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(tǒng)，即：通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)人工計(jì)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(jù)計(jì)算得出的石油化工品的凈重來(lái)結(jié)算業(yè)務(wù)。而傳統(tǒng)的單機(jī)無(wú)人值守系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單一，未對(duì)外提供數(shù)據(jù)接口，無(wú)法實(shí)現(xiàn)與第三方系統(tǒng)的無(wú)縫對(duì)接，且操作流程復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)、參與人員過(guò)多，易造成計(jì)量管理混亂、執(zhí)行效率低下，各種作弊現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生。因此，隨著通信與網(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(yuǎn)程監(jiān)控方式，包括自動(dòng)識(shí)別車(chē)號(hào)、自動(dòng)檢測(cè)車(chē)位、自動(dòng)引導(dǎo)、自動(dòng)保存稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)及生成各類(lèi)報(bào)表等，從而增強(qiáng)工業(yè)園區(qū)裝卸車(chē)的管理執(zhí)行力，提高工作效率，高效地實(shí)現(xiàn)與MIS/ERP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(xiàn)管控一體化。

近幾年來(lái)，無(wú)人值守稱(chēng)重系統(tǒng)在煤礦、冶金、化工等行業(yè)均有廣泛應(yīng)用[4-6]。該系統(tǒng)通常配合定量裝車(chē)系統(tǒng)、SCADA(supervisory control and data acquisition，監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集)系統(tǒng)、排隊(duì)叫號(hào)系統(tǒng)等有序地實(shí)現(xiàn)整個(gè)庫(kù)區(qū)的儲(chǔ)運(yùn)管理，其安全性、可靠性、穩(wěn)定性保證了企業(yè)物流安全和人力財(cái)產(chǎn)安全。在工程應(yīng)用中，可利用研華科技亞當(dāng)模塊來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)道閘信號(hào)和紅外信號(hào)，并和地衡信號(hào)一起通過(guò)Prolinx網(wǎng)關(guān)傳送給上位機(jī)。該方法簡(jiǎn)單易行，在大型的多磅稱(chēng)重需求中相對(duì)能降低成本，但是所需實(shí)現(xiàn)的功能過(guò)于分散，對(duì)于稱(chēng)重信號(hào)的計(jì)算與處理必須通過(guò)上位機(jī)來(lái)完成，在項(xiàng)目管理中不利于分工合作，而且該模塊的穩(wěn)定性依賴(lài)于計(jì)算機(jī)，信號(hào)采樣速度較低。因此，本文根據(jù)某石化企業(yè)的項(xiàng)目需求，針對(duì)地衡數(shù)目較少的小型稱(chēng)重系統(tǒng)，利用Allen-Bradley Micro850控制器，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

地衡無(wú)人值守稱(chēng)重系統(tǒng)主要由地衡、紅外光柵、道閘、IC讀卡器攝像頭等構(gòu)成，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 1所示。該系統(tǒng)將采集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)交換和管理，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛過(guò)地衡時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)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(duì)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)閉均由地感線圈觸發(fā)控制，用于限制車(chē)輛的通行，達(dá)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)線電波與讀卡器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，自動(dòng)識(shí)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(shù)據(jù)傳輸格式由Modbus RTU轉(zhuǎn)換成Ethernet/IP格式，用于顯示提示信息，引導(dǎo)司機(jī)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(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 PLC選型

根據(jù)無(wú)人值守系統(tǒng)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(wěn)定性的特點(diǎn)。它內(nèi)置24 V直流輸出電源，配置48點(diǎn)的數(shù)字量I/O模塊，且可至多擴(kuò)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(shè)計(jì)[13]。

