（机械电子工程专业论文）自动称重系统的精度分析与同步控制.pdf

中文摘要 由于平台制造过程中的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。为了保证工程安全实施，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。因此， 对自动称重系统的研究有着重要的理论意义和工程价值。 自动称重系统是由液压系统、电气控制系统、数据采集和计算机控制系统组 成的。本文正是以自动称重系统为基础，对影响称重精度的几个因素进行了全面 系统分析，讲述了同步控制精度对于整个系统称重精度的重要性，主要包括以下 几个方面： l 、对影响称重系统测量精度的因素进行了全面系统分析，包括测量和承载 系统，桩腿千斤项间的不同步和桩腿间的不平度，建立了相应的数学模型和计算 方法。 2 、改进了原称重控制系统，引入了比例控制阀，对各油路的输出进行连续 控制，并选用了美国d g h 公司的d 4 2 6 2 模块进行数模转换，提高了千斤项的同 步控制精度。 3 、结合实际称重工程，进行了称重精度分析和仿真计算，验证了自动称重 系统的正确性、可行性、可靠性和稳定性。 关键词：d 4 2 6 2 模块称重精度同步控制传感器千斤顶比例阀 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h el o c a lm o d i f i c a t i o na n dt e m p o r a r ys t r u c t u r e sd u r i n gt h ep l a t f o r m m a n u f a c t u r e ，t h e r ei so f t e nag r e a td i f f e r e n c eb e t w e e nt h ef i n a lw e i g h ta n dt h e d e s i g n e do n eo ft h es t r u c t u r e i no r d e rt om a k es u r eo ft h ep r o j e c ts a f e t y , i ti s n e c e s s a r yt ow e i g ht h ep l a t f o r ma f t e ri t sp r e f a b r i c a t i o ni sf i n i s h e d ，s ot h a tt h ea c c u r a t e w e i g h ta n dc e n t e r o fg r a v i t y ( c o g ) c a nb ee n s u r e d t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a t s i g n i f i c a n c ea n d v a l u eo np r o j e c tt or e s e a r c ho nt h ea u t o m a t i cw e i g h i n gs y s t e m t h ea u t o m a t i cw e i g h i n gs y s t e mi sc o m p o s e do ft h eh y d r a u l i cs y s t e m ，e l e c t r i c c o n t r o ls y s t e m ，t h ed a t aa c q u i s i t i o na n dc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m o nt h eb a s i so ft h e a u t o m a t i cw e i g h i n gs y s t e m ，t h ep a p e rm a k e sa na n a l y s i so fs e v e r a li n f l u e n c ef a c t o r s o nt h ew e i g h i n gp r e c i s i o n ；e s p e c i a l l y , i tt e l l st h ei m p o r t a n c eo fs y n c h r o c o n t r o l p r e c i s i o nr e l a t i v e t ot h ew e i g h i n gp r e c i s i o no ft h ee n t i r es y s t e m , i n c l u d i n gt h e f o l l o w i n gc o n t e n t s ： i i tm a k e sac o m p r e h e n s i v es y s t e m i ca n a l y s i so ft h ei n f l u e n c ef