過(guò)去，許多石化企業(yè)的車(chē)輛過(guò)磅稱(chēng)重采用有人值守系統，即：通過(guò)現場(chǎng)人工計量的方式，多個(gè)地磅需要安排多個(gè)司磅員，司磅員手工記錄車(chē)輛皮重和毛重，再根據計算得出的石油化工品的凈重來(lái)結算業(yè)務(wù)。而傳統的單機無(wú)人值守系統結構單一，未對外提供數據接口，無(wú)法實(shí)現與第三方系統的無(wú)縫對接，且操作流程復雜、耗時(shí)長(cháng)、參與人員過(guò)多，易造成計量管理混亂、執行效率低下，各種作弊現象也時(shí)有發(fā)生。因此，隨著(zhù)通信與網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的企業(yè)希望裝卸車(chē)地磅本地業(yè)務(wù)處理采用無(wú)人值守型遠程監控方式，包括自動(dòng)識別車(chē)號、自動(dòng)檢測車(chē)位、自動(dòng)引導、自動(dòng)保存稱(chēng)重數據及生成各類(lèi)報表等，從而增強工業(yè)園區裝卸車(chē)的管理執行力，提高工作效率，高效地實(shí)現與MIS/ERP系統的數據共享與溝通，有效防止夾帶作弊、車(chē)輛不完全上磅、遙控作弊等多種作弊行為，堵塞各種管理漏洞，實(shí)現管控一體化。

近幾年來(lái)，無(wú)人值守稱(chēng)重系統在煤礦、冶金、化工等行業(yè)均有廣泛應用[4-6]。該系統通常配合定量裝車(chē)系統、SCADA(supervisory control and data acquisition，監控與數據采集)系統、排隊叫號系統等有序地實(shí)現整個(gè)庫區的儲運管理，其安全性、可靠性、穩定性保證了企業(yè)物流安全和人力財產(chǎn)安全。在工程應用中，可利用研華科技亞當模塊來(lái)控制現場(chǎng)道閘信號和紅外信號，并和地衡信號一起通過(guò)Prolinx網(wǎng)關(guān)傳送給上位機。該方法簡(jiǎn)單易行，在大型的多磅稱(chēng)重需求中相對能降低成本，但是所需實(shí)現的功能過(guò)于分散，對于稱(chēng)重信號的計算與處理必須通過(guò)上位機來(lái)完成，在項目管理中不利于分工合作，而且該模塊的穩定性依賴(lài)于計算機，信號采樣速度較低。因此，本文根據某石化企業(yè)的項目需求，針對地衡數目較少的小型稱(chēng)重系統，利用Allen-Bradley Micro850控制器，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)，實(shí)現了地衡稱(chēng)重的無(wú)人值守管理。

1.地磅無(wú)人值守稱(chēng)重系統總體結構

地衡無(wú)人值守稱(chēng)重系統主要由地衡、紅外光柵、道閘、IC讀卡器攝像頭等構成，其網(wǎng)絡(luò )結構如圖 1所示。該系統將采集到的現場(chǎng)數據通過(guò)以太網(wǎng)傳輸與中央控制室的稱(chēng)重管理軟件進(jìn)行數據交換和管理，從而實(shí)現車(chē)輛過(guò)地衡時(shí)數據自動(dòng)監測和遠程管理的功能。

地磅采用傳感式電子汽車(chē)衡，用于車(chē)輛裝卸稱(chēng)重；紅外光柵利用多束紅外光對射來(lái)判斷車(chē)輛停放位置是否正確；道閘的開(kāi)啟與關(guān)閉均由地感線(xiàn)圈觸發(fā)控制，用于限制車(chē)輛的通行，達到提示與安全保障的目的；基于RFID[10]技術(shù)的IC(integrated circuit，集成電路)卡通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波與讀卡器進(jìn)行數據傳輸，自動(dòng)識別業(yè)務(wù)信息，保證每筆業(yè)務(wù)的唯一性；攝像頭一般有3個(gè)，為車(chē)前攝像、車(chē)后攝像和全景攝像，用于稱(chēng)重過(guò)程圖像采集和視頻動(dòng)態(tài)錄像；LED (light emitting diode, 發(fā)光二極管)顯示屏通過(guò)Prolinx通訊網(wǎng)關(guān)將數據傳輸格式由Modbus RTU轉換成Ethernet/IP格式，用于顯示提示信息，引導司機完成整個(gè)稱(chēng)重過(guò)程。

