PLC的称重模块正在流行

称重模块是PLC的一个I/O组件,他可以直接与称重传感器连接,从而构成全集成称重控制系统,他具有结构简单、系统集成度高等优点,代表了衡器发展的一个方向,本文综合介绍了称重模块的产生、性能及其应用。

方原柏,昆明有色冶金设计研究院

概述 

    1996年,西门子公司提出全集成自动化技术TIA(Totally Integrated Automation),这是一个自动化系统技术与产品的核心思想与主导理念,在上世纪九十年代之前,即使在一些大型化生产装置上,我们看到的往往是DCS、PLC共存的局面,模拟量的采集与控制由DCS实现,开关量的采集与控制则由PLC完成,虽然当时也在异构系统互连方面作了很多工作,但这样两个分治的系统谈不上统一、协调管理和控制,也就根本谈不上集成。现在在DCS、PLC这个层面上已经逐步做到了集成,要么由DCS、要么由PLC去完成一套生产装置的控制,而不管它是模拟量的采集与控制,还是开关量的采集与控制都由DCS(或PLC)实现,这是系统集成的第一步。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。

    在回顾历史时,我们看到“集成”的概念一直都在推动DCS、PLC的改进,最早的DCS、PLC的系统中,模拟量输入输出应该只有4(0)~20mA这种I/O模块,但是由于生产现场温度仪表用得太多了,每支温度计都经过温度变送器转换成4~20mA再送到DCS(或PLC)的I/O模块,这显然是不经济也不现实的,所以相当一部分DCS、PLC很快就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DCS、PLC。在此之后,PLC生产厂家将称重仪表直接集成到PLC上,推出了称重模块。称重模块是与称重仪表的检测元件相连的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PLC I/O模块,从这一点上看,DCS是落在后面了,我们至今没有看到哪个DCS厂家推出称重模块。这里所说的称重模块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。

模拟量温度输入模块与称重模块的差别 

    有了模拟量温度输入模块,用户动动脑筋就通过他将输出mV信号的各类型称重系统所使用的称重传感器也接到DCS、PLC。既然有了模拟量温度输入模块,那么为什么又要开发称重模块呢?下面我们可以列出一些两者之间的差别:

    • 称重模块可以对称重传感器提供供电电源,温度输入模块则没有;

    • 称重模块可提供一些特殊信号的输入输出,比如用于皮带秤速度传感器的高速脉冲信号输入和一些相关设备的DI/DO启停信号;

    • 称重模块内置高阻放大器,通过六线制接线方式可对称重传感器的输出信号进行供电电压变化补偿;

    • 称重模块的精度(0.05%~0.005%)通常高于温度输入模块(0.1%);

    • 称重模块检测频率快(每秒50次/400次),而温度输入模块则较低(通常低于每秒10次);

    • 称重模块内置处理器带专用称重软件,可以对称重传感器的信号进行多项处理,如信号滤波、称重系统去皮、零点和砝码标定等调校工作;

    • 部分称重模块自带多种通讯功能,可脱离CPU独立工作,可外接显示器;

    • 部分称重模块带丰富的诊断功能,如可实时检测传感器回路阻抗阻值,实现预维护。

    基于这些因素,如果用户要将各类型称重系统集成到PLC中,首选方案肯定是选称重模块。

PLC生产厂的称重模块 

    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以SIMATIC为核心的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可行的解决方案。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,其中包括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1)。

          

                      图1  西门子公司多种型号的称重模块

    随后一些主要的PLC生产厂家,如A-B、施耐德、欧姆龙、三菱等公司推出了称重模块,而且一些小型的PLC生产厂家,像国内市场上见到的台湾永宏公司、台湾力扬电机工业公司、黄石科威自控公司、珠海长陆公司等也有称重模块产品问世,图2为A-B公司的称重模块,图3为珠海长陆公司的称重模块。

                                                                      

