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1.概述
可編程序控制器PLC是一種可以處理開關(guān)量和模擬量的過程控制器，在工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛應(yīng)用，早期的可編程序控制器主要用來處理開關(guān)量控制，但現(xiàn)在的可編程序控制器模擬量處理功能和數(shù)學(xué)運(yùn)算功能也非常強(qiáng)，如果將稱重儀表的檢測(cè)元件連接到PLC的I/O卡中，則完全可以通過程序編制在PLC中實(shí)現(xiàn)稱重儀表的各種功能。
PLC也在適應(yīng)稱重儀表的這些要求，專門開發(fā)了與稱重儀表的檢測(cè)元件相連的I/O卡，其中以SIWAREX系列的稱重模塊開發(fā)較早、應(yīng)用最廣。如早在S5-95U和S5-100UPLC系統(tǒng)里就有SIWAREX系列的P這樣簡(jiǎn)單的稱重模塊。
這里所說的稱重模塊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，它只不過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PLCI/O模塊。
作為稱重模塊對(duì)性能的最低要求是：可以接收稱重傳感器輸出的mV信號(hào)的同時(shí)還向稱重傳感器提供供橋直流電源。普通的熱電偶輸入信號(hào)I/O卡也可以接收稱重傳感器輸出的mV信號(hào)，但是這種I/O卡不提供供橋直流電源，所以這是稱重模塊與普通熱電偶輸入信號(hào)I/O卡最主要的區(qū)別。
SIWAREX系列稱重模塊目前除FTC可用于連續(xù)自動(dòng)稱重衡器以外，MS、U、CS、CF稱重模塊適用于中等精度的非自動(dòng)稱重衡器，如料斗秤、容器秤、負(fù)荷和張力測(cè)量等等；而較晚推出的FTA稱重模塊適用于高精度的非自動(dòng)稱重衡器，甚至還可以用于貿(mào)易認(rèn)證的計(jì)量系統(tǒng)（如汽車衡）。
近年來，不僅一些主要的PLC生產(chǎn)廠家推出了稱重模塊，如A-B公司SLC500的1746-WS稱重模塊、Premium的TSXISPY101稱重模塊、CJ1的F159稱重模塊、MELSEC-Q的Q61LD稱重模塊，而且一些小型的PLC生產(chǎn)廠家也推出了稱重模塊，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)如上見到的FBs-PLC的FBs-1LC稱重模塊、臺(tái)灣某工業(yè)公司EX0N16M的EX1S2LD稱重模塊、珠海某公司PWC的稱重模塊、C120-14M12R-1AD的CEX-1AD-2DA-2TC稱重模塊等等。
因?yàn)榉Q重模塊是PLC的一個(gè)功能模塊，所以通過稱重模塊，可以將現(xiàn)場(chǎng)的稱重設(shè)備直接集成于PLC控制系統(tǒng)中。電信號(hào)由現(xiàn)場(chǎng)的電阻應(yīng)變片稱重傳感器傳遞給稱重模塊，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總線直接傳給中央控制器的CPU，然后通過上位機(jī)顯示屏或就地盤上的觸摸屏等人機(jī)接口顯示并操作。
2.稱重傳感器接入PLC的幾種方式
總結(jié)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，稱重設(shè)備中的稱重傳感器接入PLC的方式大致有以下幾種（如圖1所示）：

（1）保留與稱重傳感器相配用的重量變送器或儀表
這一方案的主要特點(diǎn)是獨(dú)立衡器系統(tǒng)的完整性基本得以保留，仍然可以在電子稱重儀表上完成稱重儀表要求的調(diào)零、調(diào)量程等操作，與PLC的聯(lián)系僅僅是通過電子稱重儀表輸出4~20mA信
號(hào)送至PLC的模擬量輸入模塊實(shí)現(xiàn)，而PLC只是采集了重量信號(hào)用于顯示。
（2）用PLC的溫度輸入模塊直接接收稱重傳感器信號(hào)
這一方案的主要特點(diǎn)是用PLC的溫度輸入模塊（可接收熱電偶及mV信號(hào)）直接接收稱重傳感器輸出的mV信號(hào)，從而節(jié)省了一臺(tái)重量變送器或儀表，但需要增加一臺(tái)向稱重傳感器供電的穩(wěn)壓
電源，稱重儀表要求的調(diào)零、調(diào)量程等操作需要在PLC上通過用戶編程實(shí)現(xiàn)。
（3）稱重模塊直接接收稱重傳感器信號(hào)