2.雙向地磅無(wú)人值守稱(chēng)重系統的設計與實(shí)現

2.1 PLC選型

根據無(wú)人值守系統的功能要求與特性，PLC(programmable logic controller，可編程邏輯控制器)采用Allen-Bradley Micro850控制器。該控制器價(jià)格低廉，但具有高靈活性、高I/O性能、低空間占用、高穩定性的特點(diǎn)。它內置24 V直流輸出電源，配置48點(diǎn)的數字量I/O模塊，且可至多擴展4個(gè)I/O模塊，同時(shí)配備串行通信plug-in功能性插件及嵌入式10/100Base-T以太網(wǎng)端口，支持Modbus TCP，Ethernet/IP，Modbus RTU等協(xié)議，并采用可拆卸端子設計[13]。

2.2 I/O配置與地址映射

地磅系統分為單向和雙向兩種類(lèi)型。根據實(shí)際需求，本文研究雙向地衡無(wú)人值守稱(chēng)重系統，如圖 2所示，其中，地感線(xiàn)圈、紅外光柵、IC讀卡器、道閘各為2個(gè)。用到的數字量輸入為地感線(xiàn)圈信號和紅外信號，共計4個(gè)輸入點(diǎn)；數字量輸出為道閘信號，共計4個(gè)輸出點(diǎn)。道閘的開(kāi)啟與關(guān)閉由不同的輸出點(diǎn)控制，稱(chēng)重系統I/O配置如表 1所示。

表 1 雙向地磅無(wú)人值守稱(chēng)重系統I/O配置Table 1 I/O configuration of bidirectional weighbridge unattended weighing system

表選項 

本系統用到的2080-serialisor plug-in串口模塊共有2個(gè)，分別使用MSG_Modbus功能塊和ARD(ASCⅡ read)功能塊來(lái)讀取IC讀卡器和地衡數據。由于2種數據傳輸方式不同，需要分別對它們組態(tài)，將串行傳輸方式分別設定為Modbus RTU和Modbus ASCⅡ。同時(shí)，為了響應Modbus主站的讀寫(xiě)命令，必須將變量映射到Modbus地址中。讀/寫(xiě)保持寄存器初始地址為400001H，本系統共用到22個(gè)變量，部分變量標簽的Modbus地址映射如表 2所示。

表 2 變量的Modbus地址映射Table 2 Modbus address mapping of variables

表選項 

2.3 系統控制流程

根據實(shí)際工況，PLC控制模式設計為“自動(dòng)控制”、“手動(dòng)控制”和“維護”三種。一般情況下，稱(chēng)量過(guò)程按照正常程序和步驟，以“自動(dòng)控制”方式進(jìn)行。

司機在業(yè)務(wù)大廳根據ERP (enterprise resource planning，企業(yè)資源計劃)系統生成的發(fā)貨單開(kāi)票制卡后，等待叫號，依次過(guò)磅稱(chēng)重。車(chē)輛駛向地磅時(shí)，地感線(xiàn)圈感應到車(chē)輪振蕩，從而控制道閘開(kāi)啟，延時(shí)幾秒后觸發(fā)紅外光柵。需要注意的是，本文設置的地磅被感應的最低限值為20 kg，防止因人為、天氣或其它因素的干擾導致紅外光柵被意外觸發(fā)。司機將車(chē)停穩后進(jìn)行刷卡，上位機查詢(xún)數據庫對卡內信息進(jìn)行比對，以確定業(yè)務(wù)是否存在，如果連刷3次一直提示不存在，則道閘自動(dòng)打開(kāi)，提醒司機下磅重新開(kāi)票辦理業(yè)務(wù)。為了便于區分，本文規定以“1”開(kāi)頭的為正向行駛，以“2”開(kāi)頭的為反向行駛，當業(yè)務(wù)不存在時(shí)，定義為以“3”開(kāi)頭，兩側道閘同時(shí)打開(kāi)，車(chē)輛可從任意一側下磅。雙向地衡自動(dòng)控制流程如圖 3所示。當出現意外或緊急情況時(shí)，可通過(guò)上位機將控制方式改為“手動(dòng)控制”模式，PLC程序將被旁通，現場(chǎng)所有設備直接由上位機控制。出于安全考慮，當進(jìn)行設備維修和養護時(shí)，可將控制方式改為“維護”模式，此時(shí)PLC程序和上位機被鎖定，不允許執行任何操作。

