工業(yè)配料稱重系統(tǒng)的電氣設(shè)計

張帷

摘要：工業(yè)配料稱重系統(tǒng)的電氣設(shè)計過程中，正確選擇設(shè)計方案非常重要，它關(guān)系到工藝要求能否被合理的滿足。稱重傳感器+稱重控制儀表+PLC程序控制器的控制方案多為首選，該方案的好處是在控制儀表與PLC通信不暢的情況下，稱重控制依然可以進行。系統(tǒng)設(shè)計和程序設(shè)計一般需要從滿足用戶要求、工程造價和設(shè)計者擅長等方面進行考慮。在電氣設(shè)計過程中，安全可靠、經(jīng)濟合理始終是工程設(shè)計者的宗旨。

關(guān)鍵詞：電子稱、配料稱重

中圖分類號：TP273.5 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號：1674-098X（2015）06（b）-0000-00

工業(yè)配料稱重系統(tǒng)的電氣設(shè)計可大致分為以下幾個步驟：1.方案選擇；2.系統(tǒng)設(shè)計；3.程序設(shè)計。

1方案選擇：

目前工業(yè)配料稱重系統(tǒng)的電氣設(shè)計方案大致可分為三種。第一種：稱重傳感器+稱重控制儀表+PLC程序控制器；第二種：稱重傳感器+稱重顯示儀表+PLC程序控制器；第三種：稱重傳感器+重量變送器+PLC程序控制器。三種方案各有優(yōu)缺點。

1.1元件功能介紹

重量傳感器：是將“容器自身的重量”和“物料的重量”之和轉(zhuǎn)化為mV級的電壓信號。

稱重控制儀表：接收重量傳感器的mV信號，并將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電流或電壓信號。標(biāo)準(zhǔn)的電流信號有0--24mA或4--24mA；標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號有0--5V或0--10V。智能稱重控制儀表還可帶RS-485和RS-232總線接口，有與上位機通信功能。另外，控制儀表內(nèi)部集成了控制程序，可對物料的重量進行控制，并可顯示“物料的重量”、“容器的重量”和“總重量”，即“凈重”、“皮重”和“毛重”。

對于簡單的稱重系統(tǒng)可只選用“重量傳感器+稱重控制儀表”來完成對物料稱重的控制要求，不需PLC控制器參與控制。在工業(yè)配料系統(tǒng)中，常常是對多種工藝設(shè)備動作的整合，所以一般需要PLC參與控制。

秤重顯示儀表：與稱重控制儀表相比，顯示儀表除不具備邏輯控制功能外，具備控制儀表的其它全部功能。

變送器：把傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀豢刂破髯R別的信號的轉(zhuǎn)換器。傳感器和變送器一同構(gòu)成自動控制的監(jiān)測信號源。變送器一般分為：溫度/濕度變送器、壓力變送器、差壓變送器、液位變送器、電流變送器、電量變送器、流量變送器、重量變送器等。

PLC控制器：用于接收稱重儀表或變送器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電信號，并根據(jù)工藝的需要，對設(shè)備進行邏輯控制。PLC接收信號的種類：一種是外界的模擬量信號；另一種是接收外界的數(shù)字信號。

1.2不同方案的比較

第一種方案：稱重傳感器+稱重控制儀表+PLC程序控制器。

此方案是利用控制儀表自身的程序?qū)ξ锪系闹亓窟M行控制。PLC發(fā)出開始的指令后，控制儀表按程序進行控制，PLC也可隨時發(fā)出暫停指令。控制儀表將物料的重量、進出料的控制狀態(tài)及其它數(shù)據(jù)傳輸給PLC，PLC根據(jù)工藝要求實施綜合控制。此方案的最大優(yōu)點是簡化了工程人員對稱重控制編程的難度，也因儀表內(nèi)的程序更為專業(yè)化，提高了設(shè)計效率和控制精度。另外，對秤的標(biāo)定工作相對簡單，儀表中通常固化了相應(yīng)的標(biāo)定程序。

第二種方案：稱重傳感器+稱重顯示儀表+PLC程序控制器。

此方案與第一種相比， PLC接收顯示儀表的檢測數(shù)據(jù)后，需要工程人員對物料的重量進行判斷比較，程序編寫的難度要大于第一種。但工程人員可不受控制儀表內(nèi)固有程序的限制，增加了控制的靈活性。另外，該種方案，系統(tǒng)的標(biāo)定工作依然是可通過儀表中的固化程序完成。

第三種方案：稱重傳感器+重量變送器+PLC程序控制器。

與前兩種方案相比，此方案對工程人員的專業(yè)水平要求最高。除要求工程設(shè)計人員對稱重過程的物料重量進行判斷比較，秤的標(biāo)定工作也需要通過編寫PLC程序來完成。

相比以上三種方案，大多數(shù)工程設(shè)計人員趨向于選擇第一種控制方案，該方案的另一大好處是，在控制儀表與PLC通信不暢的情況下，稱重控制依然可以進行。

2電氣系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計首先需要選擇元器件，然后按照元器件的使用要求配置電路。

