畢業(yè)設(shè)計（論文）稀土萃取洗液生產(chǎn)車間自動控制系統(tǒng)

1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）題 目：稀土萃取洗液生產(chǎn)車間自動控制系統(tǒng)學(xué)生姓名： 學(xué) 號：專 業(yè)：自動化班 級：自06-3班指導(dǎo)教師： 48內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）稀土萃取洗液生產(chǎn)車間自動控制系統(tǒng)摘 要我國稀土的研究技術(shù)水平處于世界領(lǐng)先地位，但是其工業(yè)生產(chǎn)的自動化控制水平較低。我所設(shè)計的自動控制系統(tǒng)彌補了其工業(yè)生產(chǎn)的不足。本設(shè)計采用plc控制配置罐的液位，實現(xiàn)了對濃度的自動控制?；谙到y(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及功能，首先對plc、電源、傳感器、執(zhí)行器等進(jìn)行了選型，然后對系統(tǒng)進(jìn)行了硬件電路圖的設(shè)計和plc軟件編程，最后實現(xiàn)了上位機與plc通信，并且對上位機組態(tài)做了設(shè)計。最終完

2、成了洗液自動控制系統(tǒng)，經(jīng)模擬調(diào)試，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的連續(xù)，保證了配置洗液的精度，增強了系統(tǒng)的安全性能。plc技術(shù)的應(yīng)用提高了系統(tǒng)的靈活性、快速性、安全性以及控制精度；并利用組態(tài)王技術(shù)對控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，對s7-200、各泵運行狀態(tài)和容器液位進(jìn)行監(jiān)視，使得系統(tǒng)操作簡單，畫面直觀、形象。關(guān)鍵詞：濃度控制；plc；限位報警；傳感器；組態(tài)王內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）re extract lotion production workshop automatic control systemabstracttechnical level of china rare earth is a wor

3、ld leader, but the automation levels of the industrial production is low. the control system of industrial production i designed makes up for its deficiencies.this design uses a plc can control the level configuration to realize the automatic control of concentration. based on the system's basic

4、 structure and function, at first, to chose power supply, sensors, actuators, etc of the plc, then design the system hardware circuit and plc programming, finally realized the communication between pc and plc, and make the design on the upper machine configuration. finally completed the system of th

5、e wash control. after the simulated, achieved continuous production process, to ensure the accuracy of the configuration lotion, to enhance the safety performance of the system. plc technology improved the system flexibility, speed, security and control accuracy; and used the technology to control w

6、ith configuration parameters set, on the s7-200, operating status of each pump and tank water monitor, making system simple, screen image intuitive.key words: concentration control, plc, limit alarm, sensors, pc unit configuration內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）目 錄摘 要iabstractii第一章 引 言11.1 稀土萃取洗液生產(chǎn)車間自動控制系統(tǒng)設(shè)計背景1

7、1.1.1 稀土資源簡介11.1.2 稀土的特性11.1.3 萃取洗液11.2 稀土萃取洗液生產(chǎn)車間自動控制系統(tǒng)的工作原理21.2.1 萃取洗液生產(chǎn)車間的組成21.2.2 工作原理41.2.3 萃取洗液生產(chǎn)車間的設(shè)計目標(biāo)51.2.4 萃取洗液生產(chǎn)車間的技術(shù)要求51.3 稀土萃取洗液生產(chǎn)車間自動控制系統(tǒng)綜述6第二章 系統(tǒng)設(shè)計72.1 萃取洗液生產(chǎn)的控制原理72.1.1 配置過程的控制原理72.1.2 補充原液與報警82.2 采樣信號和控制量分析82.3 系統(tǒng)組成9第三章 硬件設(shè)計113.1 plc的選型113.1.1 cpu的選型123.1.2 s7-200 數(shù)字量、模擬量擴展模塊的選型143.

8、1.3 s7-200的通信203.2 執(zhí)行器設(shè)備選型213.2.1 鹽酸濃度傳感器213.2.2 稱重傳感器223.2.3 液位傳感器223.2.4 水泵、鹽酸泵233.2.5 電磁閥243.2.6 dc 24v電源243.2.7 罐的標(biāo)準(zhǔn)253.3 電路設(shè)計253.3.1 洗液生產(chǎn)plc電路圖253.3.2 洗液生產(chǎn)控制回路圖273.3.3 洗液生產(chǎn)主回路圖283.4 電源設(shè)計303.4.1 s7-200電源的設(shè)計303.4.2 傳感器的電源的設(shè)計31第四章 軟件設(shè)計324.1 程序流程圖324.2 程序符號表344.3 s7-200組態(tài)35結(jié)論37參考文獻(xiàn)38附錄39致 謝51 內(nèi)蒙古科技

9、大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第一章 引 言1.1 稀土萃取洗液生產(chǎn)車間自動控制系統(tǒng)設(shè)計背景1.1.1 稀土資源簡介我國擁有豐富的稀土礦產(chǎn)資源，中國占世界稀土資源的41.36%，是一個名符其實的稀土資源大國。成礦條件優(yōu)越，堪稱得天獨厚，探明的儲量居世界之首，為發(fā)展我國稀土工業(yè)提供了堅實的基礎(chǔ)。研究與開發(fā)出適合我國稀土萃取分離生產(chǎn)過程的自動化技術(shù)及系統(tǒng)已成為發(fā)展我國稀土工業(yè)的重大科技關(guān)鍵問題。稀土就是化學(xué)元素周期表中鑭系元素鑭（la）、鈰（ce）、鐠（pr）、釹（nd）、钷（pm）、釤（sm）、銪（eu）、釓（gd）、鋱（tb）、鏑（dy）、鈥（ho）、鉺（er）、銩（tm）、鐿（yb）、镥（l

