HMS：工業稱重設備網絡化白皮書（14頁）.pdf

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1、工業稱重設備網絡化為稱重設備制造商解決通訊難題白皮書:工業稱重2工業稱重設備網絡化衡器(學名，多稱為稱重設備)在控制、配料、計量中的應用眾多，廣泛應用于工業、農業、商業、科研、醫療衛生等部門。隨著制造業的不斷發展，對稱重設備的系統精度要求也將越來越高，未來的系統將更加網絡化、智能化，稱重設備也將朝著高精準度、高穩定性、高可靠性發展。本白皮書將簡述稱重設備在各個行業的應用情況，重點分析稱重設備網絡化的優勢與趨勢。探索稱重設備通訊的未來發展趨勢，同時也會就稱重設備實現網絡化給出不同的解決方案，便于您找到最適合自己的解決方案。什么是稱重設備？稱重設備就是指稱量物體的重量。人類最早使用的稱重設備是原始

2、天平。20世紀中葉出現了簡單的電子稱重設備，使稱重設備跨入了電子時代。微處理器與稱重傳感器的結合引起了稱重領域的變革，此后，微處理器在稱重尤其是在動態稱重方面的應用愈來愈廣，已基本取代原來結構復雜的計算系統。微電子技術的不斷發展，大規模、超大規模集成電路的出現，使得稱重與過程控制等功能可以合并到同一電子單元中。稱重設備的分類 稱重設備可以根據不同的情況分為許多不同的類別:種類:電子秤、機械秤和機電結合秤 功能:計數秤、計價秤、計重秤 應用:工業秤、商業秤、特種秤 精度:分為I至IV級稱重設備的結構主要由承重系統、傳力轉換系統和示值系統三大部分組成。稱重設備發展的重點是電子稱重設備，本白皮書重點

3、關注的也是應用于不同領域的電子稱重設備。簡介電子稱重設備的組成與工作原理、分類電子稱重設備的工作原理一 般 電 子 稱 重 設 備 主 要 由 以 下 幾 部 分 組 成(如圖1所示)：承重和傳力機構 它是將被稱物體的重量或力傳遞給稱重傳感器的全部機械系統。稱重傳感器 一般稱之為一次變換元件，它可以將作用于其上的重量或力按照一定的函數關系轉換為電量輸出。測量顯示儀表 一般稱為二次儀表，用于測量稱重傳感器輸出的電信號，并以指針或數碼形式把重量值顯示出來?？刂茍绦醒b置 指用于稱重過程中，對給料、卸料等過程進行控制的機構。工業稱重設備網絡化重物稱重傳感器稱重傳感器平均電路電量測量儀器穩壓電源圖 1

4、電子稱重設備原理框圖電源 指向稱重傳感器測量橋路饋電的、穩定的較高的所謂“激勵電源”，它可以是交流或直流的穩壓電源，或者是測量顯示儀表內部的電源模塊。除了上述基本組成部分外，現代的電子稱重設備大多采用微處理器完成復雜的功能，比較先進的電子稱重設備工作原理如圖2所示：稱重傳感器邏輯控制穩壓電源模擬重量信號模數轉換器緩沖存貯器數字濾波器打印顯示控制器重量顯示重量打印重量存貯器中央處理機鍵盤微處理器系統數 字重 量信 號秤臺圖 2 采用微處理器的電子稱重設備原理框圖34電子稱重設備的分類 電子稱重設備的種類和形式很多，根據工作特點及用途可分為六種：料斗秤 主要用于對各種液體、粉體及顆粒狀物料的稱重和

5、配料。吊秤 主要用于對大型構件、集裝箱在裝卸過程中進行稱重。皮帶秤 主要用于散體物料在傳輸過程中進行稱重。臺秤及平臺秤 主要用于商業、工業及運輸過程中的稱重，包括各種地中衡、汽車衡、平臺秤等。電子軌道衡 主要用于對鐵路車輛的稱重。其他類別 除了上述五種以外的其他衡器。工業稱重:掛秤工業稱重設備網絡化5電子稱重設備在化工、制藥與生物技術、食品與飲料、學術科研、造紙與紡織、零售業、工程機械與設備、運輸與物流等行業都有著廣泛應用。電子稱重設備按照稱重方式可劃分為動態和靜態。靜態稱重設備，是指稱重對象相對于計量裝置是靜止的,即對象穩定后進行計量，靜態稱重是在靜止的狀態下進行，其稱重的準確度較高，但稱重

