稀土萃取洗液生产车间自动控制系统设计

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1、稀土萃取洗液生产车间自动控制系统设计 内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书(毕业论文)题 目:稀土萃取洗液生产车间自动控制系统学生姓名:周建军学 号:0605106319专 业:自动化班 级:自06-3班指导教师:朱琳稀土萃取洗液生产车间自动控制系统摘要 我国稀土的研究技术水平处于世界领先地位,但是其工业生产的自动化控制水平较低。我所设计的自动控制系统弥补了其工业生产的不足。 本设计采用PLC控制配置罐的液位,实现了对浓度的自动控制。基于系统的基本结构及功能,首先对PLC、电源、传感器、执行器等进行了选型,然后对系统进行了硬件电路图的设计和PLC软件编程,最后实现了上位机与PLC通信,并且对上位

2、机组态做了设计。最终完成了洗液自动控制系统,经模拟调试,实现了生产过程的连续,保证了配置洗液的精度,增强了系统的安全性能。 PLC技术的应用提高了系统的灵活性、快速性、安全性以及控制精度;并利用组态王技术对控制参数进行设定,对S7-200、各泵运行状态和容器液位进行监视,使得系统操作简单,画面直观、形象。关键词:浓度控制;PLC;限位报警;传感器;组态王Re extract lotion production workshop automatic control systemAbstract Technical level of China Rare Earth is a world lead

3、er, 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 systems basic structure

4、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 the wash cont

5、rol. 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 with Configur

6、ation 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目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1 稀土萃取洗液生产车间自动控制系统设计背景11.2 稀土萃取洗液生产车间自动控制系统的工作原理21.3 稀土

7、萃取洗液生产车间自动控制系统综述6第二章 系统设计72.1 萃取洗液生产的控制原理72.1.2 补充原液与报警82.2 采样信号和控制量分析82.3 系统组成9第三章 硬件设计113.1 PLC的选型113.2 执行器设备选型213.3 电路设计253.4 电源设计30第四章 软件设计324.1 程序流程图324.2 程序符号表344.3 S7-200组态35结论37参考文献38附录39致 谢51引 言稀土萃取洗液生产车间自动控制系统设计背景 稀土资源简介 我国拥有丰富的稀土矿产资源,中国占世界稀土资源的41.36%,是一个名符其实的稀土资源大国。成矿条件优越,堪称得天独厚,探明的储量居世界之

8、首,为发展我国稀土工业提供了坚实的基础。研究与开发出适合我国稀土萃取分离生产过程的自动化技术及系统已成为发展我国稀土工业的重大科技关键问题。 稀土就是化学元素周期表中镧系元素镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu),以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素钪(Sc)和钇(Y)共17种元素,称为稀土元素(RareEarth)。稀土元素最初是从瑞典产的比较稀少的矿物中发现的,“土”是按当时的习惯,称不溶于水的物质,故称稀土。 稀土金属已广泛应用于电子、石油化工、

9、冶金、机械、能源、轻工、环境保护、农业等领域。应用稀土可生产荧光材料、稀土金属氢化物电池材料、电光源材料、永磁材料、储氢材料、催化材料、精密陶瓷材料、激光材料、超导材料、磁致伸缩材料、磁光存储材料、光导纤维材料等。 稀土的特性 稀土元素是典型的金属元素。它们的金属活泼性仅次于碱金属和碱土金属元素,而比其他金属元素活泼。利用稀土元素化学性质的差别用溶剂革取法将它们分成若干个稀土组的过程。为稀土元素分离提纯的主要内容之一。稀土元素分组分离的方法有一般化学法、离子交换树脂色层分离法见稀土元素色层分离和溶剂萃取法等。 工业上主要采用溶剂萃取法。溶剂萃取法其萃取过程与分级沉淀、分级结晶、离子交换等分离方

10、法相比,具有分离效果好、生产能力大、便于快速连续生产、易于实现自动控制等一系列优点,因而逐渐变成分离大量稀土的主要方法。萃取工艺过程一般可分为三个主要阶段:萃取、洗涤、反萃取。 萃取洗液 稀土萃取洗液是溶剂萃取方式中的一种原料,用于分离镨、钕两种元素。洗液的盐酸浓度决定着分离镨、钕元素的程度。以往企业采用非自动生产萃取洗液,存在着许多不利因素,如生产的浓度偏差大、生产过程的不连续性、员工的身体伤害等一些缺点。本系统主要特点是PLC的加入,实现了自动控制。实现了连续的生产过程,产品的浓度达到了要求的值,而且生产线中工作人员大大减少,生产的安全性有了提高,减少了对员工的危害性。稀土萃取洗液生产车间

