SIWAREX Wägeelektronik: Wägezellen in SIMATIC und SPS richtig integrieren

→ Produktkategorie: Wägetechnik

 

Eine Wägezelle liefert noch keinen direkt nutzbaren Gewichtswert für die SPS. Ihr Ausgang besteht meist aus einem sehr kleinen DMS-Brückensignal im Bereich weniger Millivolt. Dieses Signal muss stabil gespeist, verstärkt, gefiltert, digitalisiert und anschließend in Kilogramm, Tonnen oder eine andere Gewichtseinheit umgerechnet werden.

Genau diese Aufgabe übernimmt eine SIWAREX-Wägeelektronik. Sie verbindet die mechanische Wägetechnik mit SIMATIC, TIA Portal, HMI und übergeordneten Automatisierungsfunktionen. Neben dem aktuellen Gewicht können je nach Modul Nullstellung, Tarierung, Grenzwerte, Diagnose, Dosierung, Summierung und eichfähige Funktionen umgesetzt werden.

Die Qualität der Gewichtsmessung hängt jedoch nicht allein vom Wägemodul ab. Wägezelle, Anschlusskasten, Messkabel, mechanischer Einbau, Parametrierung und SPS-Programm bilden eine gemeinsame Messkette. Eine falsche Speisespannung, vertauschte Signalleitungen oder mechanische Kraftnebenschlüsse können selbst mit einer korrekt programmierten SIMATIC zu unplausiblen Ergebnissen führen.

Geeignete Module finden Sie in der Kategorie SIWAREX Wägeelektroniken für SIMATIC. Weitere Wägezellen, Kraftaufnehmer und Sensoren sind im Bereich Weg-, Kraft-, Drehzahl-, Drehmoment- und Vibrationssensoren zusammengefasst.

Wie ist eine elektronische Waage aufgebaut?

Eine industrielle Waage besteht aus mehreren mechanischen und elektrischen Komponenten. Die Wägezelle bildet das eigentliche Sensorelement. Sie wird durch eine Plattform, einen Behälter, ein Förderband oder eine andere Konstruktion belastet und wandelt die eingeleitete Gewichtskraft in ein elektrisches Signal um.

Die Wägeelektronik übernimmt die Aufbereitung dieses Signals. Sie versorgt die Wägezelle mit einer stabilen Brückenspeisung, misst die sehr kleine Differenzspannung und berechnet daraus den Gewichtswert. Anschließend stellt sie diesen Wert der SPS, dem HMI oder einem übergeordneten Leitsystem zur Verfügung.

Eine typische Messkette besteht aus:

• einer oder mehreren Wägezellen,
• mechanischen Einbau- und Krafteinleitungsteilen,
• einem analogen oder digitalen Anschlusskasten,
• abgeschirmten Wägezellen- und Messleitungen,
• einer SIWAREX-Wägeelektronik,
• einer SIMATIC-Steuerung und einem HMI,
• einer geeigneten Parametrierung und SPS-Software.

Jede dieser Komponenten kann die Messung beeinflussen. Die Wägeelektronik kann einen konstanten Nullpunktfehler korrigieren und Signale filtern. Sie kann jedoch keine Last erfassen, die über eine starre Rohrleitung, einen Anschlag oder eine verspannte Konstruktion an den Wägezellen vorbeigeleitet wird.

Wie arbeitet eine DMS-Wägezelle?

Eine DMS-Wägezelle enthält einen metallischen Federkörper, der sich unter Belastung geringfügig elastisch verformt. Auf definierten Bereichen des Federkörpers befinden sich Dehnungsmessstreifen. Ihre elektrischen Widerstände ändern sich entsprechend der mechanischen Dehnung oder Stauchung.

Mehrere Dehnungsmessstreifen sind üblicherweise zu einer Wheatstone-Vollbrücke verschaltet. Die Brücke wird von der Wägeelektronik mit einer stabilen Spannung gespeist. Ohne Last ist die Brücke weitgehend ausgeglichen. Unter Belastung verändert sich das Verhältnis der Brückenwiderstände und am Signalausgang entsteht eine kleine Differenzspannung.

Der Ausgang ist proportional zur Belastung, solange sich die Wägezelle innerhalb ihres vorgesehenen Messbereichs befindet und korrekt belastet wird. Überlastung, Querkräfte, Biegemomente oder eine falsche Krafteinleitung können das Signal dagegen verändern und die Wägezelle dauerhaft beschädigen.

Was bedeutet das Wägezellensignal in mV/V?

Die Empfindlichkeit einer analogen Wägezelle wird meist in mV/V angegeben. Ein Kennwert von 2 mV/V bedeutet, dass die Wägezelle bei Nennlast pro Volt Speisespannung ein Ausgangssignal von 2 mV erzeugt.

Bei einer Speisespannung von 10 V ergibt sich:

2 mV/V × 10 V = 20 mV bei Nennlast

Bei halber Belastung wären unter idealen Bedingungen etwa 10 mV zu erwarten. Das Signal ist damit wesentlich kleiner als klassische SPS-Standardsignale wie 0–10 V oder 4–20 mA.

