称重模块SIWAREX U在制丝线配比型电子皮带秤中的应用

摘要：烟草制丝线烟丝配比工艺段是制丝生产的关键过程之一，配比型电子皮带秤称重系统对烟丝配比精度控制起着核心作用。本文描述了电子皮带秤的原理及称重模块SIWAREX U在配比型电子皮带秤上的应用和相关技术特点等。
关键词：掺配、 称重模块、自动追加、电子皮带秤、集成化称重
Abstract: Cut tobacco’s mixture ratio processing is the key process in tobacco primary line. And the dosing electronic belt scale weighing system plays the core role in precision control of the cut tobacco’s mixture ratio. This paper mainly introduces that the theory of electronic belt scale and SIWAREX U weighing module’s application and related technical features in dosing electronic belt scales.
Keywords: blending, weighing module, automatic superaddition, electronic belt scale, integration weighing

一  前言
      烟草工业生产中，烟丝的配比工艺段无疑是非常关键的工艺环节之一。所谓烟丝配比，是指按生产中叶丝的流量为基数，将梗丝、膨胀烟丝、薄片烟丝以及残丝中的几种按各自的设定比例和叶丝进行实时均匀的掺配。配比型电子皮带秤是完成此项工艺段加工过程的核心设备，而影响其精度的关键因素之一就是称重信号的采集精度及稳定性，它将直接关系到烟丝配比的质量，从而也在很大程度上决定着后续烟支成品的内在吸味质量的稳定性和均衡性。虽然电子皮带秤的技术已经相对比较成熟，但对于应用设计者而言，技术进步的探索之路永无止境。

二   配比型电子皮带秤的工作原理
电子皮带秤按其工作用途分类，一般分为计量型、控制型、配比型三种类型。
计量型—计量物料的瞬时流量及累计重量。
控制型—均衡地控制物料重量，使物料按设定流量通过。
配比型 —实现叶丝、梗丝、薄片丝、残丝等的设定配比。
      配比型电子皮带秤称重系统由多台称量装置组成并集中控制，集称量、配比于一体，具有交互式多任务、多参数计量功能，能够对通过该配比系统的多种烟丝进行动态累计称量、流量控制，并按一定比例进行掺配。
2.1 电子皮带秤工作原理
      各种烟丝通过限量管（或直接下落）到称量装置的皮带上，随皮带向前运转，当其通过称量装置有效称量段时，其重量通过输送机皮带和计量托辊加到荷重传感器上，传感器感受负荷产生的信号直接送入称重模块SIWAREX U中，经称重模块SIWAREX U采集并转换的数据直接经S7系统总线送入PLC数据采集系统，检测称量段上的单位长度重量q（kg/m），同时测速装置检测出皮带运行速度v（m/s），经过PLC运算得出瞬时流量和累积量并进行显示。
瞬时流量为：Q=3600×q×v（kg/h）
累积量为：G=∫q×v×d t（kg）
其中：q=w×h×p s
w  — 秤体上物料宽度（m），与限量管宽度有关。
   h   — 秤体上物料厚度（m），与限量管开口高度有关。
   p s  — 物料比重（kg/m3）
   v  — 带速（m/s）
2.2  电子皮带秤配比工作原理
       配比型电子皮带秤控制系统以通过主称量装置的物料瞬时流量为基准，与掺配称量装置相对应的设定掺配比例运算后，作为该掺配装置的设定流量，同时将测得的通过该掺配装置的瞬时流量与设定流量信号进行比较，利用PLC进行PID控制运算，输出调速信号调节电机的转速，从而改变皮带速度，以达到自动调整掺配流量的目的。
2.3  电子皮带秤控制系统组成
配比型电子皮带秤主控柜部件采用德国西门子公司 S7-300系列PLC，其电控系统功能框图见图1。

图1  电控系统功能框图
       S7-300 PLC由CPU317-2PN/DP、高速计数模块FM350-2、称重模块SIWAREX U、数字量输入输出模块和电源模块组成。CPU317-2PN/DP主要用于主过程控制及Profinet通讯。包含数字量输入点和数字量输出点、模拟量输入和模拟量输出回路，其中数字输入点和数字输出点承担着整个电子皮带秤的数字量输入和输出控制以及提供与外部联机时所需的输入和输出信号；模拟量输入用于4-20mA流量外设定采样；模拟量输出用于变频器控制及瞬时流量4-20mA输出。称重传感器的重量信号由SIWAREX U采样，速度编码器的编码脉冲信号送入PLC的高速计数器。电子皮带秤根据来自重量传感器的重量信号、来自速度编码器的速度信号及该秤的设置信号和已编制的软件程序，进行称重、流量控制、配比、通讯并送出速度控制信号，该信号送到变频调速器从而控制电机转速，带动电子皮带秤工作。控制型电子皮带秤控制单元及SIWAREX U电子称重模块集成实物如图2。
 

图2 控制型电子皮带秤控制单元
2.4  控制系统特点
2.4.1  简化了荷重信号放大电路
       荷重信号采集采用西门子的电子称重模块SIWAREX U，使来自荷重传感器的信号连线直接接入称重模块SIWAREX U中，减少了使用信号放大器的传统中间放大环节，使荷重信号传输的准确度更高，采样的频率更快，这就可以保证电子皮带秤的累积精度。
       西门子称重模块（SIWAREX U）具有对传感器桥路输出信号的电源补偿，且传输距离远，能达到1000米，精度高，设计为0.05%，65000分区分辨率，控制测量次数达到50次/秒，更有数字滤波、断线监视等功能，使其更加稳定、可靠，计量精度的稳定性在较长的时间内可以得到较大限度的保证，从而大大延长了电子皮带秤的维护和标定周期。另外，SIWAREX U是一个集信号放大、16位A/D转换为一体的专用称重模块，它与西门子PLC的连接直接由背板总线来完成，大大地简化了荷重信号放大电路，这一系列的优势使得电子皮带秤的精度可靠性得到了更大意义上的提升，应用水平又上了一个新的台阶。
2.4.2 计量累计误差自动追加功能
       根据配比型电子皮带秤的掺配原理，瞬时掺配精度应该能够得到保证，但是掺配后的烟丝累计量总体累计精度随着时间的推移可能会因瞬时流量的误差、烟丝来料不稳定等各种因素超出设定比例的允许范围，因此我们设计了计量累计误差自动追加程序。原理是：当累计误差超过允许范围较大时在原设定比例的基础上增加较大的修正值修订设定比例，使其快速回到正常的累计误差范围；当累计误差超过允许范围较小时在原设定比例的基础上增加较小的修正值修订设定比例，使其缓慢回到正常的累计误差范围。

三   注意事项
      虽然西门子称重模块SIWAREX U具有对传感器桥路输出信号的电源补偿，且传输距离远，能达到1000米，但是在通常使用时应尽量缩短荷重传感器与称重模块SIWAREX U的距离，从而尽可能地避免强干扰信号的介入。如果传输距离超过300米，尽量选择西门子订货号为7MH4702-8AG的原装传感器电缆。

四  结束语
       使用电子称重模块SIWAREX U后，荷重信号的稳定性有了明显的提高。为使整个电子皮带秤的系统精度及稳定性会达到一个最佳状态，我们在具体使用过程中，还应注意影响荷重信号稳定性的其他因素，如：秤体上的轴承润滑是否良好，皮带是否干净，秤体边缘与皮带之间是否有异物等等。同时这种集成化的称重方式，非常值得在行业内进行推广。

参考资料：
GB/T7551-1997.《称重传感器》；
    方原柏．《电子皮带秤》．北京：冶金工业出版社．2007,8