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基于全集成理念的SIWAREX失重秤
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一、前言
在塑胶、化工、冶金、制药、水泥等过程工业中，原料的配料系统是流程工业的关键环节，它能直接影响到生产的产品质量、效率、能耗等指标。近年来，随着过程工业级控制系统的不断发展，对现场设备提出了新的要求：不仅要求现场设备能实现精确的计量功能，而且还要满足高效率高强度实时性强的连续生产要求，；不仅提供要满足7/24的高可靠工作要求，而且还要具备很低的维护量，甚至免维护的特点；不仅要减少故障率，而且还要实现节能的效果。
相对于电子皮带秤、称重式给料机、螺旋给料机、冲板流量计、圆盘给料机等计量、配料设备而言，失重秤近年来得到越来越多的关注，它在上世纪80年代末被引入到中国后，其在计量、配料方面的优越性，已得到广泛的认可。
二、基本原理、系统组成和特点
失重秤(Loss-In-Weigh)是80年代中期开始应用于各流程工业领域的一种连续称重计量设备。它结合了动态称重和静态称重不同的优点，逐步替代皮带秤、螺旋秤等连续称重设备，被应用到越来越多的工业领域中。
2.1基本原理和系统组成
将称量斗及给料机构作为整个秤体，通过仪表或上位机不停地对秤体进行重量信号的采样，计算出重量在单位时间的变化比率作为瞬时流量，再通过各种软硬件的滤波技术处理，得出可以作为控制对象的“实际流量”。
失重秤的基本组成可分为设备系统和控制部分两大部分。
设备部分主要由计量斗、喂料给料机、卸料给料机、悬吊装置组成。控制部分主要由称重传感器、信号放大器、输入输出接口、主机(上位机)等组成（如图1）。
失重秤连续对整个给料系统包括计量斗、给料机构进行称重，相当于一台静态秤；同时通过变频调速来控制给料机构的卸料流量。
失重秤计量斗内每单位时间内物料重量的减少Δd/Δt对应失重秤的给料流量。失重秤控制器将dv/dt与预设的给料流量进行比较，并通过调节给料机的速度来自动修正，因此可以保持精确的给料流量(如图2)。 [p]
2.2技术特点
从工作原理和结构来看，失重秤兼具静态秤和动态秤的特点。
对于传统的动态称重计量方法，比如：皮带秤、冲板流量计、螺旋秤等，虽然具有连续称量、实现工艺高效率工作的特点，但是也存在系统精度不高(一般低于在0.5~1%)、维护量大等问题；而静态称重方法，虽然大大提高了系统测量精度(可达0.1%,甚至更高)，但是只能满足间断式的批量给(配)料应用，不能最大程度地满足现代流程工业的高效率高产出要求，何况有些工业应用本身要求连续给(配)料，不允许存在间断。
而失重秤的出现，正好兼备了这两者的优点，弥补了它们的缺点。它的主要优点有：
系统精度高
失重秤工作时，料仓的测量实际在静态下完成的，而且是在上料和下料后各（一？）测量一次，根据两个工作状态测得两个重量差值算出流量。差值与流量给定值误差还可在下一个周期内进行补偿，并且这两个重量测量时间在几分钟内完成，不存在传感器零点漂移和温度漂移等影响。因此可获得相当高的计量精度，系统计量精度可达到0.5%，甚至0.2%，。
全封闭不锈钢结构，适合各种恶劣现场。
设备系统全部为钢质（西门子失重秤一般采用不锈钢），适用环境条件较差的场合，并且具有坚固耐用、维护量小、不怕高温物料等特点。
很多工矿企业是耗电大户，因此如何节约能源，也是一个很重要的课题。由于失重秤采用了全封闭结构，配料过程中不产生粉尘，省去除尘装置，结构简单，无须配皮带秤等配套，既节省了设备投资，又节约了电能，提高了生产效率。
免维护，标定简单
