與實(shí)際值之間數(shù)學(xué)關(guān)系的模擬；載荷曲線的模擬；超重及輕載的計(jì)算；載荷重量、作業(yè)跨距、允許極限載荷的指示；超重及輕載開(kāi)關(guān)信號(hào)的輸出等。
　　稱重系統(tǒng)硬件構(gòu)成可分為前端信號(hào)模塊與運(yùn)算處理兩個(gè)模塊。前端信號(hào)模塊中載荷重量傳感器一般采用壓力傳感方式，由吊重機(jī)械系統(tǒng)中的滑輪組驅(qū)動(dòng)壓力傳感器推動(dòng)塊，將滑輪組在不同載荷下的受力傳遞到傳感器件產(chǎn)生電信號(hào)，出于諸多技術(shù)原因大型吊重系統(tǒng)一般采用多個(gè)同類型的傳感器完成載荷重量的機(jī)電換能?？缇鄠鞲衅骺蛇x擇與吊桿變幅隨動(dòng)的旋轉(zhuǎn)電位器或角度編碼器實(shí)現(xiàn)。運(yùn)算模塊需完成傳感器受力與電信號(hào)關(guān)系特性曲線、載荷與傳感器受力關(guān)系特性曲線、載荷曲線等數(shù)學(xué)模型的建立，并將傳感信號(hào)按照數(shù)學(xué)模型的運(yùn)算規(guī)則進(jìn)行分析計(jì)算產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的輸出變量，是稱重系統(tǒng)的核心部分。技術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問(wèn)題是算法設(shè)計(jì)和運(yùn)算功能硬件的選擇。
　　運(yùn)算功能硬件的選擇
　　吊重船自動(dòng)控制系統(tǒng)中的主控部分一般采用傳統(tǒng)的PLC 實(shí)現(xiàn)，主要用來(lái)完成吊重系統(tǒng)的動(dòng)作控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、安全保護(hù)等邏輯控制功能，當(dāng)然系統(tǒng)本身也具有一定的模擬量處理和運(yùn)算分析功能，但由于以下原因，將稱重系統(tǒng)的運(yùn)算任務(wù)由主控部分來(lái)實(shí)現(xiàn)可行性較小：一是PLC 大多數(shù)采用單任務(wù)執(zhí)行方式循環(huán)掃描或監(jiān)控用戶程序，處理程序本身的邏輯運(yùn)算指令，完成外部I/0 通道狀態(tài)的采集或刷新，控制速度依賴于應(yīng)用程序的規(guī)模、I/0 點(diǎn)的數(shù)量、復(fù)雜運(yùn)算量等因素，將稱重系統(tǒng)的大量數(shù)學(xué)運(yùn)算納入主控制系統(tǒng)無(wú)疑會(huì)影響控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；二是大型海洋作業(yè)吊重船自動(dòng)控制系統(tǒng)本身I/0點(diǎn)多，各種安全保護(hù)邏輯功能要求嚴(yán)格，模擬量開(kāi)關(guān)量混合，使得用戶程序規(guī)模龐大，CPU 負(fù)荷重，不能有效實(shí)現(xiàn)稱重系統(tǒng)大量數(shù)學(xué)運(yùn)算的功能要求；三是大多數(shù)PLC 采用梯形圖、指令表、順序功能圖等編程方式，編制需要通過(guò)分析運(yùn)算實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制思想的控制程序具有較大的難度。因而，將稱重系統(tǒng)與主控系統(tǒng)獨(dú)立，以下位機(jī)方式完成數(shù)據(jù)的采集和處理，為主控系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)并接受主控系統(tǒng)的控制命令，是一種較為合理的方式。由于PCC 器件的編程方式既有傳統(tǒng)的梯形圖、指令表和順序功能圖，又能使用高級(jí)語(yǔ)言PL2000 和C 語(yǔ)言編程，編制數(shù)學(xué)運(yùn)算程序較為容易，而且PCC 技術(shù)和概念本身就側(cè)重于多任務(wù)執(zhí)行和數(shù)據(jù)分析運(yùn)算，選用PCC 作為稱重系統(tǒng)的核心運(yùn)算模塊最為合適。
　　載荷傳感器的配置