11、自动控制系统的工作原理 萃取洗液生产车间的组成 萃取洗液生产车间是由盐酸罐、水罐、配置罐、成品罐、搅拌电机、水泵、盐酸泵、电磁阀、液位传感器、称重传感器、盐酸浓度传感器、以及一些控制单元与报警单元组成。盐酸罐是用来装生产原料盐酸(HCl),从市场上买来的标准原料。配置罐就是把原料与水在配制罐里进行浓度调整,成品罐是最终盛放生产好的要求标准萃取洗液。水泵有两台,一台用于将水罐中的水抽到配置罐中;当水罐液位低时,另一台水泵为水罐加水。酸泵有三台,一台酸泵用于将盐酸罐中的盐酸加入配置罐中,第二台酸泵是将配置罐中配置好的洗液抽到成品罐中,当盐酸罐中盐酸液位低时,第三台酸泵给盐酸罐添加原料。搅拌电机用于

12、对加入配制罐中的原料与水搅拌均匀。电磁阀用于成品罐的替换流入。液位传感器对盐酸罐、水罐、配置罐的液位检测,浓度传感器进行配置罐与盐酸罐浓度监测。称重模块是对成品罐的液位检测。控制单元主要由PLC作为控制器,通过控制电路进行控制。报警单元进行盐酸罐、配置罐、成品罐的限位报警有警灯与警铃。生产工艺图如图1.1。图1.1生产工艺 生产车间可以划分为原料单元、配置单元、成品单元、控制单元、报警单元。各个单元互相关联,每个单元都在整个系统中起着重要的作用。系统单元如图1.2。图1.2 系统单元 原料单元 原料单元的原料是水和原料盐酸。原料单元有四台泵控制,原料水泵有两台水泵,一台用于将水罐中的水抽到配置

13、罐中;当水罐液位低时,另一台水泵用于加水。一台酸泵用于将盐酸罐中的盐酸加入配置罐中,当盐酸罐中盐酸液位低时,第三台酸泵给盐酸罐添加原料。盐酸罐、水罐有上下线的限位,超过最低限位或最高限位能够进行报警,警灯报警和警铃同时报警,警铃报警进行声音传递快速,但不能明确是什么错误进行的报警。当听到声音后,只有从闪烁的报警灯才能确定是生产线出错的地方。 原料单元还有盐酸浓度传感器,用于生产的原料盐酸并不是单一浓度值,盐酸罐中的浓度计可以用于检测盐酸罐中加入的盐酸浓度(当量值),准确的检测出原料的盐酸浓度值可以更精确的配置出要求浓度盐酸洗液。但输入要配置浓度的洗液,不用知道买来的原料浓度的偏差就可以自动进行

14、生产。配置单元 配置单元由配置罐、浓度传感器、液位传感器、成品泵、搅拌装置及流入配置罐、成品罐的管道组成。通过水泵、盐酸泵的启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从配制罐流向成品罐。 配置罐中有液位传感器、浓度传感器、搅拌装置,通过泵将原料流入配置罐中,液位传感器检测其液位,可以实现液位检测与上下限位报警,超过上、下限位后由警灯和警铃配合进行报警,警灯用来显示具体出错位置。浓度传感器是系统的关键部分,配制罐所配置的最终浓度就是生产车间要生产的要求浓度,浓度传感器的精度可以实现配置液小于1%的误差。搅拌装置是将配置罐中加入的原料搅拌均匀,启停有PLC的输出信号控制,以定时搅拌的

15、方式,大约三分钟可以将混合液搅拌均匀。 成品罐盛装最终的产品装置,装满一罐PLC自动控制电磁阀切换打开的另一个空罐。3.成品单元 成品单元由成品罐、电磁阀、称重传感器组成。成品罐用于装配置好的成品。电磁阀用于切换成品罐。称重传感器通过检测成品罐的重量转换成品罐装的液位高低。4.控制单元 控制单元包括控制器PLC、PC机组态显示、控制电气回路等。PLC通过采集盐酸罐、水罐、配置罐的液位,成品罐的重量信号,盐酸罐、配置罐的浓度信号。经过软件编程控制五个泵的开通、关断,搅拌电机的启、停,实现要求浓度产品的配置过程,并且对配置罐、水罐、盐酸罐进行上、下限位报警。PC机用来实现组态显示,可以实时显示盐酸

16、罐、配置罐、成品罐的液位和盐酸罐、配置罐的浓度,实时显示系统的启动、停止状态、搅拌电机的状态、泵的状态等。5.报警单元 报警单元由报警灯和报警铃构成,PLC控制两种报警形势,主要是对盐酸罐、水罐、配置罐的上、下限位的报警控制,报警灯可以显示具体限位报警位置,报警铃可以在盐酸罐、配置罐的上、下限位过线后迅速通知工作人员。但报警方式中警铃只有一个,不管的盐酸罐、配置罐的上限还是下限过线了,都会报警,无法分辨是什么地方的报警,但报警灯的每一盏灯都对应单一限位地点。这样配合起来就能够实现快速通知工作人员并能准确全出错位置。 工作原理 稀土萃取洗液生产车间自动控制系统是通过PLC对盐酸罐、水罐、配置罐液