10、u），以及與鑭系的15個元素密切相關(guān)的兩個元素鈧（sc）和釔（y）共17種元素，稱為稀土元素（rareearth）。稀土元素最初是從瑞典產(chǎn)的比較稀少的礦物中發(fā)現(xiàn)的，“土”是按當(dāng)時的習(xí)慣，稱不溶于水的物質(zhì)，故稱稀土。稀土金屬已廣泛應(yīng)用于電子、石油化工、冶金、機械、能源、輕工、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。應(yīng)用稀土可生產(chǎn)熒光材料、稀土金屬氫化物電池材料、電光源材料、永磁材料、儲氫材料、催化材料、精密陶瓷材料、激光材料、超導(dǎo)材料、磁致伸縮材料、磁光存儲材料、光導(dǎo)纖維材料等。1.1.2 稀土的特性稀土元素是典型的金屬元素。它們的金屬活潑性僅次于堿金屬和堿土金屬元素，而比其他金屬元素活潑。利用稀土元素化學(xué)性質(zhì)的

11、差別用溶劑革取法將它們分成若干個稀土組的過程。為稀土元素分離提純的主要內(nèi)容之一。稀土元素分組分離的方法有一般化學(xué)法、離子交換樹脂色層分離法(見稀土元素色層分離)和溶劑萃取法等。工業(yè)上主要采用溶劑萃取法。溶劑萃取法其萃取過程與分級沉淀、分級結(jié)晶、離子交換等分離方法相比，具有分離效果好、生產(chǎn)能力大、便于快速連續(xù)生產(chǎn)、易于實現(xiàn)自動控制等一系列優(yōu)點，因而逐漸變成分離大量稀土的主要方法。萃取工藝過程一般可分為三個主要階段：萃取、洗滌、反萃取。1.1.3 萃取洗液稀土萃取洗液是溶劑萃取方式中的一種原料，用于分離鐠、釹兩種元素。洗液的鹽酸濃度決定著分離鐠、釹元素的程度。以往企業(yè)采用非自動生產(chǎn)萃取洗液，存在著

12、許多不利因素，如生產(chǎn)的濃度偏差大、生產(chǎn)過程的不連續(xù)性、員工的身體傷害等一些缺點。本系統(tǒng)主要特點是plc的加入，實現(xiàn)了自動控制。實現(xiàn)了連續(xù)的生產(chǎn)過程，產(chǎn)品的濃度達(dá)到了要求的值，而且生產(chǎn)線中工作人員大大減少，生產(chǎn)的安全性有了提高，減少了對員工的危害性。1.2 稀土萃取洗液生產(chǎn)車間自動控制系統(tǒng)的工作原理1.2.1 萃取洗液生產(chǎn)車間的組成萃取洗液生產(chǎn)車間是由鹽酸罐、水罐、配置罐、成品罐、攪拌電機、水泵、鹽酸泵、電磁閥、液位傳感器、稱重傳感器、鹽酸濃度傳感器、以及一些控制單元與報警單元組成。鹽酸罐是用來裝生產(chǎn)原料鹽酸（hcl），從市場上買來的標(biāo)準(zhǔn)原料。配置罐就是把原料與水在配制罐里進(jìn)行濃度調(diào)整，成品罐是

13、最終盛放生產(chǎn)好的要求標(biāo)準(zhǔn)萃取洗液。水泵有兩臺，一臺用于將水罐中的水抽到配置罐中；當(dāng)水罐液位低時，另一臺水泵為水罐加水。酸泵有三臺，一臺酸泵用于將鹽酸罐中的鹽酸加入配置罐中，第二臺酸泵是將配置罐中配置好的洗液抽到成品罐中，當(dāng)鹽酸罐中鹽酸液位低時，第三臺酸泵給鹽酸罐添加原料。攪拌電機用于對加入配制罐中的原料與水?dāng)嚢杈鶆?。電磁閥用于成品罐的替換流入。液位傳感器對鹽酸罐、水罐、配置罐的液位檢測，濃度傳感器進(jìn)行配置罐與鹽酸罐濃度監(jiān)測。稱重模塊是對成品罐的液位檢測?？刂茊卧饕蓀lc作為控制器，通過控制電路進(jìn)行控制。報警單元進(jìn)行鹽酸罐、配置罐、成品罐的限位報警有警燈與警鈴。生產(chǎn)工藝圖如圖1.1。 圖1.

14、1生產(chǎn)工藝生產(chǎn)車間可以劃分為原料單元、配置單元、成品單元、控制單元、報警單元。各個單元互相關(guān)聯(lián)，每個單元都在整個系統(tǒng)中起著重要的作用。系統(tǒng)單元如圖1.2。圖1.2 系統(tǒng)單元1. 原料單元原料單元的原料是水和原料鹽酸。原料單元有四臺泵控制，原料水泵有兩臺水泵，一臺用于將水罐中的水抽到配置罐中；當(dāng)水罐液位低時，另一臺水泵用于加水。一臺酸泵用于將鹽酸罐中的鹽酸加入配置罐中，當(dāng)鹽酸罐中鹽酸液位低時，第三臺酸泵給鹽酸罐添加原料。鹽酸罐、水罐有上下線的限位，超過最低限位或最高限位能夠進(jìn)行報警，警燈報警和警鈴?fù)瑫r報警，警鈴報警進(jìn)行聲音傳遞快速，但不能明確是什么錯誤進(jìn)行的報警。當(dāng)聽到聲音后，只有從閃爍的報警燈

15、才能確定是生產(chǎn)線出錯的地方。原料單元還有鹽酸濃度傳感器，用于生產(chǎn)的原料鹽酸并不是單一濃度值，鹽酸罐中的濃度計可以用于檢測鹽酸罐中加入的鹽酸濃度（當(dāng)量值），準(zhǔn)確的檢測出原料的鹽酸濃度值可以更精確的配置出要求濃度鹽酸洗液。但輸入要配置濃度的洗液，不用知道買來的原料濃度的偏差就可以自動進(jìn)行生產(chǎn)。2. 配置單元配置單元由配置罐、濃度傳感器、液位傳感器、成品泵、攪拌裝置及流入配置罐、成品罐的管道組成。通過水泵、鹽酸泵的啟停控制流入配置罐中的原料多少，成品泵是控制配置好的洗液從配制罐流向成品罐。配置罐中有液位傳感器、濃度傳感器、攪拌裝置，通過泵將原料流入配置罐中，液位傳感器檢測其液位，可以實現(xiàn)液位檢測與上

