基于电量采集智能算法的新型称重系统研发与应用

◎ 申鹏程，申 鹏，滕 健

（日照港裕廊股份有限公司，山东 日照 276826）

1 项目研究背景

1.1 现状问题

在散杂货码头日常运行中，统计计量往往是通过装车过磅、测量船身水尺实现，这种计量方式存在成本高、精度较低、难以分类统计等问题。现有的门座式起重机均配备了称重系统，用于日常的货物称重计量，一般不作为贸易计量依据。而且随着门机使用年限的增加，称重系统均存在不同程度的老化，出现了各种各样的问题，主要问题如下。

（1）精度不足。面对起重设备多种工况，有时从开始到完成起升高度发生明显变化，以及面对司机操作习惯及操作快慢情况。复杂的动态过程，难以精确追踪重量，称重误差大于5%，失去参考价值和意义。

（2）稳定性欠佳。对于计量系统频繁数据漂移或故障在生产繁忙时往往会忽视而不能及时校准或修理，这样的结果就会导致单台和整体计量不准确，系统不稳定，经常出现误报警或不报警情况。

（3）过载保护失效。对超载反应的时间由原来的3～5 s逐渐变长，甚至超载后自动断电保护等功能失效，存在极大的安全隐患。

（4）维护费用高。进口传感器寿命10年左右，国产在3～5年，且由于安装方式、机械应力、冲击等，传感器易损坏（如图1），相应的维护成本逐年增加。

图1 现场原有称重传感器实景图

以上4点直接关系到系统的可用性，数据出现较大偏差对生产管理、组织管理、维修管理意义不大，增大了安全隐患，降低了工作效率。部分使用15年以上的门机称重系统，已无法起到任何原有功能，单班次作业量统计甚至需要司机根据刮板机流量刻度进行估算，极不便利，且误差性极大，安全性能无法保障，因此急需对称重系统进行更换升级。

1.2 项目实施的必要性

事实证明，一个免维护系统不仅能提高工作效率，而且能让所有参与人员科学合理协调地工作。因此可靠、稳定的系统是增加管理深度，提高工作效率的必要基础。

按照国家标准《起重机械超载保护装置》（GB/T 12602—2020），起重机械超载保护装置分为起重量限制器和起重力矩限制器[1]。传统的起重量限制器通常由称重传感器、控制器和仪表组成，采集起重量直接参与控制。当起重机械起吊重物，重量传输到称重传感器使其产生微量电压变化，通过放大器放大后，经A/D转换器变成数字信号，数字信号经处理后换算成重量值[2]。传统的称重传感器，如卷筒轴承座压式传感器、卷筒座杠杆受压式传感器、旁压式柱式承压传感器，对弹性体应力集中区域设计合理性要求非常高，安装复杂，短期内需经常进行校准，且由于安装方式、机械应力、冲击等，传感器易损坏，已不满足于当前智慧绿色港口建设，对设备自动化、智能化提出的新要求。因此，为解决老旧门机称重传感器老化失效的难题，恢复并提升门机称重系统整体性能，改变原有的称重模式，采用最新的、无接触式的新型称重传感测量技术成为必然的趋势。

1.3 项目解决问题

为提升散杂货码头门座起重机（以下简称“门机”）运行效率，准确计量货物从船舱转移到料斗或者堆场过程中的货物重量，设计门机智能称重管理系统，使用起重机起升电机运行时的相关电量数据，通过独立运算，有效地计量每一次起重机在抓货时的准确重量，具有低使用成本、高精度、易分类统计等优点。

2 项目研究内容和技术方案

2.1 新型智能称重系统简介

基于电量采集智能算法的新型智能称重系统主要由安装在门机上的数据采集前端设备、数据通讯设备、安装在后台的数据保存设备及数据处理软件等组成。其中前端设备包括显示器、主机箱、角度传感器、水平回转传感器、总电能表、电量信号采集单元、电流传感器、电压传感器、4G/5G工业路由器和天线等（如图2）。新型智能称重系统通过电机的电流电压分析建立数学模型获得重量，以保证核心要求得到满足。

图2 系统示意图

2.2 智能动态称重数据获取原理

随着传感器和信号处理硬件的发展，基于重物转矩理论计算，依据起升电机动态运行时参数与重量之间的关系建立数学模型获取称重数据。电机的电参数很多，如电流、电压、线路电阻、线路电感和电磁感应等，在此涉及的电参数是实时在线监测到的电压和电流[3]。

通过采集开闭电机和支持电机的电量信号实时计算出转矩数据，计算出起重机负载实时重量与精准重量。门机称重时根据电量传感器电信号的采样，把采样信号送到微处理器，然后结合外界位置检测器和机械结构参数可计算出最终最准确的重量（如图3）。在实际测试过程中，其称重精度可达到1%以内。

图3 作业采集流程图解

该系统通过电压传感器、电流传感器对起重机电机的电量参数进行实时监测，电量监测模块计算得到电机的电压U、电流I、功率P等参数（如图4）。同时，根据起重机的整体结构建立起重机动态称重系统数学模型，起重机负载重量m为与电机电压U、电流I、功率P呈非线性函数关系，为m=f（U，I，P）。将电量监测模块的数据代入函数公式进行计算，则得到起重机负载重量m，通过对负载重量的综合分析，即可以得到精确的负载统计重量[4]。

