PCC 器件以其数据分析计算能力强、编程功能丰富、多任务执行等优点，在工业自动化领域获得了广泛的应用。以PCC 为核心部件来实现大型海洋作业吊重船称重系统的任务。
在大型海洋作业吊重船的自动控制系统中，称重系统具有极其重要的作用；而该系统牵涉大量的数学运算、曲线模拟及差错校正，电路实现较为复杂，是吊船自动控制系统设计和实现过程中的一个难点。
吊船称重系统所要实现的基本功能包括：载荷重量传感信号及吊杆跨距传感信号的产生、采集和处理，传感信号与实际值之间数学关系的模拟；载荷曲线的模拟；超重及轻载的计算；载荷重量、作业跨距、允许极限载荷的指示；超重及轻载开关信号的输出等。
称重系统硬件构成可分为前端信号模块与运算处理两个模块。前端信号模块中载荷重量传感器一般采用压力传感方式，由吊重机械系统中的滑轮组驱动压力传感器推动块，将滑轮组在不同载荷下的受力传递到传感器件产生电信号，出于诸多技术原因大型吊重系统一般采用多个同类型的传感器完成载荷重量的机电换能。跨距传感器可选择与吊杆变幅随动的旋转电位器或角度编码器实现。运算模块需完成传感器受力与电信号关系特性曲线、载荷与传感器受力关系特性曲线、载荷曲线等数学模型的建立，并将传感信号按照数学模型的运算规则进行分析计算产生系统所需要的输出变量，是称重系统的核心部分。技术设计和实现的关键问题是算法设计和运算功能硬件的选择。
运算功能硬件的选择
吊重船自动控制系统中的主控部分一般采用传统的PLC 实现，主要用来完成吊重系统的动作控制、状态监测、安全保护等逻辑控制功能，当然系统本身也具有一定的模拟量处理和运算分析功能，但由于以下原因，将称重系统的运算任务由主控部分来实现可行性较小：一是PLC 大多数采用单任务执行方式循环扫描或监控用户程序，处理程序本身的逻辑运算指令，完成外部I/0 通道状态的采集或刷新，控制速度依赖于应用程序的规模、I/0 点的数量、复杂运算量等因素，将称重系统的大量数学运算纳入主控制系统无疑会影响控制系统的实时性；二是大型海洋作业吊重船自动控制系统本身I/0点多，各种安全保护逻辑功能要求严格，模拟量开关量混合，使得用户程序规模庞大，CPU 负荷重，不能有效实现称重系统大量数学运算的功能要求；三是大多数PLC 采用梯形图、指令表、顺序功能图等编程方式，编制需要通过分析运算实现复杂控制思想的控制程序具有较大的难度。因而，将称重系统与主控系统独立，以下位机方式完成数据的采集和处理，为主控系统提供数据并接受主控系统的控制命令，是一种较为合理的方式。由于PCC 器件的编程方式既有传统的梯形图、指令表和顺序功能图，又能使用高级语言PL2000 和C 语言编程，编制数学运算程序较为容易，而且PCC 技术和概念本身就侧重于多任务执行和数据分析运算，选用PCC 作为称重系统的核心运算模块最为合适。
载荷传感器的配置
由于大型吊船的吊重量大，重量传感器的受力范围较大，用单一的满足受力条件的压力传感器完成信号变换虽然具有安装调试容易、简化运算等优点，但由于大压力范围传感器的制作难度大、特性曲线线性差，需进行多个分段的线性模拟、A / D 转换精度要求高特性曲线变化或传感件损坏系统对系统整体影响大等原因，实际设计中往往采用多个同种类型的压力范围较小的传感器来实现信号变换。
载荷传感信号的抖动处理
由于海洋作业吊重船在作业时受风、浪、流的影响，船体产生横摇或纵摇难以避免，使用经验表明，即使在重物静止状态下测重，传感信号也会产生抖动，导致重量指示的动态变化，操作人员不能得到确定的重量信息。通过实验得出，传感信号的抖动具有以基准值为中心对称变化的特性，基准值能够直接反应载荷重量，因此，消除传感信号的抖动可采取多个采集值取平均值的算法来实现，也可采取数值滤波算法，但对程序员要求较高。