17、位检测,盐酸罐、配置罐浓度检测、称重传感器的检测,对五个泵、搅拌电机、电磁阀的控制,实现浓度的控制。 PLC自动控制水泵、盐酸泵将盐酸罐的盐酸与水分别加入配置罐中,到达液位后,搅拌电机将其搅拌均匀后,分析盐酸浓度,高于或低于配置浓度,加盐酸或水调整直至满足要求配置浓度。满足要求配置浓度,电磁阀顺序打开空成品罐,打开成品泵将配置好的液体抽到成品罐中,如图1.1生产工艺图。 稀土萃取洗液生产车间自动控制系统的生产过程由3个过程组成。首先是从PC组态监控机输入要配置一定浓度(当量)萃取洗液值,然后按组态上的启动按钮启动。组态里同时有停止按钮可以命令停止。其次PLC进行液位、浓度检测,根据浓度值计算后

18、控制泵。PLC先打开水泵,当达到计算液位后将其关闭,然后PLC控制打开盐酸泵,当达到计算液位后将其关闭(由于盐酸里加水会使溶液沸腾,产生的热量不易扩散,所以先加水后加盐酸)。初次加完盐酸后PLC控制启动18分钟搅拌电机将以上混合液搅拌均匀。最后PLC检测配制罐盐酸浓度是否达到要求浓度,高于(低于)配置浓度,PLC计算再次加入的水(原盐酸)的高度,然后打开相应的水泵(盐酸泵)加水(盐酸)到位后起动18分钟搅拌电机将以上混合液搅拌均匀。最后PLC检测配制罐盐酸浓度是否达到要求浓度,满足要求配置浓度,高于(低于)配置浓度,如上再继续进行调整直至满足要求配置浓度。配置好后,PLC自动打开电磁阀(1#成

19、品罐满了自动切换2#电磁阀打开),打开成品泵。萃取洗液生产自动控制系统设计目标及技术要求。 萃取洗液生产车间的设计目标 洗液的浓度对稀土萃取是很重要的部分,对稀土产业的发展也起到很重要的作用。首先稀土萃取洗液生产车间自动控制系统能够实现组态形象的显示出盐酸罐、配置罐的液位和浓度值,能够直接从组态画面输入要配置浓度,启动后能够自动的配置出要求的浓度来,能够实现自动生产。其次如果盐酸罐、水罐、配置罐的液位过高或过低时能够自行报警通知工作人员,可以自动切断相应的生产过程,当工作人员处理完后可以继续生产。盐酸罐、水罐液位低时能够自动控制补水泵、补盐酸泵的启动补充液位。当1#成品罐装满后,自动打开2#成

20、品罐的电磁阀。PLC所以实现了两个主要功能,第一,用一台PC机就将整个生产系统的生产过程用很直观的图表示出来了。第二,生产的过程是全自动的,能够自动报警、自动补充原料的不足、自动配置生产。正常生产的过程是不用人员的。 萃取洗液生产车间的技术要求 技术要求: 1.配置浓度的键入功能(每天要生产什么浓度值洗液需要输入系统); 2.各罐的液位显示与上下限位报警功能(可以显示液位的高度与限位报警); 3.洗液自动配置功能; 4.洗液配置误差?1%; 5.传感器要求抗酸腐蚀;稀土萃取洗液生产车间自动控制系统综述 目前国内的稀土萃取洗液生产系统,由于缺乏先进的技术手段支持,基本上都采用传统的工作人员在现场

21、监控生产,盐酸酸洗液浓度较高时,酸雾逸出多,给生产环境造成了污染,对人体有较大危害性。而且这种全靠人员监测生产出来的产品浓度偏差大,对稀土元素分离程度有较大的影响,而且生产现场危险性比较大。1.萃取洗液生产的电气手动控制方式 这类系统主要以工作人员手动去控制对象,他们通过手动打开阀门加原料,根据提前计算好的液位,加到位后手动关闭阀门。手动启动搅拌电机,均匀后,看仪表显示值,符合要求装入成品罐。 这类系统没有自能控制对象,生产过程益发生事故,空气中的雾化盐酸对工作人员的危害比较严重。由于是工作人员一步一步控制,生产出来的产品浓度波动大,对资源有很大的浪费。生产线比较落后,运营起来成本也比较大。但

22、唯一优点是起初投入资金较少。2.萃取洗液生产的PLC控制方式 这种系统是采用西门子公司S7-200系列PLC为控制对象,PLC通过对液位、浓度信号的采集处理后动作执行机构泵控制配置罐中液体的高度,从而实现对浓度的控制。这种系统生产过程中比较稳定,而且可以连续生产,现场工作人员待得时间比较短,从而对人员的危害大大降低。系统起初资金投入量也不是很大,但正常生产过程中运营成本较低,对资源的利用率较高。本章小节 本章简要叙述了萃取洗液生产车间的组成与工作原理,并结合目前萃取洗液生产常用的控制手段,初步提出了本系统控制的基本思想以及实现方式。系统设计萃取洗液生产的控制原理配置过程的控制原理 萃取洗液生产

