【方原柏专栏】西门子皮带秤发展历史

1 概述

德国西门子股份公司创立于1847年，是全球电子电气工程领域的领先企业。从上世纪九十年代后期开始，德国西门子公司收购兼并了多家自动化仪表公司，如摩尔、色谱分析仪器公司AA、罗杰康、丹佛斯等公司，2000年，加拿大妙声力（Milltronics）公司加入西门子公司，从而使西门子公司在过程自动化仪表方面拥有流量仪表、物位仪表、压力仪表、温度仪表、阀门定位器、控制器、记录仪、称重仪表和过程分析仪表等较全系列的产品。

妙声力公司是一家自动化仪表公司，位于加拿大安大略省的彼得伯勒，1954年成立，公司的主要产品均与固体物料有关。最早从测量球磨机声音频率开始研制球磨机系统电子设备，并藉此成长为水泥行业和采矿行业电子系统的全球供应商。上世纪七十年代，妙声力公司扩展了它的产品范围：收购雷神工业超声波业务开始了超声波传感器的生产；与日本三协株式会社达成协议在美洲销售冲量式固体流量计；与美国新泽西州的梅里克（Merrick）称重公司达成协议在加拿大制造和销售梅里克皮带秤和称重给料机（协议期1975年~1980年）。以后，妙声力公司的主要产品就围绕这三个方向发展：超声波（包括雷达）物位仪表、冲量式固体流量计、皮带秤和称重给料机。

2 梅里克年代

1908年，美国一个年轻人赫尔伯特•梅里克（Herbert•Merrick）发明了一种皮带输送机使用的称重设备，那是根据皮带速度和输送物料重量用机械方法进行物料输送量测量和计算的世界上第一台动态称重设备，这一发明完全改变了原有测量固体物料流量的方法。这种根据重力测量固体物料流量的设备后来被称为梅里克型机械式皮带秤。赫尔伯特•梅里克用这项发明成立了梅里克公司，开始生产皮带秤。这种机械式皮带秤和积分器设计非常受欢迎，称量较为准确。但由于很多机械部件在使用过程中快速磨损，需要较多的日常维护及经常更换磨损的机械部件，还要频繁地校验以维持所需的性能。

图1是梅里克称重公司机械式皮带秤的工作原理，关键的设备是一个圆形的积分盘，双杠杠秤架上的物料荷重通过机械装置转换成积分盘转轴与水平线的倾斜角度，在积分盘外缘的圆周上装有多个小滚轮，小滚轮可在一根转动的传送带的带动下旋转，从而带动积分盘的转动。积分盘转动时，其轴旋转使累计计数器工作。带动小滚轮旋转的传送带则由安装在输送机皮带上的测速传感器驱动，所以输送机皮带速度越快，传送带的速度也越快。积分盘轴旋转的速度取决于两个因素，一个是传送带的速度，另一个是积分盘倾斜的角度。根据原理我们可以分析：当秤架上的物料荷重越大时，积分盘倾斜的角度越小，在传送带同样速度带动下积分盘的转动速度越快；当秤架上的物料荷重为零时，倾斜角度成90°，在传送带同样速度带动下积分盘转动速度也为零，所以积分盘轴旋转的速度代表了秤架上的物料荷重与输送机皮带速度的乘积。

 图1  梅里克型机械式皮带秤的积分轮

要保证足够的单位长度皮带荷重，要保证秤架上的托辊组数为2、4、6，甚至8组，使物料通过秤架的时候有足够的停留时间，从而确保重力的完全传递以及补偿由于秤架的机械位移和机械积分器的位移所引起的托辊位移。

显而易见，校准、修复、维护这些老式的皮带秤及称量给料机需要注重细节并有很多技巧。由于皮带秤的纯机械式结构，因此当时招聘维护皮带秤的技术工人时，有从事过钟表修理经历的工匠往往优先得到聘用。

随着传感器技术的发展，电子设备取代了机械式的积分器：电阻应变式称重传感器的设计提供了更高的精度和可靠性，为皮带秤制造商们设计更为简单的皮带秤提供了思路。称重传感器输出的模拟量mV值可以与电子测速传感器相结合，通过电子积算器的处理运算，最后得出物料瞬时流量和累计流量。

梅里克公司研发了基于模拟量的积算器来计算称重值，继而又研制了有限数字处理的积算器。皮带秤通常是多托辊秤架，但称重给料机（定量皮带秤）受秤体长度的限制，却保留了单托辊秤架。