Die SIWAREX-Wägeelektronik besitzt deshalb einen speziellen Eingang für DMS-Vollbrücken. Eine Wägezelle darf nicht direkt an einen gewöhnlichen 0–10-V-Analogeingang der SPS angeschlossen werden. Ein solcher Eingang bietet weder die erforderliche Brückenspeisung noch die notwendige Empfindlichkeit und ratiometrische Auswertung.

Welche Aufgabe übernimmt die SIWAREX-Wägeelektronik?

Die SIWAREX-Wägeelektronik verbindet die analoge Wägezelle mit der digitalen Automatisierungsebene. Ihre Aufgaben gehen deutlich über eine reine Signalverstärkung hinaus.

Abhängig vom Modul kann die Wägeelektronik unter anderem folgende Funktionen übernehmen:

• Speisung analoger DMS-Wägezellen,
• hochaufgelöste Erfassung des Brückensignals,
• Umrechnung des Signals in einen Gewichtswert,
• Nullstellung und Tarierung,
• Stillstandserkennung,
• Grenzwertüberwachung,
• digitale Filterung,
• Trace-Aufzeichnung und Diagnose,
• Kommunikation mit SIMATIC, HMI oder Fremdsteuerungen,
• Steuerung von Dosier-, Abfüll- oder Bandwaagenfunktionen.

Der Gewichtswert steht damit direkt im SPS-Programm zur Verfügung. Eine zusätzliche analoge Skalierung über einen allgemeinen SPS-Eingang ist nicht erforderlich. Gleichzeitig können Statusmeldungen, Grenzwerte und Bedienbefehle zwischen SIWAREX und SIMATIC ausgetauscht werden.

Welches SIWAREX-Modul passt zur Anwendung?

Die Auswahl des Wägemoduls richtet sich nach der SIMATIC-Familie und der eigentlichen Wägetechnikaufgabe. Nicht jedes Modul ist für Plattformwaagen, Bandwaagen und automatische Dosierungen gleichermaßen vorgesehen.

SIWAREX-Modul	Typische Integration	Typische Anwendung
SIWAREX WP231	SIMATIC S7-1200 oder Stand-alone	Plattformwaagen, Behälterwaagen, Füllstand über Gewicht, einfache Verwiegung
SIWAREX WP241	SIMATIC S7-1200 oder Stand-alone	Förderbandwaagen und kontinuierliche Materialstrommessung
SIWAREX WP251	SIMATIC S7-1200 oder Stand-alone	Automatische Dosier-, Abfüll- und Kontrollwägeprozesse
SIWAREX WP521 ST	SIMATIC S7-1500	Einkanalige Plattform- oder Behälterwaage
SIWAREX WP522 ST	SIMATIC S7-1500	Zwei unabhängige Plattform- oder Behälterwaagen

Für eine einfache Behälterwaage innerhalb einer S7-1200-Anlage ist die WP231 häufig die passende Lösung. Soll das Modul einen vollständigen Dosierablauf mit Grob- und Feinstrom, Nachlaufkorrektur und Toleranzkontrolle ausführen, ist die WP251 auf diese Aufgabe ausgerichtet.

Bei neuen S7-1500-Projekten bieten WP521 ST und WP522 ST eine direkte Integration als Technologiemodule. Die zweikanalige WP522 ST kann zwei getrennte Waagen auswerten und spart dadurch bei entsprechenden Anlagen Platz im Schaltschrank.

Wägezellen und Messbereich richtig auslegen

Die Nennlast der Wägezellen darf nicht nur anhand der maximalen Nutzlast ausgewählt werden. Das Eigengewicht der Plattform, des Behälters, der Einbauten und aller dauerhaft mitgewogenen Komponenten muss ebenfalls berücksichtigt werden.

Für einen Behälter auf vier Wägezellen gilt vereinfacht:

Gesamtnennlast = Anzahl der Wägezellen × Nennlast je Wägezelle

Die Last verteilt sich in der Praxis jedoch selten exakt gleichmäßig. Der Schwerpunkt kann außermittig liegen, Rohrleitungen können zusätzliche Kräfte einleiten und beim Befüllen können dynamische Belastungsspitzen entstehen. Deshalb wird eine ausreichende Reserve benötigt.

Eine unnötig große Nennlast ist ebenfalls ungünstig. Wird ein Behälter mit maximal 1.000 kg beispielsweise auf vier Wägezellen mit jeweils 5.000 kg Nennlast aufgebaut, nutzt die Waage nur einen sehr kleinen Teil des verfügbaren Signals. Auflösung und relative Messqualität können dadurch schlechter werden.

Bei der Auslegung sind mindestens zu berücksichtigen:

• Eigengewicht der Konstruktion,
• maximale Nutz- oder Produktlast,
• ungleichmäßige Lastverteilung,
• dynamische Belastungen beim Befüllen und Entleeren,
• mögliche Überlast- und Fehlerfälle,
• gewünschte Teilung und Messgenauigkeit,
• zulässiger Bereich für Nullstellung und Tara.

