基于自行式液压模块化运输车的称重技术研究
杨风艳，徐学军，王蒙，宁一凡
（海洋石油工程（青岛）有限公司，山东青岛266520）
摘要：为了进一步拓展自行式液压模块化运输车（SPMT）的应用范围，文章对SPMT的高精度称重技术进行了研究。通过在SPMT车板上布置重量传感器，并利用车辆的自身升降功能，实现了大型结构物称重和运输装船过程的整合。重点介绍了SPMT称重系统的技术原理及软硬件系统构成，并对系统误差和控制方法进行了分析，形成了完整的SPMT称重系统。试验证实，SPMT称重系统具有较高的称重精度，且可有效缩减称重工期、降低施工成本。
关键词：自行式液压模块化运输车；重量传感器；称重
中图分类号：P75文献标志码：A doi：10.13352/j.issn.1001-8328.2023.05.014
Abstract：In order to further expand the application scope of self-propelled modular transporters(SPMT)，this paper studies the high-precision weighing technology of SPMT.According to instal weight sensors on the SPMT and utilize the self-lifting function of the SPMT，it achieves the integration of weighing large structures and transport⁃ing them by ships.This paper focuses on introducin
g the technical principles and software and hardware system com⁃positions of the SPMT weighing system.It also analyzes the system error and control methods and forms a complete SPMT weighing system.The experiment proves that the SPMT weighing system has high weighing accuracy and can effectively reduce the weighing period and construction cost.
Key words：self-propelled modular transporters；weight sensor；weighing
自行式液压模块化运输车（SPMT）有多个轴线，每个轴线可以独立转向和升降，通过电子控制系统实现同步操作。作为特种运输设备，SPMT 具有载重量大、运动灵活的优势，主要应用于重型和超大型结构物的运输，在港口码头大件滚装、装备制造业、海洋石油、化工、桥梁建造等工程领域应用广泛[1-2]。
为进一步发掘SPMT的应用范围，根据SPMT 的自身特点，本文对SPMT高精度称重技术进行研究，利用SPMT自身升降功能，通过在SPMT车板上布置重量传感器，实现大型结构物称重及运输装船过程的整合。SPMT称重系统支持2种称重模式：①重量传感器称重模式；②液压传感器称重模式。本文主要对重量传感器称重模式进行论述。通过对该系统的研究，最终掌握了SPMT称重方案设计及现场自主实施的相关技术，有效缩减了称重工期，节省施工成本。
1SPMT称重系统基本原理
1.1称重模式
重量传感器称重模式工作原理示意图见图1，称重过程说明如下。
1）在SPMT车板上布置支撑垫墩，并在垫墩上安装重量传感器。被称重物放置在重量传感器之上，其重量通过传感器传递至支撑垫墩和SPMT 车板。
2）各重量传感器连接至巡检仪，由巡检仪采集并传输重量数据至上位机。
作者简介：杨风艳（1977-），女，山东阳谷人，高级工程师，硕士，主要从事海洋装备工程设计工作。
3）上位机软件根据所有重量传感器的数值，
计算得到被称重结构物的整体重量和重心位置。
图1重量传感器称重模式工作原理示意图
SPMT
称重工装
重量传感器
巡检仪
1.2
数据采集和传输系统
SPMT 称重系统需要采集的数据包括重量传感
器数据和位移传感器数据。2类传感器数据均采用4~20mA 模拟量信号，通过模拟量采集器实时采集，并通过可编程逻辑控制器（PLC ）单元进行数据处理。然后通过以太网上传至上位机系统的数
据库。
以太网相比RS-485总线具有更高的通讯速率，尤其是远距离传输时，不会因为距离增加而导致传输速度明显衰减。对于存在干扰的使用环境，采用带有屏蔽层的超五类网线，可以实现双向稳定连续通讯，延迟时间短。以太网数据传输支持总线模式和串联2种连接形式。同时，以太网满足即插即用的要求，可以热插拔，在开机状态下可以增加或删除节点，使用方便。1.3