a c t o r so n m e a s u r e m e n tp r e c i s i o no ft h es y s t e m ，i n c l u d i n gm e a s u r e m e n ta n dl o a d - b e a r i n g s y s t e m ，t h eo u t - o f - s t e pa m o n gt h ej a c k so ft h es p u dl e g s ，a n dt h eu n e v e n n e s sa m o n g t h es p u dl e g s a n di te s t a b l i s h e st h ec o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i cm o d e l sa n dc a l c u l a t i o n m e a n s i i i ti m p r o v e st h eo r i g i n a lw e i g h i n gc o n t r o ls y s t e m t h ep r o p o r t i o n a lc o n t r o l v a l v ei sc h o s e ni no r d e rt oc o n t r o lt h eo u t p u t so fa l lt h eo i lw a y s ，a n dt h ed 4 2 6 2 m o d u l ei su s e dt oc o m p l e t et h ec o n v e r s i o nf r o mt h ed i g i t a ls i g n a l st oa n a l o g yo n e s t h e r e f o r e ，t h es y n c h r o c o n t r o lp r e c i s i o no ft h ej a c k si si m p r o v e d i i i c o m b i n e dw i t ht h ep r a c t i c a lw e i g h i n ge n g i n e e r i n g ，i tm a k e saw e i g h i n g p r e c i s i o na n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nc a l c u l a t i o ns ot h a t i tp r o v e st h ec o r r e c t n e s s ， f e a s i b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h ea u t o m a t i cw e i g h i n gs y s t e m k e yw o r d s ：d 4 2 6 2m o d u l e ，w e i g h i n gp r e c i s i o n ，s y n c h r o c o n t r o l ，s e n s o r , j a c k ，p r o p o r t i o n a lv a l v e 一 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，也不包含为获得苤洼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：维咙燕。 签字日期：2 厶0 7 年占月f 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤奎盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫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：舷晚燕 导师签名： 签字日期：土。刁年6 月卵日签字日期：知j 7 年月夕日 第一章绪沦 第一章绪论 1 1 自动称重系统的发展概况 1 1 1 称重系统的发展历史 衡器，是称重控制和贸易计量的重要手段，在各个领域被广泛运用，但同时 它们也对衡器技术的发展提出越来越高的要求。目前，衡器正在向着小型化、集 成化、模块化、智能化和综合性的方向发展。 衡器是工业生产中进行称重的主要计量工具，它是称重系统的重要组成部 分。最早的衡器出现在公元前一千年中法老帝国时期的古代埃及，是等臂式天平； 随后出现了配有滑动称锤的杆秤、大型滑动磅锤的磅秤等。这些远古时期的衡器 已经能完成一定的称重功能。 随着工业生产的发展，衡器也得到了快速发展。首先是传统的机械式衡器进 一步发展，出现了如液体静力秤、“罗伯瓦尔称重系统”、“贝兰格原理”等技术 和称量理论。