由于失重秤是通过测量重量差值来计算流量的物料测量方式，根本不存在诸如皮带秤等动态秤中存在零点漂移(皮带跑偏、传感器移位、物料冲击振动皮带打滑、皮带粘料等影响造成)、物料粘附、秤体机械结构变形等因素的影响，而能保证长期稳定的系统测量精度，基本不需要维护和大量的标定工作。
根据其测量原理，它不仅可以进行实物标定，而且可以在生产运行中进行在线标定。即根据计量斗内物料的上、下限重量之差和失重秤流量显示值比较计算准确度，这种标定方式具有简单、方便的特点，省钱省力。
三、全集成设计理念
全集成自动化技术(TotallyIntegratedAutomation)是西门子自动化系统技术与产品的核心思想与主导理念。TIA集高度的集成统一性和前所未有的开放性于一身，标准化的网络体系结构，统一的编程组态环境和高度统一的数据集成，使TIA为企业实现了横向和纵向的信息集成；领先的通讯标准，基于组件的自动化技术(CBA)与IT集成，使TIA对全球自动化市场的产品和服务范围真正开放。
1996年．西门子自动化与驱动集团提出“全集成自动化”TIA的概念系统结构(如图3所示)。这一崭新概念革命性地囊括了“制造”与“过程”领域的众多知识与经验，为生产线提供了一种优秀的解决方案。对用户而言，在整个生产过程的生命周期中，以S7系列PLC为核心的TIA技术有助于企业实现生产力的最大化。从最初的规划与设计，工程的实施，到安装与调试，运行与维护，以至于系统升级改造，TIA使企业在整个生命周期中获得最高的生产力和产品质量，并显著降低项目成本。此外，TIA还能大大缩短产品上市和系统投入运行的时间，从而全面增强企业核心竞争力。
由于称重系统相对结构比较复杂，维护量比较大，长期以来技术领先的称重技术厂家一直在考虑如何设计一种既能减少成本，简化称重系统结构，又能提高称重系统整体性能的解决方案。基于TIA的设计理念，西门子公司设计推出了以SIMATICS7为核心的西门子SIWAREX称重方案，无疑是一种满足新要求的一种可行的解决方案。
如前所述，失重秤的配料过程分喂料和卸料两个阶段，控制部分比较复杂。失重秤的配料精度主要由称量精度和配料速度来决定的，这两个参量是两个相互矛盾的控制量，要提高称量精度，希望秤体越稳定越好，即喂料(或卸料)速度越慢越好，但势必增加配料时间，效率低；反之，如果喂料(或卸料)速度过快，秤体振动大，精度很难保证。
因此，采用合适的控制系统是保证失重秤配料精度的关键因素，这个控制系统既要保证控制系统和设备部分完美的结合起来，实现同步工作，也要保证好的实时性、稳定性及可靠性，以保证秤体部分和控制部分之间能够顺畅地“沟通”。
SIWAREXFTC（灵活的连续称重技术）是一种高精度、高速的称重控制模块，直接集成于西门子PLC控制系统，可用于失重式给料设备的称重控制应用。
在生产过程中，给料流量的精确控制对保证产品质量起到了重要的作用。西门子SWAREXFTC称重模块可以精确的控制生产过程中粉末、颗粒、片状、条状和块状固体物料的给料流量。
SIWAREXFTC全集成失重称方案的优势：
1）通过集成在SIMATIC系统中（如图5），可以直接进行配方管理并设置称重系统的预设值；
2）对于不同的物料，可以方便的在远程设置定量给料的参数通过使用自动获取特性曲线的使用，可实现对计量参数的简单远程调节。
3）易于安装并且可通过各种通讯方式读取称重数据和设置称重系统，例如可通过一个调制解调器或以太网通讯模块简单集成到控制系统。
5)同时SIWAREXFTC能够显示高达每秒100次的采样速度，通过短至10ms的采样间隔时间，大大提高了采样的精确度，同时也大大提高的失重秤系统测量控制精度。
6)可扩充性强。通过预留的机架槽位，不需要增加太多的硬件成本和安装工作，即可在原有系统的基础上实现系统的扩充。
除此之外，它还具有以下优点：