2.4 數據采集

本系統基于CCW(connected components workbench)組態(tài)軟件進(jìn)行設計編程。IC卡號的讀取是通過(guò)Modbus RTU串行傳輸模式，采用MSG_Modbus功能塊，以非連續觸發(fā)的方式，Modbus RTU主站讀寫(xiě)從站保持寄存器的數據，并將數據存放于緩存區LocalAddr中。若MSG指令執行成功，則輸出Q置為“True”。

地磅稱(chēng)重信號無(wú)法直接獲得，必須通過(guò)二次表將數據提供給PLC。本文采用的二次表為Mettler Toledo T800稱(chēng)重儀表，它提供了2個(gè)串行口(COM1和COM2)，通過(guò)COM1將數據輸出到PLC，波特率設為9 600 b/s，8位無(wú)校驗，輸出方式為Toledo連續輸出。二次表的數據是以18個(gè)字節的ASCⅡ碼形式輸出的，起始符為02H，第5~10位用于存儲毛重，為6位不帶小數點(diǎn)和符號的數字；第17位為回車(chē)符0DH，只有讀到回車(chē)符，才被認為數據獲取完整。因此，在PLC編程時(shí)，需要對第5~10位進(jìn)行數據格式轉換，然后由上位機來(lái)判斷所獲得的當前值是皮重還是毛重。首先通過(guò)軟件內置的AWA功能塊，將數據以十六進(jìn)制ASCⅡ的格式存入緩存區Source中；接著(zhù)利用ARD功能塊讀取ASCⅡ字符，并將它轉換成Dint類(lèi)型，然后需要分別判斷第5~10位的字節是否為空格，即是否為“32”，若是，則將“0”賦值給該位，若不是，則減去“48”，將差值賦給該位；最后，將每一位數值乘以它的數量級再求和，得到實(shí)際質(zhì)量為:

式中：A_real為實(shí)際稱(chēng)重有效值，A_out[i]表示第5~10位十進(jìn)制字符，字符范圍為0~9。

2.5 質(zhì)量信號的濾波處理

稱(chēng)重車(chē)輛載重一般是成噸計的，而地磅二次表的測量精度是20 kg, 車(chē)輛上磅停穩后，會(huì )因人為、天氣等各種因素的干擾，導致稱(chēng)重值不斷跳變，因此，在程序中加入了250 ms的定時(shí)器來(lái)不斷更新稱(chēng)重值，LED顯示屏、二次表和上位機信息管理系統中可顯示實(shí)時(shí)質(zhì)量變化。同時(shí)，為了獲得較準確的皮重和毛重，必須將質(zhì)量信號進(jìn)行濾波處理，取一個(gè)穩定的有效值提供給業(yè)務(wù)站，以便開(kāi)票出單。傳統的濾波算法有平均值濾波、限幅濾波、中位值濾波、滑動(dòng)平均值濾波等，本文采用的是對稱(chēng)重數據進(jìn)行2次過(guò)濾的方法。