图4 电量采集称重系统主要部件图

2.3 信息处理与控制

在门机的实际作业过程中，会产生很多作业统计数据、故障信息、工作状态、环境等信息。这些信息需要一款能长期正常工作的具有抗干扰、耐高低温、抗机械振动的设备进行处理，同时还需要在司机室内与门机操作员进行人机交互，从而将这些信息与状态处理后，通过互联网或专用网络发送给后台服务器，因此对芯片选型、电路板设计与制造有严格要求。随着嵌入式技术的发展，采用NXP的LPC1788作为主控芯片，适配对应的PCB电路板，可实现实时检测传感器信号、电机动态称重数字信号、每次作业产生的开关量信号、门机大臂幅度角度信号和门机实时作业回转角度信号。称重系统服务器综合处理这些信号后，再汇总转换成数字信息，显示在HMI人机交互显示屏上（如图5、6、7）。

图5 角度传感器实景图

图6 电量采集单元图

图7 显示屏实时显示图

2.4 设备网络集成化

单台称重系统设备只能统计单台起重机的相关信息，无法适配整个港口或码头的需求，因此需要多台称重设备联网同步使用。在4G/5G环境下，采用物联网专用通道，数据传输速率、信号稳定性、数据安全性都能够满足大多数智能硬件设备联网的需求，且资费低，是智能设备通信的首选方案（如图8）。多台称重设备联网后，可明显提高码头作业效率，充分利用码头资源，智能分配人员操作与施工，可以实时查看每台门机的实时状态信息，包括作业记录、系统状态、实时作业量和耗电量等关键信息。

图8 系统信号传输布局图

2.5 实时作业量统计

港口中控室可以通过后台系统实时查看到门机以及船只和货物对应的作业量，也可以准确了解每一次门机抓货的单次计量重量（如图9、10）。在日常生产管理中，港口方在需要了解港口过泊作业进度情况时，可登录后台网站，实时查询整个港口上的泊位、船只、船舱、门机现有的计量吨位等信息，能清晰地掌握整个港口的装载量情况。借助上述功能，可实现数据的存储和分析，通过对数据进行分析对比，可逐步形成企业特有的知识库用于未来的管理决策[5]。

图9 作业量实时统计图

2.6 超负荷保护及记录

当负载95%时声光报警，当负载100%时急速声光报警，当负载超过105%时，发出控制信号，停止向上起升，支持下放重物。能够将超载次数及最大超载值记录在后台，可供查询分析。若因生产特殊原因需临时性超负荷运行，可切换旁路进行作业。

图10 船舱作业情况统计图

2.7 保养周期可视化

设置钢丝绳、滑轮、减速机、抓斗等部件润滑维修更换节点，系统根据易耗部件作业量及作业时间提供维修更换建议。如若用户设置48万t和50万t分别作为钢丝绳检修和更换预警点，当钢丝绳总装卸量达到48万t或50万t时，系统将提醒维修人员检查或更换，此数据需要根据钢丝绳生产商、钢丝绳种进行调整，可提高备件使用率10%（如图11）。

图11 设备保养部署管理图

2.8 能耗测算精准化

门机智能数据采集设备和称重管理系统通过RS-485方式与智能电表建立连接，读取电表能耗数据，并将数据与称重系统相结合，因此可从后台称重系统查询与统计到最真实的作业能耗。同时，也将门机工作能耗数据进行汇总，并按照门机设备编号、司机工号、班组和时间进行分类统计、对比，可为企业根据这些能耗指标进行精细化管理提供决策依据，助力节能减排。

3 成果应用推广情况

3.1 成果应用

目前，日照港裕廊股份有限公司（简称“裕廊公司”）西五泊位6号、7号门机已安装应用此基于电量采集智能算法的新型称重系统，使用效果良好，现场称重系统稳定，前期借用专用砝码对其称重精准性进行校准，15 t砝码，6号门机称重显示14.99 t，7号门机称重显示14.91 t，误差率均小于1%（如图12）。精准的数据采集，可靠的安全防护，高效的数据统计，解决了之前称重系统老化带来的粗放式统计作业量的问题，消除了称重过载安全隐患，降低了工作人员的劳动强度，后台实时监控门机工作状态和作业数据，提高了工作效率，对单机成本核算的开展提供了强有力的技术支持。

图12 称重校准示意图

3.2 推广情况

该系统在裕廊公司的顺利应用，为后续其他门机称重系统改造提供了技术方案和样本，裕廊公司后续门机称重系统改造后统一并入相同的服务器后台，为后续作业数据集成可视化、作业数据整合共享、归口统一管理分析提供了实施方向。

3.3 预期应用前景

门座式起重机是港口散货装卸的主力生产设备，基数庞大，称重系统作为门机必不可少的兼具计量和保护功能的系统，有很大的改造升级需求。随着港口智能化水平要求越来越高，新型的电量采集称重智能传感系统将逐步取代传统压力式传感器，更多地应用于门机称重当中，数据采集的精准性、管理分析的便捷性以及成本核算的严要求下，新型门座式起重机智能称重系统将越来越普及。

4 结语

新型智能称重系统采用新技术实现了对传统称重测量技术的升级再造，运用智能化电量采集数据算法等新技术，依托信息化手段集成整合系统，实现了多方联动协同管理，对生产大数据进行了综合有效利用；解决了之前称重系统老化带来的粗放式统计作业量的问题，消除了称重过载安全隐患，降低了工作人员的劳动强度，提高了工作效率，对单机成本核算的开展提供了强有力的技术支持；增强了计量的精准性，维护了客户的利益，提升了公司的对外形象，是公司科技强安、践行智慧港口的具体举措。