基于SIWAREX FTA电子称重模块在全自动配料控制中的应用

SIWAREX FTA电子称重模块在全自动配料控制中的应用
Application of Automatic Dosing System Based on SIWAREX FTA Weighing Module
张明1，郭吉仁1，李萌1，亢涛2
（1．天津市工业自动化仪表研究所 2. 宜宾五粮液集团）

摘要：本文根据配料生产工艺，结合实际工程说明了如何依托于西门子S7-300 PLC将SIWAREX  FTA电子称重模块扩展成多配方、多物料的高精度秤重系统。SIWAREX FTA电子称重模块，真正意义上的工业称重系统集成化解决方案，是过程控制系统集成称重控制功能的先行者。
关键词：配料、 SIWAREX  FTA 、 电子称重模块 、多物料 、多配方
Abstract: This paper introduces that the dosing process bases on Siwarex FTA module and S7-300 PLC. It is the high precision weighing system and can be extended to multi-material & multi-Recipe. Siwarex FTA weighing module is really the best solution for Integrated Industry Weighing system. It is weighing leader in the process control system integrated the weighing function.
Key Words: Dosing, SIWAREX FTA, Electronic Weighing Module, Multi-Material, Multi-Recipe
1、        引言
称重与配料是各行业提高产品质量的前提，而配料仪表又是配料系统中最基本的装备，它已成为企业工艺生产装备中的关键。如何用性价比更高的配料仪表来实现全自动配料系统的核心功能，这是自动配料工程技术中的关键问题。本文将就宜宾五粮液集团两台玻璃熔炉的配料系统工程来介绍如何用西门子SIWAREX  FTA电子称重模块来实现多配方、多物料配料的全自动控制。
2、系统的组成及工艺生产对系统的要求
  ① 配料系统的组成结构及工艺流程
对宜宾五粮液集团两台玻璃熔炉的配料系统工程，其配料系统的流程如下：
  
图2.1  玻璃配料系统流程图
  如图2.1，每台控制模块对应一台称斗的一组传感器，实现一个称量单元。综合考虑结构、料性、配料速度等诸多因素，每个称量单元对应1~4个料仓，即：每个单元称量1~4种物料。共计15~20种物料（如：石英砂、纯碱、方解石、砒霜等），这也就对配料系统提出了“多物料”自动配料的要求。
另外，为了提高生产运行效率、降低生产成本，甲方要求此系统必须适应双线不同配方的随时切换。这又给系统提出了“多配方”的自动配料要求，自动配料系统控制柜见图2.2。

  
图2.2 控制室内的配料系统控制柜
我们把2、3、4号秤（称重单元）作为系统的公用部分，1、6号称属于一号线配方，5、7号线属于二号线配方。同时利用正反向收集皮带来输送2、3、4号秤中的粉料到一线或二线混料机。粉料经强制混合与玻渣一同送至窑头料仓。
②配料工艺的控制时序
该系统要满足两台日出料量80吨/日的玻璃窑炉的配料要求，也就是说每副料的称量、混合周期应保证在5~8分钟以内。其动态精度要保证在0.05%以上，混料均匀程度≥98%。配料精度和速度往往存在一定的制约，但是通过我们对配料周期内各段的统筹控制，便完全可以实现这一工艺要求。

图2.3 配料工艺控制时序
如图2.3所示，称料与混料控制相互独立，时序上两次称量的过程可以连续进行。另外在称量过程中粗调与精调的转换、悬浮料修正系数的合理设定也是提高配料速度与精度的重要因素。
3、西门子SIWAREX  FTA电子称重模块介绍
SIWAREX  FTA是一种多用途的、灵活的电子称重模块（实物见图3.1）。是标准的西门子SIMATIC功能模板，是SIMATIC系统集成的一部分。自动称重通过一个预先定义的称重工序来实现，SIWAREX  FTA的秤的功能包括：非自动衡器（符合OIML R-76的非自动衡器），用于自动装料衡器（符合OIML R-61的自动装料衡器），用于自动分检衡器（符合OIML R-51的自动分检衡器），以及用于非连续累计自动衡器（符合OIML R-107的非连续累计自动衡器）。应用于称重领域它主要有以下优点：
l）通过ET 200M连接到PROFIBUS DP上，可以应用于分散系统概念中；
2）分辨率高达1600万分之一的重量测量或能力；
3）精度高达3 x 6000d，可以校准（0.5 μV 每个 e）；
4）可校准显示器，具有SIMATIC HMI标准操作员面板；
5）测量速率：内部2.5毫秒，外部10毫秒；以保证高精度定量给料控制
6）准确的剂量切换信号（< 1毫秒）；
7）若干个剂量分配速度；
8）平滑或分步控制的剂量控制；
9）可以通过参数定义的输入和输出；
10）用于不同应用程序的自动称重操作参数设置；