16、下限位報警，超過上、下限位后由警燈和警鈴配合進(jìn)行報警，警燈用來顯示具體出錯位置。濃度傳感器是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，配制罐所配置的最終濃度就是生產(chǎn)車間要生產(chǎn)的要求濃度，濃度傳感器的精度可以實現(xiàn)配置液小于1%的誤差。攪拌裝置是將配置罐中加入的原料攪拌均勻，啟停有plc的輸出信號控制，以定時攪拌的方式，大約三分鐘可以將混合液攪拌均勻。成品罐盛裝最終的產(chǎn)品裝置，裝滿一罐plc自動控制電磁閥切換打開的另一個空罐。3成品單元成品單元由成品罐、電磁閥、稱重傳感器組成。成品罐用于裝配置好的成品。電磁閥用于切換成品罐。稱重傳感器通過檢測成品罐的重量轉(zhuǎn)換成品罐裝的液位高低。4控制單元控制單元包括控制器plc、pc機組態(tài)

17、顯示、控制電氣回路等。plc通過采集鹽酸罐、水罐、配置罐的液位，成品罐的重量信號，鹽酸罐、配置罐的濃度信號。經(jīng)過軟件編程控制五個泵的開通、關(guān)斷，攪拌電機的啟、停，實現(xiàn)要求濃度產(chǎn)品的配置過程，并且對配置罐、水罐、鹽酸罐進(jìn)行上、下限位報警。pc機用來實現(xiàn)組態(tài)顯示，可以實時顯示鹽酸罐、配置罐、成品罐的液位和鹽酸罐、配置罐的濃度，實時顯示系統(tǒng)的啟動、停止?fàn)顟B(tài)、攪拌電機的狀態(tài)、泵的狀態(tài)等。5報警單元報警單元由報警燈和報警鈴構(gòu)成，plc控制兩種報警形勢，主要是對鹽酸罐、水罐、配置罐的上、下限位的報警控制，報警燈可以顯示具體限位報警位置，報警鈴可以在鹽酸罐、配置罐的上、下限位過線后迅速通知工作人員。但報警方

18、式中警鈴只有一個，不管的鹽酸罐、配置罐的上限還是下限過線了，都會報警，無法分辨是什么地方的報警，但報警燈的每一盞燈都對應(yīng)單一限位地點。這樣配合起來就能夠?qū)崿F(xiàn)快速通知工作人員并能準(zhǔn)確全出錯位置。1.2.2 工作原理稀土萃取洗液生產(chǎn)車間自動控制系統(tǒng)是通過plc對鹽酸罐、水罐、配置罐液位檢測，鹽酸罐、配置罐濃度檢測、稱重傳感器的檢測，對五個泵、攪拌電機、電磁閥的控制，實現(xiàn)濃度的控制。plc自動控制水泵、鹽酸泵將鹽酸罐的鹽酸與水分別加入配置罐中，到達(dá)液位后，攪拌電機將其攪拌均勻后，分析鹽酸濃度，高于或低于配置濃度，加鹽酸或水調(diào)整直至滿足要求配置濃度。滿足要求配置濃度，電磁閥順序打開空成品罐，打開成品泵

19、將配置好的液體抽到成品罐中，如圖1.1生產(chǎn)工藝圖。稀土萃取洗液生產(chǎn)車間自動控制系統(tǒng)的生產(chǎn)過程由3個過程組成。首先是從pc組態(tài)監(jiān)控機輸入要配置一定濃度（當(dāng)量）萃取洗液值，然后按組態(tài)上的啟動按鈕啟動。組態(tài)里同時有停止按鈕可以命令停止。其次plc進(jìn)行液位、濃度檢測，根據(jù)濃度值計算后控制泵。plc先打開水泵，當(dāng)達(dá)到計算液位后將其關(guān)閉，然后plc控制打開鹽酸泵，當(dāng)達(dá)到計算液位后將其關(guān)閉（由于鹽酸里加水會使溶液沸騰，產(chǎn)生的熱量不易擴散，所以先加水后加鹽酸）。初次加完鹽酸后plc控制啟動18分鐘攪拌電機將以上混合液攪拌均勻。最后plc檢測配制罐鹽酸濃度是否達(dá)到要求濃度，高于（低于）配置濃度，plc計算再次加

20、入的水（原鹽酸）的高度，然后打開相應(yīng)的水泵（鹽酸泵）加水（鹽酸）到位后起動18分鐘攪拌電機將以上混合液攪拌均勻。最后plc檢測配制罐鹽酸濃度是否達(dá)到要求濃度，滿足要求配置濃度，高于（低于）配置濃度，如上再繼續(xù)進(jìn)行調(diào)整直至滿足要求配置濃度。配置好后，plc自動打開電磁閥（1#成品罐滿了自動切換2#電磁閥打開），打開成品泵。萃取洗液生產(chǎn)自動控制系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)及技術(shù)要求。1.2.3 萃取洗液生產(chǎn)車間的設(shè)計目標(biāo)洗液的濃度對稀土萃取是很重要的部分，對稀土產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也起到很重要的作用。首先稀土萃取洗液生產(chǎn)車間自動控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)組態(tài)形象的顯示出鹽酸罐、配置罐的液位和濃度值，能夠直接從組態(tài)畫面輸入要配置濃度，

21、啟動后能夠自動的配置出要求的濃度來，能夠?qū)崿F(xiàn)自動生產(chǎn)。其次如果鹽酸罐、水罐、配置罐的液位過高或過低時能夠自行報警通知工作人員，可以自動切斷相應(yīng)的生產(chǎn)過程，當(dāng)工作人員處理完后可以繼續(xù)生產(chǎn)。鹽酸罐、水罐液位低時能夠自動控制補水泵、補鹽酸泵的啟動補充液位。當(dāng)1#成品罐裝滿后，自動打開2#成品罐的電磁閥。plc所以實現(xiàn)了兩個主要功能，第一，用一臺pc機就將整個生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)過程用很直觀的圖表示出來了。第二，生產(chǎn)的過程是全自動的，能夠自動報警、自動補充原料的不足、自動配置生產(chǎn)。正常生產(chǎn)的過程是不用人員的。1.2.4 萃取洗液生產(chǎn)車間的技術(shù)要求技術(shù)要求：1.配置濃度的鍵入功能（每天要生產(chǎn)什么濃度值洗液需要