第1步，采用限幅平均濾波法來(lái)粗步篩選數值A_real，由于每隔250 ms刷新一次，取10個(gè)Buffer數據緩存區，將當前時(shí)刻獲取的A_real替換前一時(shí)刻的值，依次存儲到A_weight[1]，A_weight[2]，…，A_weight[10]中，通過(guò)式(2)求得平均稱(chēng)重值A_weightAverage，然后與第11次取得的當前值進(jìn)行比較，根據其偏差是否小于等于閾值100 kg為標準來(lái)剔除無(wú)效的A_real，并將滿(mǎn)足條件的當前值賦給A_weightCurrent。

第2步，通過(guò)上面的方法可每250 ms得到一個(gè)A_weightCurrent數值，然后定義一個(gè)1 s的延時(shí)器，每隔4個(gè)數據進(jìn)行一次采樣，即每隔1 s將采樣值賦給變量A_weightBuffer，再次利用限幅濾波法進(jìn)行細過(guò)濾。當然，為了進(jìn)一步減小誤差，只有當5 s內所取的20個(gè)數據全都滿(mǎn)足偏差值小于等于20 kg，才能將當前時(shí)刻的A_weightCurrent作為真正穩定的稱(chēng)重值賦給A_weightFinal，最后，業(yè)務(wù)站根據A_weightFinal值統計車(chē)輛過(guò)磅信息和結算業(yè)務(wù)。

3 .系統操作管理

本系統基于Server SQL數據庫進(jìn)行后臺業(yè)務(wù)處理，包括制卡、打印提貨單和車(chē)裝出庫單等，并通過(guò)Visual Studio 2010開(kāi)發(fā)環(huán)境將對數據庫操作的具體方法發(fā)布為WebService服務(wù)，實(shí)現數據遠程訪(fǎng)問(wèn)。同時(shí)，利用C#編程語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)了一套具備地衡稱(chēng)重及查詢(xún)裝車(chē)業(yè)務(wù)功能的地磅無(wú)人值守稱(chēng)重管理系統。圖 4為稱(chēng)重管理系統客戶(hù)端界面，計量操作中心的操作員只需輸入相應網(wǎng)址，就可通過(guò)瀏覽器登陸系統，查看地衡的過(guò)磅信息和業(yè)務(wù)信息、正在進(jìn)行的裝卸車(chē)業(yè)務(wù)、當前車(chē)輛最近30條歷史數據等。圖中的“實(shí)裝量”由批量控制儀提供，批量控制儀在裝車(chē)系統中通過(guò)控制傳輸管道閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)控制化工品的流量。受到諸如丙烯等化工品的氣相回流、空氣浮力、批量控制儀所采取的控制策略等因素的影響，檢測到的實(shí)裝量會(huì )存在一定誤差，所以目前各石化企業(yè)的稱(chēng)裝量仍以過(guò)磅信息為準。

現分析某石化企業(yè)現場(chǎng)的地衡系統稱(chēng)重0#柴油的計量誤差。選用Endress+Hauser公司的NXF581批量控制儀，通過(guò)連接Promass 83F質(zhì)量流量計來(lái)控制調節閥的開(kāi)度?，F場(chǎng)通過(guò)不同的定量，將車(chē)輛過(guò)磅的凈重與批量控制儀顯示的實(shí)裝量進(jìn)行比較，如表 3，分析得出通過(guò)該濾波算法能夠將計量誤差控制在3‰以?xún)?，符合?shí)際的工業(yè)要求。

表 3 化工品過(guò)磅凈重與所示實(shí)裝量的誤差分析Table 3 The error analysis between net weight of petrochemicals weighed by weighbridges and the showed actual amount

表選項 

4 .結論

本文利用Micro850設計了雙向地磅無(wú)人值守稱(chēng)重系統，可實(shí)現現場(chǎng)無(wú)人值守、司機自助稱(chēng)重以及遠程集中計量。整個(gè)系統采用了集中監控管理的設計模式和分布式監測數據的智能設備，并設計開(kāi)發(fā)了良好的可視化用戶(hù)管理界面，促進(jìn)企業(yè)物流、管理等的一體化發(fā)展。該系統已正式投入企業(yè)的實(shí)際應用，并取得了良好的效果。