　　由于大型吊船的吊重量大，重量傳感器的受力范圍較大，用單一的滿足受力條件的壓力傳感器完成信號(hào)變換雖然具有安裝調(diào)試容易、簡(jiǎn)化運(yùn)算等優(yōu)點(diǎn)，但由于大壓力范圍傳感器的制作難度大、特性曲線線性差，需進(jìn)行多個(gè)分段的線性模擬、A / D 轉(zhuǎn)換精度要求高特性曲線變化或傳感件損壞系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)整體影響大等原因，實(shí)際設(shè)計(jì)中往往采用多個(gè)同種類型的壓力范圍較小的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換。
　　載荷傳感信號(hào)的抖動(dòng)處理
　　由于海洋作業(yè)吊重船在作業(yè)時(shí)受風(fēng)、浪、流的影響，船體產(chǎn)生橫搖或縱搖難以避免，使用經(jīng)驗(yàn)表明，即使在重物靜止?fàn)顟B(tài)下測(cè)重，傳感信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，導(dǎo)致重量指示的動(dòng)態(tài)變化，操作人員不能得到確定的重量信息。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，傳感信號(hào)的抖動(dòng)具有以基準(zhǔn)值為中心對(duì)稱變化的特性，基準(zhǔn)值能夠直接反應(yīng)載荷重量，因此，消除傳感信號(hào)的抖動(dòng)可采取多個(gè)采集值取平均值的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可采取數(shù)值濾波算法，但對(duì)程序員要求較高。
　　載荷重量信號(hào)的計(jì)算
　　多路重量傳感信號(hào)采集到PCC 系統(tǒng)后，需要計(jì)算得出載荷重量信號(hào)，進(jìn)而結(jié)合跨距信號(hào)與載荷曲線進(jìn)行比較運(yùn)算。一般的算法設(shè)計(jì)是將多路傳感編碼信號(hào)取和，然后通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)重量吊重實(shí)驗(yàn)所確定的載荷與信號(hào)和的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算出實(shí)際載荷重量。這種算法設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于可以避免測(cè)量傳感器的特性曲線、調(diào)試和校正時(shí)不需要調(diào)整傳感器推動(dòng)裝置，將傳感部分的機(jī)械機(jī)構(gòu)、機(jī)電換能器件、PCC 的模擬輸人模塊視為一個(gè)測(cè)量組件，通過(guò)吊重實(shí)驗(yàn)確定組件外部特性（編碼取和值與載荷重量的函數(shù)關(guān)系）即可。其主要的缺點(diǎn)是，傳感器特性曲線的非線性和各傳感器受力的不均勻引起組件外部特性線性差，需要在額定吊重范圍內(nèi)做較為密集的標(biāo)準(zhǔn)重量吊重實(shí)驗(yàn)，且傳感器推動(dòng)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)變形（使得多個(gè)傳感器受力的不均勻性發(fā)生變化）將引起特性曲線的較大變化，需重新做吊重實(shí)驗(yàn)方可校正。由于額定重量達(dá)500t 以上的密集標(biāo)誰(shuí)重量實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)具有很大的難度，使得按照這種算法設(shè)計(jì)的稱重系統(tǒng)的可用性和準(zhǔn)確性大大下降，較為合理可行的算法是，首先根據(jù)PCC 模擬各路傳感器特性曲線，由PCC 根據(jù)采集到的傳感編碼信號(hào)分別計(jì)算出各路傳感器的受力、然后通過(guò)少數(shù)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)重量實(shí)驗(yàn)確定各傳感器受力總和與載荷的函數(shù)關(guān)系，最終計(jì)算出實(shí)際載荷重量。