22、輸入系統(tǒng)）；2.各罐的液位顯示與上下限位報警功能（可以顯示液位的高度與限位報警）；3.洗液自動配置功能；4.洗液配置誤差1%；5.傳感器要求抗酸腐蝕；1.3 稀土萃取洗液生產(chǎn)車間自動控制系統(tǒng)綜述目前國內(nèi)的稀土萃取洗液生產(chǎn)系統(tǒng)，由于缺乏先進(jìn)的技術(shù)手段支持，基本上都采用傳統(tǒng)的工作人員在現(xiàn)場監(jiān)控生產(chǎn)，鹽酸酸洗液濃度較高時，酸霧逸出多，給生產(chǎn)環(huán)境造成了污染，對人體有較大危害性。而且這種全靠人員監(jiān)測生產(chǎn)出來的產(chǎn)品濃度偏差大，對稀土元素分離程度有較大的影響，而且生產(chǎn)現(xiàn)場危險性比較大。1萃取洗液生產(chǎn)的電氣手動控制方式這類系統(tǒng)主要以工作人員手動去控制對象，他們通過手動打開閥門加原料，根據(jù)提前計算好的液位，加到

23、位后手動關(guān)閉閥門。手動啟動攪拌電機，均勻后，看儀表顯示值，符合要求裝入成品罐。這類系統(tǒng)沒有自能控制對象，生產(chǎn)過程益發(fā)生事故，空氣中的霧化鹽酸對工作人員的危害比較嚴(yán)重。由于是工作人員一步一步控制，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品濃度波動大，對資源有很大的浪費。生產(chǎn)線比較落后，運營起來成本也比較大。但唯一優(yōu)點是起初投入資金較少。2萃取洗液生產(chǎn)的plc控制方式這種系統(tǒng)是采用西門子公司s7-200系列plc為控制對象，plc通過對液位、濃度信號的采集處理后動作執(zhí)行機構(gòu)泵控制配置罐中液體的高度，從而實現(xiàn)對濃度的控制。這種系統(tǒng)生產(chǎn)過程中比較穩(wěn)定，而且可以連續(xù)生產(chǎn)，現(xiàn)場工作人員待得時間比較短，從而對人員的危害大大降低。系統(tǒng)起

24、初資金投入量也不是很大，但正常生產(chǎn)過程中運營成本較低，對資源的利用率較高。本章小節(jié)本章簡要敘述了萃取洗液生產(chǎn)車間的組成與工作原理，并結(jié)合目前萃取洗液生產(chǎn)常用的控制手段，初步提出了本系統(tǒng)控制的基本思想以及實現(xiàn)方式。第二章 系統(tǒng)設(shè)計2.1 萃取洗液生產(chǎn)的控制原理2.1.1 配置過程的控制原理萃取洗液生產(chǎn)是以plc為主要控制器，plc控制器先把pc機中對要求配置濃度的設(shè)定值接收回來后，通過鹽酸罐中濃度傳感器將原料濃度檢測回來后，通過計算公式： （2.1） （2.2）第一次配置加水、加鹽酸的液位計算。根據(jù)h +離子濃度守恒原則。通過上式可以計算出加原料的體積，其中“c原”是原料鹽酸罐中h +離子的濃度

25、（原料的濃度）；“c配”是要求生產(chǎn)成品的設(shè)定值濃度；“h水”是要加入水的高度；“260”是加鹽酸到達(dá)的位置（h水+h=260）。這里的“c原”是檢測到的已知量，“c配”是設(shè)定值。只有“h水”是個未知量。加水的高度到達(dá)h水后，加原料鹽酸到260可以啟動攪拌電機攪拌均勻，第一次配置過程實現(xiàn)完成，當(dāng)濃度符合要求后將配制罐中的配置液通過成品泵輸送到成品罐。當(dāng)濃度有偏差時，進(jìn)行下面的濃度調(diào)整。 （2.3） （2.4）plc先檢測回配制罐中的濃度與設(shè)定值比較，當(dāng)濃度高于要求值時。由公式（2.4）可以計算出再次加入水的高度到hh2h測。到位后在進(jìn)行攪拌18分鐘。直到濃度調(diào)整滿足要求濃度為止。plc先檢測回配

26、制罐中的濃度與設(shè)定值比較，當(dāng)濃度小于要求值時。由公式（2.3）可以計算出再次加入原酸的高度到hh1h測。到位后在進(jìn)行攪拌18分鐘。直到濃度調(diào)整滿足要求濃度為止。如果濃度不滿足要求繼續(xù)進(jìn)行如上調(diào)整，直到濃度滿足為止。系統(tǒng)設(shè)計配制罐的上限報警值，是根據(jù)經(jīng)驗值得出來，一般在調(diào)整時不會過線。如果調(diào)整過線后繼續(xù)不滿足要求，有工作人員現(xiàn)場處理。配制罐中的洗液配置好后，1#成品罐的電磁閥先打開，1#電磁閥打開后啟動成品泵，當(dāng)1#成品罐達(dá)到250cm后2#成品罐的電磁閥打開（1#成品罐達(dá)到260cm后自動關(guān)閉1#電磁閥），當(dāng)2#成品罐達(dá)到260cm后關(guān)閉成品泵，然后關(guān)閉成品閥。2.1.2 補充原液與報警原料水

