摘要：文章介紹了失重秤的工作原理、系統(tǒng)組成和特點，簡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)、失重秤方案及應用。
關(guān)鍵詞：失重秤 SIWAREX 全集成 免維護
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。近年來，隨著過程工業(yè)級控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對現(xiàn)場設備提出了新的要求：不僅要求現(xiàn)場設備能實現(xiàn)精確的計量功能，而且還要滿足高效率高強度實時性強的連續(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量，甚至免維護的特點；不僅要減少故障率，而且還要實現(xiàn)節(jié)能的效果。
相對于電子皮帶秤、稱重式給料機、螺旋給料機、沖板流量計、圓盤給料機等計量、配料設備而言，失重秤近年來得到越來越多的關(guān)注，它在上世紀80年代末被引入到中國后，其在計量、配料方面的優(yōu)越性，已得到廣泛的認可。
二、基本原理、系統(tǒng)組成和特點
失重秤(Loss-In-Weigh)是80年代中期開始應用于各流程工業(yè)領(lǐng)域的一種連續(xù)稱重計量設備。它結(jié)合了動態(tài)稱重和靜態(tài)稱重不同的優(yōu)點，逐步替代皮帶秤、螺旋秤等連續(xù)稱重設備，被應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
將稱量斗及給料機構(gòu)作為整個秤體，通過儀表或上位機不停地對秤體進行重量信號的采樣，計算出重量在單位時間的變化比率作為瞬時流量，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象的“實際流量”。
失重秤的基本組成可分為設備系統(tǒng)和控制部分兩大部分。
設備部分主要由計量斗、喂料給料機、卸料給料機、懸吊裝置組成�？刂撇糠种饕煞Q重傳感器、信號放大器、輸入輸出接口、主機(上位機)等組成（如圖1）。
失重秤的配料過程分為喂料和卸料兩個階段，配料開始后，首先啟動喂料給料機，由控制器對計量斗物料重量進行檢測、采樣，當計量斗物料重量達到配料設定的上限值時，停止喂料。同時，控制器對計量斗物料重量進行檢測、采樣，當計量斗物料重量（喂料量）達到配料設定的上限值時，停止喂料。在卸料階段，控制器啟動卸料給料機，將計量斗中的物料卸到下一級輸料設備送走。卸料時，控制器對計量斗物料重量進行檢測、采樣，當計量斗物料重量達到配料設定的下限值時，重新向計量斗喂料。但在第二個喂料階段開始后，卸料給料機仍不停頓繼續(xù)卸料。
失重秤連續(xù)對整個給料系統(tǒng)包括計量斗、給料機構(gòu)進行稱重，相當于一臺靜態(tài)秤；同時通過變頻調(diào)速來控制給料機構(gòu)的卸料流量。
失重秤計量斗內(nèi)每單位時間內(nèi)物料重量的減少Δd/ Δt對應失重秤的給料流量。失重秤控制器將dv/dt與預設的給料流量進行比較，并通過調(diào)節(jié)給料機的速度來自動修正，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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當計量斗內(nèi)的物料重量低于預設值，失重秤控制模塊將鎖定給料機速度，保持下料機構(gòu)以容積方式給料，同時打開加料閥進行快速加料。當計量斗內(nèi)物料重量達到高位預設值，加料閥自動關(guān)閉。同時失重秤控制器自動將下料機構(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
從工作原理和結(jié)構(gòu)來看，失重秤兼具靜態(tài)秤和動態(tài)秤的特點。
對于傳統(tǒng)的動態(tài)稱重計量方法，比如：皮帶秤、沖板流量計、螺旋秤等，雖然具有連續(xù)稱量、實現(xiàn)工藝高效率工作的特點，但是也存在系統(tǒng)精度不高(一般低于在0.5~1%)、維護量大等問題；而靜態(tài)稱重方法，雖然大大提高了系統(tǒng)測量精度(可達0.1%,甚至更高)，但是只能滿足間斷式的批量給(配)料應用，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，彌補了它們的缺點。它的主要優(yōu)點有：
Ø 系統(tǒng)精度高
失重秤工作時，料倉的測量實際在靜態(tài)下完成的，而且是在上料和下料后各（一？）測量一次，根據(jù)兩個工作狀態(tài)測得兩個重量差值算出流量。差值與流量給定值誤差還可在下一個周期內(nèi)進行補償，并且這兩個重量測量時間在幾分鐘內(nèi)完成，不存在傳感器零點漂移和溫度漂移等影響。因此可獲得相當高的計量精度，系統(tǒng)計量精度可達到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。
設備系統(tǒng)全部為鋼質(zhì)（西門子失重秤一般采用不銹鋼），適用環(huán)境條件較差的場合，并且具有堅固耐用、維護量小、不怕高溫物料等特點。
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)簡單，無須配皮帶秤等配套，既節(jié)省了設備投資，又節(jié)約了電能，提高了生產(chǎn)效率。
