摘要：文章介紹了失重秤的工作原理、系統(tǒng)組成和特點(diǎn)，簡(jiǎn)單描述了西門子全集成控制的理念，以及基于全集成理念的SIWAREX技術(shù)、失重秤方案及應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：失重秤 SIWAREX 全集成 免維護(hù)
一、前言
在塑膠、化工、冶金、制藥、水泥等過程工業(yè)中，原料的配料系統(tǒng)是流程工業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它能直接影響到生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量、效率、能耗等指標(biāo)。近年來，隨著過程工業(yè)級(jí)控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提出了新的要求：不僅要求現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能實(shí)現(xiàn)精確的計(jì)量功能，而且還要滿足高效率高強(qiáng)度實(shí)時(shí)性強(qiáng)的連續(xù)生產(chǎn)要求，；不僅提供要滿足7/24的高可靠工作要求，而且還要具備很低的維護(hù)量，甚至免維護(hù)的特點(diǎn)；不僅要減少故障率，而且還要實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果。
相對(duì)于電子皮帶秤、稱重式給料機(jī)、螺旋給料機(jī)、沖板流量計(jì)、圓盤給料機(jī)等計(jì)量、配料設(shè)備而言，失重秤近年來得到越來越多的關(guān)注，它在上世紀(jì)80年代末被引入到中國后，其在計(jì)量、配料方面的優(yōu)越性，已得到廣泛的認(rèn)可。
二、基本原理、系統(tǒng)組成和特點(diǎn)
失重秤(Loss-In-Weigh)是80年代中期開始應(yīng)用于各流程工業(yè)領(lǐng)域的一種連續(xù)稱重計(jì)量設(shè)備。它結(jié)合了動(dòng)態(tài)稱重和靜態(tài)稱重不同的優(yōu)點(diǎn)，逐步替代皮帶秤、螺旋秤等連續(xù)稱重設(shè)備，被應(yīng)用到越來越多的工業(yè)領(lǐng)域中。
2.1 基本原理和系統(tǒng)組成
將稱量斗及給料機(jī)構(gòu)作為整個(gè)秤體，通過儀表或上位機(jī)不停地對(duì)秤體進(jìn)行重量信號(hào)的采樣，計(jì)算出重量在單位時(shí)間的變化比率作為瞬時(shí)流量，再通過各種軟硬件的濾波技術(shù)處理，得出可以作為控制對(duì)象的“實(shí)際流量”。
失重秤的基本組成可分為設(shè)備系統(tǒng)和控制部分兩大部分。
設(shè)備部分主要由計(jì)量斗、喂料給料機(jī)、卸料給料機(jī)、懸吊裝置組成�？刂撇糠种饕煞Q重傳感器、信號(hào)放大器、輸入輸出接口、主機(jī)(上位機(jī))等組成（如圖1）。
失重秤的配料過程分為喂料和卸料兩個(gè)階段，配料開始后，首先啟動(dòng)喂料給料機(jī)，由控制器對(duì)計(jì)量斗物料重量進(jìn)行檢測(cè)、采樣，當(dāng)計(jì)量斗物料重量達(dá)到配料設(shè)定的上限值時(shí)，停止喂料。同時(shí)，控制器對(duì)計(jì)量斗物料重量進(jìn)行檢測(cè)、采樣，當(dāng)計(jì)量斗物料重量（喂料量）達(dá)到配料設(shè)定的上限值時(shí)，停止喂料。在卸料階段，控制器啟動(dòng)卸料給料機(jī)，將計(jì)量斗中的物料卸到下一級(jí)輸料設(shè)備送走。卸料時(shí)，控制器對(duì)計(jì)量斗物料重量進(jìn)行檢測(cè)、采樣，當(dāng)計(jì)量斗物料重量達(dá)到配料設(shè)定的下限值時(shí)，重新向計(jì)量斗喂料。但在第二個(gè)喂料階段開始后，卸料給料機(jī)仍不停頓繼續(xù)卸料。
失重秤連續(xù)對(duì)整個(gè)給料系統(tǒng)包括計(jì)量斗、給料機(jī)構(gòu)進(jìn)行稱重，相當(dāng)于一臺(tái)靜態(tài)秤；同時(shí)通過變頻調(diào)速來控制給料機(jī)構(gòu)的卸料流量。
失重秤計(jì)量斗內(nèi)每單位時(shí)間內(nèi)物料重量的減少Δd/ Δt對(duì)應(yīng)失重秤的給料流量。失重秤控制器將dv/dt與預(yù)設(shè)的給料流量進(jìn)行比較，并通過調(diào)節(jié)給料機(jī)的速度來自動(dòng)修正，因此可以保持精確的給料流量(如圖2)。
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 圖1：典型的失重秤秤體及結(jié)構(gòu)示意圖