Mehrere Wägezellen am Behälter anschließen

Größere Plattformen und Behälter stehen häufig auf drei oder vier Wägezellen. Die analogen Vollbrücken werden über einen Anschlusskasten zusammengeschaltet und gemeinsam an die Wägeelektronik geführt.

Ein klassischer Anschlusskasten führt Speise- und Signalleitungen parallel zusammen. Je nach Ausführung können Abgleichwiderstände vorhanden sein, mit denen geringe Empfindlichkeits- oder Lastverteilungsunterschiede ausgeglichen werden.

Der digitale Anschlusskasten SIWAREX DB erweitert diesen Aufbau um Diagnosemöglichkeiten. Dadurch können Fehler einzelner Wägezellen gezielter erkannt und in SIMATIC beziehungsweise am HMI angezeigt werden. Das ist besonders bei schwer zugänglichen Silos und Behältern hilfreich.

Der Anschlusskasten sollte möglichst nahe an den Wägezellen montiert werden. Die Leitungen zwischen den einzelnen Wägezellen und dem Anschlusskasten sollten ähnlich geführt und vor Feuchtigkeit, mechanischer Beschädigung und elektromagnetischen Störungen geschützt werden.

Eine fehlerhafte Einzelzelle kann in einer parallel geschalteten Vier-Zellen-Waage schwer zu erkennen sein. Der Gesamtwert kann im unbelasteten Zustand plausibel erscheinen, während sich bei außermittiger Belastung deutliche Abweichungen zeigen.

Speisung, Signalleitungen und Sense-Anschlüsse

Bei einer Vierleiter-Wägezelle werden zwei Leitungen für die Speisespannung und zwei Leitungen für das Messsignal verwendet. Die tatsächliche Spannung an der Wägezelle kann bei langen Leitungen durch den Leitungswiderstand geringfügig niedriger sein als am Wägemodul.

Bei einer Sechsleiter-Wägezelle kommen zwei Sense-Leitungen hinzu. Sie erfassen die tatsächlich an der Brücke anliegende Speisespannung. Die Wägeelektronik kann dadurch Spannungsabfälle in der Leitung kompensieren.

Typische Anschlüsse sind:

• EXC+ und EXC− für die Brückenspeisung,
• SIG+ und SIG− für das Messsignal,
• SENSE+ und SENSE− bei Sechsleitertechnik,
• Schirm beziehungsweise Gehäuseanschluss.

Die Bezeichnungen und Aderfarben sind nicht bei allen Wägezellen identisch. Die Verdrahtung muss deshalb immer anhand des Datenblatts und Anschlussplans erfolgen. Eine vermeintlich übliche Farbzuordnung darf nicht ungeprüft übernommen werden.

Werden Signalleitungen vertauscht, zeigt die Waage bei Belastung in die negative Richtung. Sind Speise- und Signalleitungen vertauscht, entsteht kein sinnvoller Messwert und es kann zu Fehlermeldungen oder Übersteuerung kommen.

Abschirmung und störsichere Kabelverlegung

Das Nutzsignal einer Wägezelle beträgt nur wenige Millivolt. Frequenzumrichter, Motorleitungen, Schütze und leistungsstarke Verbraucher können daher erhebliche Störungen verursachen.

Wägezellenleitungen sollten getrennt von Motor- und Leistungskabeln verlegt werden. Kreuzungen mit Leistungskabeln sollten möglichst rechtwinklig erfolgen. Schleifen, unnötige Verlängerungen und nicht dokumentierte Klemmstellen sind zu vermeiden.

Weitere wichtige Maßnahmen sind:

• geeignete abgeschirmte Messleitungen verwenden,
• Schirmung und Potenzialausgleich nach den Herstellervorgaben ausführen,
• Schirmanschlüsse großflächig und niederimpedant herstellen,
• Anschlusskästen gegen Feuchtigkeit und Kondensat schützen,
• Kabelverschraubungen passend zum Kabeldurchmesser auswählen,
• keine gemeinsamen Klemmen mit geschalteten induktiven Lasten verwenden,
• Wägezellenkabel nicht als mechanische Zugentlastung einsetzen.

Ein digitaler Filter in der Wägeelektronik kann elektrische Störungen reduzieren. Er ersetzt jedoch keine EMV-gerechte Installation. Eine stark gefilterte, aber elektrisch gestörte Messung reagiert lediglich langsamer auf denselben Fehler.

SIWAREX in SIMATIC und TIA Portal integrieren

Bei der Integration wird das SIWAREX-Modul zunächst in der Hardwarekonfiguration des TIA Portals angelegt. Das genaue Vorgehen hängt davon ab, ob das Modul direkt zur S7-1200, zur S7-1500 oder als eigenständige Einheit über Ethernet beziehungsweise Modbus eingesetzt wird.

Im SIMATIC-Projekt werden anschließend die benötigten Prozesswerte und Befehle eingebunden. Dazu gehören beispielsweise:

• aktuelles Brutto- und Nettogewicht,
• Tarawert,
• Waagenstatus und Stillstand,
• Grenzwertmeldungen,
• Diagnose- und Fehlercodes,
• Befehle zum Nullstellen und Tarieren,
• Dosierstatus und Sollwerte,
• Freigaben für digitale Ein- und Ausgänge.