6、速度相對于動態稱重要慢；動態稱重設備，是指對象運動狀態無須改變,在行動的過程中進行快速地稱重,是一種技術含量很高的復雜設備，動態稱重是在運動的狀態下進行，其稱重的準確度高，稱重速度快，但其精度相對于靜態稱略低。其中，不需要對電子稱重設備進行控制和管理的應用也比比皆是，此處我們不做過多討論，我們將重點關注那些需要對其進行控制與管理的電子稱重設備。電子稱重設備與PLC控制系統 為什么要控制稱重設備？從應用側來看的話，許多自動化生產需要對稱重設備實現控制，如食品飲料加工產線對灌裝物料的定量控制，分選，檢重等；化工、制藥行業對物料更高的準確性和精度要求；物流運輸行業的動態稱重與分揀等等。這些應用都對生

7、產效率與產能有一定要求，傳統的人工測量、操作與記錄已經不能滿足大規模生產要求，而且在工廠層面，自動化產線與控制已經非常普遍，所以對于稱重設備來說，接入自動化控制系統已經成為必然趨勢。PLC及網絡被公認為是現代工業自動化三大支柱之一(另外兩大支柱是CAD*/CAM*和工業機器人)。它除了具有邏輯控制功能外，還有過程控制功能、運動控制功能、數據處理功能、聯網通信功能。PLC可靠性高，并且PLC網絡的性價比高。它也是自動化產線中最常用的控制設備，在自動化生產領域中，使用PLC對稱重設備進行控制進而實現對稱重系統的控制，不僅可滿足對物料的重量和精度要求，而且有利于生產效率的提高和產品質量的提高，從根本

8、上實現企業的效益。工業稱重設備網絡化6如何實現控制如下圖3所示，以電子皮帶秤給料系統為例，左側電機控制給料器給料速度，通過皮帶下的稱重傳感器檢測皮帶上物料重量，然后將重量示數發給稱重儀表，稱重儀表將重量作為輸入數據發送給PLC；右側電機控制皮帶速度，通過速度傳感器將速度作為輸入數據發給PLC。PLC對速度和物料重量有設定參數值，當物料重量和皮帶速度不符合設定值范圍時，PLC將通過輸出信號對左右兩個變頻器進行控制，從而實現對左右側電機的控制，使物料和速度達到設定值范圍。通過采用PLC控制稱重設備，不僅可以滿足重量和精度要求，還可以提高生產效率和產品質量，最終幫助終端客戶。工業稱重設備網絡化稱重傳

9、感器速度傳感器皮帶秤給料器050100150200稱重儀表變頻器變頻器電機電機PLC圖 3 電子皮帶秤給料原理圖7對于其他類型的稱重應用，我們在此不一一進行說明。理論上來講，完整的稱重設備控制系統可劃分為三層結構，即由上位機、PLC控制系統和各底層設備與系統構成。但由于稱重設備多樣化的實際應用場景，有的終端用戶應用僅僅是通過PLC進行控制，并不需要對數據集中管理和分析，那么這種應用一般就只有兩層，即現場設備層和PLC控制層。再比如有的工廠有許多控制器，多個PLC需要集中控制和管理，那么PLC之上還有上位機。如何接入PLC控制系統 稱重設備的選用取決于具體應用，不同應用采用的控制系統也各有不同，

10、如對傳輸速率、精度等要求很高，控制系統多采用以太網進行數據傳輸和通訊；如對成本控制比較嚴格，同時又沒有對速率、準確性的嚴苛要求，控系統通訊則多采用的是傳統的現場總線方式進行通訊。所以稱重設備無論是想要接入現場總線還是工業以太網控制系統，想要和PLC實現通訊，就必須支持對應的工業網絡協議。當然，隨著技術的不斷進步和產品的升級，許多稱重設備現在都具備了現場總線或工業以太網接口，但是對于那些沒有對應網絡接口的稱重設備廠商來說，想要實現業務拓展，就需要滿足終端用戶的網絡連接需求。PLC控制系統與工業網絡 從國際市場來看，目前世界上有PLC廠商200多家，PLC產品按照地域上可分成三個流派，分別是美系、