可视化的人机操作界面；
自动调零功能；
自动标定功能，具有电子标定、砝码标定和实物标定功能；
配有8路输入/7路数字量输出并可扩展，可设置多种报警和控制输出；
具有称重仪表数据备份/恢复功能，更换仪表无需重新标定；
预防性维护功能(如图6)；
具有历史记录功能；
不同于传统意义上的称重系统，SIWAREX称重系统实际上一套全集成在SIMATIC系统的数字化称重解决方案。相对于传统的称重系统而言，SIWAREX系统突破了通讯和系统结构的限制，在系统测量精度、控制速度、施工周期、长期维护量等方面体现出了巨大的技术优势。
5.1典型应用介绍
5.1.1食品行业中面粉给料的计量
一家德国食品企业，生产各种各样的食品，包括面包、糖果、奶制品等。为了确保工厂高效运行并保证产品质量，必须使得生产流程最优化和高度自动化，于是用户决定采用西门子SIWAREXFTC称重控制系统来替换老的系统。
在面包生产过程中，为了实现连续生产高品质的食品，用户要求对面粉和各种添加剂配比进行高精度的连续计量和控制。由失重给料装置（见左图，螺旋给料机）将面粉按照预设的流量送入定量给料容器，定量给料容器也作为失重秤来使用，混合来自不同失重式给料机的物料，并根据预设重量值控制各失重式给料机的流量保持在1～4T/H之间，确保各物料之间正确的配料重量比例。失重给料装置可以储存大约200kg重的物料，每3～12分钟就会从上方的原料仓补一次料。
在塑胶、化工、冶金、制药、水泥等过程工业中，原料的配料系统是流程工业的关键环节，它能直接影响到生产的产品质量、效率、能耗等指标。近年来，随着过程工业级控制系统的不断发展，对现场设备提出了新的要求：不仅要求现场设备能实现精确的计量功能，而且还要满足高效率高强度实时性强的连续生产要求，；不仅提供要满足7/24的高可靠工作要求，而且还要具备很低的维护量，甚至免维护的特点；不仅要减少故障率，而且还要实现节能的效果。
相对于电子皮带秤、称重式给料机、螺旋给料机、冲板流量计、圆盘给料机等计量、配料设备而言，失重秤近年来得到越来越多的关注，它在上世纪80年代末被引入到中国后，其在计量、配料方面的优越性，已得到广泛的认可。
二、基本原理、系统组成和特点
失重秤(Loss-In-Weigh)是80年代中期开始应用于各流程工业领域的一种连续称重计量设备。它结合了动态称重和静态称重不同的优点，逐步替代皮带秤、螺旋秤等连续称重设备，被应用到越来越多的工业领域中。
2.1基本原理和系统组成
将称量斗及给料机构作为整个秤体，通过仪表或上位机不停地对秤体进行重量信号的采样，计算出重量在单位时间的变化比率作为瞬时流量，再通过各种软硬件的滤波技术处理，得出可以作为控制对象的“实际流量”。
失重秤的基本组成可分为设备系统和控制部分两大部分。
设备部分主要由计量斗、喂料给料机、卸料给料机、悬吊装置组成。控制部分主要由称重传感器、信号放大器、输入输出接口、主机(上位机)等组成（如图1）。
图1：典型的失重秤秤体及结构示意图
失重秤连续对整个给料系统包括计量斗、给料机构进行称重，相当于一台静态秤；同时通过变频调速来控制给料机构的卸料流量。
失重秤计量斗内每单位时间内物料重量的减少Δd/Δt对应失重秤的给料流量。失重秤控制器将dv/dt与预设的给料流量进行比较，并通过调节给料机的速度来自动修正，因此可以保持精确的给料流量(如图2)。 [p]
图2：失重式定量给料和加料的重量曲线
2.2技术特点
从工作原理和结构来看，失重秤兼具静态秤和动态秤的特点。
对于传统的动态称重计量方法，比如：皮带秤、冲板流量计、螺旋秤等，虽然具有连续称量、实现工艺高效率工作的特点，但是也存在系统精度不高(一般低于在0.5~1%)、维护量大等问题；而静态称重方法，虽然大大提高了系统测量精度(可达0.1%,甚至更高)，但是只能满足间断式的批量给(配)料应用，不能最大程度地满足现代流程工业的高效率高产出要求，何况有些工业应用本身要求连续给(配)料，不允许存在间断。
