摘要：采用帶稱重模塊的PLC構(gòu)成全集成稱重控制系統(tǒng)，這使稱重設(shè)備成為集成在全自動(dòng)化解決方案中的一個(gè)自動(dòng)化裝置，全集成稱重控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)集成度高等優(yōu)點(diǎn)，本文介紹了西門子公司稱重模塊性能、優(yōu)勢及其應(yīng)用。
1概述
全集成自動(dòng)化技術(shù)TIA(Totally Integrated Automation)的理念，是由西門子公司在1996年提出的，這是一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)與產(chǎn)品的核心思想，他們首先要做的是將開關(guān)量的采集與控制、模擬量的采集與控制都集成在PLC中完成，再加上標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一的編程組態(tài)環(huán)境和高度統(tǒng)一的數(shù)據(jù)集成，使TIA可以為企業(yè)實(shí)現(xiàn)橫向和縱向的信息集成。
信息集成的另一項(xiàng)工作是將一些檢測儀表、一些簡單的檢測控制系統(tǒng)集成進(jìn)來，比如現(xiàn)場溫度儀表中的熱電偶、熱電阻，如果都采用溫度變送器轉(zhuǎn)換成4~20mA再送到PLC的I/O模塊，顯然是不經(jīng)濟(jì)也不現(xiàn)實(shí)的。所以PLC生產(chǎn)廠家開發(fā)了模擬量溫度輸入模塊，他一方面可以直接輸入各種分度號的熱電偶、熱電阻，附帶也可以接受mV、Ω類型的信號，這樣溫度儀表就可以直接集成到PLC中。除模擬量溫度輸入模塊外，另一個(gè)信息集成的例子是稱重模塊，這里所說的稱重模塊是可以與稱重儀表的檢測元件（如電阻應(yīng)變式稱重傳感器）相連的I/O卡，他是可以接受稱重傳感器輸出的mV信號并可以完成某些衡器功能的PLC I/O模塊，他與同稱為稱重模塊的帶安裝件的稱重傳感器含義是不同的，前者是I/O卡件，后者是帶安裝件的稱重傳感器。
圖1是通過ET200M遠(yuǎn)程I/O、S7-300集成了稱重模塊的S7-400 PLC控制系統(tǒng)配置示意圖，用戶可以完全自由地配置包括稱重應(yīng)用在內(nèi)的自動(dòng)化解決方案，適當(dāng)?shù)亟M合SIMATIC部件意味著可以給小型、中型和大型工廠找到最佳解決方案。各類稱重設(shè)備（或稱重系統(tǒng)）是用SIMATIC標(biāo)準(zhǔn)操作員站的控制面板進(jìn)行操作和監(jiān)控的，當(dāng)然還可以增加觸摸屏等簡易人機(jī)接口同時(shí)用于就地操作和監(jiān)控稱重設(shè)備。
圖1 集成了稱重模塊的S7-400 PLC控制系統(tǒng)配置示意圖
圖2 SIWAREX P稱重模塊
稍后西門子公司又推出了SIWAREX M、A稱重模塊，外形就不再像稱重儀表，而完全是一塊I/O卡了。性能也提高了很多，精度0.01%，內(nèi)部分辨率±524286以上，采樣次數(shù)50次/s，更重要的是。他們作為S7系列PLC的I/O卡可以直接插入S7-300，通訊口也增加了RS232，還帶3DI/4DO開關(guān)量輸入輸出。
列在最新產(chǎn)品目錄上的稱重模塊是適用于中等精度非自動(dòng)稱重衡器（如料斗秤、容器秤、負(fù)荷和張力測量）的MS、U、CS、CF稱重模塊，適用于高速、高精度的非自動(dòng)/自動(dòng)稱重衡器的FTA稱重模塊，適用于高速、高精度連續(xù)自動(dòng)稱重衡器的FTC稱重模塊（見圖3）。其中MS可直接插入S7-200，CS、CF通過ET200S作為S7-300、S7-400的分布式I/O，U、FTA、FTC直接插入S7-300，也可通過ET200M作為S7-300、S7-400的分布式I/O。
圖3 西門子公司多種型號的稱重模塊
表1列出了西門子稱重模塊的主要性能參數(shù)。
注：TTY可用于連接外部顯示器。
3 稱重模塊的優(yōu)勢