3 妙声力年代

在与梅里克公司的协议终止后，妙声力公司开始设计他们自己的皮带秤产品，既有多托辊秤架也有单托辊秤架，用于皮带秤和称重给料机，也开发了各种称重传感器、测速传感器和信号处理电子设备。1996年，Mass Dynamics分部作为妙声力公司新的业务部门，专门从事连续称重仪表的生产和销售工作。

3.1 秤架

妙声力公司根据不同的应用要求先后开发了不同类型的秤架，如单托辊秤架有：MSI皮带秤、MUS通用皮带秤、MLC小量程皮带秤、MCS紧凑型皮带秤、WD600轻荷载皮带秤，多托辊秤架有：MMI多托辊皮带秤、MTS双杠杆式皮带秤。其中MMI多托辊皮带秤为高精确度型，秤架采用两个或多个MSI单托辊秤架组成，因而配用4个或更多个称重传感器，在20%~100%量程范围内精确度指标为0.25%。由于单托辊秤架主推MSI皮带秤，多托辊秤架主推MMI皮带秤，而MMI又是采用多个MSI单托辊秤架组成，所以在西门子的皮带秤中，MSI秤架是最基本的，也是最重要的。图2是其外观图，图3是其工作原理图。

 图2  MSI单托辊秤架的外观

 图3  MSI单托辊秤架的工作原理

由图3可见，2台单点称重传感器是固定在皮带输送机纵梁上的静态框架上，通过托辊支架，称量托辊将承受的物料重量传递给单点称重传感器，其秤架结构形式为单托辊双端直接承重式，物料重量的传递不经过支点、杠杠的转换而直接传力给称重传感器。

称重给料机有五个系列产品：400系列用于低负荷，采用一个称重传感器，量程为0.045~9.0t/h；600系列用于低中负荷，采用两个称重传感器，量程为0.45~18.0t/h；800系列用于中高负荷，采用两个称重传感器，量程为4.5~72t/h；1200系列用于高负荷，采用双托辊双杠杆秤架，量程为9.0~270t/h；3600系列用于特大负荷，采用单托辊或双托辊秤架，量程为270~725t/h；所有称重给料机精确度均为0.5%。

3.2 称重传感器

妙声力公司在MSI单托辊秤架设计中应用的单点称重传感器是一种独特的三梁平行四边形称重传感器（见图4），原来是使用在妙声力公司的M系列冲量式固体流量计上。以往的双梁单点称重传感器，电阻应变片被放置在传感器的上、下部柔性曲面上，用它们来测量由于称重传感器的偏移变形而导致的张力式和压力式的应变力。当秤架的水平位移或载荷偏心而产生水平分力时，这一水平分力将被叠加到正常的弯曲应力上作为载荷的一部分，从而引起测量误差。三梁平行四边形称重传感器的设计仅测量放置在两个外部梁（或柔性曲面）之间中心梁上的垂直分力，位于中心梁的电阻应变片比传统的双梁设计提供了更好的性能，它不受秤架的水平位移或载荷偏心而产生水平分力的影响，因此避免了具有上、下部柔性设计使用中常见的测量误差。图中，三梁平行四边形称重传感器还带过载保护。

 图4  三梁平行四边形称重传感器

3.3 测速传感器

妙声力公司为测速传感器先后开发了用于回程皮带的紧凑型测速传感器TASS和高分辨率型测速传感器RBSS，用于滚筒轴驱动的测速传感器（MD-36、MD-256、WS100、WS200、WS300）。其中WS100、WS200、WS300采用了旋转轴编码传感器，抗振动，用于转速低、分辨率要求高（如2000脉冲/转）的称重给料机。

3.4 积算器

到上世纪七十年代后期，妙声力公司开发了第一台全集成概念的基于微处理器的积算器CompuScale，以满足皮带秤市场对易于使用、可简化设置、简化校验的积算器的需求。这一产品问世后，皮带秤市场很快就接纳了，顾客纷纷将它应用在新的皮带秤称重系统上，同时也用它来替换老式积算器。妙声力公司随后又开发了SF500、BW100、BW500等不同用途、不同类型的积算器。

