（机械制造及其自动化专业论文）大型结构物称重系统精度分析及补偿技术研究.pdf

中文摘要 随着海洋开发的不断深入，超大型结构物屡见不鲜。在预制的过程中，由于 设备、设计修改以及焊接材料的诸多因素的影响，使结构物的重量和重心与设计 值往往存在较大误差。大型结构物在海上安装过程中，受到作业机具吊装能力等 因素的影响，需要准确的结构物重量和重心数值。为了能够确保工程的安全，在 预制完毕后对结构物进行称重，确定结构物准确的重量和重心十分必要。对大型 结构物称重系统精度分析，同时通过补偿技术提高称重系统的精度就重要的意义 和工程价值。 大型结构物称重系统是由液压系统、电气控制系统、传感器与数据采集系统 以及计算机控制系统等组成的复杂系统。本文对构成称重系统的关键设备如千斤 项、位移传感器、压力传感器等的精度进行系统分析，建立了影响称重系统精度 分析的补偿模型，利用v b 软件开发了相应的计算软件包，对称重误差进行了系 统的补偿，大幅度地提高了整个系统的测量精度。具体工作主要包括以下几个方 面： 1 通过研究大型结构物称重系统工作原理，重点分析影响称重系统精度的 关键因素千斤顶摩擦力特性、千斤项保压特性、千斤项工作面积、压力传感器精 度、位移传感器精度、数据采集器精度和千斤项位置、不同步精度； 2 根据重量、重心计算模型，通过误差全微分分析方法，对影响重量精度 的灵敏度、精度进行了系统分析，同时对总体影响重心精度的千斤顶位置、顼升 过程的不同步精度进行了全面分析； 3 建立了称重误差补偿模型，重点考虑千斤顶摩擦力特性、千斤顶保压特 性、千斤顶工作面积，使计算模型精度得到大幅度提高： 4 根据补偿模型，利用v b 软件开发了相应的计算软件包； 5 结合实际称重工程，进行了称重系统精度分析和试验研究，结果表明通 过称重误差补偿模型可以有效提高大型结构物称重系统的精确性。 关键词：大型结构物 称重千斤项精度补偿 a b s t r a c t a c c o m p a n y i n gd e e p e re x p l o i t a t i o no f t h es e a ，l a r g es t r u c t u r e sh a v eb e c o m ev e r y c o m m o n d u r i n g t h ep r e f a b r i c a t i n g p r o c e s s ，a f f e c t e db ye q u i p m e n t ，d e s i g n m o d i f i c a t i o na n dw e l d i n gm a t e r i a ls u c hf a c t o r s 。t h ea c t u a lw e i g h ta n dg r a v i t y c e n t e r o ft h es t r u c t u r e sa r ed e v i a t e df r o mt h ed e s i g nv a l u e s d u r i n gt h ei n s t a l l a t i o no fl a r g e s t r u c t u r e so nt h es e a ，t h ew e i g h ta n dg r a v i t y c e n t e rv a l u e so ft h es t r u c t u r e ss h o u l db e v e r ya c c u r a t e ，c o n s i d e r i n gt h el i f t i n gc a p a b i l i t yo f t h eo p e r a t i n ga p p a r a t u s t os e c u r e t h ew o r ks a f e t y ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt ow e i g ht h es t r u c t u r e sa f t e rt h ep r e f a b r i c a t i o n ，t o d e t e r m i n et h e i re x a c tw e i g h ta n dg r a v i t y - c e n t e r a sar e s u l t ，a n a l y z i n gt h ea c c u r a c yo f w e i g h i n gs y s t e mf o rt h el a r g es t r u c t u r e sa n di m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo fw e i g h i n g s y s t e mt h r o u g hc o m p e n s a t i o nt e c h n i q u e s a r eo fg r e a ts i g n i f i c a n c ea n de n g i n e e r i n g b e n e f i t s t h ew e