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當(dāng)計(jì)量斗內(nèi)的物料重量低于預(yù)設(shè)值，失重秤控制模塊將鎖定給料機(jī)速度，保持下料機(jī)構(gòu)以容積方式給料，同時(shí)打開加料閥進(jìn)行快速加料。當(dāng)計(jì)量斗內(nèi)物料重量達(dá)到高位預(yù)設(shè)值，加料閥自動(dòng)關(guān)閉。同時(shí)失重秤控制器自動(dòng)將下料機(jī)構(gòu)切換到稱重方式加料。
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 圖2：失重式定量給料和加料的重量曲線
| 2.2 技術(shù)特點(diǎn)
從工作原理和結(jié)構(gòu)來看，失重秤兼具靜態(tài)秤和動(dòng)態(tài)秤的特點(diǎn)。
對(duì)于傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)稱重計(jì)量方法，比如：皮帶秤、沖板流量計(jì)、螺旋秤等，雖然具有連續(xù)稱量、實(shí)現(xiàn)工藝高效率工作的特點(diǎn)，但是也存在系統(tǒng)精度不高(一般低于在0.5~1%)、維護(hù)量大等問題；而靜態(tài)稱重方法，雖然大大提高了系統(tǒng)測(cè)量精度(可達(dá)0.1%,甚至更高)，但是只能滿足間斷式的批量給(配)料應(yīng)用，不能最大程度地滿足現(xiàn)代流程工業(yè)的高效率高產(chǎn)出要求，何況有些工業(yè)應(yīng)用本身要求連續(xù)給(配)料，不允許存在間斷。
而失重秤的出現(xiàn)，正好兼?zhèn)淞诉@兩者的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了它們的缺點(diǎn)。它的主要優(yōu)點(diǎn)有：
Ø 系統(tǒng)精度高
失重秤工作時(shí)，料倉的測(cè)量實(shí)際在靜態(tài)下完成的，而且是在上料和下料后各（一？）測(cè)量一次，根據(jù)兩個(gè)工作狀態(tài)測(cè)得兩個(gè)重量差值算出流量。差值與流量給定值誤差還可在下一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償，并且這兩個(gè)重量測(cè)量時(shí)間在幾分鐘內(nèi)完成，不存在傳感器零點(diǎn)漂移和溫度漂移等影響。因此可獲得相當(dāng)高的計(jì)量精度，系統(tǒng)計(jì)量精度可達(dá)到0.5%，甚至0.2%，。
Ø 全封閉不銹鋼結(jié)構(gòu)，適合各種惡劣現(xiàn)場(chǎng)。
設(shè)備系統(tǒng)全部為鋼質(zhì)（西門子失重秤一般采用不銹鋼），適用環(huán)境條件較差的場(chǎng)合，并且具有堅(jiān)固耐用、維護(hù)量小、不怕高溫物料等特點(diǎn)。
很多工礦企業(yè)是耗電大戶，因此如何節(jié)約能源，也是一個(gè)很重要的課題。由于失重秤采用了全封閉結(jié)構(gòu)，配料過程中不產(chǎn)生粉塵，省去除塵裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無須配皮帶秤等配套，既節(jié)省了設(shè)備投資，又節(jié)約了電能，提高了生產(chǎn)效率。
Ø 免維護(hù)，標(biāo)定簡(jiǎn)單
由于失重秤是通過測(cè)量重量差值來計(jì)算流量的物料測(cè)量方式，根本不存在諸如皮帶秤等動(dòng)態(tài)秤中存在零點(diǎn)漂移(皮帶跑偏、傳感器移位、物料沖擊振動(dòng)皮帶打滑、皮帶粘料等影響造成)、物料粘附、秤體機(jī)械結(jié)構(gòu)變形等因素的影響，而能保證長期穩(wěn)定的系統(tǒng)測(cè)量精度，基本不需要維護(hù)和大量的標(biāo)定工作。
根據(jù)其測(cè)量原理，它不僅可以進(jìn)行實(shí)物標(biāo)定，而且可以在生產(chǎn)運(yùn)行中進(jìn)行在線標(biāo)定。即根據(jù)計(jì)量斗內(nèi)物料的上、下限重量之差和失重秤流量顯示值比較計(jì)算準(zhǔn)確度，這種標(biāo)定方式具有簡(jiǎn)單、方便的特點(diǎn)，省錢省力。
三、全集成設(shè)計(jì)理念
全集成自動(dòng)化技術(shù)(Totally Integrated Automation )是西門子自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)與產(chǎn)品的核心思想與主導(dǎo)理念。TIA集高度的集成統(tǒng)一性和前所未有的開放性于一身，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為企業(yè)實(shí)現(xiàn)了橫向和縱向的信息集成； 領(lǐng)先的通訊標(biāo)準(zhǔn)， 基于組件的自動(dòng)化技術(shù)(CBA)與IT集成， 使TIA對(duì)全球自動(dòng)化市場(chǎng)的產(chǎn)品和服務(wù)范圍真正開放。
