工业配料称重系统的电气设计

2015-07-21张帷

科技创新导报 2015年17期

张帷

摘要：工业配料称重系统的电气设计过程中，正确选择设计方案非常重要，它关系到工艺要求能否被合理的满足。称重传感器+称重控制仪表+PLC程序控制器的控制方案多为首选，该方案的好处是在控制仪表与PLC通信不畅的情况下，称重控制依然可以进行。系统设计和程序设计一般需要从满足用户要求、工程造价和设计者擅长等方面进行考虑。在电气设计过程中，安全可靠、经济合理始终是工程设计者的宗旨。

关键词：电子称、配料称重

中图分类号：TP273.5 文献标识码： A 文章编号：1674-098X（2015）06（b）-0000-00

工业配料称重系统的电气设计可大致分为以下几个步骤：1.方案选择；2.系统设计；3.程序设计。

1方案选择：

目前工业配料称重系统的电气设计方案大致可分为三种。第一种：称重传感器+称重控制仪表+PLC程序控制器；第二种：称重传感器+称重显示仪表+PLC程序控制器；第三种：称重传感器+重量变送器+PLC程序控制器。三种方案各有优缺点。

1.1元件功能介绍

重量传感器：是将“容器自身的重量”和“物料的重量”之和转化为mV级的电压信号。

称重控制仪表：接收重量传感器的mV信号，并将其转换为标准的电流或电压信号。标准的电流信号有0--24mA或4--24mA；标准的电压信号有0--5V或0--10V。智能称重控制仪表还可带RS-485和RS-232总线接口，有与上位机通信功能。另外，控制仪表内部集成了控制程序，可对物料的重量进行控制，并可显示“物料的重量”、“容器的重量”和“总重量”，即“净重”、“皮重”和“毛重”。

对于简单的称重系统可只选用“重量传感器+称重控制仪表”来完成对物料称重的控制要求，不需PLC控制器参与控制。在工业配料系统中，常常是对多种工艺设备动作的整合，所以一般需要PLC参与控制。

秤重显示仪表：与称重控制仪表相比，显示仪表除不具备逻辑控制功能外，具备控制仪表的其它全部功能。

变送器：把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号的转换器。传感器和变送器一同构成自动控制的监测信号源。变送器一般分为：温度/湿度变送器、压力变送器、差压变送器、液位变送器、电流变送器、电量变送器、流量变送器、重量变送器等。

PLC控制器：用于接收称重仪表或变送器输出的标准电信号，并根据工艺的需要，对设备进行逻辑控制。PLC接收信号的种类：一种是外界的模拟量信号；另一种是接收外界的数字信号。

1.2不同方案的比较

第一种方案：称重传感器+称重控制仪表+PLC程序控制器。

此方案是利用控制仪表自身的程序对物料的重量进行控制。PLC发出开始的指令后，控制仪表按程序进行控制，PLC也可随时发出暂停指令。控制仪表将物料的重量、进出料的控制状态及其它数据传输给PLC，PLC根据工艺要求实施综合控制。此方案的最大优点是简化了工程人员对称重控制编程的难度，也因仪表内的程序更为专业化，提高了设计效率和控制精度。另外，对秤的标定工作相对简单，仪表中通常固化了相应的标定程序。

第二种方案：称重传感器+称重显示仪表+PLC程序控制器。

此方案与第一种相比， PLC接收显示仪表的检测数据后，需要工程人员对物料的重量进行判断比较，程序编写的难度要大于第一种。但工程人员可不受控制仪表内固有程序的限制，增加了控制的灵活性。另外，该种方案，系统的标定工作依然是可通过仪表中的固化程序完成。