4 西门子年代

西门子公司为了提供一体化大型交钥匙工程项目，在上世纪七十年代与称重设备的制造商进行合作，研究以西门子PLC模块作为接口，将称重功能集成到PLC平台上。为此开发了基于PLC的称重模块SIWAREX，其特点是这些模块可以像普通模块一样接入PLC，而这些模块可提供称重传感器的精确电源和高精度称重传感器的信号处理。最早开发的是用于静态称重设备的称重模块，将称重传感器信号传送到PLC中处理，PLC就像称重仪表一样计算称重传感器称量的重量，如SIWAREX U称重模块可用在基于重量的物位测量和平台称重上。

如果现场称重设备的信号需要传送到PLC系统集中显示与管理，按传统的方案，称重传感器的输出信号要送到重量变送器或仪表完成作为称重设备的调整运算后，仅仅将代表重量值的4~20mA信号通过模拟量输入模块送到PLC系统（见图5上）。如采用西门子公司SIWAREX称重模块的方案，则可将称重传感器与称重模块直接相连，由称重模块向称重传感器提供电源，称重传感器的输出信号送到称重模块，而作为称重设备的调整运算等衡器功能则由PLC系统完成（见图5下）。

 
图5  两种解决方案示意图

在西门子公司早期PLC产品系列中，就开发了SIWAREX P简易式称重模块和SIWAREX M、A、MS、U、CS、CF等称重模块，但这些称重模块只适用于静态称重，用于料斗秤、平台秤的普通精度的称重。稍后又推出适用于高速、高精度的静态称重衡器的FTA称重模块及适用于高速、高精度连续自动称重衡器的FTC称重模块

西门子公司FTC（连续称量的灵活技术）称重模块是设计专门用于高速、高精度连续自动称重衡器，图6是用于称重给料机连续配料系统示意图。图中，称重给料机秤架上称重传感器、速度传感器的输入信号接入FTC称重模块，由称重模块进行计算处理（包括AD转换，滤波等）后，再通过PLC总线直接传给S7-300 PLC的CPU，通过S7-300 PLC的控制功能实现PID控制，通过称重模块的模拟输出端子输出4~20mA控制信号（例如送到变频器的信号），通过就地盘上的触摸屏可以显示称重过程参数并进行操作。FTC被认为是传送皮带称量业务的关键性里程碑，现在也被用于固体流量计、批处理称量、以及失重称量连续流量控制。

 图6  全集成PLC皮带秤称重的系统结构示意图

2014年西门子公司在中国发布了SIWAREX WP241皮带秤模块，它是替代S7-200的S7-1200控制器的一个I/O模块。其特点是：

可以四线制或六线制并联连接多个称重传感器，无防爆要求时连接称重传感器的最大数量：称重传感器的输入电阻/称重传感器的数量> 40Ω。以西门子公司称重传感器多数产品的输入电阻350Ω为例，无防爆要求时连接称重传感器的最大数量为8个，重量测量的分辨率可达100万分度；

有4个数字量输入，第一个点用于测速传感器的输入，另有4个数字量输出；

有1个模拟量输出；

通信接口有：RS485Modbus RTU、Modbus TCP/IP的以太网通信；

SIWAREX WP241出厂时已校准，可实现自动校准秤，而无需校准砝码，且更换模块后也无需重新校准秤；

SIWAREX WP241运行环境有2类：向上集成到SIMATIC中运行，向下单机模式运行（无SIMATIC控制器）；

S7-1200可接入SIWAREX WP241称重模块的最大数量：S7-1212 CPU为2个，S7-1214、1215、1217 CPU为8个。

图7是在操作面板上的皮带秤基本参数组态画面，共2个画面，这是第一个。

 图7  在操作面板上的基本参数组态画面

以世界皮带秤技术的发展作为背景，回顾妙声力公司皮带秤技术的发展历程可见图8。

图8  妙声力公司皮带秤技术的发展历程

5 结束语

加拿大妙声力公司的皮带秤产品的发展，除成立之初的摸索阶段外，从上世纪七十年代起，在经历了梅里克年代、妙声力年代后，于2000年加入西门子公司而进入了西门子年代。梅里克年代通过引进先进技术积累了称重仪表的知识和经验，妙声力年代通过创新开发了具有鲜明特色的自主产品，而在西门子年代，首先是借助西门子公司庞大的销售网络使妙声力的称重产品深入到世界的每一个角落，然后又与西门子的PLC技术全面融合，诞生了基于SIWAREX FTC、WP241的称重模块技术，使其皮带秤技术融入到生产过程自动化系统之中，提升到一个更高的水平。

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