载荷重量信号的计算
多路重量传感信号采集到PCC 系统后，需要计算得出载荷重量信号，进而结合跨距信号与载荷曲线进行比较运算。一般的算法设计是将多路传感编码信号取和，然后通过标准重量吊重实验所确定的载荷与信号和的函数关系，计算出实际载荷重量。这种算法设计的优点在于可以避免测量传感器的特性曲线、调试和校正时不需要调整传感器推动装置，将传感部分的机械机构、机电换能器件、PCC 的模拟输人模块视为一个测量组件，通过吊重实验确定组件外部特性（编码取和值与载荷重量的函数关系）即可。其主要的缺点是，传感器特性曲线的非线性和各传感器受力的不均匀引起组件外部特性线性差，需要在额定吊重范围内做较为密集的标准重量吊重实验，且传感器推动装置的机械结构变形（使得多个传感器受力的不均匀性发生变化）将引起特性曲线的较大变化，需重新做吊重实验方可校正。由于额定重量达500t 以上的密集标谁重量实验的实现具有很大的难度，使得按照这种算法设计的称重系统的可用性和准确性大大下降，较为合理可行的算法是，首先根据PCC 模拟各路传感器特性曲线，由PCC 根据采集到的传感编码信号分别计算出各路传感器的受力、然后通过少数点的标准重量实验确定各传感器受力总和与载荷的函数关系，最终计算出实际载荷重量。该算法有以下几个方面的优点：① 由于传感器受力总和只与载荷重量和传感器在零吊重情况下的受力有关，各路传感器受力的不均匀或不均匀程度发生变化对总和都没有影响。② 传感器驱动机构的机械结构决定了受力总和与载荷的函数关系成完全线性，设为Y = AX + B ，变量Y 为传感器受力总和；变量X 为载荷，系数A 与滑轮组机械结构相关，为固定值；B 为传感器在零吊重情况下的受力总和，为相对易变量；A 、B 均可通过标淮吊重实验得出，A 还可通过力学计算获得。③ 使用经验表明，压力传感器特性曲线在使用过程中不易发生变化，即使发生变化重新测量也很方便。④ 算法实现前不能确定的和使用过程中容易变化的因素只有系数B , 但根据以上分析只通过一次标准吊重实验即可获得该系数或进行校正。⑤ 称重发生异常或定期校正时只需重新测量传感器特性曲线并做1 个或2 个点的标准重量实验，然后在用户程序作出修改即可完成。综合以上所述，该算法有效克服了传统算法的缺陷和不足，简化了称重系统校正和调试过程，使系统的可用性和准确性得到了较大的提高。
测重时机的选择
由于重物在起升或下放的运动过程特别是在加速或减速过程中，滑轮组受力具有较大的动态特性，致使测得的重量信号也动态变化，不能准确指示载荷实际重量，有碍操作人员获取确定的重量信息；同时也引起超重或轻载开关信号的频繁跳动，最理想的时机是在重物静止状态进行测重。对应的吊机作业状态为刹车装置闭合状态。由主控系统向称重子系统提供此开关信号，作为测重命令信号，即可在PCC 中实现有条件测量的算法。
特性曲线模拟算法
称重系统实现时，需要进行多个特性曲线的模拟，基本实现算法为分段线性模拟，算法实现本身较为简单，但编制程序时需在内存占用量、运算时间与测量精度方面做综合权衡。
计算误差的消除
曲线的模拟、编码与实际值转换、比较运算、函数值的计算，都牵涉大量的数值计算，其中不乏容易引起计算误差的数值计算，算法实现时需考虑数值计算的误差特性并采取误差控制措施。
吊重船称重系统的设计和实现过程中，只要抓好上述几个技术要点，硬件配置和程序编制都较为简单，一般的电气工程师均可胜任，实际系统的硬件构成和应用程序从略。
作者： 郝全亮 胜利油田海洋石油船舶公司
