西门子自动化与驱动集团自动化系统部

摘要：本文介绍了一种基于西门子全集成自动化技术的称重系统，它被设计应用于钢铁工业中的焦化工艺中，实现全数字化的配煤控制系统。

关键词：全集成自动化；称重系统；焦化；配煤控制系统；电子积算仪
　　
Abstract：The paper introduces that one kind of weighing system based on Siemens TIA (Totally Integrated Automation) technology , it is designed to used in coking process of steel plant to realize the totally digitized coal blending control system.

Key words: TIA (Totally Integrated Automation)；Weighing System；Coking；Coal Blending；Control System；Electronics Integrator
　　
　　
1 引言

    在焦碳生产工艺过程中，需要将气煤、肥煤、焦煤、瘦煤四种煤按一定比例配成混合煤，然后送入焦炉进行高温炼焦。配比的准确性以及配料系统的可靠性将直接影响焦碳产品的质量。因此，通过提高焦化配煤系统的可靠性、稳定性、准确性来提高焦碳的质量具有非常重要的社会效益和经济效益。
焦化的配煤系统对焦炭的质量和焦炉生产操作具有重要意义，为了使煤料的配比更加准确，实现稳定可靠的自动配煤是可行的理想解决方案。
　　
2 自动配煤系统的组成和主要功能

    焦化自动配煤系统主要由称重给料机、数据采集和控制系统、电气控制系统和上位机计算机、软件及网络等构成。

     

                                  图1   焦化自动配煤系统的结构组成

    称重给料机将经过皮带上的物料，通过称重秤架下的称重传感器进行检测重量，以确定皮带上的物料重量；装在尾部滚筒或旋转设备上的数字式测速传感器，连续测量给料速度，该速度传感器的脉冲输出正比于皮带速度；速度信号与重量信号一起送入皮带给料机控制器，产生并显示累计量/瞬时流量。给料控制器将该流量与设定流量进行比较,由控制器输出信号控制变频器调速，实现定量给料的要求。

    称重给料机的核心部分是皮带秤（如图2）。皮带秤的主要组成由秤架、积算仪和速度传感器组成；而称重给料机系统的结构特点和精度通常主要由皮带秤的设计结构决定。

     

                            图2   皮带秤是称重给料机的核心部分

    焦化自动配煤系统中一般要求配料秤具有0.5%的精度；系统控制精度达到1%。

    焦化自动配煤系统的主要功能：

   （1）实时地检测各秤的流量、累计量；
   （2）可靠地控制各秤按给定值恒流量运行；
   （3）配比和总配料量优化计算、下达；
   （4）现场工艺流程的动态模拟画面显示、配比、柱形图、历史曲线图等；
   （5）现场工艺、操作、过程参数的设置、改写；
   （6）各种故障限、报警提示及登录、自动换仓处理等；
   （7）系统配比精度评价；
   （8）数据库、打印输出功能。
    
3 西门子全集成称重方案的设计

    一般地讲，配料所用的称重给料机的控制器分为三种模式：单机控制器、机组控制器和PLC型控制器。

    单机控制器一般采用和皮带秤配套的带控制功能的积算仪或采用以单片机技术为基础的控制器来实现，优点是配置灵活，与称重给料机一一对应使用，一台设备出现故障不影响其他设备工作，属于分布式控制；缺点是能实现的功能受到限制，经常需要配其他控制系统才能实现较为复杂的控制功能。

    机组控制器是以PC总线工控机为基础，优点是功能强大，操作直观方便，属于集中控制；缺点是系统可靠性不高，目前采用这种方式的厂家并不是很多。

    PLC型控制器是以PLC这种目前在工业生产中普遍采用的控制设备为硬件，通过软件组态实现配料的功能。其优点是：组态方式灵活、通讯方式多样、性价比很高，特别适合多台称重给料机共同组成较大型的配料系统的应用；缺点是：目前很多公司采用PLC的I/O输入功能直接接受来自称重传感器的模拟量信号，不仅精度差，而且抗干扰能力非常弱，在有些单位还出现过系统整体失控的严重事故。西门子公司推出了和Siemens Simatic系统完全兼容的Siwarex FTC的解决方案，就可以很好弥补这种方案的不足。

3.1 基于TIA（全集成自动化）技术的皮带秤系统

    基于西门子SIWAREX FTC全集成电子积算仪的称重系统主要由带秤桥支架的称重传感器、皮带速度传感器、SIWAREX FTC动态称重电子模块三部分组成。

    西门子SIWAREX FTC动态称重电子模块可直接集成于S7-300PLC中，也可通过ET200M远程I/O方式集成于S7-400PLC/PCS 7中，是一款具有高精度、高速称重功能的PLC扩展模块，具有与SIMATIC S7/PCS7统一的设计平台和通讯功能，具有强大的可编程、自诊断和远程通讯功能。全集成称重系统示意图如图3所示。

          

                               图3   SIWAREX FTC全集成称重系统的组成

3.2 皮带秤工作原理

    西门子皮带秤采用特有的直承式原理，只测量作用在皮带上力的垂直分量。当物料随传送带移动通过皮带秤时，它通过托辊向称重传感器施加一个正比于物料重量的力，它的合力作用在每个称重传感器上，并通过应变电阻被检测到。应变电阻由SIWAREX FTC动态称重电子模块提供激励电压，产生正比于皮带负载的电信号，送给SIWAREX FTC动态称重电子模块。

