专利名称：桥式抓斗卸船机动态称重方法
技术领域：
本发明涉及一种称重方法，具体说是一种用于桥式抓斗卸船机动态称重方法，提
高了称重精确率。
背景技术：
目前，国内由上海振华港机厂制造的2500T/H的桥式抓斗卸船机，其控制系统技 术先进，处于国内领先水平。该卸船机本身自带振华CMS单机称重系统，但是，该系统称重 采用超负荷限制器(重量传感器)的数值计重，误差很大，与水尺相比，误差超过30%，因 此，该系统显然不能满足单机计件的要求。其原因是原称重系统是利用压力重量传感器测 量驱动抓斗的钢丝绳所受压力，将所受压力转化成电信号，然后，重量传感器的电信号进入 模拟量输入模块，再读入PLC，经过一系列转换，转换成抓斗及所抓物料的实际重量。而单机 计件系统就是把PLC所称量的每一斗的物料重量进行累加，进而得到每台机的作业量。经 分析，该系统的误差经主要由以下两个部分组成(l)取值时间不对，抓斗在运行过程中经 常加减速，因此靠钢丝绳压力来判断重量的重量传感器也会在加减速期间数值变化很大， 而原程序中，累加重量的取值点在抓斗抓完料后垂直上升的加速段，这样偏差肯定很大。 (2)重量传感器安装位置和安装精度。由于桥式抓斗卸船机的特定机械结构，无法找到一个 比较稳定的安装位置，这导致了传感器所受压力并不仅仅是抓斗重量所提供的压力，在运 动过程中，受到的干扰压力较多，并且干扰压力不恒定。(3)重量传感器本身存在误差。在 修正了取值点之后，误差也超过了10%。也就是说，这种称重模式已不适应在动态过程中的 称重。
发明内容
鉴于上述现状，本发明提供了一种桥式抓斗卸船机动态称重方法，采用驱动电机 的电流、电压和速度等相关参数，通过公式计算，得到实际重量，其称重误差率不超过5 % ， 满足了生产要求。
本发明的技术解决方案一种桥式抓斗卸船机动态称重方法，包括 (1)通过支持电机和开闭电机的输出功率控制抓斗抓料垂直向上提升；抓斗上升
过程中抓斗及物料自重有一个向下的功率，大小为重力与提升速度乘积，在匀速阶段，电机
输出的功率和抓斗及物料自重的功率大小相等，则计算出抓斗及物料的总重量，总重量减
去抓斗重量，得实际物料重量； (2)将实时的电机电压、电流值通过变频器与PLC的通讯读到PLC中； (3)将实时的电机速度值通过频率来进行转换，将频率从变频器中读入PLC，通过
转换程序，转换成实际的速度值。因此，通过变频器采集到电压、电流和速度，然后再通过
Profibus通讯传输到PLC中。在PLC中编写程序，然后再通过采集到的信号，实时计算出所
抓物料的重量。 根据本发明的方案，其抓斗及物料实际重量计算公式如下
(1)电机输出功率计算公式 P2 = (l-s)PM-pm-ps = 0. 95 V 3UlIlcos① 其中，P2为电机转轴上真正输出功率，ps为附加损耗，Pm为电机机械损耗，Pm是基 波电压电流计算出来的功率减去定子铜损再减去定子铁损，s为转差率，U1为基波电压，II 为基波电流； (2)重力所作功率计算公式
P = Mgv 其中，M为抓斗及其物料的重量，g为重力加速度，v为抓斗的提升速度；
(3)机械传动机构效率计算公式
M = 4k P2/v+b 其中，M为抓斗及物料重量，k为系数，P2为0. 95 V3UlIlcos①。 上述中，通过吊取已知重量的物体，建立方程组求解k和b。然后，可通过上述公式
求取抓斗与物料的总重量。进一步的，抓斗提升速度大于179. 8m/min后，再延时1秒取计算出来的重量值。
上述中，当每次取完计算出来的重量值后，30秒内不允许再次取值。
进一步的，上述公式计算、取值条件均通过PLC编程。 总之，本发明提供的桥式抓斗卸船机动态称重方法，采用了完全不同传统方式的 称重方法，不再采用重量传感器，而是通过电机的电流、电压和速度等相关参数，通过公式 计算，来得到实际重量。称重误差率不超过5%，满足了单机计件的生产要求。该系统投入 使用后，经过与水尺的比较，误差率可以控制到5%之内，绝大部分时间误差率在2%以内， 达到了预期效果。
图1是本发明的桥式抓斗设备示意图。
具体实施例方式
下面将结合附图实施例对本发明作进一步说明。 由图1所示的桥式抓斗卸船机动态称重方法，包括并列设置的支持一电机4和支 持二电机3与同一个减速箱(图中未标注)连接，并分别驱动两个钢丝绳巻筒5，该巻筒5 上的钢丝(图中未标注)分别向两个方向绕过支持滑轮2和支持滑轮6，该钢丝绳通过主 小车12上的一组支持滑轮8连接抓斗14，用于抓斗14的起升和下降。与支持一电机4和 支持二电机3对应端具有并列设置的开闭一电机13和开闭二电机11与减速箱(图中未标 注)连接各接于一个用于控制抓斗起升、开闭和下降的巻筒15 ;该巻筒15上的钢丝分别向 两个方向绕过开闭滑轮7和开闭滑轮l，该钢丝绳通过主小车12上的一组开闭滑轮9连接 抓斗14 ;小车电机10通过万向联轴器16与两个减速箱分别相连，用于驱动抓斗14沿卸船 机大梁水平运动；和所具有的PLC抓斗控制系统和变频驱动系统，每一台电机各对应一台 变频器。 本发明用于上述设备的称重方法包括 (1)通过支持电机和开闭电机的输出功率控制抓斗抓料垂直向上提升；抓斗上升