27、罐與鹽酸罐液位低于30cm時，自動啟動補水泵與補鹽酸泵進(jìn)行補充到160cm后自動停止補充泵。當(dāng)水罐與鹽酸罐液位過高時，高于280cm后自動報警。配置罐的液位高于、低于一定值后也會自動報警。2.2 采樣信號和控制量分析要實現(xiàn)前面所述的控制要求，從上述原理分析可知系統(tǒng)需要對鹽酸罐、水罐、配制罐、成品罐進(jìn)行液位檢測，要求液位精度在cm級別。由穩(wěn)定的24v dc電源供給液位、濃度、稱重傳感器。采樣信號統(tǒng)計表2.1。表2.1 采樣信號統(tǒng)計表序號信號名稱性質(zhì)傳感器硬件資源說明1鹽酸罐液位模擬壓力液位傳感器aiw0液位控制2水罐液位模擬壓力液位傳感器aiw2液位控制3配制罐液位模擬壓力液位傳感器aiw4液位

28、控制41#成品罐液位模擬稱重傳感器aiw6液位控制52#成品罐液位模擬稱重傳感器aiw8液位控制6鹽酸罐濃度模擬鹽酸濃度傳感器aiw12濃度控制7配置罐濃度模擬鹽酸濃度傳感器aiw14濃度控制8控制回路啟動開關(guān)開關(guān)手動開關(guān)i0.0供電9控制回路停止開關(guān)開關(guān)手動開關(guān)i0.1斷電10鹽酸泵熱繼電器開關(guān)繼電器開關(guān)i0.2鹽酸泵過負(fù)荷11水泵熱繼電器開關(guān)繼電器開關(guān)10.3水泵過負(fù)荷12成品泵熱繼電器開關(guān)繼電器開關(guān)10.4鹽酸泵過負(fù)荷13攪拌電機熱繼電器開關(guān)繼電器開關(guān)10.5電機過負(fù)荷14補鹽酸泵熱繼電器開關(guān)繼電器開關(guān)10.6鹽酸泵過負(fù)荷15補水泵熱繼電器開關(guān)繼電器開關(guān)10.7水泵過負(fù)荷16鹽酸泵啟動開

29、關(guān)繼電器q0.0啟動泵17水泵啟動開關(guān)繼電器q0.1啟動泵18成品泵啟動開關(guān)繼電器q0.2啟動泵19攪拌電機啟動開關(guān)繼電器q0.3啟動電機20補充鹽酸泵啟動開關(guān)繼電器q0.4啟動泵21補充水泵啟動開關(guān)繼電器q0.5啟動泵22鹽酸罐上限報警開關(guān)報警燈q0.7報警燈23鹽酸罐下限報警開關(guān)報警燈q1.0報警燈24水罐上限報警開關(guān)報警燈q1.1報警燈25水罐下限報警開關(guān)報警燈q1.2報警燈26配置罐上限報警開關(guān)報警燈q1.3報警燈27配置罐下限報警開關(guān)報警燈q1.4報警燈281#成品罐上限報警開關(guān)報警燈q1.5報警燈292#成品罐上限報警開關(guān)報警燈q1.6報警燈30上下限報警開關(guān)報警鈴q1.7報警鈴3

30、11#電磁閥開關(guān)電磁閥q2.0控制導(dǎo)通322#電磁閥開關(guān)電磁閥q2.1控制導(dǎo)通2.3 系統(tǒng)組成第一章對工藝與洗液生產(chǎn)原理的介紹中，已經(jīng)簡單說明本系統(tǒng)主要由原料單元、配置單元、成品單元、控制單元、報警單元五大部分組成。這五部分協(xié)調(diào)工作將完成對稀土萃取洗液生產(chǎn)車間自動控制。稀土萃取洗液生產(chǎn)車間自動控制系統(tǒng)是通過plc對液位、濃度、稱重、開關(guān)量信號的檢測，經(jīng)過分析計算后對泵、電機、電磁閥的控制，實現(xiàn)濃度的控制。pc組態(tài)監(jiān)控機輸入要配置一定濃度（當(dāng)量）萃取洗液值，然后按組態(tài)上的啟動按鈕啟動（組態(tài)里同時有停止按鈕可以命令停止）。程序開始工作后，plc對配制罐的濃度值、配制罐的液位值、鹽酸罐的濃度值、pc

31、機組態(tài)輸入值的數(shù)據(jù)采集回來后計算出要加入水、鹽酸的量（換算成配置罐的液位高度）。plc控制打開水水泵，當(dāng)達(dá)到計算液位后將其關(guān)閉，然后plc控制打開鹽酸泵，當(dāng)達(dá)到計算液位后將其關(guān)閉。初次加完鹽酸后plc控制啟動18分鐘攪拌電機將以上混合液攪拌均勻。攪拌均勻后plc檢測配制罐鹽酸濃度是否達(dá)到要求濃度，高于（低于）配置濃度，plc對配制罐的濃度值、配制罐的液位值、鹽酸罐的濃度值采集回來后計算出再次加入水、鹽酸的量（換算成配置罐的液位高度）。，然后打開相應(yīng)的水泵（鹽酸泵）加水（鹽酸）到位后動18分鐘攪拌電機將以上混合液攪拌均勻。最后plc檢測配制罐鹽酸濃度是否達(dá)到要求濃度，滿足要求配置濃度，plc控制

32、打開1#電磁閥，然后打開成品泵。高于（低于）配置濃度，如上再繼續(xù)進(jìn)行調(diào)整直至滿足要求配置濃度。整個系統(tǒng)控制流程圖2.1所示。圖2.1控制流程圖本章小節(jié) 本章主要闡述萃取洗液生產(chǎn)的控制原理，以及對控制系統(tǒng)涉及的采用信號與控制信號進(jìn)行具體分析，同時對該系統(tǒng)工作過程進(jìn)行比較詳細(xì)的說明。第三章 硬件設(shè)計稀土萃取洗液生產(chǎn)車間自動控制系統(tǒng)是基于控制器plc對泵與電機的自動控制，實現(xiàn)萃取洗液的自動生產(chǎn)。主要部分是：控制器plc、水泵、鹽酸泵、電機、電磁閥、濃度傳感器、液位傳感器、稱重傳感器等。3.1 plc的選型simatics7-200作為西門子simatic plc家族中的最小成員，以其超小體積，靈活的

