摘要：文章介紹了失重秤的工作原理、系統組成和特點，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、失重秤方案及應用。
關鍵詞：失重秤 SIWAREX 全集成 免維護
一、前言
在塑膠、化工、冶金、制藥、水泥等過程工業中，原料的配料系統是流程工業的關鍵環節，它能直接影響到生產的產品質量、效率、能耗等指標。近年來，隨著過程工業級控制系統的不斷發展，對現場設備提出了新的要求：不僅要求現場設備能實現精確的計量功能，而且還要滿足高效率高強度實時性強的連續生產要求，；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，而且還要實現節能的效果。
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、配料方面的優越性，已得到廣泛的認可。
二、基本原理、系統組成和特點
失重秤(Loss-In-Weigh)是80年代中期開始應用于各流程工業領域的一種連續稱重計量設備。它結合了動態稱重和靜態稱重不同的優點，逐步替代皮帶秤、螺旋秤等連續稱重設備，被應用到越來越多的工業領域中。
2.1 基本原理和系統組成
將稱量斗及給料機構作為整個秤體，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。控制部分主要由稱重傳感器、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卸料。
失重秤連續對整個給料系統包括計量斗、給料機構進行稱重，相當于一臺靜態秤；同時通過變頻調速來控制給料機構的卸料流量。
失重秤計量斗內每單位時間內物料重量的減少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，并通過調節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構示意圖
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當計量斗內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。當計量斗內物料重量達到高位預設值，加料閥自動關閉。同時失重秤控制器自動將下料機構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 技術特點
從工作原理和結構來看，失重秤兼具靜態秤和動態秤的特點。
對于傳統的動態稱重計量方法，比如：皮帶秤、沖板流量計、螺旋秤等，雖然具有連續稱量、實現工藝高效率工作的特點，但是也存在系統精度不高(一般低于在0.5~1%)、維護量大等問題；而靜態稱重方法，雖然大大提高了系統測量精度(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代流程工業的高效率高產出要求，何況有些工業應用本身要求連續給(配)料，不允許存在間斷。
而失重秤的出現，正好兼備了這兩者的優點，彌補了它們的缺點。它的主要優點有：
Ø 系統精度高
失重秤工作時，料倉的測量實際在靜態下完成的，而且是在上料和下料后各（一？）測量一次，根據兩個工作狀態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進行補償，并且這兩個重量測量時間在幾分鐘內完成，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，系統計量精度可達到0.5%，甚至0.2%，。
Ø 全封閉不銹鋼結構，適合各種惡劣現場。
設備系統全部為鋼質（西門子失重秤一般采用不銹鋼），適用環境條件較差的場合，并且具有堅固耐用、維護量小、不怕高溫物料等特點。
很多工礦企業是耗電大戶，因此如何節約能源，也是一個很重要的課題。由于失重秤采用了全封閉結構，配料過程中不產生粉塵，省去除塵裝置，結構簡單，無須配皮帶秤等配套，既節省了設備投資，又節約了電能，提高了生產效率。
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、秤體機械結構變形等因素的影響，而能保證長期穩定的系統測量精度，基本不需要維護和大量的標定工作。
根據其測量原理，它不僅可以進行實物標定，而且可以在生產運行中進行在線標定。即根據計量斗內物料的上、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(Totally Integrated Automation )是西門子自動化系統技術與產品的核心思想與主導理念。TIA集高度的集成統一性和前所未有的開放性于一身，標準化的網絡體系結構， 統一的編程組態環境和高度統一的數據集成， 使TIA為企業實現了橫向和縱向的信息集成； 領先的通訊標準， 基于組件的自動化技術(CBA)與IT集成， 使TIA對全球自動化市場的產品和服務范圍真正開放。
圖3：西門子全集成控制結構示意圖
1996年．西門子自動化與驅動集團提出“全集成自動化”TIA的概念系統結構(如圖3所示)。這一嶄新概念革命性地囊括了“制造”與“過程”領域的眾多知識與經驗， 為生產線提供了一種優秀的解決方案。對用戶而言， 在整個生產過程的生命周期中， 以S7系列PLC為核心的TIA 技術有助于企業實現生產力的最大化。從最初的規劃與設計，工程的實施，到安裝與調試，運行與維護，以至于系統升級改造，TIA使企業在整個生命周期中獲得最高的生產力和產品質量， 并顯著降低項目成本。此外，TIA還能大大縮短產品上市和系統投入運行的時間，從而全面增強企業核心競爭力。
由于稱重系統相對結構比較復雜，維護量比較大，長期以來技術領先的稱重技術廠家一直在考慮如何設計一種既能減少成本，簡化稱重系統結構，又能提高稱重系統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