i g h i n gs y s t e mf o rt h el a r g es t r u c t u r e si s c o m p l i c a t e ds y s t e mc o n s i s t i n g o fh y d r a u l i cs y s t e m ，e l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m ，s e n s o r s n dd a t ac o l l e c t i n gs y s t e m ，a n d c o m p u t e rc o n t r o l l i n gs y s t e m t h i sa r t i c l es y s t e m a t i ia l l ya n a l y z e st h ea c c u r a c y o f j a c k s ，d i s p l a c e m e n ts e n s o r s ，a n dp r e s s u r e s e n s o r ss u l - hk e ye q u i p m e n tf o r m i n gt h e w e i g h i n gs y s t e m ，e s t a b l i s h e st h ea n a l y z i n ga n dc o m p e n s a t i n gm o d u l ea f f e c t i n gt h e w e i g h i n gs y s t e ma c c u r a c y , d e v e l o p i n gr e l e v a n tc a l c u l a t i n gs o f t w a r ep a c k a g ea p p l y i n g v bs o f t w a r e ，s y s t e m a t i c a l l yc o m p e n s a t i n gt h ee r r o ro fw e i g h i n g ，w h i c ha sar e s u l t i m p r o v es i g n i f i c a n t l y t h eo v e r a l lm e a s u r i n ga c c u r a c yo ft h ew h o l es y s t e m t h e g e n e r a lp r o c e d u r e i sl i s t e db e l o w ： 1 b a s e do nt h ew o r k i n gp r i n c i p l e so ft h ew e i g h i n gs y s t e mf o rt h eu l t r a - l a r g e s t r u c t u r e s ，f o c u so na n a l y z i n gt h em a j o rf a c t o r sa f f e c t i n gt h ew e i g h i n gs y s t e m a c c u r a c ys u c ha s ，f r i c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f j a c k ，p r e s s u r e - s u s t a i n i n gc h a r a c t e r i s t i c so f j a c k ，s e r v i c ea r e ao fj a c k ，a c c u r a c yo fp r e s s u r es e n s o r , a c c u r a c yo fd i s p l a c e m e n t s e n s o ra n da c c u r a c yo fd a t ac o l l e c t i n gs y s t e m ，a sw e l la sj a c k l o c a t i o na n d d e s y n c h r o n ya c c u r a c y 2 a c c o r d i n gt ot h ew e i g h ta n dg r a v i t y c e n t e rc a l c u l a t i o nm o d e l ，t h r o u g he r r o r t o t a ld i f f e r e n t i a l a n a l y z i n gm e t h o d ，a n a l y z es y s t e m a t i c a l l y t h es e n s i t i v i t ya n d a c c u r a c ya f f e c t i n gt h ea c c u r a c yo fw e i g h t a tt h es a m et i m e ，a n a l y z ec o m p r e h e n s i v e l y t h ej a c