23、是以PLC为主要控制器,PLC控制器先把PC机中对要求配置浓度的设定值接收回来后,通过盐酸罐中浓度传感器将原料浓度检测回来后,通过计算公式: (2.1) (2.2) 第一次配置加水、加盐酸的液位计算。根据H +离子浓度守恒原则。通过上式可以计算出加原料的体积,其中“C原”是原料盐酸罐中H +离子的浓度(原料的浓度);“C配”是要求生产成品的设定值浓度;“h水”是要加入水的高度;“260”是加盐酸到达的位置(h水+H260)。这里的“C原”是检测到的已知量,“C配”是设定值。只有“h水”是个未知量。加水的高度到达h水后,加原料盐酸到260可以启动搅拌电机搅拌均匀,第一次配置过程实现完成,当浓度符

24、合要求后将配制罐中的配置液通过成品泵输送到成品罐。当浓度有偏差时,进行下面的浓度调整。 (2.3) (2.4) PLC先检测回配制罐中的浓度与设定值比较,当浓度高于要求值时。由公式(2.4)可以计算出再次加入水的高度到h=h2+h测。到位后在进行搅拌18分钟。直到浓度调整满足要求浓度为止。 PLC先检测回配制罐中的浓度与设定值比较,当浓度小于要求值时。由公式(2.3)可以计算出再次加入原酸的高度到h=h1+h测。到位后在进行搅拌18分钟。直到浓度调整满足要求浓度为止。 如果浓度不满足要求继续进行如上调整,直到浓度满足为止。系统设计配制罐的上限报警值,是根据经验值得出来,一般在调整时不会过线。如

25、果调整过线后继续不满足要求,有工作人员现场处理。 配制罐中的洗液配置好后,1#成品罐的电磁阀先打开,1#电磁阀打开后启动成品泵,当1#成品罐达到250cm后2#成品罐的电磁阀打开(1#成品罐达到260cm后自动关闭1#电磁阀),当2#成品罐达到260cm后关闭成品泵,然后关闭成品阀。补充原液与报警 原料水罐与盐酸罐液位低于30cm时,自动启动补水泵与补盐酸泵进行补充到160cm后自动停止补充泵。当水罐与盐酸罐液位过高时,高于280cm后自动报警。配置罐的液位高于、低于一定值后也会自动报警。采样信号和控制量分析 要实现前面所述的控制要求,从上述原理分析可知系统需要对盐酸罐、水罐、配制罐、成品罐进

26、行液位检测,要求液位精度在cm级别。由稳定的24V DC电源供给液位、浓度、称重传感器。采样信号统计表2.1。 表2.1 采样信号统计表序号信号名称性质传感器硬件资源说明1盐酸罐液位模拟压力液位传感器AIW0液位控制2水罐液位模拟压力液位传感器AIW2液位控制3配制罐液位模拟压力液位传感器AIW4液位控制41#成品罐液位模拟称重传感器AIW6液位控制52#成品罐液位模拟称重传感器AIW8液位控制6盐酸罐浓度模拟盐酸浓度传感器AIW12浓度控制7配置罐浓度模拟盐酸浓度传感器AIW14浓度控制8控制回路启动开关开关手动开关I0.0供电9控制回路停止开关开关手动开关I0.1断电10盐酸泵热继电器开关

27、继电器开关I0.2盐酸泵过负荷11水泵热继电器开关继电器开关10.3水泵过负荷12成品泵热继电器开关继电器开关10.4盐酸泵过负荷13搅拌电机热继电器开关继电器开关10.5电机过负荷14补盐酸泵热继电器开关继电器开关10.6盐酸泵过负荷15补水泵热继电器开关继电器开关10.7水泵过负荷16盐酸泵启动开关继电器Q0.0启动泵17水泵启动开关继电器Q0.1启动泵18成品泵启动开关继电器Q0.2启动泵19搅拌电机启动开关继电器Q0.3启动电机20补充盐酸泵启动开关继电器Q0.4启动泵21补充水泵启动开关继电器Q0.5启动泵22盐酸罐上限报警开关报警灯Q0.7报警灯23盐酸罐下限报警开关报警灯Q1.0

28、报警灯24水罐上限报警开关报警灯Q1.1报警灯25水罐下限报警开关报警灯Q1.2报警灯26配置罐上限报警开关报警灯Q1.3报警灯27配置罐下限报警开关报警灯Q1.4报警灯281#成品罐上限报警开关报警灯Q1.5报警灯292#成品罐上限报警开关报警灯Q1.6报警灯30上下限报警开关报警铃Q1.7报警铃311#电磁阀开关电磁阀Q2.0控制导通322#电磁阀开关电磁阀Q2.1控制导通系统组成 第一章对工艺与洗液生产原理的介绍中,已经简单说明本系统主要由原料单元、配置单元、成品单元、控制单元、报警单元五大部分组成。这五部分协调工作将完成对稀土萃取洗液生产车间自动控制。 稀土萃取洗液生产车间自动控制系统