11、歐系和日系。美系例如有羅克韋爾自動化、通用等；歐系例如有西門子、施耐德電氣、倍福等；日系有三菱電機、歐姆龍等。從國內市場來看，由于種種原因，國產品牌PLC在國內市場份額所占比例很小，一直沒有形成產業化規模，但從技術角度講，國內外小型PLC差距正在縮小，一些國產品牌也逐漸找準了自己的位置。不同PLC采用的通信網絡也多有差別，美系PLC常用網絡例如有DeviceNet,EtherNet/IP,日系常用網絡例如有CC-Link,歐系例如有PROFIBUS,PROFINET,MODBUS RTU/TCP等等。PLC及其對應通信網絡的不同，將必然對整個PLC控制系統的上行和下行設備提出通信要求，正如我們

12、前面所言，稱重設備想要滿足不同行業終端應用的要求，就需要有接入不同PLC控制系統的能力，即稱重設備要具有對應的網絡接口。工業稱重設備網絡化圖 4 典型的稱重設備接入PLC控制系統圖PLC其他設備.050100150200上位機變頻器稱重設備使用現場總線或工業以太網進行通訊8HMS每一年都會對工業網絡市場進行研究，分析工廠自動化中每一年新安裝節點的分布情況。2021年的研究顯示，盡管新冠疫情大流行，但工業網絡市場還是呈現增長態勢，預計將在2021年增長6%。工業以太網仍然顯示出最高的增長，現占據新安裝節點的65%(去年64%)，而現場總線占比為28%(去年30%)。無線網絡繼續攀升，目前為7%。

13、PROFINET以18%的市場份額超過了17%的EtherNet/IP，位居網絡市場首位。從HMS多年以來的工業網絡市場份額預測報告來看，以太網發展逐年迅猛上升，早在2018年，工業以太網新安裝節點數就超過了現場總線，2019年和2020年依舊逐年上升，2020年工業以太網新安裝節點數已經高達64%，是現場總線的兩倍多，而2021年，工業以太網呈現穩步增長態勢，網絡化已經是大趨勢。工業網絡市場總體情況工業稱重設備網絡化圖 5 HMS最新發布的2021年工業網絡市場份額預測9智能和可持續生產需要設備聯網設備和機器的工業網絡連接是獲得智能和可持續生產的關鍵，這也是HMS在工業網絡市場看到的增長的主

14、要驅動力，工廠一直在優化生產率、可持續性、質量、靈活性和安全性?？煽康墓I聯網是實現這些目標的關鍵。這也就對稱重設備提出了要求，稱重設備如果想要長期服務于工廠自動化，實現可持續發展，相應地也要順應網絡變化趨勢，讓設備支持聯網，以應對市場變化。亞洲工業網絡市場呈現分散化態勢根據我們多年的分析，工業網絡市場根據地域的不同，呈現出了不同特點，在歐洲和中東，EtherNet/IP和PROFINET處于領先地位，PROFIBUS和EtherCAT緊隨其后，其他流行的網絡有Modbus(RTU/TCP)和EtherNet POWERLINK；在美國市場，EtherNet/IP占據主導地位，EtherCAT

15、也獲得了一定市場份額。與歐洲、中東以及美國不同的是，工業網絡市場在亞洲呈現分散態勢，PROFINET和EtherNet/IP雖占據主導地位，但CC-LINK,CC-Link IE Field,PROFIBUS,EtherCAT和Modbus(RTU/TCP)都有大量應用。這對稱重設備廠商來說，相比于其他市場，想要在亞洲市場實現持續發展，顯然需要支持多種不同的網絡，實現與不同網絡的通信。工業稱重設備網絡化圖 6 工業網絡逐年增長趨勢(2014-2021)圖 7 工業網絡市場份額(2014-2021)10稱重設備廠商需要關注的五個因素：成本 稱重設備廠商無論是自行開發，還是選用現成的解決方案，都無