而失重秤的出现，正好兼备了这两者的优点，弥补了它们的缺点。它的主要优点有：
系统精度高
失重秤工作时，料仓的测量实际在静态下完成的，而且是在上料和下料后各（一？）测量一次，根据两个工作状态测得两个重量差值算出流量。差值与流量给定值误差还可在下一个周期内进行补偿，并且这两个重量测量时间在几分钟内完成，不存在传感器零点漂移和温度漂移等影响。因此可获得相当高的计量精度，系统计量精度可达到0.5%，甚至0.2%，。
全封闭不锈钢结构，适合各种恶劣现场。
设备系统全部为钢质（西门子失重秤一般采用不锈钢），适用环境条件较差的场合，并且具有坚固耐用、维护量小、不怕高温物料等特点。
很多工矿企业是耗电大户，因此如何节约能源，也是一个很重要的课题。由于失重秤采用了全封闭结构，配料过程中不产生粉尘，省去除尘装置，结构简单，无须配皮带秤等配套，既节省了设备投资，又节约了电能，提高了生产效率。
免维护，标定简单
由于失重秤是通过测量重量差值来计算流量的物料测量方式，根本不存在诸如皮带秤等动态秤中存在零点漂移(皮带跑偏、传感器移位、物料冲击振动皮带打滑、皮带粘料等影响造成)、物料粘附、秤体机械结构变形等因素的影响，而能保证长期稳定的系统测量精度，基本不需要维护和大量的标定工作。
根据其测量原理，它不仅可以进行实物标定，而且可以在生产运行中进行在线标定。即根据计量斗内物料的上、下限重量之差和失重秤流量显示值比较计算准确度，这种标定方式具有简单、方便的特点，省钱省力。
三、全集成设计理念
全集成自动化技术(TotallyIntegratedAutomation)是西门子自动化系统技术与产品的核心思想与主导理念。TIA集高度的集成统一性和前所未有的开放性于一身，标准化的网络体系结构，统一的编程组态环境和高度统一的数据集成，使TIA为企业实现了横向和纵向的信息集成；领先的通讯标准，基于组件的自动化技术(CBA)与IT集成，使TIA对全球自动化市场的产品和服务范围真正开放。
1996年．西门子自动化与驱动集团提出“全集成自动化”TIA的概念系统结构(如图3所示)。这一崭新概念革命性地囊括了“制造”与“过程”领域的众多知识与经验，为生产线提供了一种优秀的解决方案。对用户而言，在整个生产过程的生命周期中，以S7系列PLC为核心的TIA技术有助于企业实现生产力的最大化。从最初的规划与设计，工程的实施，到安装与调试，运行与维护，以至于系统升级改造，TIA使企业在整个生命周期中获得最高的生产力和产品质量，并显著降低项目成本。此外，TIA还能大大缩短产品上市和系统投入运行的时间，从而全面增强企业核心竞争力。
由于称重系统相对结构比较复杂，维护量比较大，长期以来技术领先的称重技术厂家一直在考虑如何设计一种既能减少成本，简化称重系统结构，又能提高称重系统整体性能的解决方案。基于TIA的设计理念，西门子公司设计推出了以SIMATICS7为核心的西门子SIWAREX称重方案，无疑是一种满足新要求的一种可行的解决方案。
图3：西门子全集成控制结构示意图
如前所述，失重秤的配料过程分喂料和卸料两个阶段，控制部分比较复杂。失重秤的配料精度主要由称量精度和配料速度来决定的，这两个参量是两个相互矛盾的控制量，要提高称量精度，希望秤体越稳定越好，即喂料(或卸料)速度越慢越好，但势必增加配料时间，效率低；反之，如果喂料(或卸料)速度过快，秤体振动大，精度很难保证。
因此，采用合适的控制系统是保证失重秤配料精度的关键因素，这个控制系统既要保证控制系统和设备部分完美的结合起来，实现同步工作，也要保证好的实时性、稳定性及可靠性，以保证秤体部分和控制部分之间能够顺畅地“沟通”。