Für Bedienung und Service kann ein HMI vorgesehen werden. Dort können Gewicht, Betriebszustand, Sollwerte, Grenzwerte und Diagnosemeldungen dargestellt werden. Kritische Parameter sollten gegen unbeabsichtigte Änderungen geschützt werden.

Nicht jeder Waagenparameter muss zyklisch zwischen SPS und Modul übertragen werden. Prozesswerte und schnelle Befehle werden typischerweise zyklisch verarbeitet. Umfangreiche Parameter, Justagedaten und Serviceinformationen werden gezielt gelesen oder geschrieben.

Bei der Programmierung sollte klar getrennt werden zwischen:

• Wägefunktion innerhalb der SIWAREX-Elektronik,
• Maschinenablauf innerhalb der SIMATIC,
• Bedienung und Visualisierung im HMI,
• Archivierung oder Chargendokumentation im Leitsystem.

Wichtige Waagenparameter richtig einstellen

Damit aus dem Brückensignal ein richtiger Gewichtswert entsteht, benötigt die Wägeelektronik Informationen über Waage, Wägezellen und gewünschte Anzeige.

Zu den wichtigen Parametern gehören:

• maximale Waagenlast,
• kleinste Anzeigeteilung,
• Anzahl und Nennlast der Wägezellen,
• Wägezellenkennwert in mV/V,
• Nullpunkt beziehungsweise unbelasteter Zustand,
• bekanntes Justagegewicht,
• Filter- und Stillstandsparameter,
• Grenzwerte und Hysterese,
• Tarabereich,
• Über- und Unterlastgrenzen.

Eine falsche Dezimalstelle oder Gewichtseinheit kann zu scheinbar plausiblen, aber um den Faktor zehn oder tausend falschen Werten führen. Gleiches gilt, wenn Kilogramm, Gramm und Tonnen zwischen SIWAREX, SPS und HMI unterschiedlich interpretiert werden.

Nullstellung, Tarierung und Justage unterscheiden

Nullstellen, Tarieren und Justieren erfüllen unterschiedliche Aufgaben und dürfen nicht miteinander verwechselt werden.

Nullstellung

Beim Nullstellen wird der aktuelle unbelastete oder nahezu unbelastete Zustand als Nullwert übernommen. Kleine Abweichungen durch Rückstände, Temperatur oder mechanische Veränderungen können damit innerhalb zulässiger Grenzen ausgeglichen werden.

Ein großer Nullpunktversatz darf nicht einfach weggestellt werden. Er kann auf eine mechanische Verspannung, Produktablagerung, eine beschädigte Wägezelle oder eine falsche Verdrahtung hinweisen.

Tarierung

Beim Tarieren wird ein vorhandenes Gewicht vom Bruttowert abgezogen. Das Ergebnis ist das Nettogewicht. Bei einer Behälterwaage kann beispielsweise das Gewicht eines austauschbaren Gebindes tariert werden.

Es gilt:

Nettogewicht = Bruttogewicht − Taragewicht

Justage

Bei der Justage wird der Zusammenhang zwischen dem elektrischen Wägezellensignal und dem angezeigten Gewicht festgelegt. Dafür werden mindestens ein Nullpunkt und ein belasteter Referenzpunkt benötigt.

Eine Nullstellung ersetzt keine Justage. Eine Waage kann bei leerem Behälter exakt 0 kg anzeigen und bei einer realen Belastung trotzdem einen falschen Wert liefern.

Justage mit Kalibriergewicht durchführen

Die zuverlässigste Inbetriebnahme erfolgt mit bekannten Prüf- beziehungsweise Kalibriergewichten. Dabei wird nicht nur die elektrische Wägekette, sondern auch die mechanische Krafteinleitung in die Bewertung einbezogen.

Ein typischer Ablauf ist:

1. Waage vollständig montieren und mechanisch prüfen.
2. Behälter oder Plattform in den normalen Betriebszustand bringen.
3. Leitungen, Schläuche und flexible Verbindungen endgültig anschließen.
4. Waage entlasten und Nullpunkt stabilisieren lassen.
5. Nullpunkt als ersten Justagepunkt übernehmen.
6. Ein bekanntes Gewicht möglichst im normalen Arbeitsbereich aufbringen.
7. Gewichtswert als zweiten Justagepunkt eingeben.
8. Referenzgewicht entfernen und Rückkehr zum Nullpunkt prüfen.
9. Weitere Lastpunkte und gegebenenfalls außermittige Belastungen kontrollieren.

Das verwendete Gewicht sollte einen ausreichend großen Teil des Arbeitsbereichs abdecken. Eine 10-t-Waage ausschließlich mit 20 kg zu justieren, liefert nur eine schwache Aussage über die Messung im oberen Lastbereich.

Bei großen Silos können vollständige Prüfgewichte schwer aufzubringen sein. In solchen Fällen kommen Ersatzverfahren, Vergleichswägungen oder eine theoretische Justage infrage. Die mechanische Plausibilitätsprüfung bleibt trotzdem erforderlich.