16、法避開成本問題，這包括生產成本問題、開發 成本、人力成本等等諸多方面。上市時間 根據具體的應用需求、項目周期等，稱重設備廠商需要考慮從研發到最終產品可以上市的時間問題。研發和技術能力 如果選擇自行開發，稱重設備廠商還要考慮是否有對應的研發、技術團隊，是否有與之相匹配的專業知識與經驗。產品維護與更新換代 由于各網絡標準規范都會有相對應的更新和升級，稱重設備廠商還要考慮對產品進行認證、更新和升級。這對后期的產品維護又提出了要求。多網絡連接 由于稱重設備廠商面向的終端用戶的類型和應用千差萬別，開發或者使用單一網絡協議產品肯定不能滿足不同應用需求，所以稱重設備廠商還將面臨多網絡連接的需求，這對于以上各

17、個因素都是一項嚴峻考驗。工業稱重設備網絡化稱重設備制造商可以選擇的網絡連接解決方案雖然現在許多稱重設備都具備了現場總線或工業以太網接口，但是對于那些沒有對應網絡接口的稱重設備廠商來說，想要實現業務拓展，該怎么滿足終端用戶的網絡連接需求，實現設備聯網呢？我們列舉了稱重設備廠商需要關注的五個因素：11自行開發網絡接口 稱重設備廠商如果擁有足夠的研發與技術能力，可選擇自行開發網絡接口，一般為從站開發，通常是根據不同的協議規范，結合公開資料，在通用網絡處理器的基礎上進行開發。此種類型的開發，需要對所需網絡協議有比較深度的了解，同時需要稱重設備廠商具有與之匹配的研發和技術能力，此類開發還需要考慮上市時間

18、、技術風險與后期維護成本等問題。與第三方合作伙伴合作開發 稱重設備廠商也可選擇與市場上的通訊技術合作伙伴合作開發，這樣用戶不用擔心后期維護與技術更新迭代問題，第三方合作伙伴通常會根據通訊規范做出更新。市場上常見的方案通常主要以嵌入式芯片、嵌入式插卡/板卡、以及嵌入式模塊為主要方式。芯片是最節約成本的一種開發方式，通常在芯片中會包含網絡處理器，但稱重設備廠商需要自行開發，在通訊芯片周圍添加自己的硬件和連接件，而對于不包含完整協議棧 的芯片，還需要購買或自行開發網絡協議棧。板卡方式多為一種預制的網絡接口，該接口中包含了通訊 所必需的軟硬件，稱重設備廠商在開發的時候，只要添加自己想要的連接件基本就可

19、完成對不同網絡的對接。最后，嵌入式模塊是一個完整的解決方案，它不僅包含稱重設備廠商開發網絡接口所需要的軟硬件，還包含連接件，甚至可插拔的外殼結構。對于不同的網絡協議需求，只需更換對應網絡模塊即可，即插即用，簡單方便，這是兼具成本優勢和產品上市速度的一種解決方案。網關方案除了上述描述的開發方案外，稱重設備廠商也可選用市場上經常提到的網絡協議轉換器，即網關方案。這要看客戶的實際應用情況，例如客戶同時需要將眾多稱重設備接入某工業網絡控制系統，那么選用一個網關同時連接多個稱重設備的方案也未嘗不可，大致原理可如圖9。工業稱重設備網絡化圖 8 HMS的第三方開發方案-芯片、板卡和模塊12協議棧開發方案相較

20、于硬件開發，稱重設備廠商還可基于協議棧進行開發，將對應的網絡接口功能添加到產品中。目前，市場上也有許多廠商或第三方可以提供協議棧開發包和技術支持，可進行協議棧的移植、實施、測試等。但值得注意的是，并不是所有的通訊協議都可以通過協議棧進行開發，例如EtherCAT不可通過協議棧進行開發，而部分TCP/IP協議，如EtherNet/IP，PROFINET RT等可通過協議棧進行開發。因此，選擇采用協議棧進行開發時，要了解其局限性。工業稱重設備網絡化PLC其他設備.050100150200上位機變頻器使用現場總線或工業以太網進行通訊稱重設備.協議轉換器/網關RS-485/Modbus RTU圖 9