系统误差分析与误差控制方法
1）传感器引起的误差。传感器精度误差是产品标定时固有的误差，在使用中无法控制。选型
时要求重量传感器精度误差小于全量程的0.5%。长期使用后可能发生零点漂移现象，造成校准误差。校准误差可以通过2种方法解决：①定期对传感器进行校准；②利用软件校准功能，在测量前先将所有传感器空载读取零点数值，并基于该零点完成后续称重工作。
2）SPMT 车体变形引起的误差。SPMT 车体在
受到不均匀压力时会产生弹性变形，导致搁置在SPMT 上的垫墩位置和角度发生变化。对于重量
传感器称重模式来说，如果垫墩与水平面夹角不等于90°，则传感器对应的压力不等于其承担的重量，将会影响计算精度。根据弹性变形确定
SPMT 的整体变形曲线，确定各支撑垫墩与水平
面夹角的变化量，通过夹角变化量计算重量传感器压力的垂向分量，将该垂向分量作为其承担的重力分量，可减小车体变形对重量计算精度的影响。
3）测量环境的因素引起的误差。测量环境因
素主要包括风、温度、雨雪等对测量精度的影响。
当被称重物受风面积较大时，风力会对其产生不可忽略的作用力，从而影响测量精度。消除风力误差有2种方法：①尽量在风速较低的天气条件下进行称重，保证称重作业的风速不超过系统说明书规定的范围；②在风速较大的环境中，现场安装风速测量仪器，根据实时风速数据选择风速相对稳定和较低的时刻进行称重，并且多次读数取平均值，以减小阵风带来的误差。
温度变化会导致传感器特性发生变化，从而影响输出信号。为了减小温度误差，应该选择具有良好温度补偿功能的传感器，并且尽量避免在温差较大或者日照直射等极端情况下进行称重。
雨雪天气会增加被称重物和传感器表面的湿度，从而影响电气特性和机械特性。为了减小湿度误差，应该选择具有防水防潮功能的传感器，并且在可能出现降水情况下及时覆盖设备。
由于影响因素众多且难以量化，上述分析只能作为定性参考。系统最终的测量误差需要通过实际测试确定，并根据测试结果对系统进行相应调整。
2硬件设计方案
硬件设计主要包括现场巡检仪、琴式控制柜
和集装箱控制室3部分。2.1
现场巡检仪设计方案
现场巡检仪采用金属箱体结构，便于携带和安装。箱体内部安装有PLC 、模拟量采集模块、交换机、直流电源、断路器等设备。箱体正面设有液晶显示屏，用于显示各路传感器数据。箱体外侧设有16个模拟量数据采集接口、2个5芯以太网线接口和2个220V 电源接口。巡检仪内部接线原理示意图如图2所示。2.2
琴式控制柜设计方案
琴式控制柜内部安装有工业电脑、打印机、变压器、以太网交换机等设备，以及2台24寸液
图2巡检仪内部接线原理示意图
220V 电源接口
网络接口24V 电源PLC
网络接口
显示屏
模拟量采集模块
传感器接口
晶显示屏。此外，琴式控制柜内还分别设置了强电控制箱和弱电控制箱，用于放置强电和弱电相关设施。琴式控制柜面板上设置了总电源开关、24V 电源开关、工业电脑开关和状态指示灯等元件。2.3
控制室设计方案
集装箱控制室采用长度为5.898m 的标准集装箱，中间隔断分为前后2个房间。前面房间为控制室，内部安装琴式控制柜、空调等设备，用于完成SPMT 称重操作。后面房间为储存间，内部存放巡检仪、数据线、各类传感器等称重系统所需设施。
3
软件设计方案
3.1
软件开发的基本原则
1）采用参数化模板和人机图形交互相结合的
方式建立工程管理模型。利用称重管理模板，将常见的称重问题定义为参数化模型。建模时，选
择模板，设置通用类型的模型参数，然后通过交互式建模系统，在图形界面或电子表格中完成具体方案设计。
2）建模与称重管理功能分离。方案设计人员
在办公室台式机上制定方案，包括坐标系、工程信息、称重物几何尺寸和属性、SPMT 轴线、SPMT 布置、SPMT 悬挂、各类传感器设置和连接等。称重过程监控利用琴式控制柜内的主机完成。主机
通过网络或移动存储设备将工程模型复制到工业
电脑（上位机），打开上位机软件并加载模型即可开始称重工作，无需建模操作。
3）称重监控时，传感器数据由巡检仪内的
PLC 采集，并通过以太网发送至上位机数据采集模
块。上位机数据采集模块将数据存储到数据库中。监控管理模块读取数据库中的数据，计算当前状态参数，并绘制重量曲线图、传感器历史数据曲线图、传感器图形显示等，辅助完成称重监控。
数据采集模块与过程监控模块只通过数据库交换数据。
4）软件具有良好的容错性。当用户输入非法
数据时，系统提示错误输入，并避免系统异常。
软件具有自动保存功能，在系统意外关闭时保存当前状态，并在系统重启后自动恢复。
系统基本模块原理见图3。
图3系统基本模块原理图
模板管理
模块
交互建模模块
巡检仪管理模块
巡检仪下位机系统
巡检仪下位机系统
巡检仪下位机系统
...