如果現(xiàn)場稱重設(shè)備的信號需要傳送到PLC系統(tǒng)集中顯示與管理，按傳統(tǒng)的方案，稱重傳感器的輸出信號要送到重量變送器或稱重儀表完成作為稱重設(shè)備的調(diào)整運(yùn)算后，僅僅將代表重量值的4~20mA信號通過模擬量輸入模塊送到PLC系統(tǒng)（見圖4上）。如采用西門子公司SIWAREX稱重模塊的方案，則可將稱重傳感器與稱重模塊直接相連，由稱重模塊向稱重傳感器提供電源，稱重傳感器的輸出信號送到稱重模塊，而作為稱重設(shè)備的調(diào)整運(yùn)算等衡器功能則由PLC系統(tǒng)完成（見圖4下）。
圖4 兩種解決方案示意圖
SIWAREX稱重模塊集成化解決方案有哪些優(yōu)勢呢？
· 稱重模塊直接集成在PLC系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)緊湊；
· 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝，安裝和更換方便；
· 與PLC之間無需額外的通訊接口，傳輸速度高；
· 稱重信號與S7-200、300的CPU之間采用數(shù)字量傳輸，精度高；
· 支持?jǐn)U展各種PLC功能模塊，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的控制和通訊功能；
· 具有與西門子SIMATIC統(tǒng)一的編程組態(tài)平臺，可編程能力強(qiáng)大；
· 靈活的稱重系統(tǒng)組態(tài)和擴(kuò)展；
· 可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的稱重計(jì)量；
· 具有配方管理功能；
· 減少通訊和控制系統(tǒng)的硬接線回路；
· 可用于防爆場合；
· 稱重模塊可帶診斷功能，如實(shí)時(shí)檢測傳感器回路阻抗阻值，實(shí)現(xiàn)預(yù)維護(hù)。
4 稱重模塊的應(yīng)用
稱重模塊已經(jīng)在各類稱重設(shè)備（或稱重系統(tǒng)）中應(yīng)用，特別是在那些與工藝過程緊密結(jié)合的生產(chǎn)過程，如稱重設(shè)備（或稱重系統(tǒng)）與工藝設(shè)備需要連鎖控制的過程，以前需要外加PLC實(shí)現(xiàn)連鎖控制，如今稱重設(shè)備（或稱重系統(tǒng)）集成到PLC中，實(shí)現(xiàn)了一體化控制。這樣的系統(tǒng)包括批稱量配料系統(tǒng)、稱重給料機(jī)連續(xù)配料系統(tǒng)、失重秤、失重給料機(jī)配料系統(tǒng)、軌道衡、包裝秤等等。
4.1 料倉秤
作為稱重設(shè)備最簡單的應(yīng)用——料倉秤，我們可以在S7-200上選用MS稱重模塊，模塊向稱重傳感器供電并接收稱重傳感器輸出的mV信號，稱量數(shù)據(jù)可以通過外接顯示器顯示，還可通過觸摸屏操作及顯示。通過RS232接口連接安裝有SIWATOOL MS軟件PC機(jī)可以完成秤的調(diào)整、設(shè)定并保存秤的參數(shù)，還可以在線運(yùn)行對故障進(jìn)行診斷。料倉秤組成示意圖見圖5，在觸摸屏上顯示的總貌畫面見圖6。
圖5 料倉秤組成示意圖
圖6 觸摸屏上顯示的總貌畫面
4.2 批稱量配料系統(tǒng)
批稱量配料系統(tǒng)有多臺料倉秤，通常稱之為多物料、多組分的稱重配比系統(tǒng)。除了料倉的稱重信號外，還會有一些開關(guān)量輸入/輸出信號。而作為生產(chǎn)過程的一部分，料倉秤還需要與周圍設(shè)備連鎖配合，共同完成稱重、配料等項(xiàng)工作。圖7所示為全集成PLC批稱量配料系統(tǒng)圖，他是由S7-300 PLC的 CPU、電源模塊及作為其I/O模塊的SIWAREX U稱重模塊、DI/DO模塊共同組成的。
圖7 全集成PLC批稱量配料系統(tǒng)圖
4.3 稱重給料機(jī)
西門子公司FTC稱重模塊是設(shè)計(jì)專門用于高速、高精度連續(xù)自動(dòng)稱重衡器，圖8是用于稱重給料機(jī)連續(xù)配料系統(tǒng)示意圖。圖中，稱重給料機(jī)秤架上稱重傳感器、速度傳感器的輸入信號接入FTC稱重模塊，由稱重模塊進(jìn)行計(jì)算處理（包括AD轉(zhuǎn)換，濾波等）后，再通過PLC總線直接傳給S7-300 PLC的CPU，通過S7-300 PLC的控制功能實(shí)現(xiàn)PID控制，通過稱重模塊的模擬輸出端子輸出4~20mA控制信號（例如送到變頻器的信號）,通過就地盤上的觸摸屏可以顯示稱重過程參數(shù)并進(jìn)行操作。