這一方案的主要特點(diǎn)是稱重模塊直接接收稱重傳感器信號(hào)，由于稱重模塊考慮了各種稱重儀表檢測(cè)元件的要求，所以與上面兩種方式相比，
連接更簡(jiǎn)潔、需要的設(shè)備更少，而且可以通過PLC稱重模塊的專用稱重軟件完成稱重儀表要求的調(diào)零、調(diào)量程等各種操作。
通過西門子公司SIWAREX系列稱重模塊將稱重設(shè)備中的稱重傳感器接入PLC的方式為第三種方式，所需設(shè)備最少，集成度最高，可以稱之為全集成稱重控制系統(tǒng)。
3FTA稱重模塊介紹
在一些料倉秤配料系統(tǒng)中，并不是單獨(dú)使用一臺(tái)或幾臺(tái)稱重儀表，配合稱重儀表使用的還有很多給料、卸料設(shè)備，這些設(shè)備通過連鎖控制才能構(gòu)成一個(gè)完整的、可自動(dòng)進(jìn)行的稱重系統(tǒng)，F(xiàn)TA本身帶7點(diǎn)DI、8點(diǎn)DO，如不夠用的話還可再增加DI、DO卡件，圖2是一個(gè)配料系統(tǒng)示意圖，系統(tǒng)為SIMATICS7-300，包括CPU組件、電源組件，I/O模塊則包括FTA稱重模塊、DI模塊、DO模塊。

3.1FTA稱重模塊的集成
用于非自動(dòng)稱重衡器的稱重模塊中，我們以用于高精度的FTA稱重模塊（如圖3所示）為例介紹。

FTA稱重模塊是一種具有多用途和使用靈活
特點(diǎn)的卡件，可直接集成到SIMATICS7-300中或通過遠(yuǎn)程I/OET200M的PROFIBUS-DP總線集成到SIMATICS7-400或SIMATICPCS7系統(tǒng)中（如圖4所示）。
SIWAREXFTA稱重系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)意義上的稱重系統(tǒng)，實(shí)際上是一套全集成在SIMATIC系統(tǒng)的數(shù)字化稱重解決方案，他突破了通訊和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的限制，在系統(tǒng)測(cè)量精度、控制速度、施工周期、長(zhǎng)期維護(hù)量等方面體現(xiàn)出了巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
一位使用了SIWAREX稱重模塊的用戶這樣評(píng)價(jià)說：“稱重模塊的操作和使用更加簡(jiǎn)單，采購和維護(hù)保養(yǎng)的費(fèi)用更加低廉，更加節(jié)約時(shí)間，且安全可靠性更高。使用兩年來，我們沒有遇到任何故障”[1]。
3.2FTA稱重模塊的功能
SIWAREXFTA稱重模塊實(shí)際上是一種可編程、多功能型稱重儀表，通過設(shè)定FTA模塊中的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)下列功能：
①符合OIMLR76非自動(dòng)稱重衡器，例如：料斗秤、平臺(tái)秤、吊車秤、稱重式料位儀。
②符合OIMLR61自動(dòng)裝料衡器，例如：大袋包裝秤、灌裝秤。
③符合OIMLR51自動(dòng)分檢衡器，例如：?jiǎn)谓M份秤用于加料和下料稱重計(jì)量、多組份秤、車廂裝載量的稱重控制。
④符合OIMLR107非連續(xù)累計(jì)自動(dòng)衡器，例如：下料或裝載稱重。
3.3FTA稱重模塊的特點(diǎn)
①集成在SIMATICS7和SIMATICPCS7系統(tǒng)中，統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和通訊方式；
②通過ET200M連接PROFIBUS-DP/ProfiNet，可作為分布式現(xiàn)場(chǎng)稱重儀表；
③如果與指定的廠家稱重傳感器相連，如年P(guān)f覿ffikon/Switzerland的PESA公司、梅特勒－托利第多公司制造的稱重傳感器，可通過RS485接口連接；    
④重量和力的測(cè)量，分辨率高達(dá)1600萬；
⑤高精度3×6000d；
⑥可定義的輸入和輸出信號(hào)；
⑦通過參數(shù)定義，可適用于大多數(shù)不同形式的稱重應(yīng)用；
⑧通過SIWATOOL FTA軟件可方便的設(shè)置參數(shù)；
⑨具有理論校準(zhǔn)功能，無需標(biāo)定砝碼；
⑩更換模塊時(shí)，秤無需重新標(biāo)定；
11可自動(dòng)記錄和存儲(chǔ)衡器的工作進(jìn)程；
12可配有商貿(mào)認(rèn)證衡器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；