29、是通过PLC对液位、浓度、称重、开关量信号的检测,经过分析计算后对泵、电机、电磁阀的控制,实现浓度的控制。 PC组态监控机输入要配置一定浓度(当量)萃取洗液值,然后按组态上的启动按钮启动(组态里同时有停止按钮可以命令停止)。程序开始工作后,PLC对配制罐的浓度值、配制罐的液位值、盐酸罐的浓度值、PC机组态输入值的数据采集回来后计算出要加入水、盐酸的量(换算成配置罐的液位高度)。PLC控制打开水水泵,当达到计算液位后将其关闭,然后PLC控制打开盐酸泵,当达到计算液位后将其关闭。初次加完盐酸后PLC控制启动18分钟搅拌电机将以上混合液搅拌均匀。搅拌均匀后PLC检测配制罐盐酸浓度是否达到要求浓度,高

30、于(低于)配置浓度,PLC对配制罐的浓度值、配制罐的液位值、盐酸罐的浓度值采集回来后计算出再次加入水、盐酸的量(换算成配置罐的液位高度)。,然后打开相应的水泵(盐酸泵)加水(盐酸)到位后动18分钟搅拌电机将以上混合液搅拌均匀。最后PLC检测配制罐盐酸浓度是否达到要求浓度,满足要求配置浓度,PLC控制打开1#电磁阀,然后打开成品泵。高于(低于)配置浓度,如上再继续进行调整直至满足要求配置浓度。整个系统控制流程图2.1所示。 图2.1控制流程图本章小节 本章主要阐述萃取洗液生产的控制原理,以及对控制系统涉及的采用信号与控制信号进行具体分析,同时对该系统工作过程进行比较详细的说明。硬件设计 稀土萃取

31、洗液生产车间自动控制系统是基于控制器PLC对泵与电机的自动控制,实现萃取洗液的自动生产。主要部分是:控制器PLC、水泵、盐酸泵、电机、电磁阀、浓度传感器、液位传感器、称重传感器等。PLC的选型 SIMATICS7-200作为西门子SIMATIC PLC家族中的最小成员,以其超小体积,灵活的配置,强大的内置功能,多年来一直广泛服务于国内的各行各业。 SIMATIC S7-200系列PLC适用于各行各业,各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中,或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。 S7-200系列出色表现在以下

32、几个方面:极高的可靠性; * 极丰富的指令集 * 易于掌握 * 便捷的操作 * 丰富的内置集成功能 * 实时特性 * 强劲的通讯能力 * 丰富的扩展模块 S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛,覆盖所有与自动检测,自动化控制有关的工业及民用领域,包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如:冲压机床,磨床,印刷机械,橡胶化工机械,中央空调,电梯控制,运动系统。 PLC本身就是一台适合工业现场使用的专用的专用计算机,其硬件组成有六个部分,分别为:中央处理器(CPU)、存储器、电源、输入/输出

33、接口、外部设备接口、I/O扩展接口。西门子公司PLC有S7-200系列、S7-300系列、S7-400系列。稀土萃取洗液生产车间自动控制系统以S7-200系列的PLC进行的控制,本系统中仅用到S7-200系列相关硬件组成。CPU的选型 本系统中需要控制五台泵、一个电机、两个电磁阀。五台泵中酸泵三台水泵两台,有水泵、补水泵、盐酸泵、补盐酸泵、成品泵。泵的控制是为了满足浓度与液位的要求。用到两个浓度传感器、三个液位传感和两个称重传感器(重量转换成液位)。PLC对盐酸罐、水罐、配置罐液位检测,盐酸罐、配置罐浓度检测,称重传感器的检测,对五个泵、搅拌电机的控制,实现浓度的控制。实现浓度的自动调节需要控

34、制PLC的软件控制来实现。 为了满足以上所介绍的萃取洗液生产车间自动生产的工艺要求,经过分析需要对盐酸罐、水罐、配置罐液位检测,盐酸罐、配置罐浓度检测,称重传感器的检测,用西门子S7-200可编程控制器模拟量扩展模块实现其液位、浓度的控制。而各泵与电机的启停由S7-200数字量控制,实现生产的自动化。因为要跟上位机进行数据的传输和显示,S7-200与PC机采用PPI电缆通信。1.S7-200 CPU的选择(1)CPU的作用 CPU是PLC的核心部件,主要用来运行用户程序、监控输入/输出接口状态以及进行逻辑判断和数据处理。CPU用扫描的方式读取输入装置的状态或数据,从内存逐条读取用户程序,通过解