33、配置，強大的內(nèi)置功能，多年來一直廣泛服務(wù)于國內(nèi)的各行各業(yè)。simatic s7-200系列plc適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。s7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此s7-200系列具有極高的性能/價格比。s7-200系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面：極高的可靠性；* 極豐富的指令集* 易于掌握* 便捷的操作* 豐富的內(nèi)置集成功能* 實時特性* 強勁的通訊能力* 豐富的擴展模塊s7-200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化

34、控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機床、機械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等。如：沖壓機床，磨床，印刷機械，橡膠化工機械，中央空調(diào)，電梯控制，運動系統(tǒng)。plc本身就是一臺適合工業(yè)現(xiàn)場使用的專用的專用計算機，其硬件組成有六個部分，分別為：中央處理器（cpu）、存儲器、電源、輸入/輸出接口、外部設(shè)備接口、i/o擴展接口。西門子公司plc有s7-200系列、s7-300系列、s7-400系列。稀土萃取洗液生產(chǎn)車間自動控制系統(tǒng)以s7-200系列的plc進(jìn)行的控制，本系統(tǒng)中僅用到s7-200系列相關(guān)硬件組成。3.1.1 cpu的選型本系統(tǒng)中需要控制五臺泵、一個電機、兩個電磁閥。五臺泵中酸泵三臺水泵

35、兩臺，有水泵、補水泵、鹽酸泵、補鹽酸泵、成品泵。泵的控制是為了滿足濃度與液位的要求。用到兩個濃度傳感器、三個液位傳感和兩個稱重傳感器（重量轉(zhuǎn)換成液位）。plc對鹽酸罐、水罐、配置罐液位檢測，鹽酸罐、配置罐濃度檢測，稱重傳感器的檢測，對五個泵、攪拌電機的控制，實現(xiàn)濃度的控制。實現(xiàn)濃度的自動調(diào)節(jié)需要控制plc的軟件控制來實現(xiàn)。為了滿足以上所介紹的萃取洗液生產(chǎn)車間自動生產(chǎn)的工藝要求，經(jīng)過分析需要對鹽酸罐、水罐、配置罐液位檢測，鹽酸罐、配置罐濃度檢測，稱重傳感器的檢測，用西門子s7-200可編程控制器模擬量擴展模塊實現(xiàn)其液位、濃度的控制。而各泵與電機的啟停由s7-200數(shù)字量控制，實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化。因

36、為要跟上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和顯示，s7-200與pc機采用ppi電纜通信。1s7-200 cpu的選擇（1）cpu的作用cpu是plc的核心部件，主要用來運行用戶程序、監(jiān)控輸入/輸出接口狀態(tài)以及進(jìn)行邏輯判斷和數(shù)據(jù)處理。cpu用掃描的方式讀取輸入裝置的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，從內(nèi)存逐條讀取用戶程序，通過解釋后按指令的規(guī)定產(chǎn)生控制信號，然后分時、分渠道的執(zhí)行數(shù)據(jù)的存取、傳送、比較和變換等處理過程，完成用戶程序所設(shè)計的邏輯或算術(shù)運算任務(wù)，并根據(jù)運算結(jié)果控制輸出設(shè)備響應(yīng)外部設(shè)備的請求以及進(jìn)行各種內(nèi)部診斷。（2）cpu的分類s7-200系列小型plc（micro plc）可應(yīng)用于各種自動化系統(tǒng)。緊湊的結(jié)構(gòu)、低廉的成

37、本以及功能強大的指令集使得s7-200 plc成為各種小型控制任務(wù)理想的解決方案。s7-200產(chǎn)品的多樣化以及基于windows的編程工具，使您能夠更加靈活地完成自動化任務(wù)。s7-200 cpu包括cpu 221、cpu 222、cpu 224、cpu 224xp和cpu 226等型號如表3.1。 表3.1cpu型號訂貨號cpu模板cpu供電（標(biāo)稱）數(shù)字量輸入數(shù)字量輸出通訊口模擬量輸入模擬量輸出6es 72110aa23-0xb0cpu22124vdc6x24vdc4 x 24vdc16es 7211-0ba23-0xb0cpu221120至240 vac6x24vdc4x 繼電器16es 7

38、2121ab23-0xb0cpu22224vdc8x24vdc6x24vdc16es 7212-1bb23-0xb0cpu222120至240 vac8x24vdc6x 繼電器16es 72141ad23-0xb0cpu22424vdc14 x 24 vdc10 x 24 vdc16es 72141bd23-0xb0cpu224120至240 vac14 x 24 vdc10 x 繼電器16es 72142ad23-0xb0cpu224xp24vdc14 x 24 vdc10 x 24 vdc2216es7 2142as23-0xb0cpu224xps24vdc14 x 24 vdc10 x

39、24 vdc2216es 72142bd23-0xb0cpu224xp120至240 vac24 x 24 vdc10 x 繼電器2216es 72162ad23-0xb0cpu22624vdc14 x 24 vdc16 x 24vdc26es 72162bd23-0xb0cpu226120至240 vac24 x 24 vdc16 x 繼電器22系統(tǒng)萃取洗液生產(chǎn)車間自動控制系統(tǒng)中cpu選擇 根據(jù)前面s7-200產(chǎn)品的相關(guān)知識，并結(jié)合本系統(tǒng)的控制要求。本系統(tǒng)s7-200采用cpu 224的6es 72141bd23-0xb0型號，供電范圍120至240 v ac。選用標(biāo)準(zhǔn)220v a

40、c供電。14個 24v dc輸入點，10個繼電器輸出。本系統(tǒng)的輸入點總數(shù)為8個，cpu 224的14個足夠滿足系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)輸出點需21個，cpu 224的10個輸出點不夠滿足系統(tǒng)要求的21個點，需要擴展數(shù)字量輸出模塊。cpu 224的實際連接如圖3.1。圖3.1 cpu 224連接圖3.1.2 s7-200 數(shù)字量、模擬量擴展模塊的選型1系統(tǒng)輸入、輸出量萃取洗液生產(chǎn)車間主要控制器是plc，通過plc數(shù)字量輸入、輸出，模擬量輸入、輸出對信號的采集器去控制執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)萃取洗液生產(chǎn)車間的自動控制。由上一章2.2節(jié)對采樣信號和控制量的分析，系統(tǒng)需要的數(shù)字量輸入、輸出與模擬量的輸入、輸出的統(tǒng)計結(jié)果如