13可用于Ex防爆區(qū)域，F(xiàn)TA適用于I級(jí)、2區(qū)，類別A、B、C、D或者非爆炸場(chǎng)合，對(duì)于1區(qū)需要配用經(jīng)嚴(yán)格認(rèn)證的稱重傳感器。
4FTA稱重模塊的應(yīng)用
4.1玻璃熔爐配料系統(tǒng)的應(yīng)用
在四川宜賓五糧液集團(tuán)兩臺(tái)玻璃熔爐的配料系統(tǒng)工程中，天津市工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所采用西門子SIWAREXFTA電子稱重模塊實(shí)現(xiàn)多配方、多物料配料的全自動(dòng)控制。
玻璃熔爐的配料系統(tǒng)有15~20種物料，如：石英砂、純堿、方解石、砒霜等，每個(gè)稱重斗對(duì)應(yīng)1~4個(gè)料倉，即：每個(gè)稱重斗稱重1~4種物料，由一塊FTA電子稱重模塊實(shí)現(xiàn)稱重，不同物料配方要求隨時(shí)切換，所以系統(tǒng)是多配方、多物料配料。配料控制系統(tǒng)采用西門子S7-300PLC作為主邏輯控制器，上位機(jī)為一臺(tái)DELLPC和一臺(tái)10英寸西門子TP270觸摸屏。稱重控制的核心部件是SIWAREXFTA稱重模塊，稱重斗的稱重傳感器輸出重量信號(hào)(mV模擬量信號(hào))直接進(jìn)入到SI-WAREXFTA，其余的稱重過程由FTA分解完成（包括物料的快慢加轉(zhuǎn)換，懸浮料計(jì)算與修正、容差報(bào)警、小流量提示等）。而多配方的存儲(chǔ)與調(diào)用、多物料加料順序的控制、報(bào)表、報(bào)警的生成與管理等等則依賴于S7-300的CPU來完成。
SIWAREXFTA給出的動(dòng)作信號(hào)經(jīng)PLC的I/O卡控制電氣設(shè)備，同樣，上位機(jī)PC或TP270觸摸屏也可以對(duì)SIWAREXFTA的稱重過程進(jìn)行監(jiān)視與干預(yù)，兩者功能兼容互為備用。2006年9月，該系統(tǒng)投入運(yùn)行，過程的多點(diǎn)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)紀(jì)錄及系統(tǒng)高智能的自動(dòng)控制都給生產(chǎn)帶來了極大的方便[2]。
4.2耐火材料配料系統(tǒng)的應(yīng)用
某國(guó)外公司在中國(guó)的耐火材料工廠生產(chǎn)的耐火材料產(chǎn)品有酸中性耐火材料、堿性耐火材料、AG耐火材料和ZG耐火材料，配料原料種類分別有35種、14種、22種和10種，用戶配方數(shù)量則達(dá)到數(shù)百種。生產(chǎn)工藝中的質(zhì)量控制環(huán)節(jié)對(duì)耐火配料系統(tǒng)有嚴(yán)格的檢測(cè)程序，一但某種物料的重量值超過了配料合格允許的百分比，則啟動(dòng)容錯(cuò)程序?qū)ζ溥M(jìn)行補(bǔ)料。如補(bǔ)料也無法達(dá)到要求，則一批物料將全部自動(dòng)進(jìn)入廢品倉，導(dǎo)致原料的損失。一些進(jìn)口原料價(jià)值較高，例如CCN原料制成的成品價(jià)格可達(dá)每噸數(shù)十萬元，因此用戶對(duì)系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性及可靠性提出了較高的要求。
重慶大唐稱重有限公司將整個(gè)生產(chǎn)工藝分為4套相對(duì)獨(dú)立的稱重配料系統(tǒng)，以酸中性耐火材料稱重配料系統(tǒng)為例，在約40個(gè)料倉下方有7個(gè)稱重料倉，每個(gè)稱重料倉由三只稱重傳感器支承，稱重傳感器信號(hào)通過現(xiàn)場(chǎng)接線盒連接到FTA稱重模塊上，7個(gè)FTA稱重模塊集成到一臺(tái)S7-315-2DPCPU上，再通過Profibus-DP總線連接到上位機(jī)系統(tǒng)內(nèi)。上位機(jī)系統(tǒng)通過以太網(wǎng)將配方下載到稱重模塊內(nèi)，稱重模塊按照配方的預(yù)設(shè)值控制每個(gè)稱重料倉的加料和下料，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備的運(yùn)行情況，提供豐富的報(bào)警和診斷信息，并形成歷史數(shù)據(jù)記錄供工廠運(yùn)行效率分析和事故分析。西門子公司所提供的基于Windows操作系統(tǒng)的SI-WATOOLFTA專用程序，可使技術(shù)人員無需了解PLC編程方面的知識(shí)就能夠方便的設(shè)置和調(diào)試秤，并且在軟件中方便的查詢秤的各種運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)（如圖5所示）。