圖3：西門子全集成控制結(jié)構(gòu)示意圖
1996年．西門子自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)提出“全集成自動(dòng)化”TIA的概念系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(如圖3所示)。這一嶄新概念革命性地囊括了“制造”與“過程”領(lǐng)域的眾多知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)， 為生產(chǎn)線提供了一種優(yōu)秀的解決方案。對(duì)用戶而言， 在整個(gè)生產(chǎn)過程的生命周期中， 以S7系列PLC為核心的TIA 技術(shù)有助于企業(yè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)力的最大化。從最初的規(guī)劃與設(shè)計(jì)，工程的實(shí)施，到安裝與調(diào)試，運(yùn)行與維護(hù)，以至于系統(tǒng)升級(jí)改造，TIA使企業(yè)在整個(gè)生命周期中獲得最高的生產(chǎn)力和產(chǎn)品質(zhì)量， 并顯著降低項(xiàng)目成本。此外，TIA還能大大縮短產(chǎn)品上市和系統(tǒng)投入運(yùn)行的時(shí)間，從而全面增強(qiáng)企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。
由于稱重系統(tǒng)相對(duì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，維護(hù)量比較大，長期以來技術(shù)領(lǐng)先的稱重技術(shù)廠家一直在考慮如何設(shè)計(jì)一種既能減少成本，簡(jiǎn)化稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，又能提高稱重系統(tǒng)整體性能的解決方案�；赥IA的設(shè)計(jì)理念，西門子公司設(shè)計(jì)推出了以SIMATIC S7為核心的西門子SIWAREX稱重方案，無疑是一種滿足新要求的一種可行的解決方案。
四、SIWAREX系統(tǒng)
如前所述，失重秤的配料過程分喂料和卸料兩個(gè)階段，控制部分比較復(fù)雜。失重秤的配料精度主要由稱量精度和配料速度來決定的，這兩個(gè)參量是兩個(gè)相互矛盾的控制量，要提高稱量精度，希望秤體越穩(wěn)定越好，即喂料(或卸料)速度越慢越好，但勢(shì)必增加配料時(shí)間，效率低；反之，如果喂料(或卸料)速度過快，秤體振動(dòng)大，精度很難保證。
因此，采用合適的控制系統(tǒng)是保證失重秤配料精度的關(guān)鍵因素，這個(gè)控制系統(tǒng)既要保證控制系統(tǒng)和設(shè)備部分完美的結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)同步工作，也要保證好的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性及可靠性，以保證秤體部分和控制部分之間能夠順暢地“溝通”。
SIWAREX FTC（靈活的連續(xù)稱重技術(shù)）是一種高精度、高速的稱重控制模塊，直接集成于西門子PLC控制系統(tǒng)，可用于失重式給料設(shè)備的稱重控制應(yīng)用。
在生產(chǎn)過程中，給料流量的精確控制對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量起到了重要的作用。西門子SWAREX FTC稱重模塊可以精確的控制生產(chǎn)過程中粉末、顆粒、片狀、條狀和塊狀固體物料的給料流量。  圖4：SIWAREX FTC和S7控制器組成的控制系統(tǒng)
SIWAREX失重秤標(biāo)準(zhǔn)配置包括SIWAREX FTC稱重模塊和PLC或上位機(jī)(HMI)、稱重傳感器、計(jì)量斗、加料閥、下料機(jī)構(gòu)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分等組成(如圖4)。
SIWAREX FTC全集成失重稱方案的優(yōu)勢(shì)：
1）通過集成在SIMATIC系統(tǒng)中（如圖5），可以直接進(jìn)行配方管理并設(shè)置稱重系統(tǒng)的預(yù)設(shè)值；