35、释后按指令的规定产生控制信号,然后分时、分渠道的执行数据的存取、传送、比较和变换等处理过程,完成用户程序所设计的逻辑或算术运算任务,并根据运算结果控制输出设备响应外部设备的请求以及进行各种内部诊断。(2)CPU的分类 S7-200系列小型PLC(Micro PLC)可应用于各种自动化系统。紧凑的结构、低廉的成本以及功能强大的指令集使得S7-200 PLC成为各种小型控制任务理想的解决方案。S7-200产品的多样化以及基于Windows的编程工具,使您能够更加灵活地完成自动化任务。 S7-200 CPU包括CPU 221、CPU 222、CPU 224、CPU 224XP和CPU 226等型号如

36、表3.1。 表3.1CPU型号订货号CPU模板CPU供电(标称)数字量输入数字量输出通讯口模拟量输入模拟量输出6ES 7211?0AA23-0XB0CPU22124VDC6x24VDC4 x 24VDC16ES 7211-0BA23-0XB0CPU221120至240 VAC6x24VDC4x 继电器16ES 7212?1AB23-0XB0CPU22224VDC8x24VDC6x24VDC16ES 7212-1BB23-0XB0CPU222120至240 VAC8x24VDC6x 继电器16ES 7214?1AD23-0XB0CPU22424VDC14 x 24 VDC10 x 24 VDC1

37、6ES 7214?1BD23-0XB0CPU224120至240 VAC14 x 24 VDC10 x 继电器16ES 7214?2AD23-0XB0CPU224XP24VDC14 x 24 VDC10 x 24 VDC2216ES7 214?2AS23-0XB0CPU224XPs24VDC14 x 24 VDC10 x 24 VDC2216ES 7214?2BD23-0XB0CPU224XP120至240 VAC24 x 24 VDC10 x 继电器2216ES 7216?2AD23-0XB0CPU22624VDC14 x 24 VDC16 x 24VDC26ES 7216?2BD23-0X

38、B0CPU226120至240 VAC24 x 24 VDC16 x 继电器22.系统萃取洗液生产车间自动控制系统中CPU选择 ?根据前面S7-200产品的相关知识,并结合本系统的控制要求。本系统S7-200采用CPU 224的6ES 7214?1BD23-0XB0型号,供电范围120至240 V AC。选用标准220V AC供电。14个 24V DC输入点,10个继电器输出。本系统的输入点总数为8个,CPU 224的14个足够满足系统的要求。系统输出点需21个,CPU 224的10个输出点不够满足系统要求的21个点,需要扩展数字量输出模块。CPU 224的实际连接如图3.1。图3.1 CPU

39、 224连接图S7-200 数字量、模拟量扩展模块的选型1.系统输入、输出量(1)数字量的输入、输出如表3.2。表3.2数字量的输入、输出序号名称类型地址说明1控制回路启动开关输入I0.0供电控制2控制回路停止开关输入I0.1断电控制3盐酸泵热继电器输入I0.2盐酸泵过负荷4水泵热继电器输入10.3水泵过负荷5成品泵热继电器输入10.4盐酸泵过负荷6搅拌电机热继电器输入10.5电机过负荷7补盐酸泵热继电器输入10.6盐酸泵过负荷8补水泵热继电器输入10.7水泵过负荷9盐酸泵接触器输出Q0.0启动泵10水泵接触器输出Q0.1启动泵11成品泵接触器输出Q0.2启动泵12搅拌电机接触器输出Q0.3启

40、动电机13补充盐酸泵输出Q0.4启动泵14补充水泵输出Q0.5启动泵15盐酸罐上限报警输出Q0.7报警灯16盐酸罐下限报警输出Q1.0报警灯17水罐上限报警输出Q1.1报警灯18水罐下限报警输出Q1.2报警灯19配置罐上限报警输出Q1.3报警灯20配置罐下限报警输出Q1.4报警灯211#成品罐上限报警输出Q1.5报警灯222#成品罐上限报警输出Q1.6报警灯23上下限报警输出Q1.7报警铃241#电磁阀输出Q2.0电磁阀252#电磁阀输出Q2.1电磁阀(2)模拟量输入、输出如表3.3。表3.3模拟量输入、输出序号名称类型地址说明1盐酸罐液位输入AIW0液位控制2水罐液位输入AIW2液位控制3配

41、制罐液位输入AIW4液位控制41#成品罐称重输入AIW6液位控制52#成品罐称重输入AIW8液位控制6盐酸罐浓度输入AIW8浓度控制7配置罐浓度输入AIW10浓度控制2.PLC扩展的模块 S7-200的输入、输出模块主要有数字量输入、输出模块和模拟量输入、输出模块。数字量扩展模块是为了解决本机集成的数字量输入、输出点不能满足需要而使用的扩展模块。模拟量扩展模块可以提供模拟量输入和模拟量输出功能。S7-200的模拟量扩展模块具有较大的适应性,可以直接与传感器相连,有很大的灵活性并且安装方便。(1) S7-200的数字量输入、输出模块类型如表3.4。 表3.4 S7-200的数字量输入、输出模块类