Theoretische Justage ohne Prüfgewicht

Einige SIWAREX-Module unterstützen eine theoretische Justage anhand der Wägezellendaten und der mechanischen Auslegung. Dazu werden unter anderem Nennlast, Anzahl und Kennwert der Wägezellen eingegeben.

Dieses Verfahren ist nützlich, wenn große Behälter nicht mit geeigneten Prüfgewichten belastet werden können. Es ermöglicht eine schnelle Grundinbetriebnahme und einen Austausch der Elektronik anhand gespeicherter Waagendaten.

Die theoretische Justage kann jedoch Fehler der realen Konstruktion nicht vollständig erkennen. Abweichende Kennwerte einzelner Wägezellen, ungleichmäßige Lastverteilung, Rohrleitungskräfte oder mechanische Kraftnebenschlüsse bleiben möglich.

Nach der theoretischen Justage sollte deshalb mindestens eine Plausibilitätsprüfung mit einer bekannten Produktmenge, einem Referenzgewicht oder einer unabhängigen Vergleichsmessung erfolgen.

Filter und Stillstandserkennung einstellen

In einer realen Maschine schwankt das Rohsignal durch Vibrationen, Rührwerke, Produktbewegung und elektrische Störungen. Die Wägeelektronik verwendet Filter, um einen stabilen Gewichtswert bereitzustellen.

Eine starke Filterung erzeugt eine ruhige Anzeige, verlängert aber die Reaktionszeit. Das ist bei einer langsamen Füllstandsüberwachung häufig unkritisch. Bei einer schnellen Dosierung kann dieselbe Einstellung dazu führen, dass das Abschaltsignal zu spät kommt.

Die Stillstandserkennung bewertet, ob sich das Gewicht innerhalb eines definierten Zeitraums nur noch innerhalb eines festgelegten Bereichs verändert. Sie ist beispielsweise wichtig, bevor ein Gewichtswert als Endergebnis übernommen oder eine Charge freigegeben wird.

Filter und Stillstand sollten zur Anwendung passen:

Anwendung	Typische Anforderung	Parametrierung
Silo-Füllstand	Ruhiger Langzeitwert	Stärkere Filterung möglich
Schnelle Abfüllung	Kurze Reaktionszeit	Geringere Filterung und angepasste Abschaltpunkte
Rührbehälter	Unterdrückung periodischer Schwankungen	Filter auf Rührfrequenz und Prozess abstimmen
Kontrollwaage	Schnelle, reproduzierbare Endwertbildung	Definierte Stillstands- und Toleranzkriterien

Dosier- und Abfüllprozesse steuern

Bei Dosierprozessen reicht die reine Gewichtsanzeige nicht aus. Ventile, Schnecken, Pumpen oder Klappen müssen rechtzeitig angesteuert werden, damit die Zielmenge möglichst genau erreicht wird.

Ein typischer Ablauf besteht aus:

1. Waage nullstellen oder Behälter tarieren.
2. Grobfüllung mit hohem Materialstrom starten.
3. Bei Erreichen des Umschaltpunkts auf Feinstrom wechseln.
4. Materialzufuhr vor dem endgültigen Sollgewicht abschalten.
5. Nachlauf des Materials abwarten.
6. Endgewicht auf Stillstand und Toleranz prüfen.
7. Charge freigeben oder eine Korrekturdosierung ausführen.

Der Abschaltpunkt liegt häufig unterhalb des Sollgewichts, weil nach dem Schließen eines Ventils oder Stoppen einer Schnecke noch Material nachfließt. Diese Nachlaufmenge kann abhängig von Produkt, Füllstand und Fördertechnik schwanken.

Die SIWAREX WP251 ist für automatische Dosier- und Abfüllaufgaben vorgesehen. Sie kann wägetechnische Abläufe direkt bearbeiten, während die SIMATIC den übergeordneten Maschinen- und Chargenprozess steuert.

Eine saubere Aufgabenteilung reduziert die Abhängigkeit von SPS-Zykluszeiten. Schnelle wägetechnische Reaktionen bleiben in der Wägeelektronik, während Rezepturen, Materialfreigaben und Anlagenverriegelungen in der Steuerung umgesetzt werden.

Füllstand über das Behältergewicht bestimmen

Ein Behälter auf Wägezellen kann den Produktinhalt unabhängig von Schaum, Staub, Oberfläche oder Behältergeometrie erfassen. Die Wägeelektronik misst die Masse des Inhalts, nicht die Position einer Produktoberfläche.

Nach Abzug des Behältertara ergibt sich:

Produktmasse = Bruttogewicht − Behältergewicht

Soll daraus ein Volumen berechnet werden, wird zusätzlich die Produktdichte benötigt:

Produktvolumen = Produktmasse / Dichte

Die Wägung ist besonders vorteilhaft bei wechselnden Oberflächen, Rührwerken, Schüttgütern und Medien, die für berührungslose Füllstandsensoren schwierig sind.