到了二十世纪五十年代，电子、晶体管、微处理器为这一时代新颖 的物理测量原理的发展做出了巨大贡献，出现了电阻测力法、电动力平衡、振弦 测力装置与陀螺测力装置，从而开始了机电式衡器的新纪元；出现了许多结构形 式的、能适应被称物料、输送系统与工艺过程的衡器。这些新的机电式衡器都采 用了称重传感器作为测量值发送器。 传感器技术【l 】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。现代微电子技术、计算机技术、微细加工技术、新材料技术、激光 与光纤技术等高新技术的发展，为设计新型传感器1 2 】提供了技术和物质基础。近 年来，为了军用与民用的目的，世界上主要工业发达国家利用敏感元件材料研制 出了新型传感器，例如：新型压电传感器、光纤传感器等。称重传感器是电子称 重的核心部件，它能把重力转换成电信号。称重传感器从原理上分有很多种，包 括电阻应变式、压磁式、电容式、电感式、核辐射式等。就目前大量应用的电阻 应变式称重传感器而言，测量原理、制造工艺相对比较成熟。目前，我们采用了 现代技术手段深入分析弹性体结构，优化设计；完善了电路补偿与调整工艺；引 入了现代制造技术和工艺装备提高整体制造工艺水平；把技术与管理结合起来提 高了产品的综合性能和长期稳定性。现代传感技术在衡器中的广泛应用为自动称 重系统的发展奠定了良好的基础。 第一章绪论 1 1 2 称重系统的研究现状 对质量的称量，国内已有很成熟的技术，包括各种静态动态衡器、电子秤等， 其机械传力装置和传感器的安装形式和安装结构，电器部分的连接和线路布置， 传感器电桥电路的湿度补偿，传感器的非线性修正方法，单传感器准确性重复性 检定方法等等p 1 。 小量程质量称重在医学上的应用，可以反映当前传感器技术和电测技术发展 的水平。例如一种医用组合称重装置，能够对特殊患者体重的变化进行监测。大 量程质量称重主要是各种衡器，现有衡器主要是：台秤、汽车衡、动态轨道衡、 机电结合秤、集装箱吊运称重装置等。 质心测量设备有采用非机电方法测量的方案，如悬吊法和台秤法，但是这两 种手工操作方法因为操作困难，获得的精度低，因此只应用于小型物体、精度要 求不高的场合。对于大型物体质心的测量现在已经运用多传感器技术进行称量。 对飞机起飞时的姿态质心测量就是采用的三传感器测量或四传感器测量技术，它 已经由原来的地中衡式的称量系统发展到新一代千斤顶式称重系统。 大型结构物的称重技术，有较多的方法，可以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【4 】。其中，施焊前的单件称重的方法对采 油平台意义不大。正是由于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，才需要预制后称重。用地泵测 量，一方面是测量精度低，另一方面大型结构物重量较大，地泵测量的测量范围 有限，而且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，该法测量精度较高，但是由于应变传 感器易受温度、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，不宜采用细长类敏 感元件，影响其总体测量精度【5 1 。另一类方法是通过液压构件，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 【6 】。目前，新加坡、南韩、美国等制造厂都广泛应用液压千斤顶结合传感器的测 量方法。在自动称重系统的设计过程当中，一方面需要有足够承载能力的千斤顶 作承载器；另一方面需要有高精度的传感器来测量压力和位移信号。 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自动称重系统【7 】分为三类：单片机控 制的自动称重系统、p l c 控制的自动称重系统、工业控制机的自动称重系统。其 第一章绪沦 中，采用工业控制机的控制速度快、能够处理大晕的计算模型、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。不论采用 哪种方式测量，各国的制造厂都面l 临着相同的技术难题都必须解决称重过程 中的同步升降问题1 8 】。 1 2 自动称重系统的工程背景及基本原理 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，对海上施工提出了很高的要求， 需要对重量、重心进行严格、科学的控制。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 过程中焊接材料和撬块的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【9 】。 本自动称重方法是利用“液压千斤顶”将平台顶升一定距离来实现的，此时 平台的全部重量由千斤顶的液压油缸来支撑，准确测量各千斤顶液压油的压力， 乘以全部液压缸的工作面积即可获得平台重量，再根据千斤顶的坐标可获得结构 物的重心位置坐标参数。 