可见SIWAREX  FTA称重模块是单物料、单配方称重控制的最佳选择。但是又因为它具有如下优势，这使它应用于多物料、多配方的复杂配料控制系统变得容易。
1）通过集成在SIMATIC S7和SIMATIC PCS7中而获得的统一结构和通用通信；
2）利用SIMATIC的统一项目规划；
3）在SIMATIC自动化系统中的直接应用；
4、控制方案与具体方法
  ①配料控制系统方案示意
针对系统要求，综合考虑可靠性、先进性、系统成本以及通讯能力要求，配料控制系统采用西门子S7-300 PLC作为主要逻辑控制器，上位机为一台DELL PC和一台10英寸西门子TP270触摸屏。称量控制的核心部件是SIWAREX FTA电子称重模块，称重传感器给出重量信号(mV模拟量信号)直接进入到SIWAREX FTA，其余的称重过程由FTA分解完成（包括物料的快慢加转换，悬浮料计算与修正、容差报警、小流量提示等）。而多配方的存储与调用、多物料加料顺序的控制、报表、报警的生成与管理等等则依赖于S7-300 的CPU来完成。
SIWAREX FTA给出确定的动作信号到PLC的I/O卡进而由PLC的I/O来控制电气、设备。同样，上位机PC或TP270触摸屏也可以对SIWAREX FTA的称重过程进行监视与干预，实现功能兼容互为备用的作用。见图4.1

  
图 4.1  配料控制系统方案
②基于STEP 7 如何划分功能单元
  配料过程中，所有的逻辑控制基本都要由PLC完成，那么除了诸如加料机、活化器、收集皮带、混料机、放料阀等等机械设备外，我们如何详细划分配比称量部分的功能呢？首先，我们要了解SIWAREX  FTA称重模块的控制和通讯方式， SIWA_FTA与SIMATIC CPU利用功能块FB41进行通信。在编制调用过程中，会给FB SIWA_FTA创建一个实例数据块。除了实例数据块以外，每个定标SIWAREX FTA都需要一个定标数据块，在其中储存秤的参数。随它一起提供的数据类型UDT12能用来创建定标数据块。矢量数据块也必须装载到SIMATIC CPU中。一个矢量数据块可以被一个以上的SIWAREX  FTA所使用。对于应用程序中的每个秤，程序功能块FB 41能被调用一次。它在一个程序层级上循环（例如在OB 1中），并提供有调用参数。也就是说我们所有的与SIWA_FTA的对话都要通过FB 41进行[2]:
       CALL  "SIWA_FTA" , "FTA1 SL"
       ADDR        :=464
       DB_SCALE    :=12
       DB_VECTOR   :=11
       CMD_IN      :="DB_SCALE-1".i_CMD_INPUT      命令代码输入
       SIM_VAL     :="DB_SCALE-1".r_SIM_VALUE
       ANA_OUT     :="DB_SCALE-1".r_ANALOG_OUT_VALUE
       DO_FORCE    :="DB_SCALE-1".b_DIG_OUTPUT_FORCE
       TRANSITION  :="DB_SCALE-1".b_TRANSITIONS
       CMD_INPR    :="DB_SCALE-1".bo_CMD_IN_PROGRESS  命令正在进行
       CMD_FOK     :="DB_SCALE-1".bo_CMD_FINISHED_OK  命令完成，OK
       CMD_ERR     :="DB_SCALE-1".bo_CMD_ERR          命令完成错误
       CMD_ERR_C   :="DB_SCALE-1".b_FB_ERR_CODE
       REF_COUNT   :="DB_SCALE-1".b_INFO_REFRESH_COUNT
       PROC_VAL1   :="DB_SCALE-1".r_PROCESS_VALUE1
       PROC_VAL2   :="DB_SCALE-1".dw_PROCESS_VALUE2
       SC_STATUS   :="DB_SCALE-1".dw_SCALE_STATUS
       ERR_MSG     :="DB_SCALE-1".bo_ERR_MSG
       ERR_MSG_TYPE:="DB_SCALE-1".b_ERR_MSG_TYPE
       ERR_MSG_C   :="DB_SCALE-1".b_ERR_MSG_CODE
       FB_ERR      :="DB_SCALE-1".bo_FB_ERR
       FB_ERR_C    :="DB_SCALE-1".b_FB_ERR_CODE
       START_UP    :="DB_SCALE-1".bo_START_UP_IN_PROGRESS
       CMD_EN      :="DB_SCALE-1".bo_CMD_ENABLE
       ERR_MSG_Q   :="DB_SCALE-1".bo_ERR_MSG_QUIT
不同层次中划分的各功能单元间的通讯要力求简单，功能力求明确。这样，我们编制的功能块也就可以作为工具，简单、明确、方便的永久性使用同时也方便现场的调试和修改。