SIWAREXFTC（灵活的连续称重技术）是一种高精度、高速的称重控制模块，直接集成于西门子PLC控制系统，可用于失重式给料设备的称重控制应用。
在生产过程中，给料流量的精确控制对保证产品质量起到了重要的作用。西门子SWAREXFTC称重模块可以精确的控制生产过程中粉末、颗粒、片状、条状和块状固体物料的给料流量。
图4：SIWAREX FTC和S7控制器组成的控制系统
SIWAREXFTC全集成失重称方案的优势：
1）通过集成在SIMATIC系统中（如图5），可以直接进行配方管理并设置称重系统的预设值；
2）对于不同的物料，可以方便的在远程设置定量给料的参数通过使用自动获取特性曲线的使用，可实现对计量参数的简单远程调节。
3）易于安装并且可通过各种通讯方式读取称重数据和设置称重系统，例如可通过一个调制解调器或以太网通讯模块简单集成到控制系统。
图5：SIWAREX 集成在S7控制系统中
5)同时SIWAREXFTC能够显示高达每秒100次的采样速度，通过短至10ms的采样间隔时间，大大提高了采样的精确度，同时也大大提高的失重秤系统测量控制精度。
6)可扩充性强。通过预留的机架槽位，不需要增加太多的硬件成本和安装工作，即可在原有系统的基础上实现系统的扩充。
除此之外，它还具有以下优点：
可视化的人机操作界面；
自动调零功能；
自动标定功能，具有电子标定、砝码标定和实物标定功能；
配有8路输入/7路数字量输出并可扩展，可设置多种报警和控制输出；
具有称重仪表数据备份/恢复功能，更换仪表无需重新标定；
预防性维护功能(如图6)；
具有历史记录功能；
不同于传统意义上的称重系统，SIWAREX称重系统实际上一套全集成在SIMATIC系统的数字化称重解决方案。相对于传统的称重系统而言，SIWAREX系统突破了通讯和系统结构的限制，在系统测量精度、控制速度、施工周期、长期维护量等方面体现出了巨大的技术优势。
图6：通过数字信号的传输，SIWAREX可以实现自诊断功能和预测性维护功能
5.1典型应用介绍
5.1.1食品行业中面粉给料的计量
一家德国食品企业，生产各种各样的食品，包括面包、糖果、奶制品等。为了确保工厂高效运行并保证产品质量，必须使得生产流程最优化和高度自动化，于是用户决定采用西门子SIWAREXFTC称重控制系统来替换老的系统。
在面包生产过程中，为了实现连续生产高品质的食品，用户要求对面粉和各种添加剂配比进行高精度的连续计量和控制。由失重给料装置（见左图，螺旋给料机）将面粉按照预设的流量送入定量给料容器，定量给料容器也作为失重秤来使用，混合来自不同失重式给料机的物料，并根据预设重量值控制各失重式给料机的流量保持在1～4T/H之间，确保各物料之间正确的配料重量比例。失重给料装置可以储存大约200kg重的物料，每3～12分钟就会从上方的原料仓补一次料。
图7：利用SIWAREX失重称实现面粉的精确计量 [p]
作为称重控制系统升级方案的一部分，老的称重仪表由
SIWAREX称重模块取代，由于新的技术的使用，可以使得：
提高批量加料计量精度，不受外部因素（例如机械振动等）的干扰；
可适用于不同种类、不同密度的面粉计量控制；
分别获取和显示料位和物料重量值；
易于集成在SIMATICS7系统中，使得称重和控制完美结合；
5.1.2塑料改性
国内某著名塑胶企业配料设备采用失重称重的方式，为了确保每种产品配料中的主料和各种辅料实现准确的配料，整个配料系统由多台失重秤构成，同时称重配料，采用螺旋给料方式进行物料输送。所有主料和辅料最终被送入一个容量约为200Kg的称重式料斗进行混合，由于设备故障维修昂贵且性能不能满足要求，客户决定对失重秤系统进行升级改造。