42、型订货号扩展模块入 数字量输数字量输出6ES 7 2211BF220XA0EM221 数字输入 8 x 24VDC8 x 24VDC6ES 7 2211EF220XA0EM221 数字输入 8 x 120/230VAC8x120/230VAC6ES7221-1BH22-0X0EM221 数字输入 16 x 24VDC16 x 24VDC6ES7222-1BD22-0X0EM222 数字输出 4 x 24VDC-5A4 x 24VDC-5A6ES7222-1HD22-0X0EM222 数字输出 4x 继电器-10A4x 继电器-10A6ES 7 2221BF220XA0EM222 数字输出 8

43、x 24VDC8 x 24VDC-0.75A6ES 7 2221HF220XA0EM222 数字输出 8x 继电器8x 继电器-2A6ES 7 2221EF220XA0EM222 数字输出 8 x 120/230VAC8 x 120/230VAC6ES 7 2231BF220XA0EM223 24VDC 数字组合 4输入/4输出4 x 24VDC4 x 24VDC-0.75A6ES 7 2231HF220XA0EM223 24VDC数字组合 4输入/4继电器输出4 x 24VDC4x 继电器-2A6ES7223-1BH22-0XA0EM223 24VDC数字组合 8输入/8输出8 x 24VD

44、C8 x 24VDC-0.75A6ES 7 2231PH220XA0EM223 24VDC数字组合 8输入/8继电器输出8 x 24VDC8x 继电器-2A6ES 7 2231BL220XA0EM223 24VDC数字组合 16输入/16输出16 x 24VDC16x24VDC-0.75A6ES 7 2231PL220XA0EM 223 24VDC数字组合 16输入/16继电器输出16 x 24VDC16 x 继电器-2A 数字量输出模块EM 222有两种类型,一种为8点24V直流输出型,另一种为8点继电器输出型。 数字量直流24V直流输出型EM 222本机有8点数字量输出,输出电压标准为24

45、V DC/4mA,输出波动电压20.428.8V DC,输出电流0.75A/点。EM 222采取光电隔离500V AC,每组4点,第一组1M、1L+、0.0、0.1、0.2、0.3,1L+为第一组公共端接电源正极,1M为第一组电源负极;第二组2M、2L+、0.4、0.5、0.6、0.7,2L+为第二组公共端接电源正极,2M为第二组电源负极。从5V DC(I/O总线)耗电50mA。电缆长度可以为屏蔽500m或不屏蔽150m。 数字量继电器输出型EM 222本机有8点数字量输出,输出电压530V DC,5250V AC,输出电流2.0A/点EM 222采取光电隔离500V AC,每组4点,第一组1

46、L、0.0、0.1、0.2、0.3,1L为第一组公共端,第二组2L、0.4、0.5、0.6、0.7,2L为第二组公共端,M为24V DC电源负极端,L+为24V DC电源正极端。从5V DC(I/O总线)耗电40mA。电缆长度可以为屏蔽500m或不屏蔽150m。 本系统选择的CPU 224的输出点有10个,而系统所需要的是18个输出点。本系统扩展了一个EM 222模块,型号是6ES 7 2221HF220XA0的EM 222模块,有8个继电器数字量输出,与系统的控制的对象如图3.2。 图3.2 EM 222模块数字量输出(2) S7-200的模拟量输入、输出模块类型如表3.5。 表3.5 S7

47、-200的模拟量输入、输出模块类型订货号扩展模块入 模拟量输模拟量输出6ES7231-0HC22-0XA0EM231模拟量输入,4输入46ES7231-0HF22-0XA0EM231模拟量输入,8输入86ES7232-0HB22-0XA0EM232模拟量输出,2输出26ES7232-0HD22-0XA0EM232模拟量输出,4输出46ES7235-0KD22-0X0EM235 模拟量组合,4输入/1输出41 EM 231具有4路模拟量输入,输入信号可以是电压也可以是电流,其输入于PLC具有隔离。输入信号的范围可以由SW1、SW2和SW3设定。分辨率为12bit,电源电压标准24 V DC/4m

48、A,输入类型有:010V、05V、5V、2.5V、020mA。从5V DC(I/O总线)耗电10mA。接线端子:M为24V DC电源负极端,L+为电源正极端。RA、A+、A-;RB、B+、B+;RC、C+、C-;RD、D+、D-分别为第一第四路模拟量输入端。电压输入时,“+”为电压正端。“?”为电压负端。电流输入时,需将R与“+”短接后作为电流的进入端,“?”为电流流出端。 表3.6 EM 231模块4输入DIP开关 为EM 231模拟量输入、8输入模块以及开关3、4和5选择模拟量输入范围。使用开关1和2来选择电流输入模式(表A-22)。开关1打开(ON)为通道6选择电流输入模式;关闭(OFF