Ø 免維護，標定簡單
由于失重秤是通過測量重量差值來計算流量的物料測量方式，根本不存在諸如皮帶秤等動態(tài)秤中存在零點漂移(皮帶跑偏、傳感器移位、物料沖擊振動皮帶打滑、皮帶粘料等影響造成)、物料粘附、秤體機械結(jié)構(gòu)變形等因素的影響，而能保證長期穩(wěn)定的系統(tǒng)測量精度，基本不需要維護和大量的標定工作。
根據(jù)其測量原理，它不僅可以進行實物標定，而且可以在生產(chǎn)運行中進行在線標定。即根據(jù)計量斗內(nèi)物料的上、下限重量之差和失重秤流量顯示值比較計算準確度，這種標定方式具有簡單、方便的特點，省錢省力。
三、全集成設計理念
全集成自動化技術(shù)(Totally Integrated Automation )是西門子自動化系統(tǒng)技術(shù)與產(chǎn)品的核心思想與主導理念。TIA集高度的集成統(tǒng)一性和前所未有的開放性于一身，標準化的網(wǎng)絡體系結(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)實現(xiàn)了橫向和縱向的信息集成； 領(lǐng)先的通訊標準， 基于組件的自動化技術(shù)(CBA)與IT集成， 使TIA對全球自動化市場的產(chǎn)品和服務范圍真正開放。
圖3：西門子全集成控制結(jié)構(gòu)示意圖
1996年．西門子自動化與驅(qū)動集團提出“全集成自動化”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)域的眾多知識與經(jīng)驗， 為生產(chǎn)線提供了一種優(yōu)秀的解決方案。對用戶而言， 在整個生產(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)實現(xiàn)生產(chǎn)力的最大化。從最初的規(guī)劃與設計，工程的實施，到安裝與調(diào)試，運行與維護，以至于系統(tǒng)升級改造，TIA使企業(yè)在整個生命周期中獲得最高的生產(chǎn)力和產(chǎn)品質(zhì)量， 并顯著降低項目成本。此外，TIA還能大大縮短產(chǎn)品上市和系統(tǒng)投入運行的時間，從而全面增強企業(yè)核心競爭力。
由于稱重系統(tǒng)相對結(jié)構(gòu)比較復雜，維護量比較大，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計一種既能減少成本，簡化稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，又能提高稱重系統(tǒng)整體性能的解決方案。基于TIA的設計理念，西門子公司設計推出了以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階段，控制部分比較復雜。失重秤的配料精度主要由稱量精度和配料速度來決定的，這兩個參量是兩個相互矛盾的控制量，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，但勢必增加配料時間，效率低；反之，如果喂料(或卸料)速度過快，秤體振動大，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，這個控制系統(tǒng)既要保證控制系統(tǒng)和設備部分完美的結(jié)合起來，實現(xiàn)同步工作，也要保證好的實時性、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備的稱重控制應用。
在生產(chǎn)過程中，給料流量的精確控制對保證產(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失重秤標準配置包括SIWAREX FTC稱重模塊和PLC或上位機(HMI)、稱重傳感器、計量斗、加料閥、下料機構(gòu)、電機驅(qū)動部分等組成(如圖4)。
SIWAREX FTC全集成失重稱方案的優(yōu)勢：
1）通過集成在SIMATIC系統(tǒng)中（如圖5），可以直接進行配方管理并設置稱重系統(tǒng)的預設值；
2）對于不同的物料，可以方便的在遠程設置定量給料的參數(shù)通過使用自動獲取特性曲線的使用，可實現(xiàn)對計量參數(shù)的簡單遠程調(diào)節(jié)。
3）易于安裝并且可通過各種通訊方式讀取稱重數(shù)據(jù)和設置稱重系統(tǒng)，例如可通過一個調(diào)制解調(diào)器或以太網(wǎng)通訊模塊簡單集成到控制系統(tǒng)。
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圖5：SIWAREX 集成在S7控制系統(tǒng)中
| 4）無可比擬的實時性，具有了高速實時稱重數(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)省了稱重設備與PLC系統(tǒng)之間的通訊環(huán)節(jié)，降低了成本；
5) 同時SIWAREX FTC能夠顯示高達每秒100次的采樣速度，通過短至10ms的采樣間隔時間，大大提高了采樣的精確度，同時也大大提高的失重秤系統(tǒng)測量控制精度。
6) 可擴充性強。通過預留的機架槽位，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)的基礎上實現(xiàn)系統(tǒng)的擴充。
除此之外，它還具有以下優(yōu)點：
• 可視化的人機操作界面；