kl o c a t i o na n dd e s y n c h r o n yd u r i n gj a c k i n ga f f e c t i n g t h eg r a v i t y c e n t e r a c c u r a c y 3 e s t a b li s ht h ew e i g h i n ge r r o rc o m p e n s a t i o nm o d e l ，w h i c h s u b s t a n t i a l l y i n c r e a s e st h ec a l c u l a t i o na c c u r a c y i tf o c u s e so nt h ef r i c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fi a c k ， p r e s s u r e s u s t a i n i n gc h a r a c t e r i s t i c so f j a c k ，a n ds e r v i c ea r e ao f j a c k 4 b a s e do nt h ec o m p e n s a t i o nm o d e l t h ec o r r e s p o n d i n g p a c k a g ec o s o f t w a r eh a s b e e nd e v e l o p e du s i n gv b 5 a c c u r a c ya n a l y s i sa n dt e s tr e s e a r c h e sh a v eb e e nc a r r i e do u tc o m b i n i n gt h e a c t u a lw e i g h i n gp r o j e c t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea c c u r a c yo fw e i g h i n gs y s t e mf o r t h el a r g es t r u c t u r e sh a sb e e ne f f e c t i v e l y i m p r o v e dw h e nu s et h ew e i g h i n ge r r o r c o m p e n s a t i o nm o d e l k e y w o r d s ：l a r g es t r u c t u r e s ，w e i g h i n g ，j a c k ，a c c u r a c y , c o m p e n s a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 朝以 f 签字日期：一2 矽年占月 e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：z 矽年 导师签名： 签字日期：吖年易月厂日 第一章绪论 第一章绪论 i 1 大型结构物称重技术概述 1 1 1 海洋工程与大型结构物称重技术开发 蓝色的海洋作为地球上面积最大的神秘领域，蕴藏着极其丰富的自然资源， 其中也包括着现今社会经济发展最为需要的石油资源。在科学飞速发展的今天， 人们利用各种先进的科学技术手段，揭开了它的神秘面纱，对这片蔚蓝的海洋进 行更加深入的开发和合理的利用，为人类社会的进步开启了一片新的空间。迄今 为止，美国、英国、法国等发达国家，已经视海洋为获取资源的另一个重要基地， 为此，全球的海洋工程技术也得到了快速的发展。 我国拥有漫长的海岸线，在渤海、东海、南海海域，蕴藏着丰富的石油和天 然气资源。随着人类对油气资源开发利用的深化，油气勘探开发已从陆地转到海 洋。随着对海上油气田的不断开发，就需要有钻井和采油的海上平台( 如图1 1 所示) ，其重量也越来越大，甚至达到上百吨【l 】。在海上进行油气钻井施工时， 几百吨重的钻机要有足够的支撑和放置的空间，同时还要有钻井人员生活居住的 地方，海洋活动式平台f p s o ( f l o a t i n gp r o d u c t i o n ，s t o r a g ea n do f f l o a d i n gs y s t e m ) 不仅可作为海洋石油勘探的钻井平台，而且还可以用作采油平台、修井作业平台、 生活平台、施工作业平台、铺管平台、地基处理平台，以及钻井、采油、储油多 用途综合平台。尤其是固定式作业平台，作为能够提供钻井、采油、生活供应等 各种用途的大型复杂结构体是海洋油气开发的基础性设施，是保证海洋石油获取 的关键。 但是，大型海洋结构物的设计制造往往受到海上施工机具，如运输船只、浮 吊( 如图1 2 所示) 等吊装能力的限制。结构物在陆地上的预制费大大低于海上 的施工作业费，为了降低海洋石油的开发成本，提高生产效率，在陆地完成大部 分预制工作。在预制过程中，由于受到焊接材料、橇块及结构局部修改和临时结 构等因素的影响【1 引，最终实际重量往往与设计估计值存在较大出入。