41、表3.1與表3.2。（1）數(shù)字量的輸入、輸出如表3.2。表3.2數(shù)字量的輸入、輸出序號名稱類型地址說明1控制回路啟動開關(guān)輸入i0.0供電控制2控制回路停止開關(guān)輸入i0.1斷電控制3鹽酸泵熱繼電器輸入i0.2鹽酸泵過負(fù)荷4水泵熱繼電器輸入10.3水泵過負(fù)荷5成品泵熱繼電器輸入10.4鹽酸泵過負(fù)荷6攪拌電機熱繼電器輸入10.5電機過負(fù)荷7補鹽酸泵熱繼電器輸入10.6鹽酸泵過負(fù)荷8補水泵熱繼電器輸入10.7水泵過負(fù)荷9鹽酸泵接觸器輸出q0.0啟動泵10水泵接觸器輸出q0.1啟動泵11成品泵接觸器輸出q0.2啟動泵12攪拌電機接觸器輸出q0.3啟動電機13補充鹽酸泵輸出q0.4啟動泵14補充水泵輸出q

42、0.5啟動泵15鹽酸罐上限報警輸出q0.7報警燈16鹽酸罐下限報警輸出q1.0報警燈17水罐上限報警輸出q1.1報警燈18水罐下限報警輸出q1.2報警燈19配置罐上限報警輸出q1.3報警燈20配置罐下限報警輸出q1.4報警燈211#成品罐上限報警輸出q1.5報警燈222#成品罐上限報警輸出q1.6報警燈23上下限報警輸出q1.7報警鈴241#電磁閥輸出q2.0電磁閥252#電磁閥輸出q2.1電磁閥（2）模擬量輸入、輸出如表3.3。表3.3模擬量輸入、輸出序號名稱類型地址說明1鹽酸罐液位輸入aiw0液位控制2水罐液位輸入aiw2液位控制3配制罐液位輸入aiw4液位控制41#成品罐稱重輸入aiw6

43、液位控制52#成品罐稱重輸入aiw8液位控制6鹽酸罐濃度輸入aiw8濃度控制7配置罐濃度輸入aiw10濃度控制2plc擴展的模塊s7-200的輸入、輸出模塊主要有數(shù)字量輸入、輸出模塊和模擬量輸入、輸出模塊。數(shù)字量擴展模塊是為了解決本機集成的數(shù)字量輸入、輸出點不能滿足需要而使用的擴展模塊。模擬量擴展模塊可以提供模擬量輸入和模擬量輸出功能。s7-200的模擬量擴展模塊具有較大的適應(yīng)性，可以直接與傳感器相連，有很大的靈活性并且安裝方便。（1） s7-200的數(shù)字量輸入、輸出模塊類型如表3.4。表3.4 s7-200的數(shù)字量輸入、輸出模塊類型訂貨號擴展模塊入 數(shù)字量輸數(shù)字量輸出6es 7 2211bf

44、220xa0em221 數(shù)字輸入 8 x 24vdc8 x 24vdc6es 7 2211ef220xa0em221 數(shù)字輸入 8 x 120/230vac8x120/230vac6es7221-1bh22-0x0em221 數(shù)字輸入 16 x 24vdc16 x 24vdc6es7222-1bd22-0x0em222 數(shù)字輸出 4 x 24vdc-5a4 x 24vdc-5a6es7222-1hd22-0x0em222 數(shù)字輸出 4x 繼電器-10a4x 繼電器-10a6es 7 2221bf220xa0em222 數(shù)字輸出 8 x 24vdc8 x 24vdc-0.75a6es 7 222

45、1hf220xa0em222 數(shù)字輸出 8x 繼電器8x 繼電器-2a6es 7 2221ef220xa0em222 數(shù)字輸出 8 x 120/230vac8 x 120/230vac6es 7 2231bf220xa0em223 24vdc 數(shù)字組合 4輸入/4輸出4 x 24vdc4 x 24vdc-0.75a6es 7 2231hf220xa0em223 24vdc數(shù)字組合 4輸入/4繼電器輸出4 x 24vdc4x 繼電器-2a6es7223-1bh22-0xa0em223 24vdc數(shù)字組合 8輸入/8輸出8 x 24vdc8 x 24vdc-0.75a6es 7 2231ph220

46、xa0em223 24vdc數(shù)字組合 8輸入/8繼電器輸出8 x 24vdc8x 繼電器-2a6es 7 2231bl220xa0em223 24vdc數(shù)字組合 16輸入/16輸出16 x 24vdc16x24vdc-0.75a6es 7 2231pl220xa0em 223 24vdc數(shù)字組合 16輸入/16繼電器輸出16 x 24vdc16 x 繼電器-2a數(shù)字量輸出模塊em 222有兩種類型，一種為8點24v直流輸出型，另一種為8點繼電器輸出型。數(shù)字量直流24v直流輸出型em 222本機有8點數(shù)字量輸出，輸出電壓標(biāo)準(zhǔn)為24v dc/4ma，輸出波動電壓20.428.8v dc，輸出電流0

47、.75a/點。em 222采取光電隔離500v ac，每組4點，第一組1m、1l+、0.0、0.1、0.2、0.3，1l+為第一組公共端接電源正極，1m為第一組電源負(fù)極；第二組2m、2l+、0.4、0.5、0.6、0.7，2l+為第二組公共端接電源正極，2m為第二組電源負(fù)極。從5v dc（i/o總線）耗電50ma。電纜長度可以為屏蔽500m或不屏蔽150m。數(shù)字量繼電器輸出型em 222本機有8點數(shù)字量輸出，輸出電壓530v dc，5250v ac，輸出電流2.0a/點em 222采取光電隔離500v ac，每組4點，第一組1l、0.0、0.1、0.2、0.3，1l為第一組公共端，第二組2l、