4过程中抓斗及物料自重有一个向下的功率，大小为重力与提升速度乘积，在匀速阶段，电机输出的功率和抓斗及物料自重的功率大小相等，则计算出抓斗及物料的总重量，将总重量减去抓斗重量，得实际物料重量； (2)将实时的电机电压、电流值通过变频器与PLC的通讯读到PLC中； (3)将实时的电机速度值通过频率来进行转换，将频率从变频器中读入PLC,通过
转换程序，转换成实际的速度值。 在本发明中，在PLC中设置单机计件重量称重功能块。 在本发明中，涉及电机的电流、电压和速度相关参数通过下述公式计算 电机部分输出功率计算公式 <formula>formula see original document page 5</formula>
即<formula>formula see original document page 5</formula>
其中，首先把电压、电流和速度通过变频器采集到，然后通过Profibus通讯传输到PLC中。在PLC中编写程序，实现上述公式，然后再通过采集到的信号，实时计算出所抓物料的重量M。 上述公式是本称重系统的理论计算公式，认为是在理想状态下，没有任何损耗的的计算公式。但是，实际计算过程中应该考虑各种损耗。电机本身具有铜损，铁损等损耗。
减速箱和巻筒及各滑轮等传送机构存在着大量的机械损耗。因此对需要对上述公式进行完善。 —、以单台电机为例的输出计算公式如下 假设从电源输入功率为Pl， Ul为基波频率，II为基波电流，则
<formula>formula see original document page 5</formula> 由于电机采用变频调速的方式，经过研究上述公式在电机频率达到基频时是正确可用的，在其它频率的正确性未得到验证。以下公式也是假定在基频条件下。
定子铜损pcul为 <formula>formula see original document page 5</formula> 由于转子铁损很小，可忽略不计，因此电动机铁损只计定子铁损p^，即<formula>formula see original document page 5</formula>
转子铜损<formula>formula see original document page 5</formula>
其中<formula>formula see original document page 5</formula> s为转差率。 设定P2为电机转轴上真正输出功率，ps为附加损耗，， 例如谐波磁通势等，p为电机机械损耗，则<formula>formula see original document page 5</formula>
通过以上公式结合电机选型手册中的相关参数，得出电机效率约为0.95即电机输出功率如下<formula>formula see original document page 5</formula>
二、机械传动机构效率 根据厂家提供的数据可以得出，电机减速箱传动效率约为0. 95，总体传动效率约为0. 88左右(包括滑轮、钢丝绳、巻筒等各方面的损耗)。但是，该系数只是理论计算值，经过实际检验，该系数并不准确，并且每台卸船机也各不相同。并且并不是所有的损耗都是成比例的，有一部分是固定损耗，如钢丝绳自重等。因此，这一部分的损耗应该通过实际测量来计算出来。测量方法如下 在达到额定速度时，抓斗及物料重量应该与电压、电流的乘积成线性变化。并且由于四台电机同时动作，状态相同，所以假定线性方程如下
M = 4k P2/v+b其中，M为抓斗及物料重量，k为系数，P2为O. 95 V^UlIlcosO 。只要测量空斗时的M和P2/v值，吊取已知重量物体的M和P2/v值，就可以通过上式计算出系数k和b。
经计算可得k = 0. 10204， b = _9. 78吨
即M = 0. 40816 P2/v_9. 78 ③
三、最终抓斗及物料重量计算公式
