一款西门子公司称重模块的应用

1 引言

全集成自动化技术tia（totally integratedautomation）的理念，是由西门子公司在1996年提出的，这是一个自动化系统技术与产品的核心思想，tia首先要做的是将开关量的采集与控制、模拟量的采集与控制都集成在plc中完成，再加上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可以为企业实现横向和纵向的信息集成。

tia信息集成的另一项工作是将一些检测仪表、一些简单的检测控制系统集成进来，比如现场温度仪表中的热电偶、热电阻，如果都采用温度变送器转换成4～20ma再送到plc的i/o模块，显然是不经济也不现实的。所以plc生产厂家开发了模拟量温度输入模块，他一方面可以直接输入各种分度号的热电偶、热电阻，附带也可以接受mv、ω类型的信号，这样温度仪表就可以直接集成到plc中。除模拟量温度输入模块外，另一个信息集成的例子是称重模块，这里所说的称重模块是可以与称重仪表的检测元件（如电阻应变式称重传感器）相连的i/o卡，他是可以接受称重传感器输出的mv信号并可以完成某些衡器功能的plci/o模块，他与同称为称重模块的带安装件的称重传感器含义是不同的，前者是i/o卡件，后者是带安装件的称重传感器。

图1是通过et200m远程i/o、s7-300集成了称重模块的s7-400plc控制系统配置示意图，用户可以完全自由地配置包括称重应用在内的自动化解决方案，适当地组合simatic部件意味着可以给小型、中型和大型工厂找到最佳解决方案。各类称重设备（或称重系统）是用simatic标准操作员站的控制面板进行操作和监控的，当然还可以增加触摸屏等简易人机接口同时用于就地操作和监控称重设备。

2 西门子公司的称重模块

2.1 siwarex简介

在全集成自动化技术tia设计理念的指导下，西门子公司设计推出了siwarex称重模块，这是一种既能减少成本、简化称重系统结构，又能提高称重系统整体性能的一种解决方案。与其他plc生产厂商相比，西门子公司的称重模块开发较早、产品类型最全、应用最广。在西门子公司早期plc产品s5系列中，就开发了siwarexp简易式称重模块（见图2），他可以用于s5-90/95/100u系统中或通过et200u用于分布式i/o系统中，也可以单独应用。他带有称重仪表的痕迹，有面板、键盘和16位lcd显示器，可以直接进行参数智能化调整。他另带两个继电器数字输出接点、4～20ma模拟输出和串口。其技术指标为精度0.1%，内部分辨率20000，采样次数10次/s，可用于平台秤、吊车负荷、过载监控、料位检测。


稍后西门子公司又推出了siwarexm、a称重模块，外形就不再像称重仪表，而完全是一块i/o卡了，性能也提高了很多，精度0.01%，内部分辨率±524286以上，采样次数50次/s，更重要的是。他们作为s7系列plc的i/o卡可以直接插入s7-300，通讯口也增加了rs232，还带3di/4do开关量输入输出。


西门子最新产品目录上的称重模块是适用于中等精度非自动称重衡器（如料斗秤、容器秤、负荷和张力测量）的ms、u、cs、cf称重模块，适用于高速、高精度的非自动/自动称重衡器的fta称重模块，适用于高速、高精度连续自动称重衡器的ftc称重模块（见图3）。其中ms可直接插入s7-200，cs、cf通过et200s作为s7-300、s7-400的分布式i/o，u、fta、ftc直接插入s7-300，也可通过et200m作为s7-300、s7-400的分布式i/o。表1列出了西门子称重模块的主要性能参数。

 

2.2 siwarex优势

如果现场称重设备的信号需要传送到plc系统集中显示与管理，按传统的方案，称重传感器的输出信号要送到重量变送器或称重仪表完成作为称重设备的调整运算后，仅仅将代表重量值的4～20ma信号通过模拟量输入模块送到plc系统（见图4上）。如采用西门子公司siwarex称重模块的方案，则可将称重传感器与称重模块直接相连，由称重模块向称重传感器提供电源，称重传感器的输出信号送到称重模块，而作为称重设备的调整运算等衡器功能则由plc系统完成（见图4下）。siwarex称重模块集成化解决方案有哪些优势呢？

