過去，許多石化企業(yè)的車輛過磅稱重采用有人值守系統(tǒng)，即：通過現(xiàn)場人工計量的方式，多個地磅需要安排多個司磅員，司磅員手工記錄車輛皮重和毛重，再根據(jù)計算得出的石油化工品的凈重來結算業(yè)務。而傳統(tǒng)的單機無人值守系統(tǒng)結構單一，未對外提供數(shù)據(jù)接口，無法實現(xiàn)與第三方系統(tǒng)的無縫對接，且操作流程復雜、耗時長、參與人員過多，易造成計量管理混亂、執(zhí)行效率低下，各種作弊現(xiàn)象也時有發(fā)生。因此，隨著通信與網絡技術的快速發(fā)展，越來越多的企業(yè)希望裝卸車地磅本地業(yè)務處理采用無人值守型遠程監(jiān)控方式，包括自動識別車號、自動檢測車位、自動引導、自動保存稱重數(shù)據(jù)及生成各類報表等，從而增強工業(yè)園區(qū)裝卸車的管理執(zhí)行力，提高工作效率，高效地實現(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，實現(xiàn)管控一體化。

近幾年來，無人值守稱重系統(tǒng)在煤礦、冶金、化工等行業(yè)均有廣泛應用[4-6]。該系統(tǒng)通常配合定量裝車系統(tǒng)、SCADA(supervisory control and data acquisition，監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集)系統(tǒng)、排隊叫號系統(tǒng)等有序地實現(xiàn)整個庫區(qū)的儲運管理，其安全性、可靠性、穩(wěn)定性保證了企業(yè)物流安全和人力財產安全。在工程應用中，可利用研華科技亞當模塊來控制現(xiàn)場道閘信號和紅外信號，并和地衡信號一起通過Prolinx網關傳送給上位機。該方法簡單易行，在大型的多磅稱重需求中相對能降低成本，但是所需實現(xiàn)的功能過于分散，對于稱重信號的計算與處理必須通過上位機來完成，在項目管理中不利于分工合作，而且該模塊的穩(wěn)定性依賴于計算機，信號采樣速度較低。因此，本文根據(jù)某石化企業(yè)的項目需求，針對地衡數(shù)目較少的小型稱重系統(tǒng)，利用Allen-Bradley Micro850控制器，通過網絡互聯(lián)，實現(xiàn)了地衡稱重的無人值守管理。

1.地磅無人值守稱重系統(tǒng)總體結構

地衡無人值守稱重系統(tǒng)主要由地衡、紅外光柵、道閘、IC讀卡器攝像頭等構成，其網絡結構如圖 1所示。該系統(tǒng)將采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過以太網傳輸與中央控制室的稱重管理軟件進行數(shù)據(jù)交換和管理，從而實現(xiàn)車輛過地衡時數(shù)據(jù)自動監(jiān)測和遠程管理的功能。

地磅采用傳感式電子汽車衡，用于車輛裝卸稱重；紅外光柵利用多束紅外光對射來判斷車輛停放位置是否正確；道閘的開啟與關閉均由地感線圈觸發(fā)控制，用于限制車輛的通行，達到提示與安全保障的目的；基于RFID[10]技術的IC(integrated circuit，集成電路)卡通過無線電波與讀卡器進行數(shù)據(jù)傳輸，自動識別業(yè)務信息，保證每筆業(yè)務的唯一性；攝像頭一般有3個，為車前攝像、車后攝像和全景攝像，用于稱重過程圖像采集和視頻動態(tài)錄像；LED (light emitting diode, 發(fā)光二極管)顯示屏通過Prolinx通訊網關將數(shù)據(jù)傳輸格式由Modbus RTU轉換成Ethernet/IP格式，用于顯示提示信息，引導司機完成整個稱重過程。

