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(hào)的熱電偶、熱電阻，附帶也可以接受mV、Ω類型的信號(hào)，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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(tái)，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(hào)，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(duì)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(tái)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(hào)外，還會(huì)有一些開關(guān)量輸入/輸出信號(hào)。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(hào)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(hào)（例如送到變頻器的信號(hào)）,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(duì)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(jí)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(hào)、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(duì)應(yīng)牌號(hào)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(tái)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(tái)電機(jī)定速轉(zhuǎn)動(dòng)、28臺(tái)電機(jī)變速轉(zhuǎn)動(dòng)、620臺(tái)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（受溫度影響小）、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(chǔ)、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(tái)數(shù)多（95臺(tái)）、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(tái)）、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。
深圳市誠通達(dá)科技有限公司（東莞辦）
聯(lián)系人：陳生
手機(jī)：13726963954
Q Q：1912614192
電 話：0769-27224007
傳 真：0769-22881331
地 址：東莞市南城區(qū)鴻福路口騰龍商務(wù)大廈609室