图8：塑料改性工艺中采用SIWAREXFTC方案系统改造选用了西门子SIWAREXFTC称重控制模块。FTC模块是一种高精度、高速的动态称重控制模块，直接集成于西门子S7-300PLC控制系统，可通过编程方便的实现失重式给料设备的称重控制功能。SWAREXFTC可以精确的控制生产过程中粉末、颗粒、片状、条状和块状固体物料瞬时给料流量和累计量。在生产过程中，给料流量的精确控制对保证产品质量起到了重要的作用。
经过采用SIWAREXFTC称重模块改造的失重秤给料系统带来的好处：
大大节省维修备件费用。因为全集成方案采用均为标准配件，很容易找到维修所需要的备件，成本也大大减少；
方案更灵活。因为基于SIWAREX技术的失重秤方案，具有很强的扩展性，因此，对于以后扩建项目而言，采购的硬件成本和施工成本都可以大大减少；
备件更换方便。因为主要数据和程序均保存在PLC的存储器中，如果发生FTC损坏，需要更换，只需要简单的更换模块硬件本体即可，无须重新设置参数和坐标定，新的模块会自动到PLC中读取数据，实现最短的恢复时间。
5.2发展前景
国家建材局黄永丰总工程师在1989年推广应用失重秤会议上说：“失重秤原理上采用静态称重校零、测重、计量，因此精度高，是其它各种皮带秤、翻斗秤、调速秤等不可比拟的。……因此我希望能够得到大力的推广。”
但是，任何一种技术都一定会有它的局限性，选择和制定最合适的维护方案，必须是从现场工况和自身的实际情况来判断决定。失重秤作为一种先进的连续称重系统，近二十多年来得到了很多关注，同时随着电子技术、传感器技术和通讯技术方面不断突破，性能和应用范围也得到了提高和扩展，已经被广泛地应用到塑料改性、塑料机械、化工、食品、钢铁、水泥等工业领域。
而随着西门子所提倡全集成理念得到越来越多用户的青睐和信任，SIWAREX技术也会达到广泛的认可和应用。随着用户对设备维护、节能、环保等方面的要求不断提高，我们预测SIWAREX技术可能在未来的发展中能够通过改进控制算法，比如：模糊PID控制等方式来进行系统优化，以达到更精确快速的系统精度和响应，同时也达到节能的效果。而这些改进，对于开发的、灵活的全集成SIWAREX方案来说，相对于基于传统的称重仪表系统而言，将会更容易实现和被用户接受。
参考文献：
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[2],吕洋,胡乐成.利用西门子SIWAREXFTC称重模块进行失重秤的改造.传感器与通讯世界.2009,4:P10~11
[3],赵进奎.失重秤及其在水泥熟料配料系统中的应用,自动化仪表.1999,04:P23~35
[4],周克良,肖清.失重秤配料控制系统在工业上的应用.有色设备.2004,04:P10~12
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[6],王福忠,高彩霞,王巧莲,耿杰.基于模糊控制的失重秤配料过程控制策略.河南理工大学学报.2008,6:P302~306
[7],吴坚,李众立,陈波.新兴失重秤的研究.四川水泥.1994,No.6:P8~10,34
[8],吕占平.浅谈失重秤在水泥厂配料上的应用.辽宁建材.1993,第四期:P27~28
[9],刘登山,刘广文,葛培生.涤纶直纺色母粒添加控制系统及其应用.合成纤维工业.2005,10:P61~62
[10],刘赛年,李智元,杨勇军.聚酯装置IPA称量系统的改造.聚酯工业.2006,7:P54~56
[11],高骥,邱慧玲,周卫星.IPA称重仪的应用.石油化工自动化.2006,2:P79~81
[12],郭玉兴,高爱斌.失重秤在立窑水泥厂中的用应用.水泥技术.1992,No.3:P32~34(end)