为了保证 安装过程中人员和设备的安全，在结构预制及设备安装完成后，对结构物进行称 重，确定其准确重量和重心位置是十分必要的。 第一章绪论 陲 图】- 】海洋石油钻井平台图图l 之浮吊吊装石油平台 因此，对大型结构物称重系统的称重精度分析以及其补偿技术的研究就有着 重要的实践意义和工程价值。 1 1 2 大型结构物称重技术的重要性和必要性 对大型结构物进行称蘑有很多方法可咀采用施焊前的单件称重、磅秤测量、 应变片测量、千斤顶称重等方案”。其中，施焊前的单件称重的方法对采油平 台意义不太。由于受到在平台制造过程中局部修改和临时结构等因素的影响结 构物的最终重量与设计重量往往相差较大，所以需要预制后进行称重。不采用地 泵测量一方面原因是其测量精度低，另一方面是因为地泵测量的测量范围有限， 无法精确测出重心位置。 现行的大型结构物称重技术主要可以分为两大类：一类是利用大吨位的弹性 元件，通过测量弹性元件应力应变的方法该方法测量精度较高，但是由于应变 传感罂易受温度、湿度和电磁干扰等因素影响，传感器长期测量的稳定性和精确 度都受到较大影响，特别是由于大型结构物的支撑点较难选择，不宣采用细长类 敏感元件，影响其总体测量精度；另一类是通过液压构件将大型结构物同步平 移顶升结构物全部离开地面稳定后，通过压力传感器测量管路油压，从而实现 高精度的重量测量，该方法测量时间短、精度高，但需要一套同步顶升系统。目 前，新加坡、韩国、美国等制造厂都广泛应用液压千斤项结台传感器的测量方法。 大型结构物的升降过程和称重测量是一个复杂的过程需要引入计算机以实 现自动控制。根据引入的计算机种类可以将称重系统分为三类：单片机控制的称 重系统、p l c 控制的称重系统、工业控制机的称重系统。工业控制机的控制速度 快、能够处理大量的计算模型、具有方便的人机交互界面，便于称重系统的监控。 因此一般采用工业控制机进行控制。 第一章绪论 随着油田生产开发的需要，海洋结构物包括组块、深水导管架等的功能和复 杂程度越来越高，重量也越来越大，甚至达到上万吨。这些结构物往往存在柔度 大、重量分布不均匀以及支撑点跨距较大等特点，这对海上施工提出了很高的要 求，需要对重量、重心进行严格控制。海洋石油平台的安装设计是海上工程的一 个重要组成部分，海洋结构物的重量和重心分布是结构物海上安装的重要控制参 数，准确的重量和重心位置对选择浮吊和吊索起决定性作用。由于平台制造过程 中受到焊接材料和撬块的局部修改和临时结构等因素的影响【l3 1 ，结构物的最终 重量与设计重量往往相差较大，导致重量控制很困难，尤其是当结构物设计重量 接近于浮吊极限重量时，给吊装的安全性带来严重隐患。为了保证工程安全实施， 确保平台的重量小于浮吊的极限载荷，最大限度的发挥浮吊能力，很有必要在平 台预制完毕后对其进行称重，确定结构物的准确的重量和重心，从而实现安全吊 装。因此，对自动称重系统的研究有着重要的实践意义和工程价值1 3 j 。 1 2 大型结构物称重系统的精度问题 随着科学技术的发展，人类已经进入了真正的信息时代，各个领域各个行业 继续推动着设计、制造业飞速发展，它们是促使精度提高的力量和源泉。各类设 备仪器的精度提高又为现代科学技术的发展提供了物质条件和研究手段。如今机 械学、光电学以及综合技术不断创新发展，约2 0 年精度提高一个数量级。由于 现有大型结构物称重系统不能再满足实际工程的称重精度要求，此时提出精度补 偿技术是非常必要的。一- ， 影响系统精度的因素包括：千斤顶液压缸摩擦力和保压特性、数据采集系统 精度、传感器转换误差、支撑点的选择以及现场干扰误差等诸多因素。其中，千 斤顶液压缸摩擦力和保压特性是一个很重要的影响因素。如何保证千斤项不超压 以及如何提高系统的测量精度是大型结构物称重系统以及补偿技术研究中所需 解决的关键问题。 1 3 目前称重系统中存在的问题 大型结构物称重系统的精度分析以及补偿技术是一个相对比较复杂的科研 课题，不仅要对称重系统测量精度进行分析评估，还要对实际称重的结果进行补 偿以达到更高的精度要求。 目前，国内的大型结构物称重系统广泛采用液压千斤顶、压力传感器、位移 传感器、巡检仪等设备，通过称重软件计算进行称重作业，测量的实际值与结构 第一章绪论 物真实值之间具有一定的误差。其中，液压千斤顶的摩擦力特性和保压特性并没 有详尽的考虑进去，在具体的称重过程中仍然存在着多项误差和不确定因素，包 括： 1 称重系统中各主要设备精度对称重精度的影响； 2 各千斤顶项升高度不均匀对桩腿重量、重心测量精度的影响； 3 千斤顶保压特性和摩擦力特性对精度的影响： 4 称重测量值存在误差没有及时进行补偿。 由于上述多项不确定因素的存在，现有的称重系统远远满足不了新技术标准 的要求，要提高大型结构物称重精度是相当困难的。因此很有必要对现有技术进 行更新改造，开发出具有补偿功能的高精度称重系统，以适应对称重精度的高要 求。 1 4 课题的提出与研究内容 1 4 1 课题的研究背景和意义 由于结构物重量大，常常为数千吨，采用液压千斤项等设备对其进行测量， 而且要保证同步升降是一个极为复杂的技术问题。在系统的升降过程中，可能导 致各千斤顶油缸承载压力产生动态的变化，而且由于平台重量大，各千斤顶的承 载压力普遍接近于极限载荷，各支点承载压力的变化很容易使千斤顶压力大于极 限载荷，导致千斤顶的压力超压。