2）對(duì)于不同的物料，可以方便的在遠(yuǎn)程設(shè)置定量給料的參數(shù)通過使用自動(dòng)獲取特性曲線的使用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)量參數(shù)的簡(jiǎn)單遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。
3）易于安裝并且可通過各種通訊方式讀取稱重?cái)?shù)據(jù)和設(shè)置稱重系統(tǒng)，例如可通過一個(gè)調(diào)制解調(diào)器或以太網(wǎng)通訊模塊簡(jiǎn)單集成到控制系統(tǒng)。
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圖5：SIWAREX 集成在S7控制系統(tǒng)中
| 4）無可比擬的實(shí)時(shí)性，具有了高速實(shí)時(shí)稱重?cái)?shù)據(jù)處理和多種有效濾波能力。稱重的數(shù)據(jù)通過PLC背板直接送入PLC系統(tǒng)，節(jié)省了稱重設(shè)備與PLC系統(tǒng)之間的通訊環(huán)節(jié)，降低了成本；
5) 同時(shí)SIWAREX FTC能夠顯示高達(dá)每秒100次的采樣速度，通過短至10ms的采樣間隔時(shí)間，大大提高了采樣的精確度，同時(shí)也大大提高的失重秤系統(tǒng)測(cè)量控制精度。
6) 可擴(kuò)充性強(qiáng)。通過預(yù)留的機(jī)架槽位，不需要增加太多的硬件成本和安裝工作，即可在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)充。
除此之外，它還具有以下優(yōu)點(diǎn)：
• 可視化的人機(jī)操作界面；
• 自動(dòng)調(diào)零功能；
• 自動(dòng)標(biāo)定功能，具有電子標(biāo)定、砝碼標(biāo)定和實(shí)物標(biāo)定功能；
• 配有8路輸入/7路數(shù)字量輸出并可擴(kuò)展，可設(shè)置多種報(bào)警和控制輸出；
• 具有稱重儀表數(shù)據(jù)備份/恢復(fù)功能，更換儀表無需重新標(biāo)定；
• 預(yù)防性維護(hù)功能(如圖6)；
• 具有歷史記錄功能；
圖6：通過數(shù)字信號(hào)的傳輸，SIWAREX可以實(shí)現(xiàn)自診斷功能和預(yù)測(cè)性維護(hù)功能
不同于傳統(tǒng)意義上的稱重系統(tǒng)，SIWAREX稱重系統(tǒng)實(shí)際上一套全集成在SIMATIC系統(tǒng)的數(shù)字化稱重解決方案。相對(duì)于傳統(tǒng)的稱重系統(tǒng)而言，SIWAREX系統(tǒng)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、長期維護(hù)量等方面體現(xiàn)出了巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
五、典型應(yīng)用和發(fā)展前景
5.1 典型應(yīng)用介紹
5.1.1 食品行業(yè)中面粉給料的計(jì)量
一家德國食品企業(yè)，生產(chǎn)各種各樣的食品，包括面包、糖果、奶制品等。為了確保工廠高效運(yùn)行并保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須使得生產(chǎn)流程最優(yōu)化和高度自動(dòng)化，于是用戶決定采用西門子SIWAREX FTC 稱重控制系統(tǒng)來替換老的系統(tǒng)。
在面包生產(chǎn)過程中，為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)高品質(zhì)的食品，用戶要求對(duì)面粉和各種添加劑配比進(jìn)行高精度的連續(xù)計(jì)量和控制。由失重
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圖7：利用SIWAREX失重稱實(shí)現(xiàn)面粉的精確計(jì)量
| 給料裝置（見左圖，螺旋給料機(jī)）將面粉按照預(yù)設(shè)的流量送入定量給料容器，定量給料容器也作為失重秤來使用，混合來自不同失重式給料機(jī)的物料，并根據(jù)預(yù)設(shè)重量值控制各失重式給料機(jī)的流量保持在1～4T/H 之間，確保各物料之間正確的配料重量比例。失重給料裝置可以儲(chǔ)存大約200kg 重的物料，每3～12 分鐘就會(huì)從上方的原料倉補(bǔ)一次料。
作 為 稱 重 控 制 系 統(tǒng) 升 級(jí) 方 案 的 一 部 分 ， 老 的 稱 重 儀 表 由
SIWAREX 稱重模塊取代，由于新的技術(shù)的使用，可以使得：
Ø 提高批量加料計(jì)量精度，不受外部因素（例如機(jī)械振動(dòng)等）的干擾；
Ø 可適用于不同種類、不同密度的面粉計(jì)量控制；
