PCC 器件以其數據分析計算能力強、編程功能豐富、多任務執行等優點，在工業自動化領域獲得了廣泛的應用。以PCC 為核心部件來實現大型海洋作業吊重船稱重系統的任務。
在大型海洋作業吊重船的自動控制系統中，稱重系統具有極其重要的作用；而該系統牽涉大量的數學運算、曲線模擬及差錯校正，電路實現較為復雜，是吊船自動控制系統設計和實現過程中的一個難點。
吊船稱重系統所要實現的基本功能包括：載荷重量傳感信號及吊桿跨距傳感信號的產生、采集和處理，傳感信號與實際值之間數學關系的模擬；載荷曲線的模擬；超重及輕載的計算；載荷重量、作業跨距、允許極限載荷的指示；超重及輕載開關信號的輸出等。
稱重系統硬件構成可分為前端信號模塊與運算處理兩個模塊。前端信號模塊中載荷重量傳感器一般采用壓力傳感方式，由吊重機械系統中的滑輪組驅動壓力傳感器推動塊，將滑輪組在不同載荷下的受力傳遞到傳感器件產生電信號，出于諸多技術原因大型吊重系統一般采用多個同類型的傳感器完成載荷重量的機電換能。跨距傳感器可選擇與吊桿變幅隨動的旋轉電位器或角度編碼器實現。運算模塊需完成傳感器受力與電信號關系特性曲線、載荷與傳感器受力關系特性曲線、載荷曲線等數學模型的建立，并將傳感信號按照數學模型的運算規則進行分析計算產生系統所需要的輸出變量，是稱重系統的核心部分。技術設計和實現的關鍵問題是算法設計和運算功能硬件的選擇。
運算功能硬件的選擇
吊重船自動控制系統中的主控部分一般采用傳統的PLC 實現，主要用來完成吊重系統的動作控制、狀態監測、安全保護等邏輯控制功能，當然系統本身也具有一定的模擬量處理和運算分析功能，但由于以下原因，將稱重系統的運算任務由主控部分來實現可行性較小：一是PLC 大多數采用單任務執行方式循環掃描或監控用戶程序，處理程序本身的邏輯運算指令，完成外部I/0 通道狀態的采集或刷新，控制速度依賴于應用程序的規模、I/0 點的數量、復雜運算量等因素，將稱重系統的大量數學運算納入主控制系統無疑會影響控制系統的實時性；二是大型海洋作業吊重船自動控制系統本身I/0點多，各種安全保護邏輯功能要求嚴格，模擬量開關量混合，使得用戶程序規模龐大，CPU 負荷重，不能有效實現稱重系統大量數學運算的功能要求；三是大多數PLC 采用梯形圖、指令表、順序功能圖等編程方式，編制需要通過分析運算實現復雜控制思想的控制程序具有較大的難度。因而，將稱重系統與主控系統獨立，以下位機方式完成數據的采集和處理，為主控系統提供數據并接受主控系統的控制命令，是一種較為合理的方式。由于PCC 器件的編程方式既有傳統的梯形圖、指令表和順序功能圖，又能使用高級語言PL2000 和C 語言編程，編制數學運算程序較為容易，而且PCC 技術和概念本身就側重于多任務執行和數據分析運算，選用PCC 作為稱重系統的核心運算模塊最為合適。
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變換雖然具有安裝調試容易、簡化運算等優點，但由于大壓力范圍傳感器的制作難度大、特性曲線線性差，需進行多個分段的線性模擬、A / D 轉換精度要求高特性曲線變化或傳感件損壞系統對系統整體影響大等原因，實際設計中往往采用多個同種類型的壓力范圍較小的傳感器來實現信號變換。
載荷傳感信號的抖動處理
由于海洋作業吊重船在作業時受風、浪、流的影響，船體產生橫搖或縱搖難以避免，使用經驗表明，即使在重物靜止狀態下測重，傳感信號也會產生抖動，導致重量指示的動態變化，操作人員不能得到確定的重量信息。通過實驗得出，傳感信號的抖動具有以基準值為中心對稱變化的特性，基準值能夠直接反應載荷重量，因此，消除傳感信號的抖動可采取多個采集值取平均值的算法來實現，也可采取數值濾波算法，但對程序員要求較高。