因此在升降过程中必须严格控制各千斤项的压 力，这就要求我们要对千斤顶的摩擦力特性以及保压特性进行具体分析，制定详 细的方案，改善目前的称重工况，使得称重精度有大幅度提升。大型结构物称重 作业是一项复杂的系统工程，具有技术要求高、作业时间紧凑、干扰因素多、高 风险的特点，它需要专用的液压设备、独立的控制系统、专业的称重技术人员。 称重方法是利用“液压千斤顶”将结构物上举一定高度来实现，此时全部重量由 千斤顶的液压油缸来支撑，准确测量液压油的压力，用压力值乘以全部液压缸的 工作面积即可获得平台重量以及重心位置坐标参数。 海洋石油平台的安装设计是海上工程的一个重要组成部分，海洋结构物的重 量和重心分布是结构物海上安装的重要控制参数，准确的重量和重心位置对选择 浮吊和吊索起决定性作用。由于平台制造过程中受到焊接材料、撬块及局部修改 和临时结构等因素的影响，结构物的最终重量与设计重量往往相差较大，导致重 量控制很困难，尤其是当结构物设计重量接近于浮吊极限重量时，给吊装的安全 性带来严重隐患。为了提高海上吊装安全性和科学性，在海洋结构物预制完成后， 对重量和重心位置进行准确测量，并将该过程纳入结构物预制过程的重量控制程 第一章绪论 序，确定结构物的准确的重量和重心，从而实现安全吊装。因此，开发高精度补 偿技术装置，使得大型结构物称重技术更为先进和完善、在国内外更具有竞争优 势，对今后称重系统精度的研究起到了指导性作用，对海洋开发及海洋工程有着 重要的实践意义和工程价值。 1 4 2 课题的主要研究内容 根据现有大型结构物称重系统需要改造，提出精度提升的具体要求，针对国 内现有称重系统中存在的各项技术问题，本课题拟定对大型结构物称重系统中存 在的关于精度补偿技术的难题进行研究。 为了对构成称重系统主要设备，包括液压千斤项、位移传感器、压力传感器 等的精度分析，通过软件来对系统进行补偿，达到系统测量精度大大提升的目的。 本文需要主要研究以下几方面的问题： 1 分析大型结构物称重系统的称重原理，对液压系统中液压元件，尤其是 千斤项的特性着重研究，千斤顶的保压特性和摩擦力特性作为重点内容； 2 称重系统中所采用的位移传感器和压力传感器的特征分析，其对称重精 度的影响； 3 根据称重系统重量重心的模型，采用误差全微分的方法，进行精度分析。 结构物总的重量是所有桩腿承载力的总和，然后还要进行重心坐标的计算； 4 液压千斤顶保压特性试验测量平台的开发，为了能更好的观测千斤顶的 保压情况，开发针对保压特性的试验平台，建立称重误差的补偿模型； 5 根据补偿模型，设计开发基于补偿法的高精度称重系统软件； 6 将开发的新型称重系统在实际称重工程中使用，在实践中对系统进行检 验。 本课题将通过分析液压千斤顶特性，从摩擦力特性和保压特性方面入手，实 现提升大型结构物称重系统的称重精度的目的。通过千斤顶特性试验，建立补偿 模型，采用全微分的方法对大型结构物称重系统的重量重心进行计算和精度分 析。然后，采用v b 软件设计开发基于补偿的称重系统。最后，通过实际的称重 验证结构物称重系统的可行性和精确性。本系统研发后拟在中国海洋石油公司建 造场地针对“锦州2 5 1 南w h p a 平台”进行实际称重实验，验证称重测量精度 是否达到更高的要求。 第二章大型结构物称重系统原理 第二章大型结构物称重系统原理 大型结构物称重系统主要是利用液压千斤顶往复运动，实现对结构物的顶 升、支撑以及下降控制，利用位移传感器检测每一个桩腿的项升高度，通过压力 传感器检测每一个千斤项的承载状况，采用电磁阀控制千斤顶的进出油流量，以 及各状态设置开关、油泵换向阀和油管超高压电磁阀等设备进行网络实时监控。 在电气控制系统中，为便于系统调试开发了手动控制或自动控制系统出现故障时 的备用系统，大大提高了称重系统的安全性和可靠性。另外，作为称重控制的核 心部分，数据采集和计算机控制系统将采集到的传感器信号准确传输给计算机， 再进行下一步分析和判定，实现了称重过程的全程自动控制。 本章研究大型结构物称重系统的液压控制系统、电气控制系统以及传感器与 数据采集系统相关问题，为以后的大型结构物称重系统精度分析提供了一定的理 论基础。 2 1 液压系统 利用大型结构物称重系统测量出结构物的准确重量和重心，为安装和吊装提 供相应的数据，要实现这一目的，需要用支撑元件将结构物项升起来，系统采用 液压千斤顶作为支撑元件，控制高度的变化，从而实现对结构物的升降控制。液 压千斤顶能够往复运动，正好可以满足这种需要。采用千斤项作支撑元件控制方 便，而且千斤项的运动需要有动力源，依靠油泵向千斤项供油，可以驱动千斤顶 动作。单纯依靠油泵也不行，它没法实现千斤顶往复运动，所以就需要在油路中 有油路切换的装置。因此，液压系统由油泵、千斤顶和其它控制油路切换和调节 的元件共同构成。液压系统设计原理图如图2 一l 所示。 第二章大型结构物称重系统原理 图2 1液压系统的设计原理图 千斤顶作为系统最为主要的支撑元件，必须能够实现往复运动，根据市场调 研情况，采用e n e r p a c 公司和p o w e rt e a m 等多家公司的产品，再根据工作 情况选择适合的各种型号液压设备。 