    称重传感器的垂直位移受皮带秤或称重传感器含有的正向过载急停的限制，这种急停可以对称重传感器提供过载保护。

4 自动配煤称重控制系统的配置

    西门子自动配煤称重控制系统仪表由PS307电源模块、S7-300CPU（或ET200M远程I/O）、SIWAREX FTC称重电子积算仪模块组成。

4.1 PS307电源模块

    用于为S7-300CPU（或ET200M远程I/O）和SIWAREX FTC电子积算仪模块提供24VDC工作电源。

4.2 S7-300 CPU

    全集成自动化（TIA）称重应用，适用于中等程序处理量的应用，对二进制和浮点数运算具有较高的处理能力。用于称重数据的处理、储存和远程通讯。每个中央CPU可最多扩展8个SIWAREX FTC称重电子积算仪，就是8台给料机可以快速集成于S7-300CPU内。通过ET200M远程I/O方式集成，每个ET200M站可最多扩展7个SIWAREX FTC称重电子积算仪。

4.3 SIWAREX FTC称重电子积算仪

    SIWAREX FTC （用于连续称重，皮带秤可编程技术）是用于皮带秤、失重秤的一种多功能灵活的电子称重模块。它还可以用来记录皮带输送物料的累积量、瞬时流量、载荷和皮带速度。SIWAREX FTC 功能模块集成在SIMATIC S7/PCS7 中，并具有该自动化系统的系统的各种特点，诸如集成通信、 诊断和配置工具。可通过指令设置皮带的运行和显示所需要的数据。

    当新的创新出现时，现有的SIWAREX FTC动态称重电子模块可随时升级。免费的升级很简便，只需下载新的固件，节省了时间和费用，并保护您的仪表收益。

    无论何时对皮带秤提出高要求，SIWAREX FTC动态称重电子模块都是最佳解决方案。它可以实现的典型应用有：

   （1） 记录皮带占有情况
   （2） 记录流速和流量
   （3） 记录皮带累计输送量
   （4） 装料和给料控制

    SIWAREX FTC具有强大的自诊断功能，操作人员也可方便的通过诊断缓冲器里的运行时序记录来分析和测试整个称重过程。

    SIWAREX FTC皮带秤技术特性一览：

   （1）用SIMATIC统一配置；
   （2）可直接在SIMATIC可编程控制系统中使用,全数字化通讯；
   （3）通过ET 200M连接PROFIBUS DP,用于分布式设备方案；
   （4）可测量重量或力，具有1600万间隔的高分辨率；
   （5）高精度3*6000d；
   （6）可按照OIML R-76标定；
   （7）SIMATIC标准操作面板显示；
   （8）可参数化的输入和输出，自带7个DI和8个DO功能；
   （9）统一设计，通过集成在SIMATIC S7和SIMATIC PCS 7而实现全集成式通信，灵活适应不同要求；
   （10）用SIWATOOL FTC程序简单校准配料；
   （11）更换模块无需重新校准配料，独特的免校称技术，防止工厂停工；
   （12）记录称重顺序；
   （13）8个累计存储器，可存储8个数据段的数据记录；
   （14）可用于爆炸应用场合，模块本身具有防爆2区ATEX 95认证，通过SIWAREX IS安全栅可应用于防爆1区场合。

5 全集成称重系统的特点和优点

    这种基于TIA的设计，继承了西门子全集成控制系统的设计理念所提倡主要特点和优点；尤其是在用于实现数据量较大的集中控制系统时，更能体现出它的优点来。

5.1 主要特点

   （1）协议存储于可选择的微存储卡中。可随时、快速并安全的得到数据事件记录用印时戳记录过程和称重状态。这是工厂概念化和优化的重要工具，也可用于分析不寻常事件。最大存储量达8M，保证数据永不丢失；
   （2） 诊断缓冲器用于文本中的最后100条信息；
   （3）参数监测称重传感器和电缆的特征值，诊断可用于防止麻烦的、广泛的及昂贵的工厂停工期。真正意义上的预维护功能，防患于未然；
   （4）皮带仿真，不需要额外的设备。

5.2 主要优点

   （1） 唯一的固体流量皮带秤完全集成于PLC，并完全由PLC控制 ；
   （2） 强大的诊断功能，也可以预维护；
   （3） 结合SIMATIC系统可以实现更多功能；
   （4） 对于升级改造非常具有竞争性；
   （5）西门子 Milltronics机械部分和SIWAREX电子部分是完美的解决方案。

6 总结

   高质量高可靠性及具有竞争力的价格比是市场成功的秘诀。在称重中就意味着高度的精确、长期的稳定性、卓越的可扩充性能及最优的生产力。换而言之，最大的生产速率配合高可靠性。能力和具竞争力的技术要求同时显现在自动化工程及称重系统中。西门子近十年在这两个领域中是全球的领先者。实用的工程知识在SIWAREX FTC的发展中得到系统应用，这使其成为用于皮带秤的一种多功能灵活的称重模块。可使焦化生产工艺中煤料的配比精度更高，使自动配煤系统更加稳定可靠。
　　
参考文献：

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