載荷重量信號的計算
多路重量傳感信號采集到PCC 系統后，需要計算得出載荷重量信號，進而結合跨距信號與載荷曲線進行比較運算。一般的算法設計是將多路傳感編碼信號取和，然后通過標準重量吊重實驗所確定的載荷與信號和的函數關系，計算出實際載荷重量。這種算法設計的優點在于可以避免測量傳感器的特性曲線、調試和校正時不需要調整傳感器推動裝置，將傳感部分的機械機構、機電換能器件、PCC 的模擬輸人模塊視為一個測量組件，通過吊重實驗確定組件外部特性（編碼取和值與載荷重量的函數關系）即可。其主要的缺點是，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做較為密集的標準重量吊重實驗，且傳感器推動裝置的機械結構變形（使得多個傳感器受力的不均勻性發生變化）將引起特性曲線的較大變化，需重新做吊重實驗方可校正。由于額定重量達500t 以上的密集標誰重量實驗的實現具有很大的難度，使得按照這種算法設計的稱重系統的可用性和準確性大大下降，較為合理可行的算法是，首先根據PCC 模擬各路傳感器特性曲線，由PCC 根據采集到的傳感編碼信號分別計算出各路傳感器的受力、然后通過少數點的標準重量實驗確定各傳感器受力總和與載荷的函數關系，最終計算出實際載荷重量。該算法有以下幾個方面的優點：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，各路傳感器受力的不均勻或不均勻程度發生變化對總和都沒有影響。② 傳感器驅動機構的機械結構決定了受力總和與載荷的函數關系成完全線性，設為Y = AX + B ，變量Y 為傳感器受力總和；變量X 為載荷，系數A 與滑輪組機械結構相關，為固定值；B 為傳感器在零吊重情況下的受力總和，為相對易變量；A 、B 均可通過標淮吊重實驗得出，A 還可通過力學計算獲得。③ 使用經驗表明，壓力傳感器特性曲線在使用過程中不易發生變化，即使發生變化重新測量也很方便。④ 算法實現前不能確定的和使用過程中容易變化的因素只有系數B , 但根據以上分析只通過一次標準吊重實驗即可獲得該系數或進行校正。⑤ 稱重發生異常或定期校正時只需重新測量傳感器特性曲線并做1 個或2 個點的標準重量實驗，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算法的缺陷和不足，簡化了稱重系統校正和調試過程，使系統的可用性和準確性得到了較大的提高。
測重時機的選擇
由于重物在起升或下放的運動過程特別是在加速或減速過程中，滑輪組受力具有較大的動態特性，致使測得的重量信號也動態變化，不能準確指示載荷實際重量，有礙操作人員獲取確定的重量信息；同時也引起超重或輕載開關信號的頻繁跳動，最理想的時機是在重物靜止狀態進行測重。對應的吊機作業狀態為剎車裝置閉合狀態。由主控系統向稱重子系統提供此開關信號，作為測重命令信號，即可在PCC 中實現有條件測量的算法。
特性曲線模擬算法
稱重系統實現時，需要進行多個特性曲線的模擬，基本實現算法為分段線性模擬，算法實現本身較為簡單，但編制程序時需在內存占用量、運算時間與測量精度方面做綜合權衡。
計算誤差的消除
曲線的模擬、編碼與實際值轉換、比較運算、函數值的計算，都牽涉大量的數值計算，其中不乏容易引起計算誤差的數值計算，算法實現時需考慮數值計算的誤差特性并采取誤差控制措施。
吊重船稱重系統的設計和實現過程中，只要抓好上述幾個技術要點，硬件配置和程序編制都較為簡單，一般的電氣工程師均可勝任，實際系統的硬件構成和應用程序從略。
作者： 郝全亮 勝利油田海洋石油船舶公司