油泵采用电动泵作为动力源，带有三位四通电磁阀，出口有压力表，压力可 观测。当油泵出油口的压力值高到一定程度时，例如比例控制阀关闭时，油压迅 速升高，油泵的卸压阀打开，出油口的油流回油箱。液压系统中，单向阀和高压 油管可经过测试实验检验。如图2 1 所示的液压系统的设计原理图中，提出了“一 泵四顶”的液压系统连接形式，一个油泵配四个千斤顶，还需要有多路通道，整 个系统可以在计算机自动控制系统出现故障的时候进行手动调节，可以进行快速 上升或下降，当然，要求整个供油回路有保压功能。 2 1 1 比例压力控制阀 另外，液压系统还引入了比例压力控制阀。比例压力控制阀的作用是对液压 系统中的油液压力进行比例控制，从而实现对执行元件输出力或输出转矩的比例 控制。比例阀的结构形式很多，通常是由电气机械转换器、液压放大器和反馈装 置组成。采用比例电磁铁，将控制器输出的控制电流信号转换为力控制信号。在 项升阶段，比例阀开始工作，通过连续调节阀的开度大小控制各油路压力，从而 控制千斤顶的支撑力进行顶升精准控制，直至顶升到规定高度。比例阀不仅可以 实现自动控制，而且还能手动连续调节流量。在千斤顶顶升结构物升降过程中， 可以通过比例阀来调节油路供油流量大小，从而控制千斤顶运动的快慢。当计算 机自动升降系统出现故障时可以进行切换，采用手动功能继续进行控制，依靠调 节比例阀的开口大小来控制千斤顶的上升高度。当项升动作完毕，转入称重环节 第二章大型结构物称重系统原理 时，系统需要进行保压称重，可以关闭比例阀来保证系统压力。所谓保压称重 是指千斤顶将结构物顶升至距地面一定高度时，需要等待一段时间待系统压力 稳定后，再进行称重。千斤顶的保压特性等将在本文第三章详细介绍，在此就不 再冗述了。保压称重结束，停泵，结构物开始回落，油路中需要有一定的装置防 止液压油回流。以上所讲的两种称重状态，都是通过关闭比例阀来防止液压油回 流的，这样称重系统实现了保压。 21 2 液压系统整体布置 根据油泵的供油能力以及千斤顶升降速度的要求，系统可以采用“一泵多顶” 的方案，一个油泵配多个千斤顶，还需要有多路通管道。所以，整个液压系统是 由千斤顶、带卸压阀的油泵、三位四通阀、单向阀、比例压力控制阀和一些连接 管路以及辅助元件组成的。 黼 图2 - 2 液压系统布置原理图固2 - 3 千斤项现场布置图 图2 2 所示的液压系统布置原理图。包括油泵、多路通、进油徊油油管和 千斤顶等元件。图2 - 3 所示的“一泵四顶”方案，可根据实际工程中的具体情况 进行调整。布置液压千斤顶在具体称重操作中的工作位置以其为基本模型，可 进行液压系统设计和千斤顶力学分析正确性的校验工作。两顶之间的跨距较大 时，应综台考虑油泵的供油能力和油管的合理布置。由于高压油泵与千斤顶之问 是靠高压软管进行连接的，而且软管的价格较贵合理的布局可蚍降低工程造价， 同时也方便系统对供油量的调节。 2 2 电气控制系统 电气控制系统是整个结构物称重系统的手动控制部分。它是由电动泵的启停 主电路部分和各类电磁阀组成的辅助控制电路部分组成的。电气控制系统和计算 第二章大型结构物称重系统原理 机控制系统构成了结构物称重系统的控制部分。在结构物称重系统的开发过程当 中，为了系统调试的方便，开发了电气控制系统作为手动控制之用，也可作为称 重系统称重期间出现故障时的备用系统，充分保证系统的安全性和可靠性。结构 物称重系统的结构较为复杂、重量较大，测量工况存在一定的危险性，在开发过 程中需要有电气控制系统来进行包括液压系统在内的整体功能测试；在实际称重 过程中，当计算机自动控制出现故障时，为了保证称重任务的完成，也需要电气 控制系统来进行手动控制。电气控制系统在逻辑控制方面结构简单，容易实现， 抗干扰性较好，经济实用。 由于液压系统中引入了比例阀，自动控制和手动控制都可以通过比例阀实 现。下面仅对手动控制中的油泵控制做一个简要介绍，油泵的主电路图如图2 4 所示。 1 1 s a：鼍 叫， ，。 n叭2 f u ：n4u 廿n 小，i，-uh ! 一。t ，厶i ，j1 j a1 5 jl 1 三 mr 丁4 r 1 三手 r 2s ：义gt 3豇量 ； 。埘哟1 矿一6“碜一 一 m 、 剐 p 互 1 z 艘：l 、 ： ，：3 l ：m l 、 、k h 史 f _ r l ! 霭2 l f 3 l ，jj ll i ；l b ：乩 炒 瞄瞄警 粤im骖1 j 蹩骖 ( m i ) 猛厂 ( 耽： 图2 - 4 油泵控制主回路原理图 整个称重系统是靠千斤顶的上升支撑起结构物进行称重的，这一过程需要启 动油泵电机来控制油泵的给油。控制油泵电机的主电路在设计上除了要考虑启动 和停止外，还应考虑电路中的短路保护和过载保护，同时主电路中还应有电流表 等观测仪表。根据这一原则，所设计的主电路如图2 - 4 所示，主电路部分是油泵 电机的启停电路。从三相电源出来的电流经过熔断器f u 、接触器k m 的主触点、 热继电器f r 的线圈后接入电动泵，同时线路中还串联有电流互感器和电流表， 以方便监测和观察之用。 熔断器f u 是电动机电路中一种最简单的保护装置。熔断器内装有一个低熔 点的熔体，它串接在电路中。当电路正常工作时，通过熔体的电流小于或等于它 的额定电流，由于熔体发热温度低于其熔点而不会熔断，电路保持接通。