Zu beachten sind jedoch Rohrleitungen, Schläuche, Entlüftungen und Kabel. Starre Anschlüsse können einen Teil der Behälterlast aufnehmen oder temperaturabhängige Kräfte einleiten. Die Wägeelektronik interpretiert diese Kräfte als Gewichtsänderung.

Qualitätskontrolle und Kontrollwägung

Gewichtswerte können in der Qualitätskontrolle genutzt werden, um fehlende Bauteile, falsche Füllmengen oder unvollständige Chargen zu erkennen. Die SPS vergleicht den gemessenen Wert mit festgelegten Toleranzen und entscheidet über Gut- oder Schlechtteil.

Typische Anwendungen sind:

• Kontrolle von Füllmengen,
• Vollständigkeitsprüfung von Baugruppen,
• Überwachung von Rohstoffzugaben,
• Chargenkontrolle vor dem nächsten Prozessschritt,
• Erkennen leerer oder teilgefüllter Gebinde.

Die Toleranz muss größer sein als die kombinierte Streuung aus Waage, Produkt, Prozess und mechanischer Handhabung. Eine sehr enge SPS-Grenze verbessert nicht automatisch die Produktqualität, wenn die Waage diese Unterscheidung nicht reproduzierbar auflösen kann.

Diagnose und Fehlersuche

SIWAREX stellt neben dem Gewicht verschiedene Status- und Diagnoseinformationen zur Verfügung. Diese sollten im SPS-Programm und HMI nicht ignoriert werden.

Mögliche Diagnosezustände sind:

• Wägezellensignal außerhalb des zulässigen Bereichs,
• Über- oder Unterlast,
• Leitungs- oder Anschlussfehler,
• fehlender Stillstand,
• Parametrierfehler,
• ungültige oder fehlende Justagedaten,
• Kommunikationsfehler,
• Fehler an digitalen Ein- oder Ausgängen.

Mit einem digitalen Anschlusskasten können Fehler einzelner Wägezellen gezielter lokalisiert werden. Bei einem konventionellen Anschlusskasten muss häufig jede Zelle separat geprüft oder der Lastverlauf an verschiedenen Positionen verglichen werden.

Trace-Aufzeichnungen helfen bei sporadischen Problemen. Gewicht, Status und Prozessablauf können über einen Zeitraum beobachtet werden. Dadurch lässt sich beispielsweise erkennen, ob ein Dosierfehler durch schwankenden Materialfluss, ein verspätetes Ventil oder ein instabiles Gewichtssignal entstanden ist.

Typische Parametrier- und Anschlussfehler

Fehlerbild	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Gewicht steigt bei Belastung negativ	SIG+ und SIG− vertauscht	Signalbelegung nach Datenblatt prüfen
Anzeige bleibt nahezu unverändert	Falsche Verdrahtung, Kraftnebenschluss oder zu großer Messbereich	Rohsignal und mechanische Krafteinleitung kontrollieren
Gewicht schwankt stark	EMV-Störung, Vibration, Feuchtigkeit oder ungeeigneter Filter	Kabelverlegung, Schirmung, Anschlusskasten und Rohwert prüfen
Nullpunkt wandert beim Befüllen	Rohrleitungs- oder Schlauchkräfte verändern sich	Mechanische Entkopplung kontrollieren
Gewicht ist immer um denselben Faktor falsch	Falscher Justagewert, falsche Einheit oder falscher Wägezellenkennwert	Parametrierung und Referenzgewicht vergleichen
Waage stimmt nur in einem Lastbereich	Ungeeignete Justage, mechanische Nichtlinearität oder beschädigte Wägezelle	Mehrpunktprüfung mit steigender und fallender Last durchführen
Ein Wert stimmt mittig, aber nicht an den Ecken	Ungleiche Lastverteilung oder fehlerhafte Einzelzelle	Eckenlastprüfung und Einzelzellendiagnose durchführen
Dosierung überschwingt	Zu starke Filterung, falscher Abschaltpunkt oder hoher Materialnachlauf	Grob-/Feinstrom und Nachlaufkorrektur optimieren

Praxisbeispiel: Dosierbehälter mit vier Wägezellen

In einer Mischanlage steht ein Dosierbehälter auf vier Wägezellen. Der Behälter wiegt leer 450 kg und soll maximal 1.500 kg Produkt aufnehmen. Die Dosierung erfolgt über ein pneumatisch betätigtes Ventil mit Grob- und Feinstrom.

Die vier Wägezellen werden über einen Anschlusskasten mit einer SIWAREX-Wägeelektronik verbunden. Bei der ersten Inbetriebnahme ist der Nullpunkt stabil. Nach dem Befüllen zeigt die Waage jedoch ungefähr 3 % weniger als die über eine Referenzwaage ermittelte Produktmenge.

Eine neue Justage verbessert nur den verwendeten Prüfpunkt. Bei unterschiedlichen Füllständen bleibt die Abweichung bestehen. Die Ursache liegt deshalb wahrscheinlich nicht allein in der elektronischen Skalierung.