Ø 分別獲取和顯示料位和物料重量值；
Ø 易于集成在SIMATIC S7 系統(tǒng)中，使得稱重和控制完美結(jié)合；
5.1.2 塑料改性
國內(nèi)某著名塑膠企業(yè)配料設(shè)備采用失重稱重的方式，為了確保每種產(chǎn)品配料中的主料和各種輔料實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的配料，整個(gè)配料系統(tǒng)由多臺(tái)失重秤構(gòu)成，同時(shí)稱重配料，采用螺旋給料方式進(jìn)行物料輸送。所有主料和輔料最終被送入一個(gè)容量約為200Kg的稱重式料斗進(jìn)行混合，由于設(shè)備故障維修昂貴且性能不能滿足要求，客戶決定對(duì)失重秤系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。
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圖8：塑料改性工藝中采用SIWAREX FTC方案
| 系統(tǒng)改造選用了西門子SIWAREX FTC稱重控制模塊。FTC模塊是一種高精度、高速的動(dòng)態(tài)稱重控制模塊，直接集成于西門子S7-300PLC控制系統(tǒng)，可通過編程方便的實(shí)現(xiàn)失重式給料設(shè)備的稱重控制功能。SWAREX FTC可以精確的控制生產(chǎn)過程中粉末、顆粒、片狀、條狀和塊狀固體物料瞬時(shí)給料流量和累計(jì)量。在生產(chǎn)過程中，給料流量的精確控制對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量起到了重要的作用。
經(jīng)過采用SIWAREX FTC稱重模塊改造的失重秤給料系統(tǒng)帶來的好處：
Ø 大大節(jié)省維修備件費(fèi)用。因?yàn)槿煞桨覆捎镁鶠闃?biāo)準(zhǔn)配件，很容易找到維修所需要的備件，成本也大大減少；
Ø 方案更靈活。因?yàn)榛赟IWAREX技術(shù)的失重秤方案，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，因此，對(duì)于以后擴(kuò)建項(xiàng)目而言，采購的硬件成本和施工成本都可以大大減少；
Ø 備件更換方便。因?yàn)橹饕獢?shù)據(jù)和程序均保存在PLC的存儲(chǔ)器中，如果發(fā)生FTC損壞，需要更換，只需要簡(jiǎn)單的更換模塊硬件本體即可，無須重新設(shè)置參數(shù)和坐標(biāo)定，新的模塊會(huì)自動(dòng)到PLC中讀取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)最短的恢復(fù)時(shí)間。
5.2 發(fā)展前景
國家建材局黃永豐總工程師在1989年推廣應(yīng)用失重秤會(huì)議上說：“失重秤原理上采用靜態(tài)稱重校零、測(cè)重、計(jì)量，因此精度高，是其它各種皮帶秤、翻斗秤、調(diào)速秤等不可比擬的�！虼宋蚁Ｍ軌虻玫酱罅Φ耐茝V�！�
但是，任何一種技術(shù)都一定會(huì)有它的局限性，選擇和制定最合適的維護(hù)方案，必須是從現(xiàn)場(chǎng)工況和自身的實(shí)際情況來判斷決定。失重秤作為一種先進(jìn)的連續(xù)稱重系統(tǒng)，近二十多年來得到了很多關(guān)注，同時(shí)隨著電子技術(shù)、傳感器技術(shù)和通訊技術(shù)方面不斷突破，性能和應(yīng)用范圍也得到了提高和擴(kuò)展，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到塑料改性、塑料機(jī)械、化工、食品、鋼鐵、水泥等工業(yè)領(lǐng)域。
而隨著西門子所提倡全集成理念得到越來越多用戶的青睞和信任，SIWAREX技術(shù)也會(huì)達(dá)到廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。隨著用戶對(duì)設(shè)備維護(hù)、節(jié)能、環(huán)保等方面的要求不斷提高，我們預(yù)測(cè)SIWAREX技術(shù)可能在未來的發(fā)展中能夠通過改進(jìn)控制算法，比如：模糊PID控制等方式來進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，以達(dá)到更精確快速的系統(tǒng)精度和響應(yīng)，同時(shí)也達(dá)到節(jié)能的效果。而這些改進(jìn)，對(duì)于開發(fā)的、靈活的全集成SIWAREX方案來說，相對(duì)于基于傳統(tǒng)的稱重儀表系統(tǒng)而言，將會(huì)更容易實(shí)現(xiàn)和被用戶接受。
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