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是保證失重秤配料精度的關鍵因素，這個控制系統既要保證控制系統和設備部分完美的結合起來，實現同步工作，也要保證好的實時性、穩定性及可靠性，以保證秤體部分和控制部分之間能夠順暢地“溝通”。
SIWAREX FTC（靈活的連續稱重技術）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，可用于失重式給料設備的稱重控制應用。
在生產過程中，給料流量的精確控制對保證產品質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
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、電機驅動部分等組成(如圖4)。
SIWAREX FTC全集成失重稱方案的優勢：
1）通過集成在SIMATIC系統中（如圖5），可以直接進行配方管理并設置稱重系統的預設值；
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通過使用自動獲取特性曲線的使用，可實現對計量參數的簡單遠程調節。
3）易于安裝并且可通過各種通訊方式讀取稱重數據和設置稱重系統，例如可通過一個調制解調器或以太網通訊模塊簡單集成到控制系統。
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圖5：SIWAREX 集成在S7控制系統中
| 4）無可比擬的實時性，具有了高速實時稱重數據處理和多種有效濾波能力。稱重的數據通過PLC背板直接送入PLC系統，節省了稱重設備與PLC系統之間的通訊環節，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，即可在原有系統的基礎上實現系統的擴充。
除此之外，它還具有以下優點：
• 可視化的人機操作界面；
• 自動調零功能；
• 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；
• 具有稱重儀表數據備份/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：通過數字信號的傳輸，SIWAREX可以實現自診斷功能和預測性維護功能
不同于傳統意義上的稱重系統，SIWAREX稱重系統實際上一套全集成在SIMATIC系統的數字化稱重解決方案。相對于傳統的稱重系統而言，SIWAREX系統突破了通訊和系統結構的限制，在系統測量精度、控制速度、施工周期、長期維護量等方面體現出了巨大的技術優勢。
五、典型應用和發展前景
5.1 典型應用介紹
5.1.1 食品行業中面粉給料的計量
一家德國食品企業，生產各種各樣的食品，包括面包、糖果、奶制品等。為了確保工廠高效運行并保證產品質量，必須使得生產流程最優化和高度自動化，于是用戶決定采用西門子SIWAREX FTC 稱重控制系統來替換老的系統。
在面包生產過程中，為了實現連續生產高品質的食品，用戶要求對面粉和各種添加劑配比進行高精度的連續計量和控制。由失重
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圖7：利用SIWAREX失重稱實現面粉的精確計量
| 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 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 系統中，使得稱重和控制完美結合；
5.1.2 塑料改性
國內某著名塑膠企業配料設備采用失重稱重的方式，為了確保每種產品配料中的主料和各種輔料實現準確的配料，整個配料系統由多臺失重秤構成，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、高速的動態稱重控制模塊，直接集成于西門子S7-300PLC控制系統，可通過編程方便的實現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。在生產過程中，給料流量的精確控制對保證產品質量起到了重要的作用。
經過采用SIWAREX FTC稱重模塊改造的失重秤給料系統帶來的好處：
Ø 大大節省維修備件費用。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。因為主要數據和程序均保存在PLC的存儲器中，如果發生FTC損壞，需要更換，只需要簡單的更換模塊硬件本體即可，無須重新設置參數和坐標定，新的模塊會自動到PLC中讀取數據，實現最短的恢復時間。
5.2 發展前景
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、調速秤等不可比擬的。……因此我希望能夠得到大力的推廣。”
但是，任何一種技術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稱重系統，近二十多年來得到了很多關注，同時隨著電子技術、傳感器技術和通訊技術方面不斷突破，性能和應用范圍也得到了提高和擴展，已經被廣泛地應用到塑料改性、塑料機械、化工、食品、鋼鐵、水泥等工業領域。
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技術也會達到廣泛的認可和應用。隨著用戶對設備維護、節能、環保等方面的要求不斷提高，我們預測SIWAREX技術可能在未來的發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優化，以達到更精確快速的系統精度和響應，同時也達到節能的效果。而這些改進，對于開發的、靈活的全集成SIWAREX方案來說，相對于基于傳統的稱重儀表系統而言，將會更容易實現和被用戶接受。
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