基于SIWAREX FTA称重模块在耐火材料配料中的应用

SIWAREX FTA称重模块在耐火材料高精度配料的应用
Application of Dosing System Based on SIWAREX FTA in Refractories Industry

张胜1     时吉敏1      穆纲2
（1．重庆大唐称重有限公司     2. 西门子(中国)有限公司）
摘要：介绍西门子SIWAREX FTA高精度称重模块在S7-300系统中的应用，将称重功能直接集成在PLC系统中，并利用SIMATIC系统中强大的编程功能，实现称重配料和控制的完美解决方案。
关键字：电子称重模块; 耐火材料; CCN耐火材料; 配料系统
Abstract: This paper introduces that the application of high accuracy of SIWAREX FTA weighing module in SIEMENS S7-300 system. Weighing function is completely integrated in PLC system. It realizes the perfect solution for Weighing dosing and controlling system based on SIMATIC excellent programming function.
Key words: Electronic Weighing Module, Refractories, CCN Refractories, Dosing System

一、前言
目前国内耐火材料生产厂家在配料过程中，大多使用称重仪表配上PLC可编程控制器的形式来实现自动称重和控制功能。称重仪表和PLC控制系统之间需要传输大量的实时数据和控制联锁，通讯和控制回路接线较复杂，称重配料的控制信号易产生滞后，称重配料系统维护量较大。
上位机生产管理系统通常采用VB或VC等语言编程开发，编程较复杂。生产厂家对配料工艺和需求的改变，也增加了系统开发和维护成本。
二、耐火材料称重配料控制系统的要求
某国外公司在中国建立耐火材料工厂，该工厂所生产的耐火材料产品主要用于外销，部分产品供国内使用。该耐火材料配料系统分不定型耐火材料及CCN耐火材料两大类。不定型耐火材料分为酸中性耐火材料和碱性耐火材料，CCN耐火材料分为AG和ZG两种。
不定型耐火材料广泛应用于冶炼高炉等，其中酸中性耐火材料有约35种原料按照不同重量配比组成。碱性耐火材料有约14种原料按照不同重量配比组成。不定型配料系统结构如图1：
图1   不定型配料系统结构
     CCN耐火材料主要用于生产连铸三大件，其中AG由约22种原料按照不同重量配比组成。ZG由约10种原料按照不同重量配比组成。CCN配料系统结构如图2：

图2   CCN配料系统结构
用户配方数量相对所配物料种类更多，达到数百种。同时生产工艺中的质量控制环节对耐火配料系统内部有严格的检测程序，一但某种物料的重量值超过了配料合格允许的百分比，则启动容错程序对其进行补料。如补料也无法达到要求，则一批物料将全部自动进入废品仓，导致原料的损失。因此用户对系统的稳定性及可靠性提出了较高的要求。
由于涉及到耐火材料配方的保密，用户对生产工艺环节中配方的高度保密性提出了极为严格的要求。在前期技术交流时用户特别强调避免通过物料的种类、称重仪表的重量数据、配比等侧面了解配方的组成。
一些进口原料价值较高，例如100Kg的CCN原料制成的成品价格可达数万元人民币。为提高生产效率，降低生产成本，要求称重控制系统要有较高的精度。
三、SIWAREX FTA称重配料控制系统
西门子的PLC在国内用户众多，其运行的可靠性和稳定性也受到用户的一致认可。考虑到称重配料高精度和控制系统可靠性以及耐火材料配方的保密性等要求，我们在称重配料系统中选用了西门子公司的PLC控制器和SIWAREX FTA称重模块。
1.  SIWAREX FTA称重扩展模块
SIWAREX FTA称重模块作为西门子S7 PLC中高精度称重功能的扩展模块，可以直接集成在西门子S7-300PLC系统中，与PLC统一硬件和通信方式，称重精度高达0.05％，分度值达3×6000d。更换FTA称重模块时，料斗秤无需重新标定。具有精确快速的加料/下料控制数字量输出(反应时间<1ms)，可应用于大多数高精度称重控制应用。如图3：