重量计算公式为 彬= 只x s ， ( 1 一1 ) 形= ( 1 2 ) j = t 嵋= 形( 1 - 3 ) 重心计算公式为 第一章绪论 形x i厶”，“ _ 2 南 形i y ：i 厶”1 耳2 节 式中，千斤项的编号； m 支撑点千斤项的数量； 刀支撑点的总数； b 第，个千斤顶的油压； s ，第，个千斤顶的油缸有效面积； 第，个千斤项的承重； 彤第i 个支撑点的承重； 所结构物的总重量； 、k 分别为桩腿相对坐标系的x 、y 方向位置； 厨、埽分别为组块的重心位置。 1 3 自动称重系统中需解决的关键问题 ( 1 - 4 ) ( 1 5 ) 大型结构物的升降控制是一个较为复杂的过程。首先，由于结构物重量大， 通常为数千吨，往往具有较大的偏心，导致各千斤顶承载压力很大，接近于极限 载荷。而从力学角度来说，同步升降系统是一个超静定问题。对于一个平面来说， 三个约束就足够了。理论上来说，三个支撑点就可以顶起结构物，这种情况下各 支点的力是固定可求的，称为静定问题。但由于实际中，结构物重量大，不可能 仅仅靠三点支撑，这就需要多点支撑，从而出现了多余约束。在超静定的情况下， 未知力的方程超过独立的平衡方程数，多余的约束力由约束的几何变形条件决 定。在系统的升降过程中，可能导致各千斤顶油缸承载压力的动态变化，而由于 平台重量大，各千斤项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。 其次，采油平台往往存在较严重的偏心问题，在自动称重过程中若不能很好 地实现同步控制，由于平台是多点支撑，有可能出现几个千斤顶独立承受平台重 量，而其它千斤顶与平台脱离，造成千斤项超压，出现危险；另一方面如果各千 第一章绪论 斤顶上升高度不同，由于平台不完全是刚性结构，平台可能会发生弯曲变形，严 重的话会破坏平台结构，而平台的倾斜也有可能导致平台滑落甚至倾翻，所以自 动称重过程中需要对各千斤顶进行同步控制。 再次，在自动称重过程中，如果各千斤顶的上升高度不同，有可能导致平台 产生一定的微小倾斜，这种倾斜会对称重的结果产生一定的影响。为了提高称重 系统的精度，也需要严格控制称重系统的同步升降。因为各千斤顶的承载力不同 且在动态变化，而且各个油缸的泄漏量不同，也给同步控制造成了困难。尤其是 在自动控制中，如何调节各千斤顶油缸的油量，是一个关键问题。这些要求对大 型结构物自动称重系统的实现是一个考验。 综上所述，如何控制系统的同步升降f 1 0 】、如何保证各千斤项不超压以及如何 提高系统的测量精度是自动称重系统设计中所需解决的关键问题。 1 4 本论文的主要研究内容 自动称重系统是由液压系统、电气控制系统、计算机控制系统和信号数据采 集系统组成的。自动称重系统的各个子系统只是为了将结构物支撑顶升起来，并 保证系统的同步升降以及千斤项的压力控制，而将系统项升起来的最终目的是要 计算出结构物的重量和重心。 结构物重量的计算为： 每个千斤项的载荷= 该千斤顶的面积x 相应的传感器压力，最终单位( 吨) 每个桩腿的承载力= 作用于该桩腿所有千斤顶的载荷总和 结构物总重量= 所有桩腿承载力的总和，最终单位。( 吨) 重心的计算为： 重心坐标肛( 每个桩腿的重量x 该桩腿的x 坐标) 总重量单位( m m ) 重心坐标y = ( 每个桩腿的重量该桩腿的】，坐标) 总重量单位( m m ) 由重量和重心的计算公式可以看出，重量和重心的计算需要的原始数据是压 力传感器的压力值、千斤顶的截面积以及桩腿的坐标值。因此，对重量和重心的 精度影响因素是由这三个原始数据及其相关条件决定的。传感器的压力值是通过 压力传感器、d 5 2 5 2 巡检仪进入计算机的，因此，压力传感器、d 5 2 5 2 巡检仪的 精度将影响最后的计算精度。另外，对千斤项的面积测量精度、桩腿坐标测量精 度都会影响重量和重心的计算精度。本论文中，根据影响系统精度的几个方面讨 论了自动称重系统的精度问题，主要包括以下几个方面： 1 ) 传感器及d 5 2 5 2 模块对测量精度的影响。 2 ) 各桩腿项升高度不同对精度的影响。 第一章绪论 3 ) 单个桩腿上各千斤顶受力的不均匀对桩腿重心测量的影响。 4 ) 同时，了解到了同步控制对于系统精度有很大的重要性；因此，进行了同 步控制系统的设计及其软件实现，尤其是引入了比例压力控制阀对流量进行连续 调节，并且采用了美国d g h 公司的d 4 2 6 2 模块对其进行控制，有效的提高了系 统的同步精度。 5 1 最后进行实验，验证自动称重系统的正确性、可行性、可靠性和稳定性。 并且，本系统在中国海洋石油公司建造场地针对q k l 7 2 w h p 3 组块进行了实际 应用。 第_ 章自动称重系统 第二章自动称重系统 大型结构物称重技术是利用位移传感器检测每一个桩腿的顶升高度，通过压 力传感器检测每一个千斤顶的承力状况，采用电磁阀控制千斤顶的进出油流量， 用先进的数据总线技术，将压力传感器、位移传感器、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监控，实现称重过程中对大型结构物同步 顶升、下降和调平的计算机自动控制、监测与报警，实现称重过程的全电脑控制 1 9 1 ，主要包括以下几个部分。 