第三种方案：称重传感器+重量变送器+PLC程序控制器。

与前两种方案相比，此方案对工程人员的专业水平要求最高。除要求工程设计人员对称重过程的物料重量进行判断比较，秤的标定工作也需要通过编写PLC程序来完成。

相比以上三种方案，大多数工程设计人员趋向于选择第一种控制方案，该方案的另一大好处是，在控制仪表与PLC通信不畅的情况下，称重控制依然可以进行。

2电气系统设计

系统设计首先需要选择元器件，然后按照元器件的使用要求配置电路。

2.1称重传感器的选择

根据“容器重量”和“物料重量”之和确定传感器的量程。例如：容器重200kg，物料重400kg，秤体的支撑点为3个。“容器重量”+“物料重量”=600kg。传感器量程的选择，一般要比实际量程大30%左右。也就是说，“容器重量+物料重量”最多占到是传感器量程的70%。我们按70%计算，600kg÷0.7≈857kg。因容器有3个支撑点，所以857kg被3个传感器平均分担，每个传感器承载能力应不小于256kg。择量程为300kg的传感器可满足要求。本例中秤的支点数为3，实际设计中可以是n个支点。大型电子秤中，可以多达12个支点，每一个支点都对应一个传感器。传感器量程的计算方法相同。

另外，传感器和仪表应配套选择。一般传感器并联后的输出阻抗值应满足称重控制仪的要求。

2.2接线盒的选择及调试

每个传感器的一组输出端子需要连接到接线盒的一组输入端子上。上例中，选择了三个传感器，接线盒应选择三进一出或者四进一出的接线盒，接线盒的出线端连接到控制仪表的信号输入端。

传感器与接线盒连接好后，需要调节接线盒中的偏置电阻，对每个传感器的灵敏度进行补偿，从而达到每个传感器的输出信号值一致。以三进一出接线盒为例，W1、W2、W3为分别设置在接线盒三组输入端上的可调节电位器（即偏置电阻），U1、U2、U3为电位器两端的偏置电压。如果每个传感器依次单独作用时，在称重控制仪表上显示的重量分别为N1、N2、N3，假设N3的值最小，则：旋转电位器上的旋钮，使电位器电阻两端的偏置电压为：U1=[（N1—N3）÷N3]×E×1000（mv）；U2=[（N2—N3）÷N3]×E×1000（mv）；保持U3的偏置电压不变。E为称重传感器的激励电压，即传感器接线端“+EXC”与“-EXC”之间的电位差。对于n个传感器的调节方法以此类推，其通用公式为：Ui=[（Ni—Nmin）÷Nmin]×E×1000（mv）。

2.3称重控制仪表的选择

市场上称重控制仪表的种类很多，选择控制仪表主要考虑几点。○1根据计量秤物料的种类选择控制仪表。有单一物料计量控制仪表和多物料计量控制仪表；○2控制仪表输入输出控制端子的功能须满足工艺要求；○3控制仪表的模拟输出信号须满足设计要求；○4控制仪表的通信端口及总线协议须满足设计要求；

以多利托IND331型称重控制仪表为例，其基本功能有：清零、去皮、清除皮重、打印、信息调显、目标值比较、比较器、标定、免标定等功能。

2.4PLC控制器的选择

以西门子S7-300 PLC为例，选择电源模块、CPU模块、数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块等等，可参见《S7-300 模块数据手册》和《S7-300 硬件和安装手册》。

CPU模块CPU315-2DP具有总线接口，支持PROFIBUS DP通信协议与控制仪表通信，也可通过0--24mA模拟量输入模块，读取物料及容器的重量。控制仪表输出的0--24mA模拟信号可设定为净重或毛重。

将PLC的数字量输出端子与控制仪表的输入端子连接，PLC可给仪表发送启动和停止指令，仪表也可将系统的运行状态传递给PLC。PLC还可同时对相关设备进行控制，并与工控机和触摸屏通信，实现智能化控制与管理。

3程序设计

在系统设计完成后，就进行程序设计了。PLC可将多种配料称重系统有机的结合，接受多个称重控制仪表信号，有序控制多组设备。

程序设计过程也是工程人员实现其控制思想的过程。系统运行是否合理，工艺要求是否能够得以实现，都取决于程序编写得好坏。由于程序语言的种类及编程方法繁多，也因本人水平有限就不再详述。

4结语

实际上，在工程设计过程中，方案选择、系统设计和程序设计不是孤立的事件，它们相互依存。一个优秀设计的产生也是工程人员不断学习、实践和改进的过程。