网络通信模块
数据库管理模块
巡检仪网络配置模型
称重工程模型
称重传感器数据
称重工程管理模型
称重传感器数据库
3.2
上位机软件的功能模块
1）建模模块。建模模块包括模板管理和交互
建模2个子模块。通过参数化模板，将常见的称重
配置定义为与软件无关的资源，包括称重类型、模式、坐标系、平板车、传感器、巡检仪连接和输出文档等。在模板中，部分参数设置为可调整
的变量，通过改变变量值，可以得到不同的方案。实际应用时，根据工程特点，从模板库中选取合适的模板，然后通过调整变量和微调细节，快速建立称重工程模型。
2）数据库管理模块。数据库管理模块负责数据库的建立和管理，实时存储网络通信模块采集的传感器数据，并根据称重管理模块的查询指令，查询历史数据，并绘制曲线图、生成表格或自动生成称重报告。数据库管理模块还实现对数据的有效性检验、异常数据处理和数据备份。
3）网络通信模块。网络通信模块包括网络传输和巡检仪配置2个子模块。网络传输子模块用于实现上位机与巡检仪之间的数据通信，包括接收传感器数据和发送控制指令。控制指令包括巡检仪地址设置、采集频率设置等。巡检仪配置子模块用于配置巡检仪的网络信息，包括传感器连接关系、参数范围、名称和IP地址等。
4）称重管理与监控模块。称重管理与监控模块包括称重过程的图形显示、声音图像报警、重量重心控制曲线和传感器数据曲线的计算与绘制，以及称重报告的生成等。
传感器数据通过俯视图、表格和曲线图3种形式显示。俯视图显示被称重结构轴线、传感器图标、编号和数值。表格显示各轴的传感器数据。曲线图显示各路传感器数据随时间变化的趋势。5）文档自动化模块。文档自动化模块可自动生成PDF格式的称重报告。报告由封面、目录和正文组成。正文中包括称重原理、传感器参数与配置、称重参数设置、承载物概述、传感器数值列表和图形显示、重量重心计算数据和分析结果等。
4系统测试模块化电源
该系统在某LNG项目模块上进行了测试。在重复性条件及复现性条件下，对模块的重量及重心坐标进行了6次独立重复观测，SPMT称重系统现场称重数据见表1，其中L X为重心X坐标，L Y为重心Y坐标。正态分布情况下，采用极差法评定获得重量及重心坐标测得值的试验标准偏差s(x k)为：
s(x
k)=R/C，（1）式中，x k为多次测量中重量及重心坐标测得值；R 为极差，等于模块重量及重心坐标测得值的最大值与最小值之差；C为极差系数，当测量次数为6时，C为2.53。
模块重量及重心坐标的标准不确定度u A(xˉ)为：u A(xˉ)=s(x k)/n。（2）得到系统扩展不确定度U A为：
U A=k×u A(xˉ)。（3）得到系统相对扩展不确定度U rel为：
U rel=U A/xˉ，（4）式中，n为测量次数；xˉ为n次测量所得重量及重心坐标测得值的算术平均值；k为置信因子，k=2。
表1SPMT
称重系统现场称重数据
采用上述公式分别对重量及重心坐标的不确定度进行了计算，SPMT称重系统不确定度计算结果见表2。
表2SPMT
称重系统不确定度计算结果
根据测试结果得出，称重重量相对扩展不确定度为0.17%。满足ISO19901-5《Petroleum and natural gas industries-Specific requirements for off⁃shore structures-Part5:Weight control during engi⁃neering and construction》要求的1%精度级别。
参考文献
[1]樊巍巍，李荣遵.SPMT液压平板车在大件称重中的应
用研究[J].起重运输机械，2015(5):107-111.
[2]罗孟然，石跃文，毕朝峰，等.基于SPMT的大件运输
作业配车方案探讨[J].起重运输机械，2017(11): 71-76.
收稿日期：2023-03-13