2.1稱重傳感器的選擇

根據(jù)“容器重量”和“物料重量”之和確定傳感器的量程。例如：容器重200kg，物料重400kg，秤體的支撐點為3個。“容器重量”+“物料重量”=600kg。傳感器量程的選擇，一般要比實際量程大30%左右。也就是說，“容器重量+物料重量”最多占到是傳感器量程的70%。我們按70%計算，600kg÷0.7≈857kg。因容器有3個支撐點，所以857kg被3個傳感器平均分擔(dān)，每個傳感器承載能力應(yīng)不小于256kg。擇量程為300kg的傳感器可滿足要求。本例中秤的支點數(shù)為3，實際設(shè)計中可以是n個支點。大型電子秤中，可以多達12個支點，每一個支點都對應(yīng)一個傳感器。傳感器量程的計算方法相同。

另外，傳感器和儀表應(yīng)配套選擇。一般傳感器并聯(lián)后的輸出阻抗值應(yīng)滿足稱重控制儀的要求。

2.2接線盒的選擇及調(diào)試

每個傳感器的一組輸出端子需要連接到接線盒的一組輸入端子上。上例中，選擇了三個傳感器，接線盒應(yīng)選擇三進一出或者四進一出的接線盒，接線盒的出線端連接到控制儀表的信號輸入端。

傳感器與接線盒連接好后，需要調(diào)節(jié)接線盒中的偏置電阻，對每個傳感器的靈敏度進行補償，從而達到每個傳感器的輸出信號值一致。以三進一出接線盒為例，W1、W2、W3為分別設(shè)置在接線盒三組輸入端上的可調(diào)節(jié)電位器（即偏置電阻），U1、U2、U3為電位器兩端的偏置電壓。如果每個傳感器依次單獨作用時，在稱重控制儀表上顯示的重量分別為N1、N2、N3，假設(shè)N3的值最小，則：旋轉(zhuǎn)電位器上的旋鈕，使電位器電阻兩端的偏置電壓為：U1=[（N1—N3）÷N3]×E×1000（mv）；U2=[（N2—N3）÷N3]×E×1000（mv）；保持U3的偏置電壓不變。E為稱重傳感器的激勵電壓，即傳感器接線端“+EXC”與“-EXC”之間的電位差。對于n個傳感器的調(diào)節(jié)方法以此類推，其通用公式為：Ui=[（Ni—Nmin）÷Nmin]×E×1000（mv）。

2.3稱重控制儀表的選擇

市場上稱重控制儀表的種類很多，選擇控制儀表主要考慮幾點。○1根據(jù)計量秤物料的種類選擇控制儀表。有單一物料計量控制儀表和多物料計量控制儀表；○2控制儀表輸入輸出控制端子的功能須滿足工藝要求；○3控制儀表的模擬輸出信號須滿足設(shè)計要求；○4控制儀表的通信端口及總線協(xié)議須滿足設(shè)計要求；

以多利托IND331型稱重控制儀表為例，其基本功能有：清零、去皮、清除皮重、打印、信息調(diào)顯、目標(biāo)值比較、比較器、標(biāo)定、免標(biāo)定等功能。

2.4PLC控制器的選擇

以西門子S7-300 PLC為例，選擇電源模塊、CPU模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入/輸出模塊等等，可參見《S7-300 模塊數(shù)據(jù)手冊》和《S7-300 硬件和安裝手冊》。

CPU模塊CPU315-2DP具有總線接口，支持PROFIBUS DP通信協(xié)議與控制儀表通信，也可通過0--24mA模擬量輸入模塊，讀取物料及容器的重量。控制儀表輸出的0--24mA模擬信號可設(shè)定為凈重或毛重。

將PLC的數(shù)字量輸出端子與控制儀表的輸入端子連接，PLC可給儀表發(fā)送啟動和停止指令，儀表也可將系統(tǒng)的運行狀態(tài)傳遞給PLC。PLC還可同時對相關(guān)設(shè)備進行控制，并與工控機和觸摸屏通信，實現(xiàn)智能化控制與管理。

3程序設(shè)計

在系統(tǒng)設(shè)計完成后，就進行程序設(shè)計了。PLC可將多種配料稱重系統(tǒng)有機的結(jié)合，接受多個稱重控制儀表信號，有序控制多組設(shè)備。

程序設(shè)計過程也是工程人員實現(xiàn)其控制思想的過程。系統(tǒng)運行是否合理，工藝要求是否能夠得以實現(xiàn)，都取決于程序編寫得好壞。由于程序語言的種類及編程方法繁多，也因本人水平有限就不再詳述。

4結(jié)語

實際上，在工程設(shè)計過程中，方案選擇、系統(tǒng)設(shè)計和程序設(shè)計不是孤立的事件，它們相互依存。一個優(yōu)秀設(shè)計的產(chǎn)生也是工程人員不斷學(xué)習(xí)、實踐和改進的過程。

參考文獻

1. IND131/331 稱重顯示控制器技術(shù)手冊

2. STEP7 編程手冊