M = 0. 60796U1I1/V-9. 78 在本发明中，经过上述测量和计算，确定了抓斗及其物料的重量的计算公式，通过编写程序来实现这个功能。整体程序在附件中，上述公式，在基频(50Hz)条件下才能实现，另外，功率平衡需要在匀速阶段才成立。实际工作过程中，抓斗在向上起升过程中，有一个阶段可近似的认为是匀速阶段，该阶段速度正是最大速度，对应着基频50Hz。符合以上两个条件，因此在这个阶段取点。按上述抓斗及其物料的重量的计算公式，在基频(50Hz)的条件下编写取值条件程序。取值条件
A(A"PICKED"A(L :#TEMP104.970000e+001> ==RS5T#1SSD〃 T436"NOP0NOP0NOP0A〃 T436")AN"M232.2"FP"M232.3"JNB_02b"NETWEIGHT'T"U1WEIGHT"SET
SAVE CLR _02b :A BR =〃 M232. 4〃 A 〃 GBCLSED" A( 0 ( L 〃 NETLOAD" L 100 > I ) 0 〃 ALW—ON" ) A 〃 PREPICK" FP 〃 PICKUP1S" L S5T#1S SF 〃 T263" NOP 0 NOP 0 NOP 0 A 〃 T263" = " PICKUP" A 〃 PICKUP" A 〃 TOVRDCK" A( L 〃 HPOS" L 2000 > I
) S 〃 PICKED" A 〃 ULCYCEND" R 〃 PICKED" NOP 0 上述程序中，当满足下面条件时进行取值小车超过海侧鞍梁，支持位置高于
20米，抓斗闭合，支持上升，抓斗里面有料，支持上升速度达到最大值，程序里以频率超过
49. 7HZ为判定条件。上述条件满足后1秒钟，会发出一个触发信号，将计算出来的重量数据
送入CMS中，然后进行累加计算。 在本发明中，编写另 一个计数条件程序。 计数条件
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A "ALW—ON"=L 0.0AL 0.0A"GBOPNED"="Display_DBforCMS" GBOPNEDAL 0.0A"GBCLSED"="Display_DBforCMS" GBCLSEDA(AL 0.0A"TOVRDCKA("HPOS"900> =I)A"GBCLSLHA〃 HUPCMD"S5T#3SSD〃 T315"NOP0NOP0NOP0A〃 T315")FP"P107"S5T#3SSF,,T314"NOP0NOP0NOP0A'T314" =〃 Display_DB for CMS" . WCSTR
程序分析 小车在海侧，支持位置高于9米，抓斗闭合，支持上升，上述条件都满足后，再延时3秒，这时给一个触发脉冲，作为一次计数。对传入CMS中的数据进行一次累加。但是，考虑到在作业过程中，有可能会把船舱里的货物从一个地方抓到另外一个地方，并不把料抓出舱外。这种情况是不应该计数的。但是，根据原条件会把这种情况也会计入累加重量，哪怕这一次数据没有传送过来，它会把上一次的数据累加进去。这种情况是不允许的。因此把速度判断串入计数条件中，因为倒料过程中是不会出现达到速度最大值的情况的。保证了 每一次累加的数值都是当次回到漏斗的物料重量。 上述两段程序解决了计数准确性和取值准确性的问题。下面再分析一下数据转换 和公式的实现。 从变频器中读出来的值为整数型，而要进行各种计算的话，这种形式精确度不高， 因此首先要把数据转换成实数型，然后再进行各种计算。 下面以支持一电机的电压为例，说明转换方法首先从变频器中读取参数，然后将 读取的数据转换成双整数型，然后再转换成实数型，再通过公式 X+16380*690 = Y 其中Y就是经过转换得出的实际电压值，690V是电机额定电压。其余的电机电流
和电机频率的转换，转换方法相同，因此不再叙述。 电压转换程序如下 A( A( A( A( L 〃 DB for CI inv send/recv" . C1GINV—RECV12 T #templ SET SAVE CLR A BR ) JNB _001 L #templ ITD T #temp2 SET SAVE CLR _001 :A BR ) JNB _002 L #temp2 DTR T #temp3 SET SAVE CLR