48、0.4、0.5、0.6、0.7，2l為第二組公共端，m為24v dc電源負(fù)極端，l+為24v dc電源正極端。從5v dc（i/o總線）耗電40ma。電纜長度可以為屏蔽500m或不屏蔽150m。本系統(tǒng)選擇的cpu 224的輸出點有10個，而系統(tǒng)所需要的是18個輸出點。本系統(tǒng)擴展了一個em 222模塊，型號是6es 7 2221hf220xa0的em 222模塊，有8個繼電器數(shù)字量輸出，與系統(tǒng)的控制的對象如圖3.2。圖3.2 em 222模塊數(shù)字量輸出（2） s7-200的模擬量輸入、輸出模塊類型如表3.5。表3.5 s7-200的模擬量輸入、輸出模塊類型訂貨號擴展模塊入 模擬量輸模擬量輸出6e

49、s7231-0hc22-0xa0em231模擬量輸入，4輸入46es7231-0hf22-0xa0em231模擬量輸入，8輸入86es7232-0hb22-0xa0em232模擬量輸出，2輸出26es7232-0hd22-0xa0em232模擬量輸出，4輸出46es7235-0kd22-0x0em235 模擬量組合，4輸入/1輸出41em 231具有4路模擬量輸入，輸入信號可以是電壓也可以是電流，其輸入于plc具有隔離。輸入信號的范圍可以由sw1、sw2和sw3設(shè)定。分辨率為12bit，電源電壓標(biāo)準(zhǔn)24 v dc/4ma，輸入類型有：010v、05v、±5v、±2.5v、0

50、20ma。從5v dc（i/o總線）耗電10ma。接線端子：m為24v dc電源負(fù)極端，l+為電源正極端。ra、a+、a-；rb、b+、b+；rc、c+、c-；rd、d+、d-分別為第一第四路模擬量輸入端。電壓輸入時，“+”為電壓正端。“”為電壓負(fù)端。電流輸入時，需將r與“+”短接后作為電流的進(jìn)入端，“”為電流流出端。如下圖表3.6和表3.7中顯示了如何使用組態(tài)dip開關(guān)來組態(tài)em 231模塊。所有輸入設(shè)置為相同的模擬量輸入量程。在該表中，on是閉合，off是斷開。只在電源接通時讀取開關(guān)設(shè)置。為em 231模擬量輸入、4輸入模塊以及開關(guān)1、2和3選擇模擬量輸入范圍。表3.6 em 231模塊4

51、輸入dip開關(guān)為em 231模擬量輸入、8輸入模塊以及開關(guān)3、4和5選擇模擬量輸入范圍。使用開關(guān)1和2來選擇電流輸入模式（表a-22）。開關(guān)1打開（on）為通道6選擇電流輸入模式；關(guān)閉（off）選擇電壓模式。開關(guān)2打開（on）為通道7選擇電流輸入模式； 關(guān)閉（off）選擇電壓模式。表3.7 em 231模塊8輸入dip開關(guān)em 231模擬量輸入和4輸入模塊，em 231模擬量輸入、8輸入模塊接線圖如圖3.3。圖3.3模塊接線圖萃取洗液生產(chǎn)系統(tǒng)選擇的cpu 224沒有模擬量的輸入與輸出，系統(tǒng)設(shè)計有6路模擬量輸入，沒有輸出。6路模擬量分別取自鹽酸罐液位傳感器和濃度傳感器、水罐液位傳感器、配制罐液位

52、傳感器和濃度傳感器、成品罐稱重傳感器。其中3個液位傳感器與2個稱重傳感器的標(biāo)準(zhǔn)輸出設(shè)置為15v dc，剩余2個濃度傳感器設(shè)置其輸出為標(biāo)準(zhǔn)420ma信號。系統(tǒng)為plc選取的模擬量輸入擴展模塊為em231，選取的是8輸入的em231，其型號為6es7231-0hf22-0xa0的em231。對em231輸入信號的量程選擇開關(guān)設(shè)置為：sw1=on、sw2=on、sw3=on、sw4=on、sw5=off。其中開關(guān)sw1打開（on）為通道6選擇電流輸入模式；關(guān)閉（off）選擇電壓模式。開關(guān)sw2打開（on）為通道7選擇電流輸入模式； 關(guān)閉（off）選擇電壓模式。sw3、sw4、sw5為（1、1、0）選

53、擇輸入信號為（05v與020ma，分辨率為1.25mv與5a），sw3、sw4、sw5為(1、0、1)選擇輸入信號為（010v分辨率為2.5mv）。em231的連接電氣如圖3.4。圖3.4 em 231模塊模擬量輸入3.1.3 s7-200的通信1s7-200的通信方式西門子s7-200系列plc可以支持多種通信方式。第一種是點到點接口，即ppi方式與tcp/ip方式；第二種是多點接口，即mpi方式；第三種是過程現(xiàn)場總線profibus，即profibus-dp方式；第四種是用戶自定義協(xié)議，即自由口方式。（1） ppi方式ppi是一個主/從協(xié)議。一次讀寫操作的步驟包括：首先上位機發(fā)出讀寫命令，plc作出接收正確的響應(yīng)，上位機接到此響應(yīng)則發(fā)出確認(rèn)申請命令，plc則完成正確的讀寫響應(yīng)，回應(yīng)給上位機數(shù)據(jù)。這樣收發(fā)兩次數(shù)據(jù)，完成一次數(shù)據(jù)的讀寫。在采用上位機與plc通訊時，上位機采用vb編程，ppi方式可以用普通的兩芯電纜進(jìn)行通信，從而實現(xiàn)工程的運行和監(jiān)控。ppi方式傳送的波特率為9.6kbit/s、19.2kbit/s、187.5kbit/s，通訊系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)，上位機遵循ppi協(xié)議格式，發(fā)出讀寫申請，plc返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)。（2） mpi方式mpi可以是主/主協(xié)議，也可以是主/從協(xié)議，主要在兩個相互通信的設(shè)備之間建立連接，這種連接是非公有的，另一個主站