由于稱重配料系統(tǒng)所配物料種類多，并且給料設(shè)備包括有多級(jí)給料速度控制的螺旋給料機(jī)、精確給料的氣動(dòng)閥，多級(jí)振動(dòng)給料機(jī)等，整個(gè)稱重控制系統(tǒng)I/O約2000點(diǎn)。FTA稱重模塊將稱重功能直接集成到S7-300PLC中，加上FTA模塊本身集成的16個(gè)開關(guān)量I/O點(diǎn)和一路4~20mA模擬量輸出功能，使得稱重配料與控制系統(tǒng)完美的結(jié)合在一起，由PLC實(shí)現(xiàn)這種較復(fù)雜的稱重配料應(yīng)用。
該稱重配料系統(tǒng)2006年底投產(chǎn)至今，系統(tǒng)運(yùn)行良好，稱重精度優(yōu)于OIMLIII，稱重配料的控制精度可達(dá)到±0.3%，少量特殊物料及微量秤的控制精度可達(dá)到±0.5%，完全滿足用戶的要求[3]。
4.3動(dòng)態(tài)電子軌道衡的應(yīng)用
武鋼四煉鋼700t軌道衡采用深基坑、雙臺(tái)面、整車計(jì)量方式。兩端各25m整體道床，每個(gè)稱重臺(tái)面布置4個(gè)稱重傳感器和2個(gè)電感式軌道開關(guān)，共8個(gè)稱重傳感器，4個(gè)電感式軌道開關(guān)，軌道衡計(jì)量系統(tǒng)采集稱重傳感器輸出信號(hào)和軌道開關(guān)輸出信號(hào)，并綜合這2種信號(hào)進(jìn)行判車計(jì)量，得出鐵水罐車重量。原有系統(tǒng)存在穩(wěn)定性較差、系統(tǒng)計(jì)量重復(fù)性差、不利于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程計(jì)量和遠(yuǎn)程故障診斷等問題。武鋼集團(tuán)計(jì)控公司重新設(shè)計(jì)一套S7-300PLC系統(tǒng)，并將以前在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的計(jì)量程序中的關(guān)鍵模塊(軌道開關(guān)輸出信號(hào)采集模塊、稱重?cái)?shù)據(jù)采集模塊、判車模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、罐車重量計(jì)算模塊等)遷移到PLC中運(yùn)行，并用數(shù)據(jù)刷新率很快的PLC稱重模塊代替數(shù)據(jù)刷新率較慢的稱重儀表，新加PLC系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與外界交換信息，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、計(jì)量重復(fù)性，能很方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程計(jì)量和遠(yuǎn)程故障診斷。
新加的S7-300PLC系統(tǒng)作為整個(gè)軌道衡計(jì)量系統(tǒng)的信息控制處理中心，它由電源模板、CPU模板、數(shù)字輸入模板、FTA稱重模板、以太網(wǎng)通訊模板、現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏（即操作員面板）組成。軌道衡開關(guān)輸出信號(hào)接入S7-300數(shù)字量輸入模板；
2個(gè)稱重臺(tái)面的稱重傳感器輸出信號(hào)通過現(xiàn)場(chǎng)接線盒接入S7-300FTA稱重模塊；S7-300CPU模板處理數(shù)字輸入模板和FTA稱重模塊的輸入信號(hào)，通過軌道開關(guān)狀態(tài)的變化判斷罐車所在位置。當(dāng)
在PLC上運(yùn)行的計(jì)量程序判斷罐車前后轉(zhuǎn)向架分別在1#臺(tái)面和2#臺(tái)面上時(shí)，采集FTA稱重模塊的輸入信號(hào)，將這些信號(hào)組成1個(gè)隊(duì)列，并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理，然后計(jì)算得到罐車重量。PLC系統(tǒng)再將稱重結(jié)果及稱重過車參數(shù)通過以太網(wǎng)模板上傳到現(xiàn)場(chǎng)稱重計(jì)算機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)稱重計(jì)算機(jī)只是作為稱重結(jié)果和記錄保存的所用。在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)只要安裝了計(jì)算機(jī)計(jì)量管理程序，就可以通過以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)PLC系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程計(jì)量操作（如圖6所示）。