当电路 第二章大型结构物称重系统原理 产生短路或过载时，由于电流过大，熔体被加热到熔点而烧断，电路自动断开， 从而起到保护线路和设备的作用。 热继电器f r 是一种能反映线路发热状况的自动电器。它用来保护电动泵和 其他负载免于过载以及作为三相电动机的断相保护。电动泵在额定载荷下工作 时，双金属片通过复式加热向右弯曲，推动动作机构，给动触点的力不足以克服 弹簧阻力，动触点与静触点仍然闭合，主电路正常接通；当电动泵过载时，电动 机的工作电流比额定值大，双金属片经过一段时间就受热变弯，使得接在控制电 路中的常闭触点断开，从而起到电动泵过载保护作用。当电动泵断电后，双金属 片逐渐冷却，经过一段时间动触点在弹簧的作用下重新复位，常闭触点闭创1 3 j 。 接触器k m 是用来频繁接通和断开电动泵等主电路负载的自动切换电路。 触点系统包括主触点和辅助触点。主触点体积大，用来通断主电路。触点是接触 器的执行部分。电磁机构的作用是将电磁能转化为机械能，带动触点的开闭。当 它接在控制电路中的接触器线圈接通电源后，电磁机构产生电磁力，吸引衔铁， 在整个吸合过程中，吸力大于反力，串联在控制电路中的常开触点闭合，同时主 电路中的主触点闭合，电动泵得电运转；当控制线路中的线圈失电后，吸力急剧 下降，在复位弹簧的作用下，接触器的常开触点断开，同时主触点断开，电动泵 失电停止。 2 3 传感器与数据采集系统 2 3 1 测量原理 图2 5 闭环控制系统 在该称重系统中，电气控制系统只是作为计算机控制系统的辅助功能部分， 而如图2 5 所示，闭环控制系统原理图说明传感器、数据采集和计算机控制系统 才是大型结构物称重系统最为主要的控制部分。该称重系统测量目的是得到大型 结构物的精确重量和重心坐标。通过计算各条桩腿上重量的总和，可以得出结构 物的重量，而每一个千斤顶的载荷等于该千斤面积与传感器压力的乘积，通过压 力传感器检测每一个千斤顶的承力状况，压力值通过数据采集后，对信号进行放 第二章大型结构物称重系统原理 大、利用d 5 2 5 2 作为a d 转换器数模转换、调零等，采用现场总线技术将传感 器信号送入工控机；各桩腿升高高度也是计算机控制系统利用位移传感器检测每 一个桩腿的顶升高度来进行计算的。因此，讨论传感器数据采集系统是十分必要 的，其对控制系统精度有着直接的影响。数据采集系统是由压力传感器、位移传 感器、a d 模数转换器、信号放大电路以及计算机组成的。 2 3 2 位移传感器特征 所谓韵传感器是指能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用 输出信号的器件或装置p j 。简单地说传感器是把非电量转换成电量的装置。 传感器技术”是现代信息社会的重要技术基础，传感器是各种信息采集系 统的首要部件。传感器通常由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成： 1 敏感元件是指能直接感受被测量的部分。即将被测量通过传感器的敏感 元件转换成与被测量有确定关系的非电量或其它量； 2 转换元件则将上述非电量转换成电参量； 3 测量电路的作用是将转换元件输入的电参量经过处理转换成电压、电流 或频率等可测电量，以便进行显示、记录、控制和处理的部分。 位移传感器如图2 - 6 所示是用于在结构物顶升过程中测量桩腿的位移值，使 计算机能实时监控各桩腿的运动状态。位移传感器的选用主要考虑测量精度、测 量范围和现场的安装条件。根据以上的各种因素，本系统选用拉线式位移传感嚣， 内部为一线轴、精密电位器和简单的输出接口电路组成。它的测量范围是0 - 2 5 0 毫米，精度是土o 1 0 ：重复精度00 2 f s 操作温度- 2 5 - - 9 5 度。 图2 - 6 位移传感器 图2 - 7 压力传感器 2 3 3 压力传感器特征 1 压力传感器 第二章大型结构物称重系统原理 系统需要测量的是千斤顶运动的位移和压力信号，这些位移和压力信号是不 能被计算机直接感知和处理的，计算机能直接处理的是电信号。压力传感器内部 有高精度的应变片，在压力作用下能产生一定的应变，通过应变与压力的对应关 系，能将压力信号转化为电信号；位移传感器依靠内部电阻丝阻抗随长度变换的 对应关系将位移信号转换为电信号。传感器内部还有桥式电路，将压力或位移信 号转换成电信号。输出的电信号一般有两种：一种是电压输出，一种是电流输出， 文中称重系统选用的是电流输出型传感器【l 4 1 。 该称重系统的传感器大多在施工现场露天安装，运行条件较差，与一般的检 测传感器相比，需要更高的可靠性。因为称重系统的测量精度很大程度上取决于 传感器的精度，因此传感器精度的高低成为传感器选购的一个重要环节。传感器 的精度需要根据称重的需要、使用场合或称重的综合精度全面的加以考虑，不能 单纯的追求高精度。通过对国内外生产传感器的厂商进行技术指标上的各种对 比，选定英国d r u c k 公司的p t x 系列压力传感器( 如图2 7 所示) 。