2 1 液压系统 自动称重系统的最终目的就是要测量出平台的重量和重心。要实现这一目 的，首先需要用支撑元件将平台顶升起来，而且支撑元件可以控制高度的变化， 从而实现对平台的升降控制。液压千斤顶能够往复运动，正好可以满足这种需要。 从机械设计的角度考虑，连杆滑块机构也能实现往复运动，但把电机的旋转运动 转换为滑块的往复运动还需要设计传动机构来实现。两种方案相比较，采用千斤 项作支撑元件简单易行，控制方便。另外，千斤顶的运动需要有动力源，依靠油 泵向千斤项供油，可以驱动千斤项动作。平台需要上升和下降两种运动而且运动 有同步要求，还需要在油路中有相应的控制措施。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。液压系统是为了完成对平台的实际升降操 作而设计的，它是平台升降运动的直接驱动者。 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“一泵多项 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 由带卸压阀的油泵、三位四通阀、比例压力控制阀和一些连接管路以及辅助元件 组成的。 2 1 1 液压同步系统概述 自动称重系统最后要完成平台的重量和重心的测量，就需要在结构物的升降 过程中保持系统的同步升降和保证千斤顶的压力不超过极限载荷。d 4 2 6 2 输出模 块和d 5 2 5 2 输入模块通过r s - 4 8 5 接口与计算机通信。计算机通过d 5 2 5 2 输入模 块采集压力和位移传感器信号，经过软件的计算向d 4 2 6 2 输出模块发出相应指 第_ 章自动称重系统 令，从而控制有关电磁阀的调节，实现平台的同步升降和千斤顶的压力控制。 在大型结构物升降系统和许多液压举升装置中，多液压缸协同负载动作是比 较常见的。如双液压缸变幅机构、双液压缸单级吊臂伸缩机构、多液压缸举升机 构等。可是，多液压缸协同负载动作的运动同步一直是比较难解决的问题。从理 论上讲，只要两个液压缸的活塞有效面积相同，输入流量也相同，它们之间应该 做出同步运动。但是，实际上由于负载的不均、摩擦阻力的不等、泄漏量的不同 和液压缸制造尺寸精度间的差异，都不可避免地会使液压缸间的运动不同步，易 造成液压缸运动阻滞、速度不平稳和液压缸、被传动件偏载加剧等现象，严重的 甚至导致液压缸或被传动件过早地毁坏。因此，系统地分析、比较负载不均情况 下的多液压缸协同动作的措施，评判液压控制同步回路对多液压缸运动同步上的 作用与相互影响，从中总结这些液压缸同步措施的适用性，这将对于改进这类机 构的液压回路设计，提高设计水平具有积极的意义。 大量的实验表明：当多液压缸协同负载动作出现液压缸间的运动不同步时， 液压缸间有无机械联系所产生的运动不同步程度差异是较大的。在多液压缸系统 中，同步液压回路可在较大程度上弥补上述原因引起的不同步，使两液压缸间基 本上实现同步运动。同步控制回路就是为了克服上述影响，通过改变进入其中一 些或全部液压缸的流量来达到同步的目的，通常以一个液压缸的位置作为参考， 改变进入其他液压缸的流量来达到位置跟随而同步。可见，同步回路从本质上来 讲是一个位置控制回路。同步回路的控制方式一般有三种：容积控制、流量控制 和伺服控制【1 1 】。其中，伺服控制的同步精度最高，流量控制的同步精度次之。但 是，伺服控制的同步液压回路所涉及的液压元件较精密，复杂，抗环境干扰能力 弱，成本高。流量控制的同步精度已可以满足大型结构物升降和液压举升装置中 多液压缸协同负载下的同步要求；而且它受负载变化的影响小，简单，紧凑，易 维护，成本较低，获取的性价比较高，其不足主要是压力损失大，使液压系统效 率下降，发热增加，不适于连续负载和低压的系统。因此，流量控制的液压缸同 步回路广泛应用于大型结构物的液压举升装置中。 尽管目前液压同步系统的具体实现方式多种多样，但实际上，实现液压同步 一般主要有开环控制和闭环控制1 1 2 】两种基本形式。诚然，由于液压系统的泄漏、 执行元件存在的非线性摩擦阻力、控制元件间的性能差异、负载和系统各组成部 分的制造误差等因素，使得液压同步高精度问题的解决存在很大难度。尤其是在 采用开环控制的液压同步驱动中，因为这种同步系统完全依靠液压控制元件本身 的精度来控制执行元件的同步动作，而不对执行元件的输出进行检测与反馈来构 成闭环控制，所以它不能消除或抑制对高精度同步的不利因素的影响，这也极大 地限制了该种控制形式的实际应用范围。与此相比，尽管液压同步闭环系统组成 第二章自动称重系统 较复杂、造价较高，但由于它需要对输出量进行检测、反馈，从而构成反馈闭环 控制，这在很人程度上可以消除或抑制对同步性能不利因素的影响，从而可望获 得高精度的同步性能。因此，液压同步闭环控制已经越来越得到人们的重视，特 别是随着现代控制理论及计算机控制技术的发展，该种控制形式几乎在所有需要 高精度液压同步驱动的各类主机上都得到了较好的应用【l3 1 。