2.2 I/O配置與地址映射

地磅系統(tǒng)分為單向和雙向兩種類(lèi)型。根據(jù)實(shí)際需求，本文研究雙向地衡無(wú)人值守稱(chēng)重系統(tǒng)，如圖 2所示，其中，地感線圈、紅外光柵、IC讀卡器、道閘各為2個(gè)。用到的數(shù)字量輸入為地感線圈信號(hào)和紅外信號(hào)，共計(jì)4個(gè)輸入點(diǎn)；數(shù)字量輸出為道閘信號(hào)，共計(jì)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(tǒng)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(tǒng)I/O配置Table 1 I/O configuration of bidirectional weighbridge unattended weighing system

表選項(xiàng) 

本系統(tǒng)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(shù)據(jù)。由于2種數(shù)據(jù)傳輸方式不同，需要分別對(duì)它們組態(tài)，將串行傳輸方式分別設(shè)定為Modbus RTU和Modbus ASCⅡ。同時(shí)，為了響應(yīng)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(tǒng)共用到22個(gè)變量，部分變量標(biāo)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(xiàng) 

2.3 系統(tǒng)控制流程

根據(jù)實(shí)際工況，PLC控制模式設(shè)計(jì)為“自動(dòng)控制”、“手動(dòng)控制”和“維護(hù)”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(jī)在業(yè)務(wù)大廳根據(jù)ERP (enterprise resource planning，企業(yè)資源計(jì)劃)系統(tǒng)生成的發(fā)貨單開(kāi)票制卡后，等待叫號(hào)，依次過(guò)磅稱(chēng)重。車(chē)輛駛向地磅時(shí)，地感線圈感應(yīng)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(shè)置的地磅被感應(yīng)的最低限值為20 kg，防止因人為、天氣或其它因素的干擾導(dǎo)致紅外光柵被意外觸發(fā)。司機(jī)將車(chē)停穩(wěn)后進(jìn)行刷卡，上位機(jī)查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)卡內(nèi)信息進(jìn)行比對(duì)，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(jī)下磅重新開(kāi)票辦理業(yè)務(wù)。為了便于區(qū)分，本文規(guī)定以“1”開(kāi)頭的為正向行駛，以“2”開(kāi)頭的為反向行駛，當(dāng)業(yè)務(wù)不存在時(shí)，定義為以“3”開(kāi)頭，兩側(cè)道閘同時(shí)打開(kāi)，車(chē)輛可從任意一側(cè)下磅。雙向地衡自動(dòng)控制流程如圖 3所示。當(dāng)出現(xiàn)意外或緊急情況時(shí)，可通過(guò)上位機(jī)將控制方式改為“手動(dòng)控制”模式，PLC程序?qū)⒈慌酝ǎF(xiàn)場(chǎng)所有設(shè)備直接由上位機(jī)控制。出于安全考慮，當(dāng)進(jìn)行設(shè)備維修和養(yǎng)護(hù)時(shí)，可將控制方式改為“維護(hù)”模式，此時(shí)PLC程序和上位機(jī)被鎖定，不允許執(zhí)行任何操作。

2.4 數(shù)據(jù)采集

本系統(tǒng)基于CCW(connected components workbench)組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)編程。IC卡號(hào)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(xù)觸發(fā)的方式，Modbus RTU主站讀寫(xiě)從站保持寄存器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存放于緩存區(qū)LocalAddr中。若MSG指令執(zhí)行成功，則輸出Q置為“True”。

地磅稱(chēng)重信號(hào)無(wú)法直接獲得，必須通過(guò)二次表將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)輸出到PLC，波特率設(shè)為9 600 b/s，8位無(wú)校驗(yàn)，輸出方式為Toledo連續(xù)輸出。二次表的數(shù)據(jù)是以18個(gè)字節(jié)的ASCⅡ碼形式輸出的，起始符為02H，第5~10位用于存儲(chǔ)毛重，為6位不帶小數(shù)點(diǎn)和符號(hào)的數(shù)字；第17位為回車(chē)符0DH，只有讀到回車(chē)符，才被認(rèn)為數(shù)據(jù)獲取完整。因此，在PLC編程時(shí)，需要對(duì)第5~10位進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，然后由上位機(jī)來(lái)判斷所獲得的當(dāng)前值是皮重還是毛重。首先通過(guò)軟件內(nèi)置的AWA功能塊，將數(shù)據(jù)以十六進(jìn)制ASCⅡ的格式存入緩存區(qū)Source中；接著利用ARD功能塊讀取ASCⅡ字符，并將它轉(zhuǎn)換成Dint類(lèi)型，然后需要分別判斷第5~10位的字節(jié)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(shù)值乘以它的數(shù)量級(jí)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(hào)的濾波處理

