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1、 引言
稱重與配料是各行業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量的前提，而配料儀表又是配料系統(tǒng)中最基本的裝備，它已成為企業(yè)工藝生產(chǎn)裝備中的關(guān)鍵。如何用性價(jià)比更高的配料儀表來實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)配料系統(tǒng)的核心功能，這是自動(dòng)配料工程技術(shù)中的關(guān)鍵問題。本文將就宜賓五糧液集團(tuán)兩臺(tái)玻璃熔爐的配料系統(tǒng)工程來介紹如何用西門子SIWAREX FTA電子稱重模塊來實(shí)現(xiàn)多配方、多物料配料的全自動(dòng)控制。
2、系統(tǒng)的組成及工藝生產(chǎn)對系統(tǒng)的要求
① 配料系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及工藝流程
對宜賓五糧液集團(tuán)兩臺(tái)玻璃熔爐的配料系統(tǒng)工程，其配料系統(tǒng)的流程如下：
圖2.1 玻璃配料系統(tǒng)流程圖
如圖2.1，每臺(tái)控制模塊對應(yīng)一臺(tái)稱斗的一組傳感器，實(shí)現(xiàn)一個(gè)稱量單元。綜合考慮結(jié)構(gòu)、料性、配料速度等諸多因素，每個(gè)稱量單元對應(yīng)1~4個(gè)料倉，即：每個(gè)單元稱量1~4種物料。共計(jì)15~20種物料（如：石英砂、純堿、方解石、砒霜等），這也就對配料系統(tǒng)提出了“多物料”自動(dòng)配料的要求。
另外，為了提高生產(chǎn)運(yùn)行效率、降低生產(chǎn)成本，甲方要求此系統(tǒng)必須適應(yīng)雙線不同配方的隨時(shí)切換。這又給系統(tǒng)提出了“多配方”的自動(dòng)配料要求，自動(dòng)配料系統(tǒng)控制柜見圖2.2。
圖2.2 控制室內(nèi)的配料系統(tǒng)控制柜
我們把2、3、4號(hào)秤（稱重單元）作為系統(tǒng)的公用部分，1、6號(hào)稱屬于一號(hào)線配方，5、7號(hào)線屬于二號(hào)線配方。同時(shí)利用正反向收集皮帶來輸送2、3、4號(hào)秤中的粉料到一線或二線混料機(jī)。粉料經(jīng)強(qiáng)制混合與玻渣一同送至窯頭料倉。
②配料工藝的控制時(shí)序
該系統(tǒng)要滿足兩臺(tái)日出料量80噸/日的玻璃窯爐的配料要求，也就是說每副料的稱量、混合周期應(yīng)保證在5~8分鐘以內(nèi)。其動(dòng)態(tài)精度要保證在0.05%以上，混料均勻程度≥98%。配料精度和速度往往存在一定的制約，但是通過我們對配料周期內(nèi)各段的統(tǒng)籌控制，便完全可以實(shí)現(xiàn)這一工藝要求。
圖2.3 配料工藝控制時(shí)序
如圖2.3所示，稱料與混料控制相互獨(dú)立，時(shí)序上兩次稱量的過程可以連續(xù)進(jìn)行。另外在稱量過程中粗調(diào)與精調(diào)的轉(zhuǎn)換、懸浮料修正系數(shù)的合理設(shè)定也是提高配料速度與精度的重要因素。
3、西門子SIWAREX FTA電子稱重模塊介紹
SIWAREX FTA是一種多用途的、靈活的電子稱重模塊（實(shí)物見圖3.1）。是標(biāo)準(zhǔn)的西門子SIMATIC功能模板，是SIMATIC系統(tǒng)集成的一部分。自動(dòng)稱重通過一個(gè)預(yù)先定義的稱重工序來實(shí)現(xiàn)，SIWAREX FTA的秤的功能包括：非自動(dòng)衡器（符合OIML R-76的非自動(dòng)衡器），用于自動(dòng)裝料衡器（符合OIML R-61的自動(dòng)裝料衡器），用于自動(dòng)分檢衡器（符合OIML R-51的自動(dòng)分檢衡器），以及用于非連續(xù)累計(jì)自動(dòng)衡器（符合OIML R-107的非連續(xù)累計(jì)自動(dòng)衡器）。應(yīng)用于稱重領(lǐng)域它主要有以下優(yōu)點(diǎn)：
l）通過ET 200M連接到PROFIBUS DP上，可以應(yīng)用于分散系統(tǒng)概念中；
2）分辨率高達(dá)1600萬分之一的重量測量或能力；
3）精度高達(dá)3 x 6000d，可以校準(zhǔn)（0.5 μV 每個(gè) e）；
4）可校準(zhǔn)顯示器，具有SIMATIC HMI標(biāo)準(zhǔn)操作員面板；