所以，在此选用液压 同步闭环控制系统，可以达到较好的同步控制性能。 2 1 2 多液压缸同步系统的数学建模及其分析 多液压缸同步系统【l 。7 1 的简图如图2 1 所示，符号w 、p 、q 为每条支路上的 负载力、油压力及输入流量，下标1 、2 、3 、f i 为每条支路的编号。如果每 条支路的输入流量及几何参数都相等，则成为一个理想的同步装置。然而在运行 中，存在外负载的变化、油缸的动态特性、液压控制系统特性等因素，同步性受 到影响。现取其中一条支路来研究，如图2 2 所示。假设管道动态特性、磨擦等 可忽略。 图2 1多液压缸同步系统简图 图2 - 2 支路液压缸控制原理图 根据液体流量连续性原则，液压缸负载流量与活塞运动速度、液体压缩量和 液压缸泄漏量有关，可得出流量连续性方程 一9 - 第二章自动称重系统 q = 4 警+ 善鲁+ e 竹 积 v = 二 d l ( 2 一1 ) ( 2 2 ) 式中a ，液压缸活塞面积； 五液压缸活塞位移； k 油液的体积弹性模量； 所液压缸总容积： p ，液压缸负载压差； g 总泄漏系数； ，活塞移动速度。 式( 2 一1 ) 中，等号右边第一项4 警是活塞移动所需流量；第二项暑誓是因 油液被压缩所引起的体积变化率；第三项e p ，是泄漏量。 液压缸负载压力可以看成是由活塞与负载折算到活塞上的总质量所引起的 惯性力、液压缸活塞与负载运动的粘性阻尼所引起的阻尼力和外干扰力组成的， 则液压缸的负载力平衡方程为 4 乃= 啊等+ e 警+ 吒 ( 2 - 3 ) 4 乃2 啊尹+ e 云+ 吒 ( 2 - 3 ) 式中m ，活塞与负载折算到活塞上的总质量； 历粘性阻尼系数： 冗外负载力。 式( 2 - 3 ) 中等号左边4 乃为液压缸产生的推力；等号右边第一项啊警为惯 性力；第二项局譬为阻尼力；第三项t 为外负载力。 d f 假设初始条件为零，将式( 2 1 ) 和( 2 3 ) 作拉氏变换并整理后得 q ( s ) = 4 ( s ) 五( s ) + ( e + i y ts ) 乃( j ) ( 2 - 4 ) 4 p ，( s ) = ( 啊s 2 + 尽s ) 一( s ) + 五( s ) ( 2 - 5 ) 由式( 2 2 ) 、( 2 4 ) 和( 2 5 ) 可以画出系统的方框图，如图2 3 所示，并且综合成 式( 2 - 6 ) 和( 2 7 ) 第二章自动称重系统 f 。( s ) “。、 a i q ( s ) - ( c 。+ 詈s 眦) x g 卜再瓦哥蒜 l a 。q ( s ) 一( c 。+ i v t s ) f l ( s ) l k a 2 + c b ( 差+ 芸s + 1 ) s6 d c p ，警一去甜i v t s 眦) 2 碍1 耵 任6 ， l a q ( s ) 一( c s + k v - - - 上t s ) f 。( s ) l 2 丽i 藉_ 。警一士( c 。+ i v t s ) f l ( s ) 2 呼磊可一。 陋7 ， 由- t - ( c , b , a , 2 ) 尸 lil 炒 蝣 lii p l 卜，1 卜1 阻4 1 w 4 炒 陛钞 ( m 1 )【m ij 图2 - 6 油泵控制主回路原理图 整个自动称重系统是靠千斤项的上升来支撑起结构物进行称重的，这一过程 第二章自动称重系统 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时除了要考 虑启动停止这一主要功能外，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 - 6 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，用来方便监测和观察之用。 熔断器f 1 j 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( 指长时间通过熔体而不熔断的电流) 。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。由于 p e r - 5 4 1 0 w 电动泵价格较贵，更应该在电路中注意保护。为了不影响电动泵的 正常启动，主电路熔体采用的额定电流要比电动泵的额定电流大得多，所以熔断 器在这里只起到短路保护的作用。 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。接 触器由触点系统、电磁机构、弹簧、灭弧装置和支座部分组成。触点系统包括主 触点和辅助触点。辅助触点体积小，只能用以通断控制电路，有常开和常闭触点。 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。电磁机构是由吸引线圈、铁芯和衔铁 组成。当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。 