Bei der mechanischen Prüfung zeigt sich, dass die Produktleitung starr mit dem Behälter verbunden ist. Mit zunehmendem Füllstand verformt sich die Konstruktion geringfügig und ein Teil der Gewichtskraft wird über die Rohrleitung in den Gebäuderahmen übertragen.

Die starre Verbindung wird durch eine geeignete flexible und druckfeste Anbindung ersetzt. Anschließend wird die Waage erneut mit bekannten Lastpunkten justiert und geprüft. Die Abweichung über den Arbeitsbereich reduziert sich deutlich.

Im nächsten Schritt wird die Dosierfunktion optimiert. Die Grobfüllung endet zunächst zu spät, sodass das Sollgewicht regelmäßig überschritten wird. Der Umschaltpunkt wird vorverlegt und die Nachlaufmenge aus mehreren Chargen ermittelt. Die Feindosierung wird anschließend kurz vor dem Zielwert abgeschaltet.

Die SIWAREX-Elektronik übernimmt die schnelle Gewichtsauswertung und Dosierlogik. Die SIMATIC verwaltet Rezept, Produktfreigabe, Ventilverriegelung, Chargennummer und Dokumentation.

Das Beispiel zeigt, dass Wägezelle, Mechanik, SIWAREX und SPS gemeinsam betrachtet werden müssen. Eine rein softwareseitige Korrektur hätte den mechanischen Kraftnebenschluss nicht dauerhaft beseitigt.

Empfohlener Ablauf bei der Inbetriebnahme

1. Wägezellentyp, Nennlast, Kennwert und Anschlussbelegung dokumentieren.
2. Mechanischen Einbau, Krafteinleitung und Überlastschutz kontrollieren.
3. Rohrleitungen, Schläuche, Kabel und Anschläge auf Kraftnebenschlüsse prüfen.
4. Anschlusskasten und Wägezellenleitungen auf Feuchtigkeit und Beschädigung prüfen.
5. Speise-, Signal- und Sense-Leitungen nach Anschlussplan verdrahten.
6. Schirmung und Potenzialausgleich nach Herstellervorgabe ausführen.
7. SIWAREX-Modul im TIA Portal konfigurieren und Kommunikation prüfen.
8. Wägezellendaten, Waagenlast, Teilung und Einheit parametrieren.
9. Rohsignal im unbelasteten und belasteten Zustand plausibilisieren.
10. Nullpunkt und Justage mit geeigneten Referenzgewichten durchführen.
11. Rückkehr zum Nullpunkt, Wiederholbarkeit und Eckenlast prüfen.
12. Filter und Stillstandserkennung auf den Prozess abstimmen.
13. Grenzwerte, Tara- und Nullstellfunktionen testen.
14. Bei Dosieranlagen Grob-, Fein- und Abschaltpunkte optimieren.
15. Diagnosemeldungen und Fehlerreaktionen in SPS und HMI prüfen.
16. Parameter, Justagedaten und Prüfergebnisse sichern.

Welche Produkte eignen sich?

SIWAREX Wägeelektroniken für SIMATIC

Die Kategorie SIWAREX Wägeelektroniken für SIMATIC enthält Module für S7-1200, S7-1500 und unterschiedliche wägetechnische Anwendungen.

SIWAREX WP231

Die SIWAREX WP231 ist eine einkanalige Wägeelektronik für Plattform- und Behälterwaagen. Sie kann in SIMATIC S7-1200 integriert oder unabhängig von einer SIMATIC-CPU betrieben werden.

Das Modul eignet sich unter anderem für Füllstandüberwachung, Plattformwaagen und allgemeine Verwiegungsaufgaben. Digitale Ein- und Ausgänge sowie ein Analogausgang ermöglichen zusätzlich eine direkte Anbindung von Grenzwerten oder Prozesskomponenten.

SIWAREX WP251

Die SIWAREX WP251 ist für automatische Dosier- und Abfüllaufgaben vorgesehen. Wägetechnische Funktionen können direkt im Modul verarbeitet werden, während die SIMATIC den übergeordneten Anlagenablauf steuert.

SIWAREX WP521 ST und WP522 ST

Die SIWAREX WP521 ST und WP522 ST integrieren Plattform- und Behälterwaagen in SIMATIC S7-1500. Die WP521 ST ist einkanalig ausgeführt, während die WP522 ST zwei getrennte Waagen auswerten kann.

SIWAREX DB digitaler Anschlusskasten

Der digitale Anschlusskasten SIWAREX DB verbindet mehrere Wägezellen mit der Wägeelektronik und ermöglicht eine erweiterte Diagnose einzelner Zellen. Dies erleichtert die Fehlersuche bei Behältern und Plattformen mit mehreren Auflagepunkten.

Wägezellen und Kraftaufnehmer

Für den mechanischen Aufbau stehen unterschiedliche Plattform-, Biegebalken-, Scherstab-, Druckkraft- und Zugkraftwägezellen zur Verfügung. Einen Überblick bietet der Bereich Weg-, Kraft-, Drehzahl-, Drehmoment- und Vibrationssensoren.