p t x 6 6 1 压力传感器的压力范围0 - 7 0 m p a ；输出为4 2 0 毫安两线制，输入为5 4 0 v 直流 电源；精度0 0 8 f s ，温度从1 0 到5 0 度变化时，传感器的精度变化不超过 0 5 f s ，过载能力不超过1 5 倍；温度从2 0 到8 0 度变化时，传感器的精度变化 不超过1 f s ，过载能力不低于2 倍。 2 压力传感器静态精度计算方法 ( 1 ) 传感器的校准曲线 设x 为传感器的输入量，】，为传感器的输出。 每个传感器有k 个校准点置( 江1 、2 k ) 。每个校准点均有尺个正行程校 准数据和r 个反行程校准数据。 按下面的公式求出各校准点的正、反行程校准数据平均值和总平均值： 1霄 圪= 去i ， ( 2 1 ) 10j = l 1霄 k ：二yk ( 2 2 ) 。尺肓 1 ，、 i = ( 圪+ 珞) ( 2 3 ) 二 式中： r ，第i 个校准点正行程校准数据的平均值； k 第i 个校准点反行程校准数据的平均值； z 第i 个校准点全部校准数据的总平均值。 第二章大型结构物称重系统原理 由诸圪所连接成的线称为传感器的正行程校准曲线：由诸匕所连接成的线 称为传感器的反行程校准曲线，由诸z 所连接成的线称为传感器的校准曲线。 ( 2 ) 传感器的工作直线 为了实际使用的方便，往往用一条工作直线来代替实际的校准曲线。 2 3 4 传感器选用 由于各种传感器的原理、结构不同，使用环境、条件、目的不同，其技术指 标也不可能相同，但是有些一般要求却基本上是相同的【5 j ： 1 灵敏度高，精度适当，即要求其输出信号与被测信号之间具有确定的关 系，且比值要大，传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求； 2 使用性强，体积小，重量轻： 3 内部噪声小，抗干扰能力强，输出力求通用或标准形式，以便与系统对 接； 4 足够的容量，响应快，稳定性好，较好的可靠性； 5 成本低，寿命长，便于使用、维修和校准。 当然，能完全满足上述性能要求的传感器是很少的。因此，应该根据应用的 目的、使用环境、被测对象状况、精度要求和原理等具体条件加以全面考虑。 2 3 5 数据采集系统 电气控制系统仅仅是作为计算机控制系统的辅助系统，它实现了系统的手动 控制部分；而称重系统的核心部分是自动控制部分。要想实现自动控制功能就要 涉及到对计算机控制系统的研究，而要实现同步控制并且要保证千斤顶压力不超 过额定负载，就需要信号采集，也就是数据采集系统。数据采集和计算机控制系 统是称重系统最主要的控制部分，计算机控制系统是集数据采集和自动控制技术 为一体的。 结构物的重量是通过各个桩腿重量的总和计算的，每个桩腿的重量等于作用 在该桩腿千斤顶上载荷的总和，而每个千斤顶的载荷则等于该千斤顶的面积乘以 相应传感器的压力，关键是要得到传感器的压力值。在称重过程中，结构物称重 系统通过对传感器采集到的微弱信号进行放大、称重自动调零、a d 模数转换、 通过i o 输入接口电路输入计算机要实现同步升降，就要按照程序对采集的信号 进行分析计算，然后通过i 0 接口电路输出信号，送往执行器件，执行器件控制 千斤顶进行运动，从而使平台升降形成闭环控制系统，如图2 8 所示。 第二章大型结构物称重系统原理 图2 8 数据采集系统图 m 个魄力 传感器 n 个f 移 0 鸦嚣 数据采集系统式为计算机控制提供反馈信息的，其核心部分在于控制系统。 图2 - 8 所示的系统中，就是本文中研究的从千斤顶返回数据的反馈回路。 第三章大型结构物称重系统的精度分析 第三章大型结构物称重系统的精度分析 3 1 影响称重精度的因素 影响大型结构物称重系统精度的因素有很多，在称重过程中，由于液压元件 产生误差、结构物自身不稳定、各方面的干扰等原因，引起称量信号不准确，或 是由于传感器不能正确的安装或是使用，称重系统硬件问题引起的原因等都会造 成称重误差的产生。讨论影响称重进度的因素很有必要，根据各方面因素找出合 理的方案，才能提高称重系统的测量精度。 1 传感器 称重系统的测量精度很大程度上取决于传感器的精度，因此提高系统精度首 先是要选用高精度、高品质的传感器，即非线性误差、重复性误差、滞后误差都 是越小越好。另外，系统中应选用灵敏度一致的传感器。该称重系统所采用的是 内部带有高精度应变片的压力传感器，在压力的作用下能产生一定的压变，通过 压变与压力的对应关系，能将压力信号转化为电信号；而采用的位移传感器是依 靠内部的电阻丝阻抗随长度的变换的对应关系将位移信号转换为电信号的。 2 传感器受力不均衡，也会造成称量误差。 传感器受力不均衡，主要是由于传感器的支承点分布不均匀所致。一般在安 装传感器时要使传感器的受力沿着传感器的轴线方向。若传感器是受压的，则最 好实现点接触。 3 测量电路 测量电路将传感器输出的电信号放大，测量后传给计算机进行处理的。一般 测量电路所使用的微处理元器件其精度、灵敏度均比较高，但由于元件老化、环 境变化等原因，也可能出现测量误差。零点漂移是常见的测量电路问题，应通过 定期校正予以消除。 4 千斤顶 千斤顶的摩擦力特性和保压特性是影响称重系统的精度主要因素之一。本文 中称重系统是利用千斤顶对结构物进行项升，达到一定高度进行称重操作的，在 整个的称重过程中，千斤项是关键的称重设备，始终起到支撑结构物的作用，其 精度的高低、称重保压的能力等