49、)选择电压模式。开关2打开(ON)为通道7选择电流输入模式; 关闭(OFF)选择电压模式。 表3.7 EM 231模块8输入DIP开关 EM 231模拟量输入和4输入模块,EM 231模拟量输入、8输入模块接线图如图3.3。图3.3模块接线图 萃取洗液生产系统选择的CPU 224没有模拟量的输入与输出,系统设计有6路模拟量输入,没有输出。6路模拟量分别取自盐酸罐液位传感器和浓度传感器、水罐液位传感器、配制罐液位传感器和浓度传感器、成品罐称重传感器。其中3个液位传感器与2个称重传感器的标准输出设置为15V DC,剩余2个浓度传感器设置其输出为标准420mA信号。系统为PLC选取的模拟量输入扩展模

50、块为EM231,选取的是8输入的EM231,其型号为6ES7231-0HF22-0XA0的EM231。对EM231输入信号的量程选择开关设置为:SW1ON、SW2ON、SW3ON、SW4ON、SW5OFF。其中开关SW1打开(ON)为通道6选择电流输入模式;关闭(OFF)选择电压模式。开关SW2打开(ON)为通道7选择电流输入模式; 关闭(OFF)选择电压模式。SW3、SW4、SW5为(1、1、0)选择输入信号为(05V与020mA,分辨率为1.25mV与5A),SW3、SW4、SW5为1、0、1选择输入信号为(010V分辨率为2.5mV)。EM231的连接电气如图3.4。 图3.4 EM 2

51、31模块模拟量输入S7-200的通信1.S7-200的通信方式 西门子S7-200系列PLC可以支持多种通信方式。第一种是点到点接口,即PPI方式与TCP/IP方式;第二种是多点接口,即MPI方式;第三种是过程现场总线PROFIBUS,即PROFIBUS-DP方式;第四种是用户自定义协议,即自由口方式。(1) PPI方式 PPI是一个主/从协议。一次读写操作的步骤包括:首先上位机发出读写命令,PLC作出接收正确的响应,上位机接到此响应则发出确认申请命令,PLC则完成正确的读写响应,回应给上位机数据。这样收发两次数据,完成一次数据的读写。 在采用上位机与PLC通讯时,上位机采用VB编程,PPI方

52、式可以用普通的两芯电缆进行通信,从而实现工程的运行和监控。PPI方式传送的波特率为9.6Kbit/s、19.2Kbit/s、187.5Kbit/s,通讯系统采用主从结构,上位机遵循PPI协议格式,发出读写申请,PLC返回相应的数据。(2) MPI方式 MPI可以是主/主协议,也可以是主/从协议,主要在两个相互通信的设备之间建立连接,这种连接是非公有的,另一个主站不能干涉两个设备之间已经建立的链接。如果设备室S7-300CPU,MPI就建立主/主协议,应为所有的S7-300CPU都可以是网络的主站。设备是S7-200CPU,MPI就建立主/从协议,应为S7-200CPU是从站。(3)PROFIB

53、US方式 在S7-200系列PLC中,CPU222、CPU224、CPU226都可以通过增加EM277 PROFIBUS-DP扩展模块的方法支持DP网络协议。 PROFIBUS协议通常用于实现与分布式I/O(远程I/O)的高速通讯。可以使用不同厂家的PROFIBUS设备。这些设备包括简单的输入或输出模块、电机控制器和PLC。 PROFIBUS网络通常有一个主站和若干个I/O从站,主站器件通过配置可以知道I/O从站的类型和站号。主站初始化网络使网络上的从站器件与配置相匹配。主站不断地读写从站的数据。当一个DP主站成功配置了一个DP从站之后,它就拥有了这个从站器件。如果在网上有第二个主站器件,那么

54、它对第一个主站的从站的访问将会受到限制。2.萃取洗液生产车间PPI通信的建立 西门子S7-200系列PLC的CUP有RS-485通讯口,直接通过一根PPI电缆就可以将CUP的RS-485通讯口与PC机的RS-232相连,只需要对其通讯设置窗口进行相应的设置就可以实现通信。PC机上安装STEP 7-Micro/WIN后,为STEP 7-Micro/WIN配置波特率和站地址。在操作栏中点击通讯图标,然后执行以下步骤: 1. 在通讯设置窗口中双击图标。 2. 在Set PG/PC Interface对话框中点击属性按钮。选PCPPI cable(COM1) 3. 为STEP 7-Micro/WIN选择站地址。 4. 为STEP 7-Micro/WIN选择波特率。 5.为S7-200设置波特率和站地址。执行器设备选型盐酸浓度传感器 主要技术指标。 测量范围:020%(0到8个当量的范围)