Die geeignete Bauform richtet sich nach Nennlast, Anzahl der Auflagepunkte, Kraftrichtung, Einbauraum, Umgebungsbedingungen und gewünschter Genauigkeit. Wägezelle und Wägeelektronik müssen hinsichtlich Kennwert, Brückenwiderstand, Speisung und Anschlussart kompatibel sein.

Fazit: SIWAREX verbindet die Wägezelle mit der Automatisierung

Eine SIWAREX-Wägeelektronik verarbeitet das kleine mV/V-Signal analoger DMS-Wägezellen und stellt daraus einen stabilen Gewichtswert für SIMATIC, HMI und Prozesssteuerung bereit. Zusätzlich können Nullstellung, Tarierung, Grenzwerte, Diagnose und je nach Modul automatische Wäge- oder Dosierfunktionen umgesetzt werden.

Die Modulauswahl richtet sich nach Steuerungsfamilie und Anwendung. WP231 eignet sich für viele Plattform- und Behälterwaagen mit S7-1200. WP251 ist auf Dosier- und Abfüllprozesse ausgerichtet. WP521 ST und WP522 ST integrieren ein oder zwei Waagen in S7-1500.

Eine korrekte Parametrierung allein garantiert jedoch noch keine genaue Waage. Wägezellen müssen passend dimensioniert, mechanisch korrekt eingebaut und störsicher verdrahtet werden. Rohrleitungen, Schläuche und Anschläge dürfen keine Kraft an den Sensoren vorbeileiten.

Nullstellung, Tarierung und Justage erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Erst die Justage mit bekannten Referenzwerten legt den Zusammenhang zwischen Brückensignal und Gewicht fest. Eine theoretische Justage ist für große Anlagen hilfreich, sollte aber durch eine praktische Plausibilitätsprüfung ergänzt werden.

Für eine zuverlässige Anlage müssen Mechanik, Wägezellen, Anschlusskasten, SIWAREX-Modul, SIMATIC-Programm und HMI als gemeinsame Mess- und Automatisierungslösung geplant werden.

Häufige Fragen zur SIWAREX-Wägeelektronik

Kann eine Wägezelle direkt an einen normalen SPS-Analogeingang angeschlossen werden?

In der Regel nicht. Eine analoge DMS-Wägezelle liefert nur wenige mV/V und benötigt eine stabile Brückenspeisung sowie eine empfindliche ratiometrische Auswertung. Dafür wird eine spezielle Wägeelektronik wie SIWAREX benötigt.

Was ist der Unterschied zwischen Nullstellen und Tarieren?

Beim Nullstellen wird der aktuelle unbelastete Zustand als Nullwert übernommen. Beim Tarieren wird ein vorhandenes Gewicht vom Bruttowert abgezogen, damit das Nettogewicht angezeigt wird.

Muss eine Waage mit Prüfgewichten justiert werden?

Eine Justage mit bekannten Gewichten berücksichtigt auch die reale mechanische Krafteinleitung und ist deshalb besonders aussagekräftig. Eine theoretische Justage kann bei großen Behältern sinnvoll sein, sollte aber durch eine praktische Vergleichsprüfung ergänzt werden.

Welche SIWAREX-Elektronik eignet sich für eine Behälterwaage mit S7-1200?

Für viele einfache Plattform- und Behälterwaagen eignet sich die SIWAREX WP231. Bei automatischen Dosier- und Abfüllprozessen kann die SIWAREX WP251 besser zur Aufgabe passen.

Welche SIWAREX-Module sind für S7-1500 vorgesehen?

SIWAREX WP521 ST ist für eine Waage und WP522 ST für zwei getrennte Waagen in einer SIMATIC-S7-1500-Umgebung vorgesehen.

Warum schwankt der Gewichtswert trotz Filterung?

Mögliche Ursachen sind Vibrationen, Produktbewegungen, elektrische Störungen, Feuchtigkeit im Anschlusskasten oder mechanische Kräfte durch Rohrleitungen. Der Filter sollte erst angepasst werden, nachdem die mechanische und elektrische Installation geprüft wurde.

Warum zeigt die Waage nach dem Nullstellen unter Last trotzdem falsch an?

Nullstellen korrigiert nur den Ausgangswert ohne Last. Eine falsche Spanne, ein ungeeigneter Justagewert, Kraftnebenschlüsse oder beschädigte Wägezellen bleiben bestehen.

Wie lassen sich einzelne Wägezellen in einem Vier-Zellen-System prüfen?

Bei einem konventionellen Anschlusskasten können Einzelmessungen und Eckenlastprüfungen erforderlich sein. Mit dem digitalen Anschlusskasten SIWAREX DB stehen zusätzliche Diagnoseinformationen für die einzelnen Wägezellen zur Verfügung.

Kann SIWAREX auch ohne SIMATIC-CPU betrieben werden?

Bestimmte Module wie WP231 und WP251 können auch eigenständig beziehungsweise über ihre Kommunikationsschnittstellen mit anderen Automatisierungssystemen betrieben werden. Die konkrete Integration hängt vom Modul und der Anlagenarchitektur ab.