5）測量速率：內(nèi)部2.5毫秒，外部10毫秒；以保證高精度定量給料控制
6）準(zhǔn)確的劑量切換信號(hào)（< 1毫秒）；
7）若干個(gè)劑量分配速度；
8）平滑或分步控制的劑量控制；
9）可以通過參數(shù)定義的輸入和輸出；
10）用于不同應(yīng)用程序的自動(dòng)稱重操作參數(shù)設(shè)置；
可見SIWAREX FTA稱重模塊是單物料、單配方稱重控制的最佳選擇。但是又因?yàn)樗哂腥缦聝?yōu)勢，這使它應(yīng)用于多物料、多配方的復(fù)雜配料控制系統(tǒng)變得容易。
1）通過集成在SIMATIC S7和SIMATIC PCS7中而獲得的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)和通用通信；
2）利用SIMATIC的統(tǒng)一項(xiàng)目規(guī)劃；
3）在SIMATIC自動(dòng)化系統(tǒng)中的直接應(yīng)用；
4、控制方案與具體方法
①配料控制系統(tǒng)方案示意
針對系統(tǒng)要求，綜合考慮可靠性、先進(jìn)性、系統(tǒng)成本以及通訊能力要求，配料控制系統(tǒng)采用西門子S7-300 PLC作為主要邏輯控制器，上位機(jī)為一臺(tái)DELL PC和一臺(tái)10英寸西門子TP270觸摸屏。稱量控制的核心部件是SIWAREX FTA電子稱重模塊，稱重傳感器給出重量信號(hào)(mV模擬量信號(hào))直接進(jìn)入到SIWAREX FTA，其余的稱重過程由FTA分解完成（包括物料的快慢加轉(zhuǎn)換，懸浮料計(jì)算與修正、容差報(bào)警、小流量提示等）。而多配方的存儲(chǔ)與調(diào)用、多物料加料順序的控制、報(bào)表、報(bào)警的生成與管理等等則依賴于S7-300 的CPU來完成。
SIWAREX FTA給出確定的動(dòng)作信號(hào)到PLC的I/O卡進(jìn)而由PLC的I/O來控制電氣、設(shè)備。同樣，上位機(jī)PC或TP270觸摸屏也可以對SIWAREX FTA的稱重過程進(jìn)行監(jiān)視與干預(yù)，實(shí)現(xiàn)功能兼容互為備用的作用。見圖4.1
圖 4.1 配料控制系統(tǒng)方案
②基于STEP 7 如何劃分功能單元
配料過程中，所有的邏輯控制基本都要由PLC完成，那么除了諸如加料機(jī)、活化器、收集皮帶、混料機(jī)、放料閥等等機(jī)械設(shè)備外，我們?nèi)绾卧敿?xì)劃分配比稱量部分的功能呢？首先，我們要了解SIWAREX FTA稱重模塊的控制和通訊方式， SIWA_FTA與SIMATIC CPU利用功能塊FB41進(jìn)行通信。在編制調(diào)用過程中，會(huì)給FB SIWA_FTA創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例數(shù)據(jù)塊。除了實(shí)例數(shù)據(jù)塊以外，每個(gè)定標(biāo)SIWAREX FTA都需要一個(gè)定標(biāo)數(shù)據(jù)塊，在其中儲(chǔ)存秤的參數(shù)。隨它一起提供的數(shù)據(jù)類型UDT12能用來創(chuàng)建定標(biāo)數(shù)據(jù)塊。矢量數(shù)據(jù)塊也必須裝載到SIMATIC CPU中。一個(gè)矢量數(shù)據(jù)塊可以被一個(gè)以上的SIWAREX FTA所使用。對于應(yīng)用程序中的每個(gè)秤，程序功能塊FB 41能被調(diào)用一次。它在一個(gè)程序?qū)蛹?jí)上循環(huán)（例如在OB 1中），并提供有調(diào)用參數(shù)。也就是說我們所有的與SIWA_FTA的對話都要通過FB 41進(jìn)行[2]:
CALL "SIWA_FTA" , "FTA1 SL"
ADDR :=464
DB_SCALE :=12
DB_VECTOR :=11
CMD_IN :="DB_SCALE-1".i_CMD_INPUT 命令代碼輸入
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 命令正在進(jìn)行
CMD_FOK :="DB_SCALE-1".bo_CMD_FINISHED_OK 命令完成，OK
CMD_ERR :="DB_SCALE-1".bo_CMD_ERR 命令完成錯(cuò)誤
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
不同層次中劃分的各功能單元間的通訊要力求簡單，功能力求明確。這樣，我們編制的功能塊也就可以作為工具，簡單、明確、方便的永久性使用同時(shí)也方便現(xiàn)場的調(diào)試和修改。