                      图2   A-B公司的1746-WS称重模块

    A-B公司的1746-WS称重模块的面板上方有3个LED显示灯,分别表示运行(或故障)、通讯、与称重传感器连接的状态,端子接线板的正上方有一个按钮,为一键式按钮,可自动标定称重系统,使它快速处在准备使用状态。

    珠海长陆公司的称重模块是架装式,各称重模块与PWC主控模块采用CAN总线连接,构成分布式称重控制系统,但也可脱离PWC主控模块单独使用。称重模块本身带LED显示器,中文显示,还配有信号灯、操作键盘等通讯方式及附带最齐备的输入输出点。

    部分PLC生产厂的称重模块型号见下表。
PLC生产厂 PLC型号 称重模块型号
A-B SLC 500 1746-WS、1756-WS、1769-WS、1771-WS
施耐德 Premium TSXISPY101、TSXISPY101EX、TSXISPY111
欧姆龙 CJ1(C200H、CS1) F159、F158、F156
三菱电机 MELSEC-Q Q61LD
台湾永宏 FBs-PLC FBs-1LC
力扬电机 EX0N16M EX1S2LD、EX1N2LD
黄石科威 C120-14M12R-1AD CEX-1AD-2DA-2TC
珠海长陆 PWC 称重模块
西门子 S7-300 U、FTA、FTC
西门子 S7-200 MS、CS、CF
    提到称重模块的开发,我们想象中应该是PLC厂家独立完成的,可能大部分称重模块的开发是这样做的,但很有意思的是其中至少有两个系列的称重模块是由称重仪表厂家开发的,或者是由称重仪表厂家与PLC厂家共同开发的,如A-B公司的1746-WS、1756-WS、1769-WS、1771-WS称重模块是由美国哈帝(Hardy)仪表公司开发的,欧姆龙公司的F159、F158、F156称重模块是由日本尤尼帕斯(Unipulse)仪表公司开发的,而哈帝、尤尼帕斯分别是美国、日本在称重仪表领域的佼佼者,在这两家公司网站上的产品介绍一栏中,都可以找到上述称重模块。珠海长陆公司是一家称重设备制造厂,表1所列的称重模块和相配的PLC型号PWC都是由该公司提供的。

    因为称重模块是PLC的一个功能模块,所以通过称重模块,可以将现场的称重设备直接集成于PLC控制系统中。电信号由现场的电阻应变片称重传感器传递给称重模块,由称重模块进行计算处理(包括AD转换、滤波等)后,再通过PLC总线直接传给中央控制器的CPU,然后通过上位机显示屏或就地盘上的触摸屏等人机接口显示并操作。

称重模块的应用 

    称重模块已经在各类称重设备及称重系统中应用,如平台秤、容器秤、料斗秤、汽车衡、批称量配料秤、皮带秤、称重给料机、冲板流量计、失重秤、失重给料机、装车秤、轨道衡、张力测量、力矩测量、包装秤等等。

    一部分称重设备除了本身的称重信号外,还会有一些开关量输入/输出信号,甚至还有模拟量输入/输出信号。而作为生产过程的一部分,称重设备不可能是一个“孤岛”,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3所示为全集成PLC称重配料混料控制系统图,他是由S7-300 PLC 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。

 

                      图3   全集成PLC称重配料混料控制系统图 

    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4是用于皮带秤称重的系统结构示意图。图中,皮带秤秤架上称重传感器、速度传感器的输入信号接入FTC称重模块。FTC称重模块作为S7-300 PLC的一个功能模块,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S7-300 PLC 的CPU,然后通过就地盘上的触摸屏TP170B人机接口显示并操作。如果连接到FTC称重模块的是带PID控制功能的称重给料机,则可通过S7-300 PLC 的控制功能实现PID控制,可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)。 

                       图4   全集成PLC皮带秤称重的系统结构示意图

    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。各类仪表装置与控制系统逐步实现一体化、全集成,是未来生产过程自动化发展的趋势,称重模块的应用将会越来越广泛。

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