基于PLC的動(dòng)態(tài)電子軌道衡用數(shù)據(jù)刷新率很快，一節(jié)車輛進(jìn)行稱重的過程中，可以采集到為250~500個(gè)有效重量數(shù)據(jù)，計(jì)量程序?qū)⒉杉?50~500個(gè)有效稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行前后壞數(shù)據(jù)剔除、數(shù)據(jù)濾波、重量計(jì)算等步驟得到待計(jì)車輛重量，由于有較多的有效稱重?cái)?shù)據(jù)參與運(yùn)算，提高了系統(tǒng)計(jì)量重復(fù)性和計(jì)量精度。在投入運(yùn)行半年多的時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，計(jì)量重復(fù)性好，同時(shí)對(duì)一次軌道開關(guān)故障作了遠(yuǎn)程故障分析和診斷，獲得使用單位的好評(píng)[4]。
5.全集成稱重控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
由以上幾個(gè)采用了SIWAREXFTA稱重模塊的應(yīng)用實(shí)例，我們可以體驗(yàn)到全集成稱重控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
①一些復(fù)雜的稱重過程不僅僅涉及到稱重?cái)?shù)據(jù)處理，而且還需要完成一些機(jī)械設(shè)備啟停之類的控制問題，全集成稱重控制系統(tǒng)以SIWAREXFTA稱重模塊取代常規(guī)配料控制儀表實(shí)現(xiàn)稱重?cái)?shù)據(jù)處理，還可以發(fā)揮PLC的特長(zhǎng)完成機(jī)械設(shè)備啟停的控制，兩項(xiàng)功能統(tǒng)一由PLC完成，這使得稱重儀表與控制系統(tǒng)完美的結(jié)合在一起，如本文中介紹的三個(gè)例子均有大量的開關(guān)量信號(hào)輸入控制及用于機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的開關(guān)量信號(hào)輸出控制；
②現(xiàn)場(chǎng)稱重傳感器的信號(hào)直接進(jìn)入PLC系統(tǒng)，代替了普通稱重儀表通過4~20mA信號(hào)送入PLC，避免了信號(hào)轉(zhuǎn)換帶來的誤差和傳輸?shù)臅r(shí)間延遲；
③SIMATIC系統(tǒng)具有統(tǒng)一的通信接口，上位機(jī)與稱重模塊可以方便的以總線通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，由于稱重系統(tǒng)和控制系統(tǒng)在統(tǒng)一的軟硬件平臺(tái)上，因此這種數(shù)據(jù)交換方式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量更大、更新稱重?cái)?shù)據(jù)的速度更快、實(shí)時(shí)性更好、設(shè)備運(yùn)行控制精度更高；
④編程時(shí)，可以在PLC的CPU存儲(chǔ)區(qū)中直接讀取各種稱重過程值，方便的根據(jù)工藝聯(lián)鎖的要求進(jìn)行編程和設(shè)置；
⑤基于Windows操作系統(tǒng)的SIWATOOLFTA專用程序可提供稱重設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試和標(biāo)定，在軟件中方便的查詢秤的各種運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)；
⑥稱重精度高，可用于要求高精度計(jì)量的稱重設(shè)備，如本文中介紹的軌道衡；
⑦FTA稱重模塊的價(jià)格與普通稱重儀表大體相當(dāng)，但如果為多臺(tái)稱重設(shè)備或帶程序控制或需要與PLC系統(tǒng)通訊，則具有較大的投資優(yōu)勢(shì)。
 

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