_018 :NOP 0 上述系数为理论计算值，需要根据每台卸船机实际情况进行调整。通过上述程序 可以计算出支持电机所负担的重量，同理可以计算出开闭侧所负担的重量，两个数值相加， 得出总重量，再减去抓斗自重，得出所抓物料的重量。这部分程序比较简单，这里就不再具 体分析。除了这一部分外，还有与CMS的接口设计，数据传输等程序的编写，但是不涉及到 关键部分，这里也不进行叙述。 本发明研发的称重方式的原理是利用功率相等来计算抓斗及物料重量的。即在抓 取完物料，闭斗上升的过程中，先是一个加速过程，由静止达到全速，再是保持全速一段时 间，达到一定高度，然后运行小车，起升减速至零。在这个过程中，有一段时间是匀速过程。 在匀速运行中，物体所受力是平衡的，或者说大小相等，方向相反。其中抓斗及物料所受力， 就是其自身重力，即F = Mg， M为抓斗及物料重量，g为重力加速度，取9. 8m/s。
硬件分析 该设备可以划分到起重机一类，通过电机驱动。共有五台电机，驱动四个钢丝绳 巻筒。两台支持电机，通过减速箱连接，各驱动一个巻筒，用于垂直的上升下降动作。两台 开闭电机，也通过减速箱连接，各驱动一个巻筒，用于控制抓斗的开闭和抓斗的上升下降动 作。小车电机通过万向联轴器与两个减速箱分别相连，可以同时控制四个巻筒。用于水平 运动。其驱动部分各对应一个西门子变频器。要实现第二部分分析的公式，需要以下几个 条件 (1)要有PLC进行编程，对上述分析的公式用程序实现。由于原系统有PLC，只需 要在PLC中增加一个称重功能块即可。 (2)要得到实时的电机电压、电流和速度值。这一部分通过变频器来实现。由于逆 变器输出的部分直接接到电机上，可以认为变频器的输出电压和电流就是电机的电压和电 流。支持开闭所用西门子变频器型号为6SE7036-5WK60-Z，这个型号的西门子变频器存在 电压和电流检测装置(几乎所有的西门子变频器都存在相应的检测装置)，并且可以通过 变频器与PLC的通讯把相应的检测信号读到PLC中。对于速度可以通过频率来进行转换， 同样的也可以从变频器中读入PLC,然后编写转换程序，转换成实际的速度值。
本系统经过与水尺的比较，误差率可以控制到5%之内，绝大部分时间误差率在 2%以内，达到了预期效果。
权利要求
一种桥式抓斗卸船机动态称重方法，包括(1)通过支持电机和开闭电机的输出功率控制抓斗抓料垂直向上提升；抓斗上升过程中抓斗及物料自重有一个向下的功率，大小为重力与提升速度乘积，在匀速阶段，电机输出的功率和抓斗及物料自重的功率大小相等，则计算出物料及抓斗总重量，然后减去抓斗重量相减，得实际物料重量；(2)将实时的电机电压、电流值通过变频器与PLC的通讯读到PLC中；(3)将实时的电机速度值通过频率来进行转换，将频率从变频器中读入PLC，通过转换程序，转换成实际的速度值。
2. 根据权利要求1所述的桥式抓斗卸船机动态称重方法，其特征是，抓斗及物料实际 重量计算公式如下(1) 电机输出功率计算公式<formula>formula see original document page 2</formula>其中，P2为电机转轴上真正输出功率，Ps为附加损耗，Pm为电机机械损耗，PM是基波电 压电流计算出来的功率减去定子铜损再减去定子铁损，s为转差率，Ul为基波电压，Il为基波电流；(2) 重力所作功率计算公式 <formula>formula see original document page 2</formula>其中，M为抓斗及其物料的重量，g为重力加速度，v为抓斗的提升速度；(3) 机械传动机构效率计算公式<formula>formula see original document page 2</formula>其中，M为抓斗及物料重量，k为系数，P2为0. 95 V 3UlIlcos①。
3. 根据权利要求2所述的桥式抓斗卸船机动态称重方法，其特征是，抓斗提升速度大 于179. 8m/min后，再延时1秒取计算出来的重量值。
4. 根据权利要求2所述的桥式抓斗卸船机动态称重方法，其特征是，当每次取完计算 出来的重量值后，30秒内不允许再次取值。
5. 根据权利要求1或2所述的桥式抓斗卸船机动态称重方法，其特征是，上述公式计 算、取值条件均通过PLC编程。
全文摘要
本发明公开了一种桥式抓斗卸船机动态称重方法，包括通过支持电机和开闭电机的输出功率控制抓斗抓料垂直向上提升；抓斗上升过程中抓斗及物料自重有一个向下的功率，大小为重力与提升速度乘积，在匀速阶段，电机输出的功率和抓斗及物料自重的功率大小相等的电机电压、电流值通将实时的电机速度值通过频率来进行转换，从变频器中读入PLC，通过转换程序，转换成实际的速度值。本系统经过与水尺的比较，误差率可以控制到5％之内，绝大部分时间误差率在2％以内。
文档编号B66C13/16GK101708806SQ200910227959
公开日2010年5月19日 申请日期2009年12月1日 优先权日2009年12月1日
发明者丁小平, 曹巨华, 满静, 王怀军, 赵焕章, 陈明 申请人:秦皇岛港股份有限公司