（1）称重模块直接集成在plc系统中，结构紧凑；

（2）标准导轨安装，安装和更换方便；

（3）与plc之间无需额外的通讯接口，传输速度高；

（4）称重信号与s7-200、300的cpu之间采用数字量传输，精度高；

（5）支持扩展各种plc功能模块，实现强大的控制和通讯功能；

（6）具有与西门子simatic统一的编程组态平台，可编程能力强大；

（7）灵活的称重系统组态和扩展；

（8）可实现高速、高精度的称重计量；

（9）具有配方管理功能；

（10）减少通讯和控制系统的硬接线回路；

（11）可用于防爆场合；

（12）称重模块可带诊断功能，如实时检测传感器回路阻抗阻值，实现预维护。

3 称重模块的应用

称重模块已经在各类称重设备（或称重系统）中应用，特别是在那些与工艺过程紧密结合的生产过程，如称重设备（或称重系统）与工艺设备需要连锁控制的过程，以前需要外加plc实现连锁控制，如今称重设备（或称重系统）集成到plc中，实现了一体化控制。这样的系统包括批称量配料系统、称重给料机连续配料系统、失重秤、失重给料机配料系统、轨道衡、包装秤等等。

3.1 料仓秤

作为称重设备最简单的应用——料仓秤，我们可以在s7-200上选用ms称重模块，模块向称重传感器供电并接收称重传感器输出的mv信号，称量数据可以通过外接显示器显示，还可通过触摸屏操作及显示。通过rs232接口连接安装有siwatoolms软件pc机可以完成秤的调整、设定并保存秤的参数，还可以在线运行对故障进行诊断。料仓秤组成示意图见图5所示，在触摸屏上显示的总貌画面见图6所示。

 

3.2 批称量配料系统

批称量配料系统有多台料仓秤，通常称之为多物料、多组分的称重配比系统。除了料仓的称重信号外，还会有一些开关量输入/输出信号。而作为生产过程的一部分，料仓秤还需要与周围设备连锁配合，共同完成称重、配料等项工作。图7所示为全集成plc批称量配料系统图，他是由s7-300plc的cpu、电源模块及作为其i/o模块的siwarex u称重模块、di/do模块共同组成的。

3.3 称重给料机

西门子公司ftc称重模块是设计专门用于高速、高精度连续自动称重衡器，图8是用于称重给料机连续配料系统示意图。图中，称重给料机秤架上称重传感器、速度传感器的输入信号接入ftc称重模块，由称重模块进行计算处理（包括ad转换，滤波等）后，再通过plc总线直接传给s7-300plc的cpu，通过s7-300plc的控制功能实现pid控制，通过称重模块的模拟输出端子输出4～20ma控制信号（例如送到变频器的信号），通过就地盘上的触摸屏可以显示称重过程参数并进行操作。


3.4 糖香料厨房

徐州卷烟厂技术改造工程糖香料厨房系统，要求对配置的95个原料罐中各种糖香料按配方要求定量出料，配置准确度为±1%。原料罐下部装有称重传感器并连接到称重模块，以检测罐内料液重量和料液配制量。系统接收上级生产管理部门下发的生产任务通知单，自动分解出所需配制料液的牌号、重量，选定调制罐，系统自动检索配方数据库中对应牌号的配方参数计算出所需各原料的重量，然后中央控制器（plc）通过检测到的原料罐内原料的实时重量控制参与配制时各个原料罐的出料阀的开闭，达到控制出料量的目的，图9为其中的糖料配制区原料罐显示画面。


控制系统采用西门子s7-400plc，另有ethernet网络模块、电源模块、26个profinet节点模块、95个称重模块siwarexcs、27个电机模块、28台fc变频器模块、165个各种i/o输入、输出模块及4个网络交换机等等。95个siwarexcs称重模块分布在5个i/o子站箱中，每个子站箱通过et200s扩展装有19个siwarex cs称重模块（最多可装31个siwarexcs电子称重模块），每个子站直接接入网络交换机，进而通过profinet网络直接接入plc中。系统共控制27台电机定速转动、28台电机变速转动、620台阀门开启或关闭。

与以前采用的差压变送器计量方式比较，改造后的糖香料厨房具有精度高、零漂小、稳定性好（受温度影响小）、标定方便（无需专用仪表）等优点。新系统2007年7月投入运行，2007年12月通过验收。系统运行至今，维护量极少，管理操作非常方便，各项性能指标均达到规定要求，因而得到最终用户的充分肯定。

采用带称重模块的plc构成了全集成称重控制系统，这使称重系统成为集成在全自动化解决方案中的一个自动化装置，从而可使用标准自动化系统执行各种称重领域的特定任务。这不仅允许用户以多种方式实现操作、显示、控制、存储、通讯等工作，而且还允许称量过程完全融入标准自动化系统中，无需额外的投资及管理费用。上面提到的糖香料厨房的这个例子非常典型，控制系统档次高（采用了大型s7-400plc）、i/o模块数量多（约343个）、称重设备台数多（95台）、配方多、要求配方精度高、设计的外围控制设备数量多（电机、阀门等约675台）、应用效果好，也充分说明了采用带称重模块的全集成称重控制系统的特点和优势。

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