稱(chēng)重車(chē)輛載重一般是成噸計(jì)的，而地磅二次表的測(cè)量精度是20 kg, 車(chē)輛上磅停穩(wěn)后，會(huì)因人為、天氣等各種因素的干擾，導(dǎo)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(jī)信息管理系統(tǒng)中可顯示實(shí)時(shí)質(zhì)量變化。同時(shí)，為了獲得較準(zhǔn)確的皮重和毛重，必須將質(zhì)量信號(hào)進(jìn)行濾波處理，取一個(gè)穩(wěn)定的有效值提供給業(yè)務(wù)站，以便開(kāi)票出單。傳統(tǒng)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(duì)稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)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(shù)值A_real，由于每隔250 ms刷新一次，取10個(gè)Buffer數(shù)據(jù)緩存區(qū)，將當(dāng)前時(shí)刻獲取的A_real替換前一時(shí)刻的值，依次存儲(chǔ)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(dāng)前值進(jìn)行比較，根據(jù)其偏差是否小于等于閾值100 kg為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)剔除無(wú)效的A_real，并將滿(mǎn)足條件的當(dāng)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(shù)值，然后定義一個(gè)1 s的延時(shí)器，每隔4個(gè)數(shù)據(jù)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(xì)過(guò)濾。當(dāng)然，為了進(jìn)一步減小誤差，只有當(dāng)5 s內(nèi)所取的20個(gè)數(shù)據(jù)全都滿(mǎn)足偏差值小于等于20 kg，才能將當(dāng)前時(shí)刻的A_weightCurrent作為真正穩(wěn)定的稱(chēng)重值賦給A_weightFinal，最后，業(yè)務(wù)站根據(jù)A_weightFinal值統(tǒng)計(jì)車(chē)輛過(guò)磅信息和結(jié)算業(yè)務(wù)。

3 .系統(tǒng)操作管理

本系統(tǒng)基于Server SQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行后臺(tái)業(yè)務(wù)處理，包括制卡、打印提貨單和車(chē)裝出庫(kù)單等，并通過(guò)Visual Studio 2010開(kāi)發(fā)環(huán)境將對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)操作的具體方法發(fā)布為WebService服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程訪問(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(tǒng)。圖 4為稱(chēng)重管理系統(tǒng)客戶(hù)端界面，計(jì)量操作中心的操作員只需輸入相應(yīng)網(wǎng)址，就可通過(guò)瀏覽器登陸系統(tǒng)，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(dāng)前車(chē)輛最近30條歷史數(shù)據(jù)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(tǒng)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(cè)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(zhǔn)。

現(xiàn)分析某石化企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的地衡系統(tǒng)稱(chēng)重0#柴油的計(jì)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(jì)來(lái)控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度?，F(xiàn)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?qū)⒂?jì)量誤差控制在3‰以?xún)?nèi)，符合實(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(xiàng) 

4 .結(jié)論

本文利用Micro850設(shè)計(jì)了雙向地磅無(wú)人值守稱(chēng)重系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守、司機(jī)自助稱(chēng)重以及遠(yuǎn)程集中計(jì)量。整個(gè)系統(tǒng)采用了集中監(jiān)控管理的設(shè)計(jì)模式和分布式監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的智能設(shè)備，并設(shè)計(jì)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(tǒng)已正式投入企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用，并取得了良好的效果。