图 4.2 功能单元划分
如图，其中FB plan（配料计划）、FB as_pro（系统配方管理与应用）、FB pro1单台称配方应用、FB met1（单台称称重控制）、FB rept（配料报表）、FB rept 1（单台称报表编制）、FB cali（校秤）都可以作为“工具”灵活、方便的使用。
③带多物料的主称重控制的实现（FB met1）
主称重控制的精确称量是由模块的称重循环完成的，但是我们如何在称重循环以外添加多物料控制功能、添加人为干预选项是我们需要解决的问题。称量中物料的特性参数和物料用量是被保存在模块内部的数据块（通过DB12）中的。这些参数包括：物料的正负容差、小流量极限、慢加设定值、悬浮料、稳定时间与重量等等。所以当我们转换物料的称量时,必须改写这些参数；另外，由于物料的慢加点、悬浮料值有自动修正，所以在每个物料称重循环结束时必须马上转移、保存这些值，以免被新的物料参数所覆盖。
控制的逻辑过程可按如下编写：

图 4.3 控制逻辑过程
编写这部分主称量程序时，除了要保证严密性、容错能力，更要布置好功能块的输入与输出，使它成为一个独立的功能单元(FB met)：
          输入（IN）                       输出(OUT)

④多配方选择控制（FB as_pro ; FB pro1）
   多配方的实现仍要靠SIWAREX FTA外部的CPU来完成，建好存储配方参数的数据块之后，我们只需按所执行的配方来输送配方参数。在这里我们设置两个模式即：总量模式和非总量模式。这有利于在几十种物料的复杂配方中任意修改、按比例放大、缩小配方。控制的逻辑过程可按如下编写：

图 4.4  多配方选择控制
   每个称（模块）处理若干个物料；所以我们需要固定的功能块来处理于控制每个模块内部的配方数据处理即FB pro1~ FB pro7。
       输入（IN）              输出(OUT)

但同时，我们也需要一个功能块来统筹处理所有称（模块）之间的配方关系。即FB pro1~ FB pro7。这样，我们才能从整体化控制、修改管理不同的配方：
       输入（IN）             输出(OUT)

⑤校称、报表等
除了多物料、多配方的功能补充，校称的功能块FB cali、综合报表与单台报表的功能块FB rept等都是需要补充的功能单元。它们一旦建立便可以自由方便的按照客户要求使用。
5、结论
西门子的SIWAREX  FTA是一款性能稳定、卓越的电子称重模块，我们可以通过将它集成在S7-300中来编写各种功能模块，进而实现多配方、多物料的精确配料功能。这已在2006年9月宜宾五粮液集团两台玻璃熔炉的配料系统工程中得到印证。此系统高智能的自动控制、自由的干涉控制、过程的多点监测、实时纪录都给生产带来了极大的方便。另外，西门子提供SIWAREX FTA支持多物料、多配方的组态软件包，内有各功能单元的实例程序，直接调用即可。也可自己编写这些功能单元，一旦编写完成，便可一劳永逸。再加上它很高的性价比，所以SIWAREX FTA电子称重模块在配料行业一定会逐渐得到更为广泛的应用。

参考文献：
[1]  西门子STEP 7 V5.3 编程参考手册
[2]  西门子SIWAREX  FTA 装置手册
[3]  郁少勇《新型玻璃原料配料控制系统的开发及应用》  玻璃 2006.5