該算法有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：① 由于傳感器受力總和只與載荷重量和傳感器在零吊重情況下的受力有關(guān)，各路傳感器受力的不均勻或不均勻程度發(fā)生變化對(duì)總和都沒(méi)有影響。② 傳感器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)決定了受力總和與載荷的函數(shù)關(guān)系成完全線性，設(shè)為Y = AX + B ，變量Y 為傳感器受力總和；變量X 為載荷，系數(shù)A 與滑輪組機(jī)械結(jié)構(gòu)相關(guān)，為固定值；B 為傳感器在零吊重情況下的受力總和，為相對(duì)易變量；A 、B 均可通過(guò)標(biāo)淮吊重實(shí)驗(yàn)得出，A 還可通過(guò)力學(xué)計(jì)算獲得。③ 使用經(jīng)驗(yàn)表明，壓力傳感器特性曲線在使用過(guò)程中不易發(fā)生變化，即使發(fā)生變化重新測(cè)量也很方便。④ 算法實(shí)現(xiàn)前不能確定的和使用過(guò)程中容易變化的因素只有系數(shù)B , 但根據(jù)以上分析只通過(guò)一次標(biāo)準(zhǔn)吊重實(shí)驗(yàn)即可獲得該系數(shù)或進(jìn)行校正。⑤ 稱重發(fā)生異?；蚨ㄆ谛Ｕ龝r(shí)只需重新測(cè)量傳感器特性曲線并做1 個(gè)或2 個(gè)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)重量實(shí)驗(yàn)，然后在用戶程序作出修改即可完成。綜合以上所述，該算法有效克服了傳統(tǒng)算法的缺陷和不足，簡(jiǎn)化了稱重系統(tǒng)校正和調(diào)試過(guò)程，使系統(tǒng)的可用性和準(zhǔn)確性得到了較大的提高。
　　測(cè)重時(shí)機(jī)的選擇
　　由于重物在起升或下放的運(yùn)動(dòng)過(guò)程特別是在加速或減速過(guò)程中，滑輪組受力具有較大的動(dòng)態(tài)特性，致使測(cè)得的重量信號(hào)也動(dòng)態(tài)變化，不能準(zhǔn)確指示載荷實(shí)際重量，有礙操作人員獲取確定的重量信息；同時(shí)也引起超重或輕載開(kāi)關(guān)信號(hào)的頻繁跳動(dòng)，最理想的時(shí)機(jī)是在重物靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行測(cè)重。對(duì)應(yīng)的吊機(jī)作業(yè)狀態(tài)為剎車裝置閉合狀態(tài)。由主控系統(tǒng)向稱重子系統(tǒng)提供此開(kāi)關(guān)信號(hào)，作為測(cè)重命令信號(hào)，即可在PCC 中實(shí)現(xiàn)有條件測(cè)量的算法。
　　特性曲線模擬算法
　　稱重系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要進(jìn)行多個(gè)特性曲線的模擬，基本實(shí)現(xiàn)算法為分段線性模擬，算法實(shí)現(xiàn)本身較為簡(jiǎn)單，但編制程序時(shí)需在內(nèi)存占用量、運(yùn)算時(shí)間與測(cè)量精度方面做綜合權(quán)衡。
　　計(jì)算誤差的消除
　　曲線的模擬、編碼與實(shí)際值轉(zhuǎn)換、比較運(yùn)算、函數(shù)值的計(jì)算，都牽涉大量的數(shù)值計(jì)算，其中不乏容易引起計(jì)算誤差的數(shù)值計(jì)算，算法實(shí)現(xiàn)時(shí)需考慮數(shù)值計(jì)算的誤差特性并采取誤差控制措施。
　　吊重船稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，只要抓好上述幾個(gè)技術(shù)要點(diǎn)，硬件配置和程序編制都較為簡(jiǎn)單，一般的電氣工程師均可勝任，實(shí)際系統(tǒng)的硬件構(gòu)成和應(yīng)用程序從略。

        作者： 郝全亮   勝利油田海洋石油船舶公司