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。它由双金属片、加热元件、 动作机构、触点系统等构成。双金属片和加热元件与电动泵的两相电源进行串联。 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，常闭触点闭合。 第二章自动称重系统 2 3 数据采集和计算机控制系统 电气控制系统仅仅是作为计算机控制系统魄辅助系统，它实现了系统的手动 控制部分；而自动称重系统的核心部分是自动控制部分。要实现自动控制功能， 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自动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 千斤项的载荷则等于该千斤顶的面积乘以相应传感器的压力。所以关键是要得到 传感器的压力值。在称重过程中，自动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 o 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 7 所示。 图2 7 闭环控制系统 数据采集系统在图2 7 所示的系统中，就是从千斤顶返回数据的反馈回路。 在自动称重系统中，测量系统的重量和重心是通过各千斤项的承载力计算出来 的。千斤项的承载力要通过压力传感器测得。另外，同步升降控制的实现离不开 对各千斤顶位移的检测，这就需要用到位移传感器。传感器采集到的信号还要输 入计算机，以便作为计算机程序进行下一步动作判断的依据。传感器输出的信号 是变化的电压和电流等模拟量，计算机所能处理的是数字量；因此，传感器输出 的信号还需要转化为数字信号才能输入计算机，这就要用到a d 转化器。另外， 传感器出来的电信号很微弱，进入a d 采集卡之前还应作放大处理，a d 采集 卡出来的信号可以直接送到计算机进行处理。如图2 8 所示，数据采集系统是由 压力传感器、位移传感器、信号放大及a d 转换器和计算机组成的。 本系统的压力测量和位移测量分别选用应变片式压力传感器和拉线式位移 第一章自动称重系统 传感器，将压力信号和位移信号转换成电流信号，通过电流型巡检仪转换成数字 信号，用计算机进行同步采集、同屏显示、记录和报警。系统的原理图如图2 8 所示。 图2 - 8 数据采集系统图 m 个压力 传感器 个位移 传癌嚣 数据采集系统是为计算机控制提供反馈信息，其核心部分在于控制系统。同 步升降控制以及对千斤顶压力的协调最终是通过液压系统中油泵的开关控制和 比例压力控制阀的连续调节实现的。而液压系统中比例阀的手动控制是在电气控 制系统中完成的，自动控制系统通过采用d 4 2 6 2 模块对比例阀的控制才能完成 自动称重任务。 与数据采集系统类似，计算机控制系统是两级驱动控制结构。该系统由一台 工控p c 机、r s 2 3 2 至r s 4 8 5 通讯转换板、多个d 4 2 6 2 i o 控制模块组成。在 复杂的控制系统分析中，计算机主要完成信息处理，由于输入信号和根据控制规 律的要求实现的输出偏差量的计算工作量很大，需要采用计算机；用计算机程序 实现对控制系统的校正以保证系统的动态实时性。与此同时，计算机还应对数据 采集系统所采集到的数据实时显示，以实现同步监控。计算机是数字控制系统的 核心，根据采集系统输入的测量信息，按照预先编制好的程序，按照一定的控制 规律进行信息处理、计算，形成一定的控制信息由r s 4 8 5 接口送到d 4 2 6 2 i o 模 块，再由d 4 2 6 2 i o 模块控制比例阀。 2 3 1 数据的传感器采集 在信息时代里，随着各种系统的自动化程度和复杂性的增加，需要获取的信 息量越来越多，不仅对传感器的精度、可靠性和响应要求越来越高，还要求传感 第二章自动称重系统 器有标准输出形式以便于和系统连接。 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共同的： 1 1 足够的容量传感器的工作范围或量程足够大：具有一定的过载能力。 2 ) 灵敏度高，精度适当即要求其输出信号与被测信号有确定的关系( 通 常为线性) ，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。 3 ) 响应速度快，工作稳定，可靠性好。 4 ) 使用性和适应性强体积小，重量轻，动作能量小，对被测对象的状态 影响小；内部噪声小而又不易受外界干扰的影响；其输出力求采用通用或标准形 式，以便与系统对接。 5 ) 使用经济一成本低，寿命长，且便于使用、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作全面综合考虑。 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 能为计算机直接感知和处理的，计算机能直接处理的是电信号。