圖8 全集成PLC皮帶秤稱重的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
4.4 糖香料廚房
徐州卷煙廠技術(shù)改造工程糖香料廚房系統(tǒng)，要求對配置的95個(gè)原料罐中各種糖香料按配方要求定量出料，配置準(zhǔn)確度為±1%。原料罐下部裝有稱重傳感器并連接到稱重模塊，以檢測罐內(nèi)料液重量和料液配制量。系統(tǒng)接收上級生產(chǎn)管理部門下發(fā)的生產(chǎn)任務(wù)通知單，自動(dòng)分解出所需配制料液的牌號、重量，選定調(diào)制罐，系統(tǒng)自動(dòng)檢索配方數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)牌號的配方參數(shù)計(jì)算出所需各原料的重量，然后中央控制器（PLC）通過檢測到的原料罐內(nèi)原料的實(shí)時(shí)重量控制參與配制時(shí)各個(gè)原料罐的出料閥的開閉，達(dá)到控制出料量的目的，圖9為其中的糖料配制區(qū)原料罐顯示畫面。
控制系統(tǒng)采用西門子S7-400PLC，另有EtherNet網(wǎng)絡(luò)模塊、電源模塊、26個(gè)ProfiNet節(jié)點(diǎn)模塊、95個(gè)稱重模塊SIWAREX CS、27個(gè)電機(jī)模塊、28臺FC變頻器模塊、165個(gè)各種I/O輸入、輸出模塊及4個(gè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等等。95個(gè)SIWAREX CS稱重模塊分布在5個(gè)I/O子站箱中，每個(gè)子站箱通過ET200S擴(kuò)展裝有19個(gè)SIWAREX CS稱重模塊（最多可裝31個(gè)SIWAREX CS電子稱重模塊），每個(gè)子站直接接入網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，進(jìn)而通過ProfiNet網(wǎng)絡(luò)直接接入PLC中。系統(tǒng)共控制27臺電機(jī)定速轉(zhuǎn)動(dòng)、28臺電機(jī)變速轉(zhuǎn)動(dòng)、620臺閥門開啟或關(guān)閉。
與以前采用的差壓變送器計(jì)量方式比較，改造后的糖香料廚房具有精度高、零漂小、穩(wěn)定性好（受溫度影響?。?、標(biāo)定方便（無需專用儀表）等優(yōu)點(diǎn)。新系統(tǒng)2007年7月投入運(yùn)行，2007年12月通過驗(yàn)收。系統(tǒng)運(yùn)行至今，維護(hù)量極少，管理操作非常方便，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到規(guī)定要求，因而得到最終用戶的充分肯定[1]。
圖9 糖料配制區(qū)原料罐顯示畫面
采用帶稱重模塊的PLC構(gòu)成了全集成稱重控制系統(tǒng)，這使稱重系統(tǒng)成為集成在全自動(dòng)化解決方案中的一個(gè)自動(dòng)化裝置，從而可使用標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化系統(tǒng)執(zhí)行各種稱重領(lǐng)域的特定任務(wù)。這不僅允許用戶以多種方式實(shí)現(xiàn)操作、顯示、控制、存儲、通訊等工作，而且還允許稱量過程完全融入標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化系統(tǒng)中，無需額外的投資及管理費(fèi)用。上面提到的糖香料廚房的這個(gè)例子非常典型，控制系統(tǒng)檔次高（采用了大型S7-400PLC）、I/O模塊數(shù)量多（約343個(gè)）、稱重設(shè)備臺數(shù)多（95臺）、配方多、要求配方精度高、設(shè)計(jì)的外圍控制設(shè)備數(shù)量多（電機(jī)、閥門等約675臺）、應(yīng)用效果好，也充分說明了采用帶稱重模塊的全集成稱重控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢。
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