![功能單元?jiǎng)澐?src="/Editor/UploadFiles/solutions02/200985172032904.JPG"]()
圖 4.2 功能單元?jiǎng)澐?/DIV>
如圖，其中FB plan（配料計(jì)劃）、FB as_pro（系統(tǒng)配方管理與應(yīng)用）、FB pro1單臺(tái)稱配方應(yīng)用、FB met1（單臺(tái)稱稱重控制）、FB rept（配料報(bào)表）、FB rept 1（單臺(tái)稱報(bào)表編制）、FB cali（校秤）都可以作為“工具”靈活、方便的使用。
③帶多物料的主稱重控制的實(shí)現(xiàn)（FB met1）
主稱重控制的精確稱量是由模塊的稱重循環(huán)完成的，但是我們?nèi)绾卧诜Q重循環(huán)以外添加多物料控制功能、添加人為干預(yù)選項(xiàng)是我們需要解決的問題。稱量中物料的特性參數(shù)和物料用量是被保存在模塊內(nèi)部的數(shù)據(jù)塊（通過DB12）中的。這些參數(shù)包括：物料的正負(fù)容差、小流量極限、慢加設(shè)定值、懸浮料、穩(wěn)定時(shí)間與重量等等。所以當(dāng)我們轉(zhuǎn)換物料的稱量時(shí),必須改寫這些參數(shù)；另外，由于物料的慢加點(diǎn)、懸浮料值有自動(dòng)修正，所以在每個(gè)物料稱重循環(huán)結(jié)束時(shí)必須馬上轉(zhuǎn)移、保存這些值，以免被新的物料參數(shù)所覆蓋。
控制的邏輯過程可按如下編寫：
圖 4.3 控制邏輯過程
編寫這部分主稱量程序時(shí)，除了要保證嚴(yán)密性、容錯(cuò)能力，更要布置好功能塊的輸入與輸出，使它成為一個(gè)獨(dú)立的功能單元(FB met)：
輸入（IN） 輸出(OUT)
④多配方選擇控制（FB as_pro ; FB pro1） 多配方的實(shí)現(xiàn)仍要靠SIWAREX FTA外部的CPU來完成，建好存儲(chǔ)配方參數(shù)的數(shù)據(jù)塊之后，我們只需按所執(zhí)行的配方來輸送配方參數(shù)。在這里我們設(shè)置兩個(gè)模式即：總量模式和非總量模式。這有利于在幾十種物料的復(fù)雜配方中任意修改、按比例放大、縮小配方。控制的邏輯過程可按如下編寫：
圖 4.4 多配方選擇控制
每個(gè)稱（模塊）處理若干個(gè)物料；所以我們需要固定的功能塊來處理于控制每個(gè)模塊內(nèi)部的配方數(shù)據(jù)處理即FB pro1~ FB pro7。
輸入（IN） 輸出(OUT)
但同時(shí)，我們也需要一個(gè)功能塊來統(tǒng)籌處理所有稱（模塊）之間的配方關(guān)系。即FB pro1~ FB pro7。這樣，我們才能從整體化控制、修改管理不同的配方：
輸入（IN） 輸出(OUT)
⑤校稱、報(bào)表等
除了多物料、多配方的功能補(bǔ)充，校稱的功能塊FB cali、綜合報(bào)表與單臺(tái)報(bào)表的功能塊FB rept等都是需要補(bǔ)充的功能單元。它們一旦建立便可以自由方便的按照客戶要求使用。
5、結(jié)論
西門子的SIWAREX FTA是一款性能穩(wěn)定、卓越的電子稱重模塊，我們可以通過將它集成在S7-300中來編寫各種功能模塊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多配方、多物料的精確配料功能。這已在2006年9月宜賓五糧液集團(tuán)兩臺(tái)玻璃熔爐的配料系統(tǒng)工程中得到印證。此系統(tǒng)高智能的自動(dòng)控制、自由的干涉控制、過程的多點(diǎn)監(jiān)測、實(shí)時(shí)紀(jì)錄都給生產(chǎn)帶來了極大的方便。另外，西門子提供SIWAREX FTA支持多物料、多配方的組態(tài)軟件包，內(nèi)有各功能單元的實(shí)例程序，直接調(diào)用即可。也可自己編寫這些功能單元，一旦編寫完成，便可一勞永逸。再加上它很高的性價(jià)比，所以SIWAREX FTA電子稱重模塊在配料行業(yè)一定會(huì)逐漸得到更為廣泛的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
[1] 西門子STEP 7 V5.3 編程參考手冊
[2] 西門子SIWAREX FTA 裝置手冊 [3] 郁少勇《新型玻璃原料配料控制系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用》 玻璃 2006.5
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