传感器就是将千 斤顶运动的位移信号以及千斤顶的压力信号转变为计算机能处理的电信号。 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，该系统选择的是电流输出型传感驯2 2 1 。 同步系统的传感器大多在施工现场露天安装，运行条件较差，和一般的检测 传感器相比，需要有更高的可靠性。自动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。但是， 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。经过对国际上几十家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 - 9 所 示) 。p t x 6 6 1 压力传感器的压力范围是0 7 0m p a 表压，接口为1 4 ”n p t 外螺 纹；精度0 0 8 f s ，稳定性0 1 f s 年，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；输出为4 - 2 0 毫安两线 制，输入为5 - 4 0v 直流电源；测量介质为液压油，有一定的抗机械冲击、抗振 动、抗电压冲击能力；传感器外壳为不锈钢，传感器本体结构尺寸为：直径小于 5 0 m m ，长度小于1 5 0 m m 。 第二章 自动称重系统 图2 1 0 位移传感器 2 32 输入数据转换过程分析 除了传感器的精度以外，a d 转换器的转换精度越高则整个系统的称量精 度也越高，但对于a d 转换器的选择，却应该根据系统要求，酌情处理。主要 依据为转换速度、精度、及其性能价格比。 计算机接收外围设备输入以及向外设输出控制信号是通过接口电路进行的。 接口电路是微处理器( 微机) 与外界设备的连接部件( 电路) ，它是c p u 与外界 第二章自动称重系统 进行信息交换的十转站。比如源程序要通过接口从键盘输入微机传感器采集到 的现场信号也要通过接口送入微机，运算结果也要通过接r 7 送往输出设备，控制 命令要通过接口发送口”。 压力传感器和位移传感器输出的都是连续变化的电压和电流信号，这称为模 拟量。以4 2 0m a 电流输出的传感器为例，传感器输出的信号是在4 2 0m a 之间变化的模拟量，而计算机不能处理这种连续变化的模拟量，它只能处理数字 量。所以传感器输出的模拟信号必须通过a d 转换成数字信号。数字量在逻辑 上就是0 和1 从物理电气特性来看，数字量是离散的一系列高电平和低 电平。从连续的模拟量变为离散的数字量实际上是个编码过程。 a d 采集板的功能就是将模拟信号转换为数字信号。而且，由于称重现场距 离计算机较远采集到的信号需要通过串口通讯传送到计算机，所以a d 转换 模块还应带有r s 4 8 5 接口。为了称重的准确，a d 转换模块也要求有很高的精 度。考虑到以上分析的各种要素，系统选择美国d g h 公司d 5 2 5 2 型模块做成电 流巡检仪作为a d 转换之用。d 5 2 5 2 型电流巡检仪输入为4 2 0 毫安电流模拟 量，与前面所选的4 2 0 m a 输出的传感器正好匹配。巡检仪输出为数字量，带 有r s 4 8 5 接口，可以通过p c 机的r s 4 8 5 接口进行磁网编程。精度00 5 f s ， 操作温度- 2 5 7 0 度。它具有零点校正、线性补偿、大小模式滤波、输出的设置 和校验，其结构如图2 - 1 l 所示。 图 1 】d 5 2 5 2 模块 d 5 2 5 2 模块带有自己的处理器c p u 可采用r s 4 8 5 协议或r s 2 3 2 协议与计 算机进行通讯。通讯的数据格式为a s c i i 格式。采用这种模式，d 5 2 5 2 模块利用 自己的处理器对采集的数据进行分析构成集散系统，分担了计算机的工作任务， 提高了系统效率。计算机通过向d 5 2 5 2 模块发送命令，获取d 5 2 5 2 模块采集到 的传感器信号值。每个d 5 2 5 2 模块有四路通道可以采集四路传感器值。其命 夸格式为“$ n r d 1 3 是模块的地址，r d 是读数据命令。当地址为n 的模块收 第二章自动称重系统 到命令后，模块处理采集到的传感器数据，并向计算机返回k 度为5 的数据，数 据开头带有“幸”作为标记。借助d 5 2 5 2 模块，可以完成i o 接口电路输入模块 的设计。该模块具有很强的可编程能力，具有零点校正、线性补偿、大小模式滤 波、输出设置和校验等功能，适应于多个模块与计算机连网，其内部转换原理如 图2 1 2 所示。 。 大模式 信号迂蠢器 图2 1 2d 5 2 5 2 内部转换原理图 2 3 3 输出数据转换过程分析 计算机输出的是数字量，而比例阀的控制需要的是4 - 2 0m a 电流模拟量， 两者需要d a 信号的转换：并且，由于现场采集信号距离计算机较远，有现场 干扰，且一台计算机要与多个转换模块实现通讯，所以计算机与所选的转换模块 之间需要采用r