• 自動調(diào)零功能；
• 自動標定功能，具有電子標定、砝碼標定和實物標定功能；
• 配有8路輸入/7路數(shù)字量輸出并可擴展，可設置多種報警和控制輸出；
• 具有稱重儀表數(shù)據(jù)備份/恢復功能，更換儀表無需重新標定；
• 預防性維護功能(如圖6)；
• 具有歷史記錄功能；
圖6：通過數(shù)字信號的傳輸，SIWAREX可以實現(xiàn)自診斷功能和預測性維護功能
不同于傳統(tǒng)意義上的稱重系統(tǒng)，SIWAREX稱重系統(tǒng)實際上一套全集成在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)測量精度、控制速度、施工周期、長期維護量等方面體現(xiàn)出了巨大的技術(shù)優(yōu)勢。
五、典型應用和發(fā)展前景
5.1 典型應用介紹
5.1.1 食品行業(yè)中面粉給料的計量
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，為了實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)高品質(zhì)的食品，用戶要求對面粉和各種添加劑配比進行高精度的連續(xù)計量和控制。由失重
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圖7：利用SIWAREX失重稱實現(xiàn)面粉的精確計量
| 給料裝置（見左圖，螺旋給料機）將面粉按照預設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的物料，并根據(jù)預設重量值控制各失重式給料機的流量保持在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存大約200kg 重的物料，每3～12 分鐘就會從上方的原料倉補一次料。
作 為 稱 重 控 制 系 統(tǒng) 升 級 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 提高批量加料計量精度，不受外部因素（例如機械振動等）的干擾；
Ø 可適用于不同種類、不同密度的面粉計量控制；
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現(xiàn)準確的配料，整個配料系統(tǒng)由多臺失重秤構(gòu)成，同時稱重配料，采用螺旋給料方式進行物料輸送。所有主料和輔料最終被送入一個容量約為200Kg的稱重式料斗進行混合，由于設備故障維修昂貴且性能不能滿足要求，客戶決定對失重秤系統(tǒng)進行升級改造。
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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現(xiàn)失重式給料設備的稱重控制功能。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給料流量和累計量。在生產(chǎn)過程中，給料流量的精確控制對保證產(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)省維修備件費用。因為全集成方案采用均為標準配件，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。因為基于SIWAREX技術(shù)的失重秤方案，具有很強的擴展性，因此，對于以后擴建項目而言，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。因為主要數(shù)據(jù)和程序均保存在PLC的存儲器中，如果發(fā)生FTC損壞，需要更換，只需要簡單的更換模塊硬件本體即可，無須重新設置參數(shù)和坐標定，新的模塊會自動到PLC中讀取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)最短的恢復時間。
5.2 發(fā)展前景
國家建材局黃永豐總工程師在1989年推廣應用失重秤會議上說：“失重秤原理上采用靜態(tài)稱重校零、測重、計量，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)都一定會有它的局限性，選擇和制定最合適的維護方案，必須是從現(xiàn)場工況和自身的實際情況來判斷決定。失重秤作為一種先進的連續(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，性能和應用范圍也得到了提高和擴展，已經(jīng)被廣泛地應用到塑料改性、塑料機械、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)也會達到廣泛的認可和應用。隨著用戶對設備維護、節(jié)能、環(huán)保等方面的要求不斷提高，我們預測SIWAREX技術(shù)可能在未來的發(fā)展中能夠通過改進控制算法，比如：模糊PID控制等方式來進行系統(tǒng)優(yōu)化，以達到更精確快速的系統(tǒng)精度和響應，同時也達到節(jié)能的效果。而這些改進，對于開發(fā)的、靈活的全集成SIWAREX方案來說，相對于基于傳統(tǒng)的稱重儀表系統(tǒng)而言，將會更容易實現(xiàn)和被用戶接受。
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