2.雙向地磅無人值守稱重系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

2.1 PLC選型

根據(jù)無人值守系統(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。它內置24 V直流輸出電源，配置48點的數(shù)字量I/O模塊，且可至多擴展4個I/O模塊，同時配備串行通信plug-in功能性插件及嵌入式10/100Base-T以太網端口，支持Modbus TCP，Ethernet/IP，Modbus RTU等協(xié)議，并采用可拆卸端子設計[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型。根據(jù)實際需求，本文研究雙向地衡無人值守稱重系統(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。用到的數(shù)字量輸入為地感線圈信號和紅外信號，共計4個輸入點；數(shù)字量輸出為道閘信號，共計4個輸出點。道閘的開啟與關閉由不同的輸出點控制，稱重系統(tǒng)I/O配置如表 1所示。

表 1 雙向地磅無人值守稱重系統(tǒng)I/O配置Table 1 I/O configuration of bidirectional weighbridge unattended weighing system

表選項 

本系統(tǒng)用到的2080-serialisor plug-in串口模塊共有2個，分別使用MSG_Modbus功能塊和ARD(ASCⅡ read)功能塊來讀取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，需要分別對它們組態(tài)，將串行傳輸方式分別設定為Modbus RTU和Modbus ASCⅡ。同時，為了響應Modbus主站的讀寫命令，必須將變量映射到Modbus地址中。讀/寫保持寄存器初始地址為400001H，本系統(tǒng)共用到22個變量，部分變量標簽的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 

2.3 系統(tǒng)控制流程

根據(jù)實際工況，PLC控制模式設計為“自動控制”、“手動控制”和“維護”三種。一般情況下，稱量過程按照正常程序和步驟，以“自動控制”方式進行。

司機在業(yè)務大廳根據(jù)ERP (enterprise resource planning，企業(yè)資源計劃)系統(tǒng)生成的發(fā)貨單開票制卡后，等待叫號，依次過磅稱重。車輛駛向地磅時，地感線圈感應到車輪振蕩，從而控制道閘開啟，延時幾秒后觸發(fā)紅外光柵。需要注意的是，本文設置的地磅被感應的最低限值為20 kg，防止因人為、天氣或其它因素的干擾導致紅外光柵被意外觸發(fā)。司機將車停穩(wěn)后進行刷卡，上位機查詢數(shù)據(jù)庫對卡內信息進行比對，以確定業(yè)務是否存在，如果連刷3次一直提示不存在，則道閘自動打開，提醒司機下磅重新開票辦理業(yè)務。為了便于區(qū)分，本文規(guī)定以“1”開頭的為正向行駛，以“2”開頭的為反向行駛，當業(yè)務不存在時，定義為以“3”開頭，兩側道閘同時打開，車輛可從任意一側下磅。雙向地衡自動控制流程如圖 3所示。當出現(xiàn)意外或緊急情況時，可通過上位機將控制方式改為“手動控制”模式，PLC程序將被旁通，現(xiàn)場所有設備直接由上位機控制。出于安全考慮，當進行設備維修和養(yǎng)護時，可將控制方式改為“維護”模式，此時PLC程序和上位機被鎖定，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)軟件進行設計編程。IC卡號的讀取是通過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”。

地磅稱重信號無法直接獲得，必須通過二次表將數(shù)據(jù)提供給PLC。本文采用的二次表為Mettler Toledo T800稱重儀表，它提供了2個串行口(COM1和COM2)，通過COM1將數(shù)據(jù)輸出到PLC，波特率設為9 600 b/s，8位無校驗，輸出方式為Toledo連續(xù)輸出。二次表的數(shù)據(jù)是以18個字節(jié)的ASCⅡ碼形式輸出的，起始符為02H，第5~10位用于存儲毛重，為6位不帶小數(shù)點和符號的數(shù)字；第17位為回車符0DH，只有讀到回車符，才被認為數(shù)據(jù)獲取完整。因此，在PLC編程時，需要對第5~10位進行數(shù)據(jù)格式轉換，然后由上位機來判斷所獲得的當前值是皮重還是毛重。首先通過軟件內置的AWA功能塊，將數(shù)據(jù)以十六進制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，并將它轉換成Dint類型，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)量級再求和，得到實際質量為:

式中：A_real為實際稱重有效值，A_out[i]表示第5~10位十進制字符，字符范圍為0~9。

2.5 質量信號的濾波處理

稱重車輛載重一般是成噸計的，而地磅二次表的測量精度是20 kg, 車輛上磅停穩(wěn)后，會因人為、天氣等各種因素的干擾，導致稱重值不斷跳變，因此，在程序中加入了250 ms的定時器來不斷更新稱重值，LED顯示屏、二次表和上位機信息管理系統(tǒng)中可顯示實時質量變化。同時，為了獲得較準確的皮重和毛重，必須將質量信號進行濾波處理，取一個穩(wěn)定的有效值提供給業(yè)務站，以便開票出單。傳統(tǒng)的濾波算法有平均值濾波、限幅濾波、中位值濾波、滑動平均值濾波等，本文采用的是對稱重數(shù)據(jù)進行2次過濾的方法。

第1步，采用限幅平均濾波法來粗步篩選數(shù)值A_real，由于每隔250 ms刷新一次，取10個Buffer數(shù)據(jù)緩存區(qū)，將當前時刻獲取的A_real替換前一時刻的值，依次存儲到A_weight[1]，A_weight[2]，…，A_weight[10]中，通過式(2)求得平均稱重值A_weightAverage，然后與第11次取得的當前值進行比較，根據(jù)其偏差是否小于等于閾值100 kg為標準來剔除無效的A_real，并將滿足條件的當前值賦給A_weightCurrent。

第2步，通過上面的方法可每250 ms得到一個A_weightCurrent數(shù)值，然后定義一個1 s的延時器，每隔4個數(shù)據(jù)進行一次采樣，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行細過濾。當然，為了進一步減小誤差，只有當5 s內所取的20個數(shù)據(jù)全都滿足偏差值小于等于20 kg，才能將當前時刻的A_weightCurrent作為真正穩(wěn)定的稱重值賦給A_weightFinal，最后，業(yè)務站根據(jù)A_weightFinal值統(tǒng)計車輛過磅信息和結算業(yè)務。

3 .系統(tǒng)操作管理

本系統(tǒng)基于Server SQL數(shù)據(jù)庫進行后臺業(yè)務處理，包括制卡、打印提貨單和車裝出庫單等，并通過Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境將對數(shù)據(jù)庫操作的具體方法發(fā)布為WebService服務，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程訪問。同時，利用C#編程語言，開發(fā)了一套具備地衡稱重及查詢裝車業(yè)務功能的地磅無人值守稱重管理系統(tǒng)。圖 4為稱重管理系統(tǒng)客戶端界面，計量操作中心的操作員只需輸入相應網址，就可通過瀏覽器登陸系統(tǒng)，查看地衡的過磅信息和業(yè)務信息、正在進行的裝卸車業(yè)務、當前車輛最近30條歷史數(shù)據(jù)等。圖中的“實裝量”由批量控制儀提供，批量控制儀在裝車系統(tǒng)中通過控制傳輸管道閥門的開度來控制化工品的流量。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，檢測到的實裝量會存在一定誤差，所以目前各石化企業(yè)的稱裝量仍以過磅信息為準。

現(xiàn)分析某石化企業(yè)現(xiàn)場的地衡系統(tǒng)稱重0#柴油的計量誤差。選用Endress+Hauser公司的NXF581批量控制儀，通過連接Promass 83F質量流量計來控制調節(jié)閥的開度。現(xiàn)場通過不同的定量，將車輛過磅的凈重與批量控制儀顯示的實裝量進行比較，如表 3，分析得出通過該濾波算法能夠將計量誤差控制在3‰以內，符合實際的工業(yè)要求。

表 3 化工品過磅凈重與所示實裝量的誤差分析Table 3 The error analysis between net weight of petrochemicals weighed by weighbridges and the showed actual amount

表選項 

4 .結論

本文利用Micro850設計了雙向地磅無人值守稱重系統(tǒng)，可實現(xiàn)現(xiàn)場無人值守、司機自助稱重以及遠程集中計量。整個系統(tǒng)采用了集中監(jiān)控管理的設計模式和分布式監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能設備，并設計開發(fā)了良好的可視化用戶管理界面，促進企業(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)的實際應用，并取得了良好的效果。