21、采用網關將稱重設備接入系統 開發方式*芯片板卡/插卡模塊網關協議棧*技術難度開發成本生產成本*上市時間*開發風險*維護成本*生產成本：此處指的是成品批量生產之后的方案成本方案對比13隨著科技的進步，各種民用和商用生產線越來越朝著自動化智能化的方向發展，稱重設備未來也勢必朝著網絡化、數字化、智能化的方向發展，從原來的單機操作，到現在的集中操作發展成更加物聯網化的集中控制，呈現數字化、物聯網化，而且隨著未來無線技術例如5G在工廠自動化中的應用和實施，稱重設備也會向著無線化發展。網絡化 由于傳統的通訊方式存在組網性能差、布線困難、傳輸速率低和通信距離短等限制，采用以太網方式替代或升級已成為一種趨勢。

22、以太網通訊方式有其顯著優點：其全球使用范圍廣，存在以太網的任何地 點都可以完成對設備的監控。以太網布線簡單。以太網傳輸速率高。不同以太網協議可確保數據可靠傳輸，一 網多用也方便添加無線設備。以太網網絡升級與維護簡單方便。以太網支持無限擴展節點數量。以太網具有完善的安全機制，開放互聯。另外，除了前面我們對工業網絡市場的整體報告與分析，從HMS多年來稱重設備廠商的網絡連接需求情況、結合對應網絡接口模塊的銷售數據來看，雖然許多稱重設備廠商還在使用諸如Profibus和CC-Link這樣的現場總線網絡，但是以PROFINET和EtherNet/IP為首的工業以太網，已經是HMS稱重設備客戶的主要網絡連

23、接需求，工業以太網正逐漸替代傳統現場總線，稱重設備網絡化已經是一種趨勢。數字化 隨著科學技術的不斷演進，數字化已逐漸成為自動化行業內一個非常重要且極具吸引力的市場，其目標是將IT技術與產品、系統、解決方案和服務進行融合，貫穿從研發設計到生產到技術維護的整個產業鏈。近年來人們常常提及的OPC UA和MQTT,就是工業4.0應用中最常用的，用于對接ERP，MES以及工業物聯網的工業通信技術，許多稱重設備廠商也發布了支持OPC UA和MQTT的相關軟硬件產品。那么隨著稱重設備的不斷網絡化，大量的稱重數據可成為企業的數字資產，實現數據可記錄、可追溯、可分析等等，各項數據的分析又可以反過來指導生產與運營

24、，讓產線變得更加穩定與可靠，進而提升生產效率和產能，企業的盈利也將獲得提升，可見數字化也是稱重設備的未來發展趨勢之一。稱重設備通訊的未來發展趨勢工業稱重設備網絡化14無線化 稱重設備的應用場景各種各樣，一些嚴苛的應用場景，例如不方便布線的現場，無線似乎成為了一種更好的應用選擇，隨著無線技術的不斷發展，5G技術在工業領域的應用，無線化也將成為稱重設備發展的趨勢，目前全球一些大型稱重設備廠商，如梅特勒托利多等也已經發布了相關的無線產品。www.hms-結論工業電子稱重設備網絡化是大勢所趨，隨著國內制造業不斷升級，以及越來越多的工業物聯網需求，稱重設備的網絡化需求將會越來越普遍。稱重設備廠商也需要結

25、合自身特點，在考慮成本效益、技術能力、以及應用場景多樣性等問題的基礎上，選擇適合自己的方案，不斷順應變化的趨勢，滿足終端用戶對生產效率、產能、精確性、可靠性等日益嚴苛的諸多要求，從紛雜與激烈的競爭中脫穎而出。工業稱重設備網絡化關于HMS NetworksCAD:即Computer Aided Design,計算機輔助設計CAM:即Computer Aided Manufacturing,計算機輔助制造HMS Networks是領先的工業通信和工業物聯網解決方案的獨立供應商，開發并生產包括Anybus、Ewon、Intesis和Ixxat等品牌的產品。HMS的研發和制造中心位于瑞典哈爾姆斯塔德（總部）、德國拉芬斯堡、比利時尼韋爾、西班牙伊瓜拉達和德國韋茨拉爾，并在德國、美國、日本、中國、新加坡、意大利、法國、瑞士、西班牙、印度、英國、瑞典、芬蘭、韓國和阿聯酋設有分支機構以提供本地銷售和支持，其分銷商和合作伙伴亦遍布全球。HMS在16個國家擁有超過700名員工，在斯德哥爾摩的納斯達克OMX上市（信息技術，中盤股）。