图3  SIWAREX FTA多秤集成硬件图
2. 称重配料系统的配置
整个生产工艺共分为4套相对独立的称重配料系统，介绍酸中性称量系统，该系统共有40个称重料仓， 使用7个SIWAREX FTA称重模块集成到一台S7-315-2DP CPU上，通过Profibus DP总线连接到上位机系统内。
现场每个称重料仓由三只称重传感器支承，称重传感器信号通过现场接线盒连接到FTA模块上。上位机系统通过以太网将配方下载到称重模块内，称重模块按照配方的预设值控制每个称重料仓的加料和下料工序，并实时监测现场各设备的运行情况，提供丰富的报警和诊断信息，并形成历史数据记录供工厂运行效率和事故分析。
酸中性称量系统的硬件配置如图4：

图 4  称量系统的硬件配置
3. 称重配料系统的特点
称重系统以SIWAREX FTA称重模块取代常规配料控制仪表，使得称重配料与控制系统完美的结合在一起，整个配料系统的运行统一由PLC进行控制。
由于称重配料系统所配物料种类较多，并且每个螺旋给料机有多级给料速度控制，螺旋下料口装有控制精确给料的气动阀，部份下料装置采用多级振动给料机及微量秤等，整个称重控制系统I/O约2000点。在系统自动配料时，为控制料仓压力变化对配料精度产生的影响，配料系统与上面的料仓自动加料系统有相应的联锁控制关系。西门子SIWAREX FTA称重模块将称重功能直接集成到S7-300 PLC中，加上FTA模块本身集成的16个开关量I/O点和一路4－20mA模拟量输出功能，可以轻松的实现这种较复杂的称重配料应用。
称重数据的传输
现场称重传感器的信号直接进入PLC系统，代替了普通称重仪表通过4-20mA信号送入PLC。避免了信号转换带来的误差和传输的时间延迟。称重控制的数据实时性高，更新称重数据的速度更快，且控制精度更高。
    通讯能力
    SIWAREX FTA 与西门子SIMATIC具有统一的通信接口。19台SIWAREX FTA称重模块所获得的现场称重料斗的重量信号通过PLC的背板总线直接送入S7-315 DP CPU存储区。上位机与称重模块可以方便的以总线通讯方式进行数据交换。由于称重系统和控制系统在统一的软硬件平台上，因此这种数据交换方式传输的数据量更大，速度更快，实时性好。
    维护方便
在使用SIWAREX FTA称重模块编程时，我们利用西门子提供的一个FB41程序和例程，可以在S7-315的CPU存储区中直接读取各种称重过程值，很方便的根据工艺联锁的要求进行编程和设置。
每个SIWAREX FTA模块都可以互换。因为所有的设置和标定参数都存在S7-300CPU中，所以更换FTA模块，称重料斗无需重新标定。CPU中所有FTA称重料仓设置和标定参数也可以备份在MMC卡或计算机中，用于系统故障时的数据快速恢复。
对于现场的调试和标定，西门子提供了基于Windows操作系统的SIWATOOL FTA专用程序。使得技术人员无需了解PLC编程方面的知识就能够方便的设置和调试秤，并且在软件中方便的查询秤的各种运行状态及参数，如图5：

图5 SIWATOOL FTA软件界面图

配方的保密
所有生产工艺配方都设有代码编号存储在PLC中，并设有保护口令。工艺配方的修改和维护由专人管理。操作人员只需选择配方的编号并确认，称重配料系统自动的按照配方和加料时序执行配料生产流程。
四、结束语
该耐火材料工厂06年底投产至今，系统运行良好。SIWAREX FTA称重配料系统称量精度优于OIMLⅢ，称重配料的控制精度可达到±3‰，少量特殊物料及微量秤的控制精度可达到±5‰，完全满足了用户的生产要求。
西门子称重扩展模块在几年的运行时间经受了考验，证明了SIWAREX FTA称重配料控制系统具有高精度及高可靠性，实现了称重和控制功能的完美结合。系统运行的可靠、稳定和维护方便是用户决定使用SIWAREX FTA称重模块最直接的原因。
SIWAREX FTA称重配料系统不仅应用于耐火材料配料生产，而且可广泛的应用在精细化工、食品饮料、钢铁冶金、烟草、制药、玻璃等行业的高精度称重控制配料工艺。